高壓變頻器的可靠性實(shí)踐

        高壓變頻器的可靠性，是工礦企業(yè)十分關(guān)心的問題。我國從九十年代初開始引進(jìn)高壓變頻系統(tǒng)，經(jīng)各單位多年的應(yīng)用實(shí)踐，已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)也逐步深化。   
        可靠性問題貫穿在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件總數(shù)和質(zhì)量(包括管芯缺陷)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及軟件、品質(zhì)控制及調(diào)試維護(hù)的全過程。它是工業(yè)技術(shù)水平和企業(yè)素質(zhì)的綜合體現(xiàn)。高壓變頻器產(chǎn)品溶合了可靠性設(shè)計(jì)理念和零缺陷的質(zhì)量控制方法，它應(yīng)落實(shí)到從總體方案、設(shè)計(jì)、編程、選材、制作、測試和使用維護(hù)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使可靠性技術(shù)有別于傳統(tǒng)的內(nèi)容，已發(fā)展到一個(gè)全新的階段，開發(fā)了一系列基于軟件技術(shù)的新方法，并使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障自診斷、自修復(fù)、遠(yuǎn)距離診斷和維護(hù)咨詢。 
下面從主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率元器件、可靠性冗余和調(diào)試維護(hù)等方面進(jìn)行討論。  
        1  主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)  
        在高壓變頻器中，主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種不同的方案。但在實(shí)際應(yīng)用中，目前比較多的是兩種方案：  
        ⑴ 用IGBT構(gòu)成的單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器;  
        ⑵ 用IGCT/SGCT構(gòu)成的中性點(diǎn)箝位的三電平電壓型變頻器。  
        在本講座第四講中，曾對這兩種方案的原理和特點(diǎn)作過介紹，現(xiàn)再從可靠性的角度加以說明和比較。  
        在作比較之前，先對三電平高壓變頻器主回路的實(shí)用線路作一簡單說明。對于單元串聯(lián)多電平變頻器，因?yàn)橐郧耙延休^多的文章予以討論，這里就不再重復(fù)。  
        今以十二脈波中性點(diǎn)箝位的三電平變頻器主回路為例加以說明(見圖1)。由圖可見，在六相整流橋之后，接有高電壓浪涌阻容吸收電路。在直流母線中，串有兩個(gè)IGCT作為預(yù)充電限流和熔斷器;兩個(gè)抗共模電壓電抗器;兩套由扼流電抗器、二極管和電阻構(gòu)成的di/dt限制器。在逆變器功率器件側(cè)接有中性點(diǎn)箝位二極管及均壓電阻等。在輸出端還須設(shè)置L-C濾波器。  
        由于IGCT器件耐壓的限制， 某些型號(hào)的三電平變頻器至今尚無輸出電壓6000伏規(guī)格的產(chǎn)品，為方便起見，現(xiàn)同以輸出電壓4160伏規(guī)格的產(chǎn)品作可靠性比較。  
        由表1可見，在單元串聯(lián)多電平變頻器中，逆變器功率器件的數(shù)量較多，但主回路為低壓, 主要部件可以作冗余設(shè)計(jì);采用在低壓變頻器中已應(yīng)用多年的IGBT器件; 門驅(qū)動(dòng)電路簡單;輸出諧波小、dv/dt小，抗共模電壓性能較好，對電動(dòng)機(jī)友善。選用更高電壓的IGBT、減少功率單元的數(shù)量、提高系統(tǒng)效率，是下一步的改進(jìn)方向。中性點(diǎn)箝位三電平高壓變頻器整流和逆變回路中功率器件較少，系統(tǒng)效率較高; 但主回路中大功率附加器件較多，回路中高壓功率部件冗余目前尚無解決方案;門驅(qū)動(dòng)電流大，驅(qū)動(dòng)線路較為復(fù)雜;輸出諧波及dv/dt較大，須設(shè)置L-C濾波器。該方案較適用于做成AFE方式、配合專用電動(dòng)機(jī)的高壓變流器系統(tǒng)，如軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等。隨著技術(shù)的發(fā)展和IGCT器件耐壓的提高、門驅(qū)動(dòng)線路的簡化，該技術(shù)有一定的發(fā)展前景。  
        2  功率器件性能  
        在高壓變頻器中，目前用得比較多的功率器件當(dāng)數(shù)IGBT和IGCT，今列表對它們的性能作一對比(見表2)。  
        IGBT由于其關(guān)斷損耗小，開關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)功率低，門驅(qū)動(dòng)電路簡單和保護(hù)容易等特點(diǎn)，在低壓變頻器中已有成熟的應(yīng)用;在單元串聯(lián)多電平高壓變頻器中也顯示出它的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。采用耐壓更高的IGBT，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。IGCT是一種新型的大功率器件，它開關(guān)快速，開通能力強(qiáng)、存儲(chǔ)時(shí)間短、開關(guān)損耗較低。為減小引線電感，其管芯必須與門驅(qū)動(dòng)電路集成安裝、整體更換。IGCT器件耐壓等級(jí)提高以后，它將是構(gòu)成大功率和甚大功率高壓變頻器的優(yōu)選功率器件。