国网湖北检修公司特高压交直流运检中心 杨 文 刘 浔 韩情涛 戴 迪

柔性直流输电工程换流阀IGBT子模块维护过程中，常有需更换IGBT子模块的操作。目前对IGBT子模块的更换操作需靠人工搬运尚无专用的自动工具。文中研制了一种电动工具，可实现IGBT子模块装卸的自动控制，提高维护效率。

引言：在柔性直流输电系统中，主回路由换流阀、阀电抗器、直流电容、连接变压器等组成。换流阀由绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）和电容器构成，通过IGBT的通断实现交直流变换。由两个IGBT和一个电容组成的半桥结构的子模块作为一个整体单元块，其单只重量高达70-80公斤，在换流阀维护过程中可能遇到IGBT元件损害需更换的情况，需对子模块进行装卸，目前对子模块装卸尚无专用的工具，仅通过作业人员在作业车上将子模块拖入或拖出阀塔，现有方法不足之处在于：

1）工作时作业人员站在没有护栏的车边施工，存在坠落风险；

2）子模块重量过大，人员施工空间小，存在重物机械伤害的风险并有坠塔的风险；

3）子模块进出全靠人力拖动，耗时较长，不利于时间紧的抢修工作。

本文所设计的柔性直流换流阀IGBT子模块装卸工具，很好的解决了现有方法在应用过程中的不足，提高了维护效率。

1 结构分析

针对现在IGBT子模块工作空间、安装位置及设备重量要求，在产品设计阶段，除了满足传统装卸要求外，还要将产品的轻便、可靠作为结构设计的目标，要求电动工具易搬运，运行可靠，使用范围广。

图1 IGBT子模块装卸工具总体结构图

如图1所示，IGBT子模块电动装卸工具包括伺服电机，电动推拉杆，控制电机启停的桥式电路和差分运算放大器以及固定子模块位移的轨道。

2 工作原理

固连接。打开装卸工具电源，在装置上选择按照安装或拆卸方向，选择升降平台位置或阀塔位置按钮，使子模块向预期方向运动，直到子模块到位。

在装卸工具中设计选择“阀塔位置”为伺服电机正转，带动推拉杆伸长外推；选择“升降平台位置”为伺服电机反转，带动推拉杆回缩内拉。在推拉杆上并联一个可变电阻，推拉杆的位置移动带动可变电阻值变化。

利用电桥电阻模型来测量实际位置与目标位置间的变化，装卸工具中的单片机采集可变电阻两端的电压后经过处理，模拟出装卸工具需要位移到达的位置。电桥电路模拟图示如下图2，通过该电路模型分析原理如下。

图2 电桥电路

在电桥电路中有三个阻值固定的电阻R1、R2、R3，第四个电阻是可变电阻RX，RX发生变化时，图中B、D两点之间的电压发生变化，通过采集电压的变化来反映实际工作中的物理量变化，带到测量的目的。

举例说明电桥电路在本装置中的计算方式。

如下图3，假设流过R1、R2桥臂的电流为I1，R2电阻上的电压为V1，流过R3、Rx桥臂的电流为I2，R3电阻上的电压为V2，电桥的供电电压为VC。

图3 电桥电路计算

利用欧姆定律计算电流I1、I2：

则电阻R2两端电压：

电阻R3两端电压：

将装卸工具固定在升降平台上，在升降平台上放置子模块运动导轨，导轨的边缘和阀塔支架边缘靠近。将电动推拉杆与子模块牢

V1与V2的电压差：

在本文所设计的装卸工具中，安装三个固定值的电阻，与推拉杆上的可变电阻组成桥式电路，随着推拉杆带动IGBT子模块的位置变化，并联在推拉杆上的可变电阻的阻值发生变化，导致发生变化，将的差分电压通过差分运算放大器放大后进入装卸工具的单片机AD采样，再对照可变电阻的电阻——距离对应表就反应出当前位置，根据IGBT子模块需要移动的距离设定固定值，对应的的差分电压到达该固定值时，单片机发出停机指令，伺服电机停机，完成IGBT子模块的移动。

3 创新点

1）该电动工具实现了对IGBT子模块装卸的自动操作，使用简单快捷，节省操作时间。

2）该电动工具实现了安装时的安全性，包括作业人员与设备的安全。

3）该电动工具实现了自动控制，推进与脱出可实现一键到位。

4 结语

随着电力电子器件的进一步发展，柔性直流输电技术具有了更广阔的应用范围和更好的发展前景，而作为其核心元件的IGBT元件的检修工作必不可少。本文主要对所设计的IGBT子模块电动装卸工具的整体结构、工作原理等方面进行分析，以此设计出安全可靠、技术先进的电动工具，提高柔性直流工程检修水平。