軋機(jī)變頻整流回饋單元可控硅國(guó)產(chǎn)化替代

韓厚華，胡超

（銅陵有色控股集團(tuán)有限公司，安徽 銅陵 244000）

1 設(shè)備簡(jiǎn)介及問(wèn)題初步分析

銅陵有色某銅加工企業(yè)軋機(jī)變頻設(shè)備使用的西門(mén)子6se70整流回饋單元從2005年開(kāi)始使用，在使用十多年后從2018年起陸續(xù)出現(xiàn)晶閘管擊穿現(xiàn)象。結(jié)合設(shè)備圖紙資料和主要參數(shù)對(duì)故障原因進(jìn)行了初步分析。整流回饋單元主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 6s70整流回饋單元參數(shù)

原因初步分析：第一，回饋狀態(tài)燒可控硅的原因就是此時(shí)的電網(wǎng)電壓突然跌落或停止。產(chǎn)生電路的換相失敗（逆變顛覆）。第二，合理的進(jìn)線(xiàn)半導(dǎo)體快速熔斷器。要求快熔的電流必須小于可控硅的最大允許電流，另外強(qiáng)調(diào)半導(dǎo)體是要求熔斷器的快速保護(hù)。第三，供電網(wǎng)絡(luò)諧波干擾的變頻器器、電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過(guò)變頻器的供電電源干擾變頻器。電流產(chǎn)生波形畸變，從而對(duì)電網(wǎng)中其它設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來(lái)自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后若不加處理，電網(wǎng)噪聲就會(huì)通過(guò)電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。第四，因西門(mén)子公司不生產(chǎn)可控硅元件,6SE70變頻器所用的可控硅一般選擇進(jìn)口品牌,更換后新的進(jìn)口可控硅性能是要驗(yàn)證是否滿(mǎn)足要求,本文后述中進(jìn)行詳細(xì)拆解詳細(xì)分析和數(shù)學(xué)建模仿真。

2 可控硅關(guān)鍵特性和參數(shù)分析

2.1 可控硅關(guān)鍵特性

（1）晶閘管的伏安特性。晶閘管的伏安特性是晶閘管陽(yáng)極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽(yáng)極電流IA之間的關(guān)系特性,其特性曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 晶閘管的伏安特性

（2）晶閘管的門(mén)極伏安特性。由于實(shí)際產(chǎn)品的門(mén)極伏安特性分散性很大，常以一條典型的極限高阻門(mén)極伏安特性O(shè)G和一條極限低阻門(mén)極伏安特性O(shè)D之間的區(qū)域來(lái)代表所有器件的伏安特性，如圖2所示。由門(mén)極正向峰值電流IFGM、允許的瞬時(shí)最大功率PGM和正向峰值電壓UFGM劃定的區(qū)域稱(chēng)為門(mén)極伏安特性區(qū)域。PG為門(mén)極允許的最大平均功率。其中,OABCO為不可靠觸發(fā)區(qū),ADEFGCBA為可靠觸發(fā)區(qū)。

圖2 晶閘管的門(mén)極伏安特性

2.2 可控硅關(guān)鍵參數(shù)

（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM。在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。

（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM。在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。

（3）額定電壓。斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的那個(gè)數(shù)值標(biāo)作器件型號(hào)上的額定電壓。

（4）額定電流IT(AV)。在環(huán)境溫度為+40℃和規(guī)定冷卻條件下，器件在電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中,管子全導(dǎo)通(導(dǎo)通角＞170°)，在穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。

（5）浪涌電流。這是晶閘管所允許的半周期內(nèi)使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)正向過(guò)載電流。該值比晶閘管的額定電流要大得多。實(shí)際上它體現(xiàn)了晶閘管抗短路沖擊電流的能力?？捎脕?lái)設(shè)計(jì)保護(hù)電路。

（6）通態(tài)電壓UTM。晶閘管通以規(guī)定數(shù)倍額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。從減少功耗和發(fā)熱的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該選擇通態(tài)電壓較小的晶閘管。

（7）維持電流IH。在室溫和門(mén)極斷路時(shí)，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽(yáng)極電流

