一種柔性直流輸電工程中IGBT子模塊電動裝卸工具的設(shè)計與分析

國網(wǎng)湖北檢修公司特高壓交直流運檢中心 楊 文 劉 潯 韓情濤 戴 迪

柔性直流輸電工程換流閥IGBT子模塊維護(hù)過程中，常有需更換IGBT子模塊的操作。目前對IGBT子模塊的更換操作需靠人工搬運尚無專用的自動工具。文中研制了一種電動工具，可實現(xiàn)IGBT子模塊裝卸的自動控制，提高維護(hù)效率。

引言：在柔性直流輸電系統(tǒng)中，主回路由換流閥、閥電抗器、直流電容、連接變壓器等組成。換流閥由絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）和電容器構(gòu)成，通過IGBT的通斷實現(xiàn)交直流變換。由兩個IGBT和一個電容組成的半橋結(jié)構(gòu)的子模塊作為一個整體單元塊，其單只重量高達(dá)70-80公斤，在換流閥維護(hù)過程中可能遇到IGBT元件損害需更換的情況，需對子模塊進(jìn)行裝卸，目前對子模塊裝卸尚無專用的工具，僅通過作業(yè)人員在作業(yè)車上將子模塊拖入或拖出閥塔，現(xiàn)有方法不足之處在于：

1）工作時作業(yè)人員站在沒有護(hù)欄的車邊施工，存在墜落風(fēng)險；

2）子模塊重量過大，人員施工空間小，存在重物機(jī)械傷害的風(fēng)險并有墜塔的風(fēng)險；

3）子模塊進(jìn)出全靠人力拖動，耗時較長，不利于時間緊的搶修工作。

本文所設(shè)計的柔性直流換流閥IGBT子模塊裝卸工具，很好的解決了現(xiàn)有方法在應(yīng)用過程中的不足，提高了維護(hù)效率。

1 結(jié)構(gòu)分析

針對現(xiàn)在IGBT子模塊工作空間、安裝位置及設(shè)備重量要求，在產(chǎn)品設(shè)計階段，除了滿足傳統(tǒng)裝卸要求外，還要將產(chǎn)品的輕便、可靠作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)，要求電動工具易搬運，運行可靠，使用范圍廣。

圖1 IGBT子模塊裝卸工具總體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，IGBT子模塊電動裝卸工具包括伺服電機(jī)，電動推拉桿，控制電機(jī)啟停的橋式電路和差分運算放大器以及固定子模塊位移的軌道。

2 工作原理

固連接。打開裝卸工具電源，在裝置上選擇按照安裝或拆卸方向，選擇升降平臺位置或閥塔位置按鈕，使子模塊向預(yù)期方向運動，直到子模塊到位。

在裝卸工具中設(shè)計選擇“閥塔位置”為伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動推拉桿伸長外推；選擇“升降平臺位置”為伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動推拉桿回縮內(nèi)拉。在推拉桿上并聯(lián)一個可變電阻，推拉桿的位置移動帶動可變電阻值變化。

利用電橋電阻模型來測量實際位置與目標(biāo)位置間的變化，裝卸工具中的單片機(jī)采集可變電阻兩端的電壓后經(jīng)過處理，模擬出裝卸工具需要位移到達(dá)的位置。電橋電路模擬圖示如下圖2，通過該電路模型分析原理如下。

圖2 電橋電路

在電橋電路中有三個阻值固定的電阻R1、R2、R3，第四個電阻是可變電阻RX，RX發(fā)生變化時，圖中B、D兩點之間的電壓發(fā)生變化，通過采集電壓的變化來反映實際工作中的物理量變化，帶到測量的目的。

舉例說明電橋電路在本裝置中的計算方式。

如下圖3，假設(shè)流過R1、R2橋臂的電流為I1，R2電阻上的電壓為V1，流過R3、Rx橋臂的電流為I2，R3電阻上的電壓為V2，電橋的供電電壓為VC。

圖3 電橋電路計算

利用歐姆定律計算電流I1、I2：

則電阻R2兩端電壓：

電阻R3兩端電壓：

將裝卸工具固定在升降平臺上，在升降平臺上放置子模塊運動導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的邊緣和閥塔支架邊緣靠近。將電動推拉桿與子模塊牢

V1與V2的電壓差：

在本文所設(shè)計的裝卸工具中，安裝三個固定值的電阻，與推拉桿上的可變電阻組成橋式電路，隨著推拉桿帶動IGBT子模塊的位置變化，并聯(lián)在推拉桿上的可變電阻的阻值發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)生變化，將的差分電壓通過差分運算放大器放大后進(jìn)入裝卸工具的單片機(jī)AD采樣，再對照可變電阻的電阻——距離對應(yīng)表就反應(yīng)出當(dāng)前位置，根據(jù)IGBT子模塊需要移動的距離設(shè)定固定值，對應(yīng)的的差分電壓到達(dá)該固定值時，單片機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，伺服電機(jī)停機(jī)，完成IGBT子模塊的移動。

3 創(chuàng)新點

1）該電動工具實現(xiàn)了對IGBT子模塊裝卸的自動操作，使用簡單快捷，節(jié)省操作時間。

2）該電動工具實現(xiàn)了安裝時的安全性，包括作業(yè)人員與設(shè)備的安全。

3）該電動工具實現(xiàn)了自動控制，推進(jìn)與脫出可實現(xiàn)一鍵到位。

4 結(jié)語

隨著電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，柔性直流輸電技術(shù)具有了更廣闊的應(yīng)用范圍和更好的發(fā)展前景，而作為其核心元件的IGBT元件的檢修工作必不可少。本文主要對所設(shè)計的IGBT子模塊電動裝卸工具的整體結(jié)構(gòu)、工作原理等方面進(jìn)行分析，以此設(shè)計出安全可靠、技術(shù)先進(jìn)的電動工具，提高柔性直流工程檢修水平。