高压IGBT变频器及应用
摘要：开发高电压、大电流、频率高的高压IGBT并将其应用到变频调速器中以获得输出电压等级更高的装置成为人们关注的焦点
本文就第四代IGBT的优异性能，与GTO、IGCT等电力电子器件进行了比较，结合MV系列中压变频器的特点论述了采用三电平技术获得优良的输出电压特性，采用模块化技术以适应各种负载的需求，介绍了三电平有源前端（AFE）技术提供的四象限传动方案，并提供众多应用选型实例说明中压变频器的方案选择与应用效果
1前言
电力电子技术、微电子技术与控制理论的结合，有力地促进了交流变频调速技术的发展。近年来，具有驱动电路和保护功能的智能IGBT的应用使得变频器结构更加紧凑且可靠。与其它电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，鉴于此，开发高电压、大电流、频率高的高压IGBT并将其应用到变频调速器中以获得输出电压等级更高的装置成为人们关注的焦点。
中压变频器的研发与电力电子器件如高压IGBT、GTO、IGCT等器件研制水平和应用水平密切相关，随着高电压、大电流IGBT的面世，给中压变频器注入了新的活力，德国西门子公司采用高压IGBT(600A～1200A/3300V～6500V)、三电平技术开发的SIMOVERTMV系列中压变频器已在国内广泛用于有色、冶金、电力、建材、自来水、石油化工等行业并得到用户的认可，本文就第四代IGBT的优异性能，与GTO、IGCT等电力电子器件进行了比较，结合MV系列中压变频器的特点论述了采用三电平技术获得优良的输出电压特性，采用模块化技术以适应各种负载的需求，介绍了三电平有源前端（AFE）技术提供的四象限传动方案，并提供众多应用选型实例说明中压变频器的方案选择与应用效果。
2中压变频器用电力电子器件的比较
电力电子器件的发展经历了晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、绝缘栅晶体管(IGBT)等阶段，目前，常压变频器基本上采用IGBT组成逆变电路，中压变频器中由于电路结构的不同，交—直—交变频器中逆变电路基本上由高压IGBT、GTO、IGCT等组成，单元串联多电平变频器和中—低—中变频器型多采用低压IGBT构成。
20世纪80年代可关断晶闸管GTO的商品化促进了交流调速技术的发展，与SCR相比其属于自关断器件，由于取消了强迫换流电路，简化了在交流电力机车中大量采用的逆变器电路，目前GTO的容量为6000A/6000V，在电力机车调速中大多采用（3000～4000）A/4500V，中压变频器功率范围多在（300～3500）kW以内，属于较小的功率范围。GTO开关频率较低，需要结构复杂的缓冲电路和门极触发电路，用门极负电流脉冲关断GTO，其值接近其阳极电流的1/3，如关断3000A/4000V的GTO，需750A的门极负脉冲电流，其门极触发电路需要多个MOSFET并联的低电感电路，而同样的高压IGBT仅需5A的导通和关断电流。GTO的工作频率低于500Hz，以1500A/4500V的GTO为例，其开通时间为10μs，关断时间约需20μs。
硬驱动GTO(IGCT)是关断增益为1的GTO，GTO制造工艺上是由多个小的GTO单元并联而成的，为解决关断GTO时非均匀关断和阴极电流收缩效应，缩短关断时间，利用增加负门极电流上升率，在1μs内使负门极电流上升到阳极电流的幅值而使GTO的门极－阴极迅速恢复阻断。将GTO外配MOSFET组成的门极驱动器组合成IGCT，实现了场控晶闸管的功能，IGCT使用过程中要求开通和关断过程尽可能短，目前IGCT的最高水平为4000A/6000V，IGCT关断过程中仍需要di/dt缓冲器以防过电压，IGCT以GTO为基础，其工作频率应在1kHz以下。
随着关断能力和载流能力的提高，高压IGBT以其自保护功能强，无需吸收电路而具有广阔的应用前景。西门子公司从1988年开始研制和应用低压IGBT，在高压IGBT的开发上也处于领先地位，以目前用于MV系列的1200A/3300VIGBT为例，其栅极发射极电压仅为15V，触发功率低，关断损耗小，di/dt、dv/dt都得到了有效控制，目前高压IGBT的研制水平为(600～1200)A/6500V，其工作频率为（18～20）kHz。
3高压IGBT中压变频器的特点
SIMOVERTMV系列中压变频器采用了实践证明具有优秀性能的矢量转换磁场定向控制原理，即优化的空间矢量和脉宽调制模式，应用高压IGBT和三电平技术而获得了优良的输出电压特性。在设计上充分考虑了各种负载情况，能适应风机、泵类，挤压机，提升机，皮带机，活塞式压缩机，卷取机，开卷机等各种应用。应用模块化技术优化传动装置，可采用12或24脉波二极管整流器，或输入端采用有源前端都可以获得高动态性能、高可靠性和最佳的性能价格比。