（8）擎住電流IL。晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時(shí)移去觸發(fā)信號(hào)之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽(yáng)極電流。對(duì)于同一個(gè)晶閘管來(lái)說(shuō)，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(2～4)倍。

（9）門(mén)極觸發(fā)電流IGT。在室溫且陽(yáng)極電壓為6V直流電壓時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全開(kāi)通所必需的最小門(mén)極直流電流。

（10）門(mén)極觸發(fā)電壓UGT。對(duì)應(yīng)于門(mén)極觸發(fā)電流時(shí)的門(mén)極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門(mén)極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過(guò)其峰值IGFM和UGFM。

（11）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門(mén)極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過(guò)大的斷態(tài)電壓上升率會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

（12）通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，由門(mén)極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開(kāi)通時(shí)，如果電流上升過(guò)快，會(huì)使門(mén)極電流密度過(guò)大，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。

2.3 6SE70整流回饋原配可控硅樣件拆解技術(shù)分析

2.3.1 整流用晶閘管

整流晶閘管參數(shù)如下，型號(hào)：WESTCODE UK 6SY7010-0AA45 0430、裙邊：110.08mm、臺(tái)面：73.2mm、磁環(huán)：100mm、厚度：26.5mm。

其硅晶片正極和負(fù)極都帶銀片墊、鉬片墊、硅晶片周邊采用全封膠環(huán)絕緣，工藝品質(zhì)較好。

2.3.2 回饋用晶閘管

回饋用晶閘管參數(shù)如下，型號(hào)：WESTCODE UK 6SY7010-0AA52 1021、裙邊：110.06mm、臺(tái)面：73mm、磁環(huán)：95mm、厚度：26.6mm。

該硅晶片只有正極鉬片墊、負(fù)極無(wú)鉬片墊、無(wú)銀片熱，硅晶片周邊采用分?jǐn)嗄z環(huán)絕緣、三片紅色膠片和三片白色膠片與晶閘管瓷體隔離。此樣件工藝相對(duì)較差。

2.3.3 對(duì)兩樣件硅晶片在無(wú)塵測(cè)試室測(cè)試

對(duì)兩樣件硅晶片測(cè)試的條件如表2所示，測(cè)試的結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 測(cè)試條件

3 數(shù)字模型建立及分析

3.1 電力變壓器的參數(shù)計(jì)算及數(shù)學(xué)模型建立

3.1.1 電力變壓器的參數(shù)計(jì)算說(shuō)明（參照現(xiàn)場(chǎng)變壓器和變壓器標(biāo)準(zhǔn)GBT6451-2015版）

變壓器額定容量SN；變壓器額定電壓UN；短路損耗△PK；阻抗電壓百分?jǐn)?shù)UK%；空載損耗△P0；空載電流百分?jǐn)?shù)I0%。

變壓器的參數(shù)一般是指等值電路中的電阻RT、電抗XT、電導(dǎo)GT、電納BT。代表其電氣特性的四個(gè)參數(shù)，短路損耗△PK、短路電壓百分比UK%、空載損耗△P0、空載電流百分值I0%由短路試驗(yàn)和空載實(shí)驗(yàn)得到。

單臺(tái)690V軋機(jī)由一臺(tái)降壓變壓器有2000/10型三繞組變壓器，容量2000KVA、變比為10/0.69/0.69，因變壓器標(biāo)準(zhǔn)GBT6451-2015版未查到此類(lèi)型的變壓器參數(shù)擬以?xún)膳_(tái)1000/10型雙繞組變壓器分析：△P0=1.65kW，I0%=1.1，△PK=11.6kW，UK%=4.5，試計(jì)算變壓器歸算至高壓側(cè)和低壓側(cè)的參數(shù)。

（1）歸算至高壓側(cè)的短路試驗(yàn)計(jì)算電阻

其中，ZN為變壓器的額定阻抗，且

（2）歸算至高壓側(cè)的短路試驗(yàn)計(jì)算電抗

對(duì)于大型電力變壓器，其繞組電阻值遠(yuǎn)小于繞組電抗值，所以近似認(rèn)為XT=ZT,所以：

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)

