3.2 交—直—交变频器在轧钢传动中应用

　　在大功率高电压变频调速领域，GTO元件曾占主要地位。20世纪90年代，GTO变频调速继在铁路牵引机车上普遍应用之后，世界各国开始研制轧机主传动GTO变频调速系统。日本三菱公司率先研制成功6000V/6000A大功率GTO元件，并将世界最大功率7000kW，3kV，GTO同步电机变频调速成功地应用于我国宝钢1580mm热连轧机和鞍钢1780mm热连轧机。图3为GTO交—直—交多电平PWM变频调速系统，该系统为电压型变频器，电源测变流器亦采用GTO脉宽调制技术，控制输入电流的相角可以达到功率因数始终为1，并减少输入电流的谐波。该变频器采用三电平GTO元件串联控制技术，使变频器输入和输出电压可达到3300V。与采用晶闸管元件的交—交变频调速系统相比，GTO变频器具有输出频率不受限，电网谐波污染小，功率因数高等显著优点，但也存在着GTO元件开关损耗较大，效率低，需要水冷却，维护困难等问题，同时电力半导体领域一直对GTO元件看法不一，期待更新型的场控器件来取代它。

　　近几年，高电压大功率电力半导体器件的研制是世界各国在轧机传动领域的竞争热点，由瑞士ABB公司研制成功的门极可关断晶闸管IGCT，是在GTO元件基础上进行创新的一种新型大功率电力半导体器件。它在器件的结构设计中减少了控制门极回路电感,将驱动电路集成到器件旁，使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数量级，提高了开关速度，取消了缓冲吸收电路，大大简化了变频器结构并提高了系统效率。ABB，GE，ANSALDO，以及西门子公司已研制成功采用4000A/4500V, IGCT元件的大功率三电平PWM变频器用于轧机主传动。我国本溪钢铁公司1700轧机改造采用了GE公司的IGCT三电平变频器，电机功率7MW/6kV。IGCT已成为GTO的换代器件。

　　图3 GTO交—直—交三电平PWM变频调速系统主电路

　　日本东芝公司近期研制成功高电压大功率的IEGT元件，即电子促进绝缘栅双极晶体管，4000A/4500V。IEGT是IGBT的一种形式，具有IGBT元件电压驱动, 开关速度快，可自保护等优点，东芝公司已将采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三电平变频器应用于我国链源钢铁公司薄板坯连铸连轧主传动中。

　　3.3 交—直—交变频器存在的问题

　　尽管交—直—交变频器具有输出频率高、功率因数高等优点，但交—直—交变频器仍存在许多待改进的问题:

　　(1)当前大功率高电压电力电子器件处在发展期，GTO元件面临淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟;

　　(2)采用IGCT(或者GTO)、IECT的变流器，器件故障造成直通短路的保护还是难题;电源侧变流器如果发生直通短路会造成电网短路，所以变流器必须采用高漏抗输入变压器，一般要求15%，甚至高达20%;

　　(3)交—直—交变频器低频运行时过载能力减低，一般运行在5Hz以下时变频器过载能力减半;

　　(4)交—直—交变频器输出PWM调制电压波形的电压变化率du/dt很高，容易造成电机和电器的绝缘疲劳损伤;输出导线较长时，共模反射电压会在电机侧产生很高的电压，如果是两电平的变流器，这个电压的峰值是直流电压的两倍，如果是三电平的变流器，这个电压的峰值是中间一半电压的三倍;

　　(5)交—直—交变频器PWM调制将产生谐波、噪声、轴电流等问题。

　　3.4 交—直—交变频器的国产化研究

　　国产的交—交变频调速系统已成功应用于低速、大转矩的大型热轧机主传动，但对于高转速的冷轧机交—交变频器显然不具优势，冷轧机应采用交—直—交变频器。因此，大功率交—直—交变频驱动的冷连轧机国产化已作为国家“十一五”重大装备攻关项目。

　　冶金自动化院在国家863项目的支持下，研制成功一台5000kW的IGCT变流器，完成了驱动3600kW同步电机的工业性试验。目前，课题组通过充分分析国外IGCT变流器电路拓扑和结构，研制降低电路杂散电感的结构布置，使国产IGCT变流器能力已经达到了10MVA，而且体积大大缩小。

　　4、发展展望

　　总体来说，目前钢铁行业、矿山、牵引(包括船舶推进)、油气输送都急需要大功率的交—直—交变频的研制。我国轧机传动交—交变频调速系统能取得长足进步，是因为依托了中国多年积累的晶闸管技术基础。因此，在交—直—交变频器国产化研制过程中，如果没有我国自己的器件作为基础，不可能形成国产大功率交—直—交变频器产业。希望国内科研单位加速研制和完善我国自主创新的IGCT器件，协同国内其它相关单位一起把大功率交—直—交变频器的国产化工作做好。