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采用IGCT电压型逆变器的高压变频器仿真研究_5

发表于:2019-11-14 14:24 作者:新闻小编 来源:新闻小编

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,10kv)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(integratedgate commutatedthyristor)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(1-2s)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。

  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。

  2.3 基于igct的逆变单元

  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。

  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。

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。

  (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。

  (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9000f,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不安装关断吸收电路,是有条件限制的,要求线路结构紧凑,杂散电感较小。当主换流杂散电感较大时,必须加装关断吸收回路。

  (2)通过pspice仿真,可以再现故障状态,并可以人为模拟故障状态,在电力电子产品的研发阶段,可找出有关的运行数据,为产品调试提供依据,同时还可以缩短研制周期,节约开发经费。

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