IGCT中壓大功率三電平功率單元試驗(yàn)方法

王建峰，金雪峰，李曉燕，劉娜，鹿洪偉

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

IGCT中壓大功率三電平功率單元試驗(yàn)方法

王建峰，金雪峰，李曉燕，劉娜，鹿洪偉

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

介紹了一種適用于由集成門極換流晶閘管（IGCT）構(gòu)成的三電平大功率中壓變頻系統(tǒng)相功率單元試驗(yàn)方法。根據(jù)該方法構(gòu)成的試驗(yàn)系統(tǒng)由調(diào)壓器、整流變壓器、二極管整流橋、濾波電容、放電回路以及負(fù)載電感和電阻構(gòu)成，測(cè)試中負(fù)載兩端的電壓、電流及頻率均靈活可控，可以實(shí)現(xiàn)功率單元中單個(gè)功率器件或橋臂在多種工況下的開關(guān)特性試驗(yàn)，以及功率單元溫升試驗(yàn)；該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在功率單元溫升試驗(yàn)中，電路中主要為無功交換，系統(tǒng)的有功消耗很小。

三電平；中壓大功率；功率單元

1 引言

中高壓大容量變頻傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、礦井提升、造紙、石油開采、船舶推進(jìn)等多種工業(yè)場(chǎng)合［1］。目前大功率變頻器的主流型式之一是采用三電平拓?fù)?，與傳統(tǒng)的兩電平變換器相比，三電平結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：降低了每個(gè)功率器件承受的母線電壓，因此可用低耐壓器件實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出；電平數(shù)的增加改善了輸出電壓波形，減小了諧波畸變；可用較低的開關(guān)頻率獲得相對(duì)較好的電壓波形，因此開關(guān)損耗小、效率高；輸出電壓變化率較低，改善了裝置的電磁兼容性能等［2-6］。

在大功率中壓變頻器設(shè)計(jì)中，為了設(shè)備制造和使用維護(hù)方便，通常按照功能將其相關(guān)的功率器件（如電力電子器件、緩沖電路、散熱器等）、控制電路、絕緣件和結(jié)構(gòu)件等構(gòu)成一個(gè)模塊，稱為“功率單元”，3個(gè)單相功率單元即構(gòu)成一套三相大功率變頻器。圖1所示為一個(gè)中點(diǎn)鉗位IGCT三電平變頻器單相功率單元電氣原理圖，其中V1～V4為IGCT器件，D1～D4為續(xù)流二極管，D5，D6為鉗位二極管；LA，LB為di／dt限制電抗器。功率單元設(shè)計(jì)不僅要考慮電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力等因素，還要保證裝置安裝更換方便、體積小、外形美觀，設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。功率單元的性能直接影響變頻器的質(zhì)量和效率，是變頻器中最關(guān)鍵的電氣部件，因此必須建立相應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其電氣特性做單獨(dú)測(cè)試。

圖1 相功率單元Fig.1 Schematic diagram of the phase power unit

2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

本文所提出的試驗(yàn)方法，可分別完成功率單元的單管開關(guān)特性試驗(yàn)、功率單元橋臂開關(guān)特性試驗(yàn)、功率單元溫升試驗(yàn)。其試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the testing system

圖2中，試驗(yàn)系統(tǒng)由開關(guān)Q1、調(diào)壓器T1、開關(guān)Q11和Q12、變壓器T11和T12、A和B兩組二極管整流器、濾波電容CA和CB、放電電路、接地電路、負(fù)載和控制設(shè)備等組成。利用調(diào)壓器可以調(diào)整中間直流回路的電壓，實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)電源配電范圍內(nèi)的任意電壓下的試驗(yàn)。A、B兩組整流電源可以用開關(guān)Q11和Q12選通A組、B組或A和B兩組同時(shí)工作，以滿足試驗(yàn)要求。用于試驗(yàn)的負(fù)載是帶抽頭的電感，可以組合為多檔不同的負(fù)載，以適應(yīng)不同負(fù)載電流試驗(yàn)的要求。

2.1 功率單元的單管開關(guān)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中通過調(diào)整調(diào)壓器T1，可以進(jìn)行在配電范圍內(nèi)的任意電壓下的功率單元單管開關(guān)特性試驗(yàn)，通過測(cè)量單管管壓降以及流過器件的電流，可以分析得出器件的特性，如暫態(tài)過電壓等。下面以功率單元額定電壓下的單管開關(guān)特性試驗(yàn)為例加以說明，試驗(yàn)接線如圖3所示。

圖3 單管開關(guān)特性試驗(yàn)接線圖Fig.3 Schematic diagram for single IGCT switching characteristic test

