王海明，孫立紅，馮小雷，劉海峰，張燦

（河鋼集團鋼鐵技術(shù)研究總院，河北 石家莊 050000）

1T非真空感應(yīng)爐電氣調(diào)試與故障分析

王海明，孫立紅，馮小雷，劉海峰，張燦

（河鋼集團鋼鐵技術(shù)研究總院，河北 石家莊 050000）

基于IGBT的非真空中頻電源在感應(yīng)爐冶煉中具有工作效率高、運行穩(wěn)定和節(jié)能等特點，但是當中頻電源與爐體參數(shù)設(shè)計不合理會導(dǎo)致設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)很多問題。針對IGBT中頻電源在使用過程中屢次出現(xiàn)的問題進行追蹤分析。通過對IGBT工作特性和其外圍保護電路功能的基本分析，進行故障排查處理。

中頻感應(yīng)；IGBT；驅(qū)動電路

基于IGBT功率器件設(shè)計的中頻電源隨著產(chǎn)品成熟度的不斷提高，已基本解決該類型產(chǎn)品發(fā)展初期積累的各種問題，但隨著對產(chǎn)品性能要求的不斷提高，伴隨新型電子器件的植入又出現(xiàn)一些新的問題。以我單位使用的非真空感應(yīng)爐IGPS-700-IS型中頻電源設(shè)備為例，頻繁出現(xiàn)故障?，F(xiàn)針對該設(shè)備進行綜合分析，通過對IGBT控制電路和驅(qū)動電路對比，同時結(jié)合故障現(xiàn)象對冶煉過程中出現(xiàn)的故障進行排查處理。

1 系統(tǒng)組成

非真空感應(yīng)爐中頻電源可分為整流單元和逆變單元兩部分，整流單元原理如圖1所示。圖1中的主回路器件是可控硅、二極管和電抗器，（R視為具有一定內(nèi)阻消耗的逆變單元）。L1、L2、L3是中頻電源380VAC/50Hz進線的接線端，在整流橋前段安裝有電流檢測裝置，通過三相半橋式整流，整流側(cè)輸出電壓為580V。圖2逆變單元A、B兩點是接在圖1中R兩側(cè)的（因為R等效于圖2逆變單元的內(nèi)阻），當電流通過圖1整流單元之后給圖2電容器組兩端蓄壓，電壓到580V時滿足逆變啟動條件，這時電源柜可正常啟動工作。

圖1 整流單元電氣原理圖

2 故障原因分析及處理

如圖3所示，為保證IGBT正常工作且不被突然增高的電流或電壓擊穿損壞，在設(shè)計時就要選擇合適的電路參數(shù)，特別是對IGBT模塊本身要設(shè)計外圍保護電路。一般來說，IGBT模塊常用保護電路有過流保護和過壓保護兩種。過流保護一般由于電路中短路引起，當電路中發(fā)生短路時，IGBT集電極，電流急劇增加并超過額定值，同時IGBT集電極—發(fā)射極電壓Uce的上升，IGBT功率損耗增加。若IGBT這種狀態(tài)下運行較長時間則可能因溫度過高而燒毀。過壓保護一般指IGBT關(guān)斷時的浪涌電壓抑制。

IGBT關(guān)斷速度很快，在關(guān)斷或其反并二極管反向恢復(fù)時會產(chǎn)生很高的 di/ dt，IGBT內(nèi)部引線或外部引線存在寄生電感，將引起很高的 Ldi/ dt 電壓，即關(guān)斷浪涌電壓。當該電壓超過IGBT的正向耐壓值時將造成IGBT過壓擊穿。

圖3 IGBT電氣原理圖

2.1 故障現(xiàn)象一及解決辦法

當中頻電壓運行到1600V時，中頻電源內(nèi)部電抗嗡嗡聲增大輕微抖動，發(fā)出特別大的非正常的顫抖聲，電源柜中發(fā)出脈沖式?jīng)_擊聲，判斷沖擊聲是由圖1中的電抗器發(fā)出，提高功率到中頻電壓1800V左右設(shè)備停止運行，驅(qū)動板輸出保護信號。

