摘 要：着重介绍了IGCT大功率三电平变频器在煤矿主井提升调速系统中的应用，分析了提升机电控系统中运用IGCT三电平逆变器的工作原理。IGCT变频器可以做到大功率、高电压，使提升机电控系统可靠性更高，输入、输出的功率因数为1，减少了电网的谐波污染，使提升效率明显高于同类型设备，能耗大幅度下降。
关键词：集成门极换向晶闸管；三电平变频器；矿井提升机
Application of IGCT Converter in Mine Hoister Adjustable—speed System
LAN Yun，ZHANG Li
（Electric and In rmation College，Anhui University of Science& Technology，
Huainan 232001，Anhui，China）
Abstract：The application of the high —power three—level converter in the mine master hoister was mainly in— troduced，and the principle of IGCT innverter was analyzed．The three— level converter of hoisting system canachieve high power and high voltage by using IGCT module，realize output and input power factor tO 1，reduceharmonious on the grid．As a result，the IGCT converter has higher efficiency and lower energy —loss than sametype equipments．
Key words：integrated gate commutated thyristor（IGCT）；three—level converter；mine hoister
近几年来，随着一种新型电力电子器件——集成门极换向晶闸管IGCT 的成功应用，由于其高电压、大电流，较小的开关损耗，较快的开关速度等优点，被瑞士ABB公司应用于大功率交一直一交变频调速系统ACS6000SD中。IGCT 的主要技术指标为：瞬时开关频率2O kHz，开关关断时问 1μs，di／dt为4 kA／μs，dr／dt为1O～20 kV／μs，交流阻断电压6 kV，直流阻断电压3．9 kV。
1 IGCT逆变器工作原理
1．1 IGCT结构
IGCT结构如图1所示，该图左侧是GCT（门极换流晶闸管），右侧是反并联的二极管。IGCT是在GTO的基础上研制出来的改良器件，是由GCT和硬门极驱动电路集成而来的。GCT与GTO有着类似的3端4层结构，与GTO有重要差别的是GCT芯片利用缓冲层技术，采用透明阳极发射技术的IGCT阳极很薄，且为弱掺杂，硅片厚度更薄，可大大降低导通和开关损耗。GCT内部由上百甚至上千只小GCT元件组成，它们的阳极公用，而阴极、门极则分别并联在一起，其目的就是利用门极实现器件关断。
ACSC6000SD系统的IGCT驱动电路触发功率小，把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体，通过两根光纤输入触发信号，输出工作状态信号。IGCT与门极驱动器相距很近（间距15 cm），使IGCT结构更加紧凑和坚固，并可使门极电路的电感进一步减小，降低了门极驱动电的成本和效率。门极驱动电路需要20～24 V的直流电源。驱动板设有单独的开通电路和关断电路。逻辑监控电路对IGCT 的状态进行监控，假如功率开关器件损坏，通过驱动板上的发光二极管显示，若驱动电源有故障，也通过不同的发光二极管显示。若电路正常，通过光纤给出高电平，IGCT导通，给出低电平，IGCT关断。
IGCT利用门极脉冲开通，导通机理及结构与GTO完全一样，但关断机理与GTO完全不同。当GCT工作在导通状态时，是一个像晶闸管一样的正反馈开关，其特点是携带电流能力强和通态压降低。在关断时，GCT能瞬间从导通状态转到阻断状态，阳极电压一旦建立GCT 门一阴极PN结提前进入反向偏置，电子便能通过发射极排出，部分电子在金属电极界面处复合，而不注人空穴，此时无需采用阳极短路就可限制PNP晶体管的发射效率和增益，拖尾电流虽然大但时间短（表1为GTO和IGCT的性能比较），从而大大提高了门极触发灵敏度，缩短了关断时间，提高了关断速度，兼顾了晶体管稳定关断能力和晶闸管的低通态损耗的优点，降低了关断损耗，并有效地退出工作，整个器件呈晶体管方式工作。
1．2 IGCT逆变器
IGCT逆变器的拓朴结构为三相三电平，共包括12个带组合二极管的IGCT模块，每相由4只IGCT，8只二极管组成，其中钳位二极管2只，中点二极管2只，反馈二极管4只。由这些器件组成一个三电平逆变器如图2所示。