目前1500kVA以下电压源型变频器基本上采用二电平电路结构，将中间直流电路的正极电位或负极电位接到电机上去。为满足变频器容量和输出电压等级的需求，并降低谐波及dv/dt，出现了采用GTO或高压IGBT的三电平变频器，将中间直流电路正极电位、负极电位及中点电位送到电机上去。与二电平变频器相比，其输出波形谐波较小，降低了损耗，同时使功率器件耐压降低一半。西门子公司采用高压IGBT、三电平技术开发成功MV系列中压变频器，其逆变器电路在3300V、4160V等级仅需12或24个器件，无须缓冲电路，结构紧凑，提高了可靠性和整体效率。其主电路如图1所示，其输出电压、电流波形如图2所示。
MV系列变频器采用模块化技术，对各种传动应用提供全面的解决方案，为满足再生制动，提供了有源前端技术，即从电网向AFE输入正弦波交流电，经整流后输出直流电压，并保持所要求的电压值，滤波电路保证从电网汲取及反馈回电网的只有正弦波电压或电流。
4MV系列中压变频器应用实例
中压变频器的评价指标包括适用范围、设计思想、如电压源或电流源型、转矩脉动、速度控制、谐波与噪声，效率、功率因数及电磁兼容性等。MV系列变频器通过采用优化的空间矢量和脉宽调制模式可获得极高的动态性能，转矩脉动<2％，并具有完美的控制特性；通过对各种情况下的谐波电流进行快速傅里叶分析，可提供典型谐波电流频谱；MV由于采用高压IGBT无缓冲器电路，功率因数大于096，由于采用有源前端技术，功率因数可根据需要调整(滞后或超前)，同时提高了电磁兼容性，满足了抗干扰的要求。以下提供部分应用实例供参考：
（1）在建材水泥行业，广州珠江水泥厂经过对多家
公司中压变频器产品的比较，决定采用西门子MV系列产品于电收尘风机、炉列风机及窑列风机上，其中，电收尘风机电机为西门子鼠笼电机1RQ45068，1300kW/3300V，中压变频器为6SE80181BA00，输入端采用12脉波整流，变频器总的功率因数大于096；炉列风机电机为西门子鼠笼电机IRQ45646，2500kW/3300V，变频器为6SE80311BA00；窑列风机电机为西门子鼠笼电机1RQ45026，1400kW/3300V，变频器为6SE80181BA00，用户在选型时充分考虑了高压IGBT变频器对电机的绝缘等级的要求，同时也考虑了供货商电机、变频器的系统配套能力，以选择最经济合理的方案，现设备已投入运行并取得显著的节能效果。
（2）在电力行业，SIMOVERTMV具有广泛的应
用前景，特别是对于调峰电厂，主要的应用包括给水泵、送(引)风机、灰浆泵、供热水泵等。通常除了节能，增加机械寿命，减少对电网的冲击外，还可大大优化电厂锅炉的燃烧过程，使全厂的用电率下降，这一点在山东龙口电厂得到了认证。该厂已采用多套西门子变频器用于技术改造，其采用的SIMOVERTMV1250kW/6kV也将很快投入运行。
（3）在石化行业，北京燕山石化66万吨高压聚乙
烯生产中的挤压机其技术要求如下：功率3000kW、12倍过载、调速比为1∶10以上(95～950～1150）r/min。是典型的恒转矩负载，通常采用恒速交流电机或调速直流电机驱动，考虑到化工装置的长期运行，维护工作量应很小，加上节能等方面的考虑，要求具有节能、高可靠性和优良的动态性能，经过比较，采用西门子高压IGBT、三电平技术的SIMOVERTMV以满足所有要求，同时考虑到减少对电网的谐波干扰，最终采用416kV、24脉波结构、3000kW带6极变频电机(不带滤波器)的整套西门子驱动系统。高压IGBT变频器为石化行业技术改造和新上项目提供了更多的可能，特别是新上项目，用户可选择性能价格比最优的方案。
（4）在冶金行业SIMOVERTMV的应用正在增加，主要表现在如下几个方面：
①在精轧机组中用MV＋鼠笼机替代LCI(负载换
流式)变频器＋同步机方案，使系统的谐波更小，性能更佳，安阳钢铁公司5000kWMV精轧机已调试完毕。
②在冷轧机或卷曲机上替代直流传动。
③在节能应用中，用在钢铁厂的焦化风机上，通
常节能在30％以上，如马鞍山钢铁公司、邯郸钢铁公司已有应用。此外炼钢厂的除尘风机，由于是变速工况，采用变频器可大大节能，在太原钢铁公司已有应用(SIMOVERTMV1250kW)。
（5）在有色行业，岭南铅锌集团将西门子MV系列产
品及电机用于二氧化硫风机，主鼓风机，充分考虑了西门子公司的配套总承能力，其中，二氧化硫电机为西门子鼠笼电机1RN45644HX60Z，2250kW/6000V，变频器为12脉冲二极管整流三电平MV6SE80261EA00，主鼓风机电机为1RN45002HV60Z，1300kW/6000V，变频器为6SE80181EA00。
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