軋機變頻整流回饋單元可控硅國產化替代

韓厚華，胡超

（銅陵有色控股集團有限公司，安徽 銅陵 244000）

1 設備簡介及問題初步分析

銅陵有色某銅加工企業軋機變頻設備使用的西門子6se70整流回饋單元從2005年開始使用，在使用十多年后從2018年起陸續出現晶閘管擊穿現象。結合設備圖紙資料和主要參數對故障原因進行了初步分析。整流回饋單元主要參數見表1。

表1 6s70整流回饋單元參數

原因初步分析：第一，回饋狀態燒可控硅的原因就是此時的電網電壓突然跌落或停止。產生電路的換相失敗（逆變顛覆）。第二，合理的進線半導體快速熔斷器。要求快熔的電流必須小于可控硅的最大允許電流，另外強調半導體是要求熔斷器的快速保護。第三，供電網絡諧波干擾的變頻器器、電網中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電流產生波形畸變，從而對電網中其它設備產生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網的干擾后若不加處理，電網噪聲就會通過電網電源電路干擾變頻器。第四，因西門子公司不生產可控硅元件,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拆解詳細分析和數學建模仿真。

2 可控硅關鍵特性和參數分析

2.1 可控硅關鍵特性

（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OG和一條極限低阻門極伏安特性OD之間的區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劃定的區域稱為門極伏安特性區域。PG為門極允許的最大平均功率。其中,OABCO為不可靠觸發區,ADEFGCBA為可靠觸發區。

圖2 晶閘管的門極伏安特性

2.2 可控硅關鍵參數

（1）斷態重復峰值電壓UDRM。在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。

（2）反向重復峰值電壓URRM。在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。

（3）額定電壓。斷態重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM中較小的那個數值標作器件型號上的額定電壓。

（4）額定電流IT(AV)。在環境溫度為+40℃和規定冷卻條件下，器件在電阻性負載的單相工頻正弦半波電路中,管子全導通(導通角＞170°)，在穩定的額定結溫時所允許的最大通態平均電流。

（5）浪涌電流。這是晶閘管所允許的半周期內使結溫超過額定結溫的不重復正向過載電流。該值比晶閘管的額定電流要大得多。實際上它體現了晶閘管抗短路沖擊電流的能力。可用來設計保護電路。

（6）通態電壓UTM。晶閘管通以規定數倍額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。從減少功耗和發熱的觀點出發，應該選擇通態電壓較小的晶閘管。

（7）維持電流IH。在室溫和門極斷路時，晶閘管已經處于通態后，從較大的通態電流降至維持通態所必須的最小陽極電流

（8）擎住電流IL。晶閘管從斷態轉換到通態時移去觸發信號之后，要器件維持通態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）門極觸發電壓UGT。對應于門極觸發電流時的門極觸發電壓。觸發電路給門極的電壓和電流應適當地大于所規定的UGT和IGT上限，但不應超過其峰值IGFM和UGFM。

（11）斷態電壓臨界上升率du/dt。在額定結溫和門極斷路條件下，不導致器件從斷態轉入通態的最大電壓上升率。過大的斷態電壓上升率會使晶閘管誤導通。

（12）通態電流臨界上升率di/dt。在規定條件下，由門極觸發晶閘管使其導通時，晶閘管能夠承受而不導致損壞的通態電流的最大上升率。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分析

2.3.1 整流用晶閘管

整流晶閘管參數如下，型號：WESTCODE UK 6SY7010-0AA45 0430、裙邊：110.08mm、臺面：73.2mm、磁環：100mm、厚度：26.5mm。

其硅晶片正極和負極都帶銀片墊、鉬片墊、硅晶片周邊采用全封膠環絕緣，工藝品質較好。

2.3.2 回饋用晶閘管

回饋用晶閘管參數如下，型號：WESTCODE UK 6SY7010-0AA52 1021、裙邊：110.06mm、臺面：73mm、磁環：95mm、厚度：26.6mm。

該硅晶片只有正極鉬片墊、負極無鉬片墊、無銀片熱，硅晶片周邊采用分斷膠環絕緣、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，測試的結果數據如表3所示。

表2 測試條件

3 數字模型建立及分析

3.1 電力變壓器的參數計算及數學模型建立

3.1.1 電力變壓器的參數計算說明（參照現場變壓器和變壓器標準GBT6451-2015版）

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

變壓器的參數一般是指等值電路中的電阻RT、電抗XT、電導GT、電納BT。代表其電氣特性的四個參數，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，因變壓器標準GBT6451-2015版未查到此類型的變壓器參數擬以兩臺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和低壓側的參數。

（1）歸算至高壓側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，其繞組電阻值遠小于繞組電抗值，所以近似認為XT=ZT,所以：

表3 測試數據

（3）歸算至低壓側的短路試驗計算電阻

（4）歸算至低壓側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、副方繞組的匝數比；對于Y,d接法的變壓器，

3.1.2 電力變壓器的數學模型建立

根據690VAC軋機供電為12脈波整流、根據上述計算參數、設計模塊如圖3所示，雙副繞組電壓仿真波形如圖4所示。

圖3 12脈波整流設計模塊

圖4 雙副繞組電壓仿真波形

3.2 6SE70整流系統數學建模分析

兩臺6脈沖整流單元并聯運行形成12-脈沖工作方式用于降低饋電電源的諧波負載。為此在輸出端并聯連接兩臺6SE70裝置(整流/回饋單元)并在電源側用相位差為30°，電位隔離的三相交流系統進行供電。一臺“6-脈沖主動”裝置調節中間回路電壓，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，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12-脈沖運行，必須使兩個整流/回饋單元經快速并行連接而進行耦合，耦合參數如表4所示。

表4 整流/回饋單元耦合參數

對12脈沖開環可控硅整流進行數學建模，模型如圖5所示。當可控硅整流觸發控制角在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脈沖開環可控硅整流數學模型

圖6 可控硅整流觸發控制角在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學模型及仿真波形

按6SE70技術文件要求，設定直流電壓為890V、模擬負荷阻抗為1.6Ω、感抗為0.0002Ω，仿真模型及直流波形如圖8所示，PI各設置為0.001時直流穩電壓到890V約需要2個周期時間。模擬兩加回路直流并聯正常時電壓從890到930V、電流在1300A以下都可在2個正弦周期時間內穩定，整流輸出未經濾波的電壓峰值(Vd11Vd22)不大于976A、若其中的一回路直流不與模擬的負荷并聯則此回路的整流輸出未經濾波的電壓峰值(Vd11Vd22)相對值可高達1800多伏。

4 分析總結

根據上述多方面的分析，國產某企業可控硅晶閘管CRRC 518A0423-28元件和CRRC 518A0423-26元件各項參數均優于WESTCODE UK 6SY7010-0AA45 0430和WESTCODE UK 6SY7010-0AA52 1021，進行替代試運行。根據現場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，成功實現可控硅晶閘管的國產化替代,并且國產價格遠遠低于進口元器件。