圖3a中，Q1，Q11合閘，調(diào)壓器從零位升壓，使A組電容CA充電至額定電壓后停止升壓；給V1發(fā)觸發(fā)脈沖（其余IGCT封鎖），記錄其開關(guān)過程電壓、電流波形，即可得到V1的額定電壓開關(guān)特性。對(duì)V2的測(cè)試與V1類似，只需在圖3b中將觸發(fā)脈沖改為V2，即可測(cè)試其額定電壓開關(guān)特性。

同理，V3管額定電壓開關(guān)特性試驗(yàn)：Q1，Q12合閘；調(diào)壓器從零位升壓，使B組電容CB充電至額定電壓停止升壓；給V3號(hào)IGCT發(fā)觸發(fā)脈沖（其余IGCT封鎖），記錄其開關(guān)過程電壓電流波形，即可得到V3的額定電壓開關(guān)特性。

操作同V3管，只將觸發(fā)脈沖改為V4，即可測(cè)試V4管額定電壓開關(guān)特性。

上述試驗(yàn)中，調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出，即可完成相應(yīng)電壓下的單管開關(guān)特性試驗(yàn)。

2.2 功率單元橋臂開關(guān)特性試驗(yàn)

橋臂開關(guān)特性試驗(yàn)圖如圖4所示。

圖4 橋臂開關(guān)特性試驗(yàn)圖Fig.4 Schematic diagram for bridge arm switching characteristic test

額定電壓上橋臂開關(guān)特性試驗(yàn)：Q1，Q11，Q12合閘；調(diào)壓器從零位升壓，使A，B組電容充電至額定電壓后停止升壓；先給V2號(hào)IGCT觸發(fā)脈沖，延時(shí)再給V1號(hào)IGCT發(fā)觸發(fā)脈沖（V3，V4封鎖）；其后封鎖V1觸發(fā)脈沖，延時(shí)封鎖V2觸發(fā)脈沖，根據(jù)該過程輸出電壓、電流波形，可確定額定電壓時(shí)功率單元上橋臂開通和關(guān)斷過程以及緩沖吸收回路特性。

額定電壓下橋臂開關(guān)試驗(yàn)：Q1，Q11，Q12合閘；調(diào)壓器從零位升壓，使A，B組電容充電至額定電壓停止升壓；先給V3號(hào)IGCT觸發(fā)脈沖，延時(shí)再給V4號(hào)IGCT發(fā)觸發(fā)脈沖（V1，V2封鎖）；其后封鎖V4觸發(fā)脈沖，延時(shí)封鎖V3觸發(fā)脈沖，根據(jù)該過程輸出電壓、電流波形，可確定額定電壓時(shí)功率單元下橋臂開通和關(guān)斷過程以及緩沖吸收回路特性。

上述試驗(yàn)中，調(diào)整調(diào)壓器輸出，可在相應(yīng)直流電壓下進(jìn)行上、下橋臂的開關(guān)過程以及緩沖吸收回路特性。

2.3 功率單元溫升試驗(yàn)

溫升試驗(yàn)是確定功率單元額定輸出能力的主要方法，本文方法可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)功率單元輸出功率，為溫升試驗(yàn)提供條件，下面以功率單元額定電壓下的溫升試驗(yàn)為例加以說明。

根據(jù)設(shè)計(jì)的功率單元額定輸出電流選擇負(fù)載電感值：Q1，Q11，Q12合閘；調(diào)壓器從零位升壓，A，B組電容充電至額定電壓后停止升壓；按額定頻率正弦波電壓給定形成PWM（脈沖寬度調(diào)制）脈沖信號(hào)，控制V1～V4號(hào)IGCT的觸發(fā)脈沖，觀測(cè)負(fù)載電壓、電流波形。同時(shí)，記錄各IGCT、二極管從試驗(yàn)開始至溫度趨于穩(wěn)定期間的管殼溫度，通過分析各器件溫升，可以確認(rèn)裝置實(shí)際出力。

需要強(qiáng)調(diào)的是，采用電感作為溫升試驗(yàn)負(fù)載，其有功功率消耗很小。試驗(yàn)時(shí)，只在濾波電容和負(fù)載電感間進(jìn)行無功功率交換而形成負(fù)載電流，無功功率不流經(jīng)變壓器，試驗(yàn)過程中變壓器只需補(bǔ)充試驗(yàn)裝置線路中很小的有功損耗，故容量可以很小，僅為功率單元額定容量的5%以下，因而是一種節(jié)能有效的試驗(yàn)方法，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備造成影響較小。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)文中所提出的試驗(yàn)方法，采用本所自制的大功率三電平拓?fù)湎喙β蕟卧獪y(cè)試臺(tái)對(duì)功率單元做了開關(guān)特性試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)，被測(cè)功率單元的IGCT器件型號(hào)為5SHY35L4510，其電壓電流額定為4 500V／4 000A。

