采用IGCT电压型逆变器的高压变频器仿真研究

采用 IGCT 电压型逆变器的高压变频器仿真研究 IGCT 高压变频器 Pspice 建模与仿真 1 引言 大功率电力电子器件 8 9 及大规模集成电路技术的发展 使得采用高 高直接变换方式实现 高压 6 kV 10 kV 变频调速装置成为可能 与高 低 高变换方式的高压变频器相比 高 高变频器具有体积小 重量轻 效率高 性能价格比高等优点 因而得到越来越多的应用 国 内也有多家公司推出了采用基于 IGBT 器件的单元串联单相桥式主电路结构的高压变频器产品 这种主电路结构由于 IGBT 器件数量多 信号调制复杂而使得整体可靠性较差 驱动能力低 其输出功率也因 IGBT 单管容量有限而受到限制 而 IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor 是 90 年代在晶闸管技术的基础上 结合 IGBT 5 和 GTO 等成熟技术开发的新型器件 因此 它比 IGBT 更适合于高电压 大容量方面的使用 同时 IGCT 在 GTO 的基础上进行了重 新优化设计 因而与 GTO 相比更具有开关状态损耗低 门极控制简单 关断速度快 主回路 接线简单等优点 目前使用的 IGCT 元件最高耐压水平为 5 5kV 适合于大容量变频器使用 鉴于 IGCT 器件完好与否关乎变频器设备的安全运行 对交流电动机电源的变频改造可以改善 启动性能 从而延长电动机的使用寿命 降低企业的生产成本至关重要 1 2 IGCT 子电路模型的建立 2 1 IGCT 结构与工作原理 6 IGCT 是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管 GCT 10 的总称 在工艺上采用了单元结构集成 的方法 其阴极被细分为许多个单元胞 周围由门极包围 形成所谓多阴极的结构 整个芯片 的外面是反并联的快速二极管 IGCT 的阳极 PNP 三极管 是一只高压大电流的三极管 N 基区很厚 在关断之始 N 基区 有大量的存储电荷 这就需要阳极电流有一定时间 1 2 s 去除这些电荷 由于其阴极 NPN 三极 管 anpn 值大 即比较灵敏 因此 在这个时间内 阴极三极管能够转出工作区 这样当阳极 电压上升时 就不会有任何阴极电流了 也就是说 在关断时 IGCT 是一个基极开路的 PNP 三 极管 在开通阶段 数百安培的门极电流强脉冲迅速有效地使阴极 NPN 三极管在晶闸管开关动 作之前进入饱和区 即使在非常高的 di dt 的情况下 开通损耗也几乎可以忽略 2 2 IGCT 的建模及仿真 在本文中 建立 IGCT 模型 2 的目的是用来研究逆变器的动态行为特征 故采用了子电路模 型对其进行仿真 又因 IGCT 的低电感 单元延迟可忽略 对 IGCT 采用了单 2T 3R 仿真电路 9 图 1 给出了 ABB 公司生产的型号为 5SHX04D4502 的 IGCT 仿真电路 VDRM 4500V ITGQM 630A 图 1 单 2T 3R IGCT 模型仿真电路 仿真结果如图 2 a 所示 它与 IGCT 实测关断波形 如图 2 b 所示 相比较 基本吻合 从而较 好地完成了对 IGCT 的仿真 但仍然存在一些差异 仿真结果比较线性 未能更详细的给出阳 极峰值电压之后的振荡过度过程 而用此模型去仿真逆变单元 将具有足够的精度 图 2 a IGCT 关断仿真波形 图 2 b 实测 IGCT 关断波形 2 3 基于 IGCT 的逆变单元 图 3 IGCT 逆变器逆变单元 本文所仿真的高压变频器的参数是根据火电厂风机系统确定的 设电压为 6kV 容量为 2MVA 每个功率单元中的逆变电路的原理接线如图 3 所示 与单一的整流 逆变功率单元电 路图相比 添加上实际电路中的轭流电路及杂散电感 为了观察逆变器中 IGCT 动态行为特征 在逆变器的仿真中采用了详细模型 如图 3 所示 