摘 要：介绍IGCF-PWM变频器在高速线材轧机的成功应用及调试经验和维护。该变频器以IGCT大功率器件作为逆变开关，并采用单片机和PLC控制，具有完善的故障自诊断功能。
关键词：IGCF；变频器；轧钢
0 引言
近年来，中压大功率调速领域采用交流变频调速系统已成发展趋势。中压变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发和器件制造工艺水平提高的基础上，尤其是高压大容量GTO、IGBT、Ia 器件的成功开发，促进了中压大功率变频技术的迅速发展，技术性能日益完善。在吸取晶闸管（SCR）和GTO发展经验基础上，研制开发出的集成门极换向晶闸管（IGCT）作为一种新型大功率半导体开关器件，以独特方式将晶闸管的低通态压降、高阻断电压和晶体管稳定的开关特性融于一体，其应用将有利于变流装置在功率、可靠性、开关速度、转换效率、成本诸方面的进一步改进，给变流器性能带来新的飞跃。于2001年投产的杭钢高速线材有限公司，其NTM及RSM 轧机变频器采用GE公司的INNO．VAT10N MEDIUM VOLT．AGE DRIVE，其功率元件采用IGCF，所拖动的电机功翠分别达到5000kw 和3200kw。经过一段时间的使用，证明其性能优良，安全可靠，取得了良好的使用效果，充分显示IGCF的成熟、可靠和作为新一代电力电子器件的先进性。
1 电机及变频柜主要技术数据
NTM为高线项目中的无扭轧机，其主要电机的参数如下：
功率5000l W
基速850r／min 电流1006A
电压等级3300V
频率28．33Hz
有效系数96．1％ 功率因素0．905
服务系数1．32I
恒力矩区0～850r／min
恒功率区850～1570r／min
直流源：
斩波频率750Hz
操作频率50Hz
持续运转额定电流1041A
频繁启动150％，60s
变频器：
斩波频率750Hz
最大运行频率60Hz
持续运转额定电流806A
频繁启动150％，60s
2 IGCT的工作原理与强驱动
GCT与其它开关一样，有导通和截止两种稳态和关断开通两种暂态。开通时门极施以正强电压初瞬，GCT处于NPN晶体管状态，这时晶体管作用大于晶闸管作用。转入导通后，GCT仍可用两正反馈的晶体管等效，强烈的正反馈使两晶体管都饱和导通，等效电路如图1（a）所示。当GCT处于阻断状态时，它的门一阴极结反偏，其等效电路如图1（c）所示。这两图也可代表GTO的导通截止，而GCT、GTO的关断过程却有本质不同：能瞬时无中间区由图1（a）直接到图1（C），而GTO则必经中间区如图1（b）。该区的电压重加dU／dt使最大可关断电流下降，瞬时关断能耗增大而在尾部时间损坏GTO，故需设置庞大的dU／dt缓冲器。GCF无中间区无缓冲关断的机理在于，强关断时可使它的阴极注入瞬时停止，不参予以后过程，改变器件在双极晶体管模式下关断，前提是在P基N发射结外施很高负电压，使阳极电流很快由阴极转移（或换向）至门极（f-I极换向晶闸管即由此得名），不活跃的NPN管一停止注入，PNP管即因无基极电流容易关断。 GCT成为PNP管早于它承受全阻断电压的时间，而GTO却是在SCR状态下承受全阻断电压的。所以GCT可象IGBT无缓冲运行，无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短。为便于了解关断过程，现将关断波形示于图2。综上所述，在合适的门极强驱动下，GCT开通初瞬处于NPN晶体管状态；导通时为晶闸管状态；关断瞬间和截止状态均为PNP晶体管状态。
强驱动是GCT成为新器件的关键。其实使普通强驱动也能使其性能明显改善。由于强驱动使开通和存储时间大大减少；在全部运行范围内都能均匀一致地开关且无需缓冲器，易于串并联；强驱动是指器件开和关时，门极驱动电压和电矩形安全工作区几乎达硅片的雪崩极限；强驱动连同缓冲层透明阳极还使门极关断电荷锐减，门极驱动功率骤降，门极单元尺寸缩为GTO的一半，强驱动是重大突破。
强驱动是指器件开和关时，门极驱动电压和电流有适当高的幅值和上升率。如为了加快从门极抽出基区存储电荷的过程，门极负电压应有接近门一阴结雪崩击穿电压值；为了减少存储时间和存储功耗，就要提高门极负向电流上升率达4～6kA／ms，门极电流脉冲幅值也要达到阳极关断电流。只有这样，方能保证互联晶体管在管熄灭后自动关断，即器件开始承受全阻电压前，全部阳极电流在lms内换向至门极，这就要大大限制全部门极回路的总电感。如要关断4000A电流，门极电压为不致雪崩击穿的20V，其门极驱动最大总电感应为上，S<vg／（dt／dt）=20V／（4000A／ln1S）=5μH。如此低的电感，除前述措施外，很重要的一点就是将门极驱动电路集成一体构成IG（ （见图2）
3 INNOVATION MEDIUM VOLTRAGE DRIVE结构及其原理
INNOVATION MEDIUM VOLTRAGE DRIVE为GE公司推出的新一代中压变频传动柜。从图3可以看出，它采用交一直一交变频方式。关键IGCW组件系ABB公司出品。A、B均采用与低压传动系列相同的硬件，具有良好的通用性。C和D同样采用12个IGCW组件。控制器与IGCW组件的通讯采用光纤，有效地防止了高频干扰。整个系统采用去离子水进行冷却，冷却效率高，有效保证系统处于正常温度内。当系统准备运行时，首先在直流源控制器控制下，对直流母排进行充电，达到一定的电压后，将高压开关柜E闭合，直流源开始工作，提供稳定的直流电压源。数秒钟后逆变器开始工作，处于待运行状态。传动系统通过ISBUS网络接受来自PLC的指令并按要求运行。其主回路如图4所示。三电平桥堆拓扑结构同时用于直流源和逆变器。
以下为该传动柜的技术参数：
输出电压／电流0～3000V，0～1750A，无过
载持续工作@额定负载
效率98％
总谐波失真≤11％@lkHz开关频率
换流方式电压源，三电平，中点嵌位
变频方式PWM
输出频率0～90Hz
电力半导体技术IGCT
4 调试经验及运行
两个传动柜自2001年3月开始调试，历时两个月。调试中遇到的问题及注意事项总结如下。
1）IGCT元件在装配时，要注意元件间的压力，不可过松也不可过紧，一般在元件的顶端有个力矩弹簧，确保受力均匀。
2）由于柜子容量大，会引起电网功率因素上升，甚至会产生过补现象，在调试时要注意电网功率因素的波动，适时调整无功成分量。
3）柜子容量大，采用水冷，要注意阻值的变化。
4）调试中由于惯量的变化，会引起机械噪声，
5）如有以下故障要立即进行定位跟踪，确认出现故障后，要用调试工具进行分析、推理，找出故障原因并显示结果，然后根据故障严重程度，决定是否停机或调整系统控制参数。常见故障：缺相，单相接地，IGCT无法开通，各种电压电流传感器故障，控制器故障等。