圖5給出了功率單元的單管開關(guān)特性試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)接線如圖3所示，圖5中CH1為單個(gè)IGCT器件（V1）上的管壓降，顯示標(biāo)尺為1 000 V／格；CH4為與CH1對(duì)應(yīng)的器件電流，顯示標(biāo)尺為400A／格。試驗(yàn)時(shí)功率單元正組直流電壓約為2 400V，穩(wěn)態(tài)器件電流約為1 500A。

圖5a為V1管關(guān)斷時(shí)的電壓電流變化過程，從中可以看出，器件關(guān)斷前的管壓降非常小，幾乎為0；當(dāng)IGCT開始關(guān)斷，管壓降迅速上升至2 400V，其電流快速下降，并帶有拖尾電流，經(jīng)過約7μs后，電流降至為0；在IGCT電流迅速下降階段，線路中的雜散電感將產(chǎn)生較大感應(yīng)電勢(shì)疊加于IGCT的管壓降，即圖5a中的第一個(gè)過壓尖峰，其峰值約2 600V；另外，由于限流電抗LA的儲(chǔ)能會(huì)通過二極管D7向吸收電容C1充電，于是形成第2個(gè)過壓尖峰，其峰值約3 000V。吸收電容C1在充電的同時(shí)也通過R1放電，穩(wěn)態(tài)時(shí)管壓降為正組直流母線電壓2 400V。圖5b為V1管的開通過程，其中IGCT開通后管壓降迅速降低，在電感LA的限流作用下，電流以一定的斜率增大，經(jīng)過大約5μs達(dá)到穩(wěn)態(tài)值約1 500A。綜合來看，圖5所示的IGCT開關(guān)過程，其電壓、電流均在安全范圍變化，器件工作正常。對(duì)橋臂的開關(guān)特性試驗(yàn)結(jié)果與單管測(cè)試類似，這里不再給出。

圖5 V1管開關(guān)特性試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Switching characteristic test of V1

圖6 功率單元的溫升試驗(yàn)波形Fig.6 Waveform acquiring at temperature test

圖6給出了功率單元的溫升試驗(yàn)波形，圖6中CH2，CH3和CH4分別為單元輸出電流、輸出電壓和V1管壓降，顯示標(biāo)尺分別為2 000A／格和1 000V／格。試驗(yàn)時(shí)在V1，V2管殼和散熱器之間埋入熱電偶，根據(jù)測(cè)量得到的各組溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)器件熱阻參數(shù)，可以推算出各功率器件的結(jié)溫。

從圖6中可以看出，IGCT輸出電流有效值約為1 400A，實(shí)測(cè)點(diǎn)最高溫升30.4K，經(jīng)過推算，冷卻水進(jìn)口水溫40℃條件下，被測(cè)IGCT器件中的最高結(jié)溫為103.9℃，IGCT結(jié)溫最高允許125℃，尚有約21℃安全裕量。因此，被測(cè)功率單元輸出1 400A是安全可靠的。

需要指出，上述試驗(yàn)結(jié)果僅是針對(duì)本所功率單元的測(cè)試結(jié)果，若功率單元的參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式和散熱條件不同，則試驗(yàn)結(jié)果可能有一定差異。

4 結(jié)論

本文提出了一種大功率三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相功率單元試驗(yàn)的方法，并對(duì)試驗(yàn)方法做了詳盡說明，該方法可完成多種試驗(yàn)，所需設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、耗能少、對(duì)電網(wǎng)影響較小，功能完備，操作方便。通過試驗(yàn)表明，該方法具有較好的實(shí)用性及可操作性。

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Testing Method for IGCT Based Three-level Power Unit Used in Medium-voltage High Power Converter

WANG Jian-feng，JIN Xue-feng，LI Xiao-yan，LIU Na，LU Hong-wei

（TianjinDesignandResearchInstituteofElectricDrive，Tianjin300180，China）

A characteristics testing system for power unit of three-level（TL）medium voltage high power converter，which uses intergrated gate commutated thyristors（IGCT）as power switching devices，was proposed.The system consists of a variac，rectification switchgears，diode-rectifier，filter capacitors，discharging circuit，and inductive load.During test，the magnitude and frequency of voltage on load can be flexibly controlled.Therefore，switching characteristic test for the single device，leg，or whole unit，and the temperature rise test of the unit can be done under various desired operating mode.In addition，there is mostly reactive power flowing in the circuit.Active power loss of the system is very limited.

three-level；medium-voltage and high power；power unit

TM406

A

王建峰（1967-），男，高級(jí)工程師，Email：wangjianfeng＠tried.com.cn

2012-02-02