图中的 S1 S4 均采用图 1 所示单 2T 3R 仿真 电路代替 7 且反并联一快速二极管 从而构成逆导型 IGCT 的 PSpice 模型 Rsnubber Dclamp Lsnubber Cclamp 分别是吸收电阻 箝位二极管 轭流电感和箝位电容 它们组成了逆变器的开通吸收回路 即轭流回路 Ls 为电路中的杂散电感 图 4 简化的逆变器控制电路 由于对控制系统特性的仿真需要较长的时间 图 4 为简化的逆变器控制电路及调制信号 而 本文中所关注的是逆变装置的特性 故在不失一般性的情况下可将控制环的行为用如图 5 a 所 示的固定的信号源代替 用表函数 ETABLE 图中的 E1 E2 对比较器进行建模 用于比较两 个输入端的三角波载波信号和正弦波参考信号的大小 信号如图 5 b 所示 并据此产生 PWM 控 制信号 分别控制 S1 S2 IGCT 单元 用一压控电压源 E3 E4 控制端反接上述输出信号 其输出信号控制 S3 S4 IGCT 单元 S1 S3 的控制信号如图 5 b 5 c 所示 可以看出 二者 是互补的 S2 S4 的控制信号分别滞后 S1 S3180 图 5 a 正弦调制信号和三角载波信号 图 5 b S1 控制信号 图 5 c S3 控制信号 3 IGCT 仿真与分析 在仿真过程中 图 5 a 中的 Vr1 正弦调制信号电压 Vr2 为三角载波信号电压 幅值分别取 8 和 10 VC 的幅值取 10 即调制比 m 取 0 8 VC 的频率取值 800Hz 即载波频率为 800Hz 分别仿真了以下三种情况 1 理想情况下 不考虑线路的杂散电感 加载阻性负载 Rload 20 仿真波形如图 6 所 示 图 6 理想情况下仿真 IGCT 端部压 图 7 杂散电感示意图 2 考虑较大的杂散电感 图 8 考虑杂感情况下的仿真波形 桥臂中的杂散电感对 IGCT 的关断产生过电压大小和形状影响很大 逆变器一桥臂仿真电路中杂散电感的示意图如图 7 所 示 其中 LS1 为开通吸收电路中吸收电阻 Rsnubber 支路的杂散电感 其数值跟吸收电阻的选型 有密切关系 一般在 100 500nH 之间为换流回路的杂散电感 其数值跟主电路的机械结构设计 有密切关系 一般在 100 1000nH 之间 LS3 为开通吸收电路中电容支路的杂散电感 其数值 跟吸收电容的选型有密切关系 一般 100 500nH 之间 在仿真过程中 分别取 LS1 100nH LS2 400nH LS3 1000nH 同时加载感性负荷 Rload 20 Rload 10mH 其它 参数同第一种情况一样 仿真波形如图 8 a 和图 8 b 所示 图 8 a IGCT 端部电压 图 8 b IGCT 桥臂电流 图 8 c IGCT 端部电压 故障时 图 8 d IGCT 桥臂电流 故障时 3 考虑一种故障情况 交流电源输入侧的中性点与交流输出侧 LG 滤波器中的电容接地 接至同一接地网 当电容器的容量较大时 例如取 9000 F 其它参数也同第一种情况 图 8 c 为故障情况下的 IGCT 端部电压仿真波形 图 8 d 为故障情况下的 IGCT 桥臂电流 由仿真结果可以看出 对于情况 1 即理想情况的仿真 与理想的理论结果相比 波形中出现 了毛刺 这是由于电路中含有轭流电感的缘故 符合实际情况 情况 2 最接近现场情况 其所 采用参数描述了结构比较松散 电缆杂散电感比较大的情况 其仿真结果与实测结果基本吻合 当负荷比较大时 由仿真结果可知 IGCT 的端电压在某些点上己经超过 VDRM 4500V IGCT 可能击穿 在调试时 也测到了较大上升电压 仿真与实测相吻合 情况 3 则是一种严重的故障状态 电流远大于 ITGQM 630A 同时 IGCT 所承受的电压在 某些点上已超过 VDRM 4500V IGCT 必定会被击穿乃至烧毁 4 结束语 通过仿真后试验结果的分析 可以得出以下结论 1 IGCT 不安装关