TMEIC三电平变流技术在热连轧中的应用

TMEIC三电平变流技术在热连轧中的应用
胡彪
摘要:TMdrive-70是世界上最先端功率元件IEGT变频器装置。本文重点介绍是高电压、大容量IEGT功率块如何实现三电平，通过PWM控制以实现更近似于正弦波的电压输出。
关键词:IEGT三电平逆变器
马钢2250热轧轧机传动使用了十四套TMdrive-70变频装置。其速度控制范围为1:100,速度控制精度±0.01%（数字设定）,速度响应ωc=60rad/s（最大）,过载能力115%-连续200%-20sec,运行状态优良，故障率极低。尤其在试轧高硬度管线钢X¬-80中，表现其卓越的性能。
TMdrive-70系列变频装置是全数字矢量控制的电压型交－直－交变频装置，由整流器和逆变器两部分组成，为三电平PWM变换电路结构，如图（1）所示，电能可以在电网和电机之间双向流动，实现四象限运行，其电力电子器件均为高电压、大容量的IEGT功率模块。整流器将交流电网输入电压变换成为逆变器供电的直流电压，同时控制交流电网输入电流使其成为正弦波，以减少对交流电网的危害。

图（1）
1 IEGT功率元件介绍
IGBT广泛应用在各种电压源型PWM变频器中，具有开关快，损耗小，缓冲及门极驱动电路简单等优点，但电压电流等级受到导通压降限制。IGBT目前做到3300V，1200A。3300V的IGBT组成三电平变频器，输出交流电压最高为2.3KV。
IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）电子加强注入型绝缘栅极晶体管。以4500V，5500A (最大可关断阳极电流值)的IEGT为例，导通延迟时间小于2us，上升时间小于1us，关断延迟时间小于6us，下降时间小于1us，最小通态维持时间10us，最小断态维持时间10us，导通每脉冲能耗小于1J，关断每脉冲能耗小于12J。
2二极管箝位型三电平PWM逆变器结构
在20世纪80年代，日本人提出了在两个电力电子开关器件串联的基础上，中性点加一对箝位二极管的三电平逆变方案（中性点箝位型），
每一相主要由4个主开关器件（IEGT）（Q1、Q2、Q3和Q4）、4个续流二极管（D1、D2、D3和D4）、两个箝位二极管（D5和D6）组成。当Q3和Q4同为导通时，输出端U对O点的电平为－Vdc/2，所以每一相桥臂能输出三个电平状态，由三相这种桥臂组成的变换电路叫二极管箝位型三电平变换器。
一相桥臂电路的稳态工作情况具体叙述如下：开关器件Q1和Q2同为导通，Q3和Q4同为关断时，若电流从逆变器流向负载，若电流从负载流向逆变器，这时电流从输出端U经过续流二极管D2和D1到达P点，忽略续流二极管的正向导通压降，输出端U的电位仍等同于P的电位。
当开关器件Q2和Q3同为导通，Q1和Q4同为关断时，若电流从逆变器流向负载，即从中性点O经过箝位二极管D5和开关器件Q2到达输出端U，若电流从负载流向逆变器，这时电流从输出端U经过开关器件Q3和箝位二极管D6到达中性点O，输出端U的电位仍等同于0的电位。
开关器件Q3和Q4同为导通，Q1和Q2同为关断时，若电流从逆变器流向负载，即从负电位N点经过续流二极管D4和D3到达输出端U，若电流从负载流向逆变器，这时电流从输出端U经过开关器件Q3和Q4到达N点，输出端U的电位仍等同于N的电位。
通过上面的分析，可以得到三种稳态工作模式的开关状态和输出端电压的对应关系，如表（2.1）所示。
表（2.1）二极管箝位型结构IEGT的开关状态和输出电平的关系（一相）

3 TMdrive-70中的PWM控制
三电平逆变器的PWM控制方法主要有两类：载波调制法和空间矢量调制法。每类控制方法又可派生出许多具体的PWM控制策略。TMdrive-70变频装置中逆变器采用的是载波调制法中的三角载波层叠法。以单相桥臂为例，三角载波层叠法的原理如图（4.1）所示。

TMdrive-70是全数字矢量传动系统，采用了功率电子控制专用的高性能32位微处理器（PP7）,实现了快速响应功能。三电平IEGT整流器被使用，可控制功率因数为1，降低了高次谐波电流，这个功能使得35KV供电母线上不用对滤波器和静态补偿做复杂计算，不需要加动态补偿装置。
TMdrive-70变频装置在热轧2250生产阶段，由于功率及电压等级的提高，多电平逆变器（Multilevel Inverter）受到越来越多的关注，一般来说，电平数越多，输出电压波形越逼近正弦波。因此开展对多电平功率变换技术的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

参考文献
[1]莫正康.晶闸管变流技术机械工业出版社出版 1989.
[3]徐甫荣.中高压变频器主电路拓朴结构的分析比较.变频器世界.2002,（6）.