韓厚華，胡超

（銅陵有色控股集團有限公司，安徽 銅陵 244000）

1 設(shè)備簡介及問題初步分析

銅陵有色某銅加工企業(yè)軋機變頻設(shè)備使用的西門子6se70整流回饋單元從2005年開始使用，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)對故障原因進行了初步分析。整流回饋單元主要參數(shù)見表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，合理的進線半導(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，另外強調(diào)半導(dǎo)體是要求熔斷器的快速保護。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)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。第四，因西門子公司不生產(chǎn)可控硅元件,6SE70變頻器所用的可控硅一般選擇進口品牌,更換后新的進口可控硅性能是要驗證是否滿足要求,本文后述中進行詳細(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極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽極電流IA之間的關(guān)系特性,其特性曲線如圖1所示。

圖1 晶閘管的伏安特性

（2）晶閘管的門極伏安特性。由于實際產(chǎn)品的門極伏安特性分散性很大，常以一條典型的極限高阻門極伏安特性O(shè)G和一條極限低阻門極伏安特性O(shè)D之間的區(qū)域來代表所有器件的伏安特性，如圖2所示。由門極正向峰值電流IFGM、允許的瞬時最大功率PGM和正向峰值電壓UFGM劃定的區(qū)域稱為門極伏安特性區(qū)域。PG為門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。在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，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。在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，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中較小的那個數(shù)值標(biāo)作器件型號上的額定電壓。

（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)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)正向過載電流。該值比晶閘管的額定電流要大得多。實際上它體現(xiàn)了晶閘管抗短路沖擊電流的能力。可用來設(shè)計保護電路。

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

（7）維持電流IH。在室溫和門極斷路時，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)所必須的最小陽極電流

（8）擎住電流IL。晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時移去觸發(fā)信號之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽極電流。對于同一個晶閘管來說，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(2～4)倍。

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

（10）門極觸發(fā)電壓UGT。對應(yīng)于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應(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。過大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤導(dǎo)通。

（12）通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時，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。在晶閘管開通時，如果電流上升過快，會使門極電流密度過大，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。

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：WESTCODE UK 6SY7010-0AA45 0430、裙邊：110.08mm、臺面：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：WESTCODE UK 6SY7010-0AA52 1021、裙邊：110.06mm、臺面：73mm、磁環(huán)：95mm、厚度：26.6mm。

該硅晶片只有正極鉬片墊、負(fù)極無鉬片墊、無銀片熱，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。此樣件工藝相對較差。

2.3.3 對兩樣件硅晶片在無塵測試室測試

對兩樣件硅晶片測試的條件如表2所示，測試的結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 測試條件

3 數(shù)字模型建立及分析

3.1 電力變壓器的參數(shù)計算及數(shù)學(xué)模型建立

3.1.1 電力變壓器的參數(shù)計算說明（參照現(xiàn)場變壓器和變壓器標(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%由短路試驗和空載實驗得到。

單臺690V軋機由一臺降壓變壓器有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版未查到此類型的變壓器參數(shù)擬以兩臺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)的短路試驗計算電阻

其中，ZN為變壓器的額定阻抗，且

（2）歸算至高壓側(cè)的短路試驗計算電抗

對于大型電力變壓器，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 測試數(shù)據(jù)

（3）歸算至低壓側(cè)的短路試驗計算電阻

（4）歸算至低壓側(cè)的短路試驗計算電抗

（5）變比。對于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軋機供電為12脈波整流、根據(jù)上述計算參數(shù)、設(shè)計模塊如圖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6脈沖整流單元并聯(lián)運行形成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)進行供電。一臺“6-脈沖主動”裝置調(diào)節(jié)中間回路電壓，并為“6-脈沖從動”裝置提供電流給定值。

為了生成兩個相位差為30°，電位隔離的三相交流系統(tǒng)，通常使用一個具有兩個副邊繞組的變壓器(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)。此類變壓器被稱為“12-脈沖變壓器”。為了實現(xiàn)12-脈沖運行，必須使兩個整流/回饋單元經(jīng)快速并行連接而進行耦合，耦合參數(shù)如表4所示。

表4 整流/回饋單元耦合參數(shù)

對12脈沖開環(huán)可控硅整流進行數(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：其線電壓峰值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度時線電壓峰值、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時直流穩(wěn)電壓到890V約需要2個周期時間。模擬兩加回路直流并聯(lián)正常時電壓從890到930V、電流在1300A以下都可在2個正弦周期時間內(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元件各項參數(shù)均優(yōu)于WESTCODE UK 6SY7010-0AA45 0430和WESTCODE UK 6SY7010-0AA52 1021，進行替代試運行。根據(jù)現(xiàn)場6SE70變頻器6個月的運行反饋情況分析替代后無晶閘管燒損，成功實現(xiàn)可控硅晶閘管的國產(chǎn)化替代,并且國產(chǎn)價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進口元器件。