以A相为例，定义电流由逆变器流向电机方向为正方向。给VT1m，VT1A导通触发脉冲时，假如电流为正方向，则P点电流流过主管VT1m，VT1A，输出端电位等同于P点电位；若电流为反方向，流过续流二极管VD1m，VD1A，电流注入P点，输出端电位仍等同于P点电位。给VT1A，VT4A一导通触发脉冲时，假如电流为正方向，则0‘点电流流过二极管VD1、主管VT1A，输出端电位等同于0‘点电位；若电流为反方向，电流流过主管VT4A，二极管VI4，注入O‘点，输出端电位仍等同于O‘点电位。给VT4A，VT4M导通触发脉冲时，假如电流为正方向，则N点电流流过续流二极管 VD4A，VD4m，输出端电位等同于N点电位；若电流为反方向，电流流过主管VT4A，VT4m，注入N点，输出端电位仍等同于N点电位。
由此可见，每相桥臂的4个IGCT有3种不同的通断组合，对应3种不同的输出电位。设VT1m与VT1A。导通为模式1接通P，输出电压+Ud／2；VT1A与VT4A接导通模式2接通0’，输出电压为0；VT4A与VT4m导通为模式3接通N，输出电压为一Ud／2。
2 提升机变频调速系统
新型矿井提升机变频调速多采用ABB公司的ACS6000SD交一直一交变频器，带4 000 kW 同步电动机的驱动方案。ACS6000SD驱动控制系统包含有两个拓扑结构完全相同的三电平IGCT变流器，一个作为PWM 整流器（ARU），另一个作为PWM 逆变器（INU），其结构如图3所示。
鉴于矿井提升机的运行工艺，提升机属往复运动的生产机械，频繁加、减速，另外矿井提升机电动机容量达4 000 kw，因此系统要求开关器件路元件数、热耗散，从而明显降低了门极驱动电路的工作电压高、工作电流大及通态损耗低。ACS6000SD系统的IGCT单管交流阻断电压达6 000 V，瞬时电流达4 kA，开关关断时问1 s。ACS6000SD是基于直接转矩控制技术新型交一直一交电压型中压变频器，功率范围从3～27 Mw。整流单元 ARU 和逆变单元INU 的硬件拓扑结构是完全相同的，不同之处是ARU单元比INU单元多了2块ASE抗磁饱和电路。
ACS6000SD系统通过交一直一交变频器对矿井提升同步电动机进行控制，IGCT在电路中作为变频器的主开关器件。变频器主电路由进线侧三电平整流器、中问直流电路、电机侧三电平逆变器构成。该电路具有以下特点：1）可以实现输入功率因数为I；2）在额定负载下的效率大于97 ；3）可控制同步电动机功率因数为1；4）逆变器采用直接转矩控制技术，静态速度误差0．01％ ，动态速度误差0．2％ ～0．5 ％；
整流单元ARU将变压器的二次侧交流电压整流为直流电压，整流输出电压为直流4 800 V。在直流母线处有储能电容单元CBU，CBU 中的大电容用来存储能量，用于保证直流回路的电压恒定。根据电动机的运行模式（电动或制动），ARU分别从电网获取能量或向电网注入能量来实现能量的双向流动。
功率因数控制：ARU整流器采用矢量控制策略，通过选择适当ARU脉冲触发模式，使变压器电流与线电压具有相同的相位，从而使系统的功率因数 COS 为1。变压器是感性负载，要使功率因数为1，就要对其进行补偿，使其总体呈阻性负载，因此ACS6000SD系统在直流侧增加了CBU电容柜，以容性负载的超前特性来抵消感性负载的滞后，这就要求能量能经过ARU进行流动，而ACS6000SD系统也具备了让ARU 反向逆变的功能，使ARU实现反向逆变功能是由ARU的控制板AMC3来控制的。
三电平逆变单元将ARU整流输出的直流电压转变为频率可调的交流电压以驱动电机。逆变单元允许4象限运行。INU单元的电路拓扑结构与ARU整流单元相同，INU 逆变器采用的控制策略为基于三电平的直接转矩控制。INU 和ARU一样，其直流侧连接到直流回路的电容上，因此对整个系统是对称的。由于 IGCT关断时正向电流必须迅速归零，di／dt过大，因此利用钳位电路来吸收IGCT关断时的能量。
CBU单元的作用是过滤和平滑直流母线上的直流电压，储存逆变器反馈回来的直流电能。CBU单元的主要组成部分如下：
1）充电回路由一个辅助升压变压器（输入660V，输出为3 900v／o．9 A）和一个二极管整流电路组成。作用是在ARU开始工作之前对直流回路进行充电，使直流回路中的直流电压稳定在DC4 200V左右，整个充电过程需要时间大约为40 S。如不对直流回路进行预充电，ARU 开始工作时会产生一个很大的浪涌电流，对CBU 内的电容产生冲击破坏，同时对ARU单元内的IGCT器件构成威胁。
2）电容组是CBU 的主要部分，它直接连接在直流侧的正极（DC+）与中性点（NP）、中性点与负极（DC一）之间。ACS6000SD系统的直流侧电容的数量取决于系统容量的要求，例如配置6个电容可以达到9 MV·A 的系统容量，每个电容的容量为1．6mF（2 700V／260A）。
3 结语
IGCT变频器是基于双PWM 的三电平变频器调速装置。整流桥侧采用矢量控制技术，可以大大减小整流侧的电流谐波，任意调整电网侧的输入功率因数以及实现4象限运行；逆变器侧采用DTC控制，其输出的转矩响应更快；使用三电平技术，使输出线电压波形更加接近正弦波，变频器中的IGCT承受的电压仅为直流电压的一半，这样将变频器的电压和容量提高一倍。故IGCT变频器非常适用于高电压、大容量的矿井提升机调速系统，其提升效率明显高于同类型设备，能耗大幅度下降。
参考文献
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