（3）歸算至低壓側(cè)的短路試驗(yàn)計(jì)算電阻

（4）歸算至低壓側(cè)的短路試驗(yàn)計(jì)算電抗

（5）變比。對(duì)于Y，y及D,d接法的變壓器，KT=U1N/U2N=W1/W2=10000/690，即為原、副方繞組的匝數(shù)比；對(duì)于Y,d接法的變壓器，

3.1.2 電力變壓器的數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)690VAC軋機(jī)供電為12脈波整流、根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)、設(shè)計(jì)模塊如圖3所示，雙副繞組電壓仿真波形如圖4所示。

圖3 12脈波整流設(shè)計(jì)模塊

圖4 雙副繞組電壓仿真波形

3.2 6SE70整流系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模分析

兩臺(tái)6脈沖整流單元并聯(lián)運(yùn)行形成12-脈沖工作方式用于降低饋電電源的諧波負(fù)載。為此在輸出端并聯(lián)連接兩臺(tái)6SE70裝置(整流/回饋單元)并在電源側(cè)用相位差為30°，電位隔離的三相交流系統(tǒng)進(jìn)行供電。一臺(tái)“6-脈沖主動(dòng)”裝置調(diào)節(jié)中間回路電壓，并為“6-脈沖從動(dòng)”裝置提供電流給定值。

為了生成兩個(gè)相位差為30°，電位隔離的三相交流系統(tǒng)，通常使用一個(gè)具有兩個(gè)副邊繞組的變壓器(例如，Y y6 d5，即，原邊繞組：星接，副邊繞組1：星接，副邊繞組2：角接)。此類(lèi)變壓器被稱(chēng)為“12-脈沖變壓器”。為了實(shí)現(xiàn)12-脈沖運(yùn)行，必須使兩個(gè)整流/回饋單元經(jīng)快速并行連接而進(jìn)行耦合，耦合參數(shù)如表4所示。

表4 整流/回饋單元耦合參數(shù)

對(duì)12脈沖開(kāi)環(huán)可控硅整流進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，模型如圖5所示。當(dāng)可控硅整流觸發(fā)控制角在5度時(shí)：其線(xiàn)電壓峰值976V、直流紋波峰值976V，如圖6所示；電壓有效值690V、直流電壓有效值955V，如圖7所示。

圖5 12脈沖開(kāi)環(huán)可控硅整流數(shù)學(xué)模型

圖6 可控硅整流觸發(fā)控制角在5度時(shí)線(xiàn)電壓峰值、直流紋波峰值

圖7 可控硅整流觸發(fā)控制角在5度電壓有效值、直流電壓有效值

圖8 可控硅整流直流電壓采樣反饋控制數(shù)學(xué)模型及仿真波形

按6SE70技術(shù)文件要求，設(shè)定直流電壓為890V、模擬負(fù)荷阻抗為1.6Ω、感抗為0.0002Ω，仿真模型及直流波形如圖8所示，PI各設(shè)置為0.001時(shí)直流穩(wěn)電壓到890V約需要2個(gè)周期時(shí)間。模擬兩加回路直流并聯(lián)正常時(shí)電壓從890到930V、電流在1300A以下都可在2個(gè)正弦周期時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，整流輸出未經(jīng)濾波的電壓峰值(Vd11Vd22)不大于976A、若其中的一回路直流不與模擬的負(fù)荷并聯(lián)則此回路的整流輸出未經(jīng)濾波的電壓峰值(Vd11Vd22)相對(duì)值可高達(dá)1800多伏。

4 分析總結(jié)

根據(jù)上述多方面的分析，國(guó)產(chǎn)某企業(yè)可控硅晶閘管CRRC 518A0423-28元件和CRRC 518A0423-26元件各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于WESTCODE UK 6SY7010-0AA45 0430和WESTCODE UK 6SY7010-0AA52 1021，進(jìn)行替代試運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)6SE70變頻器6個(gè)月的運(yùn)行反饋情況分析替代后無(wú)晶閘管燒損，成功實(shí)現(xiàn)可控硅晶閘管的國(guó)產(chǎn)化替代,并且國(guó)產(chǎn)價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口元器件。