以上故障現(xiàn)象可大致反映出在逆變回路中既存在過電流又存在過電壓的情況。功率無法提升且到固定電壓值時圖1中的電抗器工作出現(xiàn)異常，可以判斷出在該工作點逆變回路中有元器件放電，經(jīng)檢查感應(yīng)圈并無放電痕跡，據(jù)此判斷主回路中的諧振電容器損壞造成諧振電容器內(nèi)部耐壓值下降至1800以下，在續(xù)壓過程中每當電壓升高到1600V左右時內(nèi)部極板間放電產(chǎn)生浪涌電壓沖擊IGBT模塊，IGBT模塊保護電路檢測到過壓信號關(guān)斷IGBT模塊。經(jīng)檢查設(shè)備停止運行時中頻電源輸出功率尚不到總功率的50%，用示波器監(jiān)視發(fā)現(xiàn)主回路中頻電流亦未突變，所以排除IGBT模塊過流保護動作可能。

為解決此現(xiàn)象，特將圖2中電容器組中的6枚RFM3．0-1500-1S 型 電 容 器 更 換 為 4 枚 IGCW3．2-4500-0．8型電容器，更換諧振電容器組后以上現(xiàn)象消失。據(jù)此說明圖2中電容器組中個別電容器存在內(nèi)部放電現(xiàn)象的推斷是正確的，此基礎(chǔ)上我們還增大了電容器組的容量，以圖2所示主回路中的感應(yīng)圈和電容器組能有效的構(gòu)建起諧振電路。

2.2 故障現(xiàn)象二及解決辦法

個別諧振電容存在內(nèi)部放電現(xiàn)象解決后設(shè)備能工作在中頻電壓2200V以下，但是當中頻電壓達到2300V時，IGBT驅(qū)動模塊輸出保護信號，設(shè)備停止運行。

如圖3所示IGBT電路，中頻電源正常運行時，IGBT工作在正常或飽和狀態(tài)，IGBT模塊工作在正偏電壓狀態(tài)，一般對于IGBT的正偏電壓Vge值為+15V正負10%。如果最大值+Vgs過高，可能導(dǎo)致柵極與發(fā)射極之間擊穿。當IGBT關(guān)斷時，IGBT工作在反偏電壓狀態(tài)，Vge值為-15V正負10%，反偏電壓Vge對IGBT的關(guān)斷極其重要。Vge越大，關(guān)斷時間越短，關(guān)斷損耗越小，但會產(chǎn)生更高的浪涌電壓。改變柵極串聯(lián)的驅(qū)動電阻Rg的數(shù)值可以改變IGBT導(dǎo)通關(guān)斷特性，所以當Rg數(shù)值設(shè)計不合理時在IGBT反向續(xù)流二極管關(guān)斷期間，施加了C-G間的di/dt與dv/dt，可引起柵極電路有電流流過，柵極電阻上產(chǎn)生電壓，或在柵極驅(qū)動電路產(chǎn)生震蕩。以上故障現(xiàn)象其中一個重要原因就是IGBT柵極電阻Rg數(shù)值設(shè)計與其它系統(tǒng)參數(shù)不匹配，使得IGBT模塊在工作過程中產(chǎn)生過壓或過流擾動信號，致使IGBT驅(qū)動電路板保護信號誤動作。

如圖2，據(jù)以上分析我們將逆變模塊中的英飛凌FZ400R12KE3型IGBT更換為富士IGBT612型IGBT，驅(qū)動由POWER-SEM的PSHI27型IGBT驅(qū)動更換為POWER-SEM的PSPC 620P-S17型驅(qū)動及PURE S17-1200驅(qū)動付板的組合。更換后該故障消失，設(shè)備正常運行。如圖3所示，更換加在-Rg端的驅(qū)動保護電路后設(shè)備故障消失且運行良好，說明IGBT和驅(qū)動保護電路的選型搭配對設(shè)備性能的優(yōu)劣來說至關(guān)重要。

3 結(jié)語

從整改效果來看，這套中頻電源性能穩(wěn)定，再未出現(xiàn)過中頻顫音，主回路放電以及驅(qū)動頻繁保護的故障。更換IGBT模塊增強主回路通流能力，同時增大電容器組容量也使設(shè)備加熱能力大幅提升，使設(shè)備能夠大功率加熱，鋼水溫度得以快速提升。

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