韩厚华，胡超

（铜陵有色控股集团有限公司，安徽 铜陵 244000）

1 设备简介及问题初步分析

铜陵有色某铜加工企业轧机变频设备使用的西门子6se70整流回馈单元从2005年开始使用，在使用十多年后从2018年起陆续出现晶闸管击穿现象。结合设备图纸资料和主要参数对故障原因进行了初步分析。整流回馈单元主要参数见表1。

表1 6s70整流回馈单元参数

原因初步分析：第一，回馈状态烧可控硅的原因就是此时的电网电压突然跌落或停止。产生电路的换相失败（逆变颠覆）。第二，合理的进线半导体快速熔断器。要求快熔的电流必须小于可控硅的最大允许电流，另外强调半导体是要求熔断器的快速保护。第三，供电网络谐波干扰的变频器器、电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电流产生波形畸变，从而对电网中其它设备产生危害的干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后若不加处理，电网噪声就会通过电网电源电路干扰变频器。第四，因西门子公司不生产可控硅元件,6SE70变频器所用的可控硅一般选择进口品牌,更换后新的进口可控硅性能是要验证是否满足要求,本文后述中进行详细拆解详细分析和数学建模仿真。

2 可控硅关键特性和参数分析

2.1 可控硅关键特性

（1）晶闸管的伏安特性。晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性,其特性曲线如图1所示。

图1 晶闸管的伏安特性

（2）晶闸管的门极伏安特性。由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性OG和一条极限低阻门极伏安特性OD之间的区域来代表所有器件的伏安特性，如图2所示。由门极正向峰值电流IFGM、允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,OABCO为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区。

图2 晶闸管的门极伏安特性

2.2 可控硅关键参数

（1）断态重复峰值电压UDRM。在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

（2）反向重复峰值电压URRM。在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

（3）额定电压。断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。

（4）额定电流IT(AV)。在环境温度为+40℃和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角＞170°)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。

（5）浪涌电流。这是晶闸管所允许的半周期内使结温超过额定结温的不重复正向过载电流。该值比晶闸管的额定电流要大得多。实际上它体现了晶闸管抗短路冲击电流的能力。可用来设计保护电路。

（6）通态电压UTM。晶闸管通以规定数倍额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。从减少功耗和发热的观点出发，应该选择通态电压较小的晶闸管。

（7）维持电流IH。在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流

（8）擎住电流IL。晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。

（9）门极触发电流IGT。在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。

（10）门极触发电压UGT。对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM和UGFM。

（11）断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。

（12）通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。

2.3 6SE70整流回馈原配可控硅样件拆解技术分析

2.3.1 整流用晶闸管

整流晶闸管参数如下，型号：WESTCODE UK 6SY7010-0AA45 0430、裙边：110.08mm、台面：73.2mm、磁环：100mm、厚度：26.5mm。

其硅晶片正极和负极都带银片垫、钼片垫、硅晶片周边采用全封胶环绝缘，工艺品质较好。

2.3.2 回馈用晶闸管

回馈用晶闸管参数如下，型号：WESTCODE UK 6SY7010-0AA52 1021、裙边：110.06mm、台面：73mm、磁环：95mm、厚度：26.6mm。

该硅晶片只有正极钼片垫、负极无钼片垫、无银片热，硅晶片周边采用分断胶环绝缘、三片红色胶片和三片白色胶片与晶闸管瓷体隔离。此样件工艺相对较差。

2.3.3 对两样件硅晶片在无尘测试室测试

对两样件硅晶片测试的条件如表2所示，测试的结果数据如表3所示。

表2 测试条件

3 数字模型建立及分析

3.1 电力变压器的参数计算及数学模型建立

3.1.1 电力变压器的参数计算说明（参照现场变压器和变压器标准GBT6451-2015版）

变压器额定容量SN；变压器额定电压UN；短路损耗△PK；阻抗电压百分数UK%；空载损耗△P0；空载电流百分数I0%。

变压器的参数一般是指等值电路中的电阻RT、电抗XT、电导GT、电纳BT。代表其电气特性的四个参数，短路损耗△PK、短路电压百分比UK%、空载损耗△P0、空载电流百分值I0%由短路试验和空载实验得到。

单台690V轧机由一台降压变压器有2000/10型三绕组变压器，容量2000KVA、变比为10/0.69/0.69，因变压器标准GBT6451-2015版未查到此类型的变压器参数拟以两台1000/10型双绕组变压器分析：△P0=1.65kW，I0%=1.1，△PK=11.6kW，UK%=4.5，试计算变压器归算至高压侧和低压侧的参数。

（1）归算至高压侧的短路试验计算电阻

其中，ZN为变压器的额定阻抗，且

（2）归算至高压侧的短路试验计算电抗

对于大型电力变压器，其绕组电阻值远小于绕组电抗值，所以近似认为XT=ZT,所以：

表3 测试数据

（3）归算至低压侧的短路试验计算电阻

（4）归算至低压侧的短路试验计算电抗

（5）变比。对于Y，y及D,d接法的变压器，KT=U1N/U2N=W1/W2=10000/690，即为原、副方绕组的匝数比；对于Y,d接法的变压器，

3.1.2 电力变压器的数学模型建立

根据690VAC轧机供电为12脉波整流、根据上述计算参数、设计模块如图3所示，双副绕组电压仿真波形如图4所示。

图3 12脉波整流设计模块

图4 双副绕组电压仿真波形

3.2 6SE70整流系统数学建模分析

两台6脉冲整流单元并联运行形成12-脉冲工作方式用于降低馈电电源的谐波负载。为此在输出端并联连接两台6SE70装置(整流/回馈单元)并在电源侧用相位差为30°，电位隔离的三相交流系统进行供电。一台“6-脉冲主动”装置调节中间回路电压，并为“6-脉冲从动”装置提供电流给定值。

为了生成两个相位差为30°，电位隔离的三相交流系统，通常使用一个具有两个副边绕组的变压器(例如，Y y6 d5，即，原边绕组：星接，副边绕组1：星接，副边绕组2：角接)。此类变压器被称为“12-脉冲变压器”。为了实现12-脉冲运行，必须使两个整流/回馈单元经快速并行连接而进行耦合，耦合参数如表4所示。

表4 整流/回馈单元耦合参数

对12脉冲开环可控硅整流进行数学建模，模型如图5所示。当可控硅整流触发控制角在5度时：其线电压峰值976V、直流纹波峰值976V，如图6所示；电压有效值690V、直流电压有效值955V，如图7所示。

图5 12脉冲开环可控硅整流数学模型

图6 可控硅整流触发控制角在5度时线电压峰值、直流纹波峰值

图7 可控硅整流触发控制角在5度电压有效值、直流电压有效值

图8 可控硅整流直流电压采样反馈控制数学模型及仿真波形

按6SE70技术文件要求，设定直流电压为890V、模拟负荷阻抗为1.6Ω、感抗为0.0002Ω，仿真模型及直流波形如图8所示，PI各设置为0.001时直流稳电压到890V约需要2个周期时间。模拟两加回路直流并联正常时电压从890到930V、电流在1300A以下都可在2个正弦周期时间内稳定，整流输出未经滤波的电压峰值(Vd11Vd22)不大于976A、若其中的一回路直流不与模拟的负荷并联则此回路的整流输出未经滤波的电压峰值(Vd11Vd22)相对值可高达1800多伏。

4 分析总结

根据上述多方面的分析，国产某企业可控硅晶闸管CRRC 518A0423-28元件和CRRC 518A0423-26元件各项参数均优于WESTCODE UK 6SY7010-0AA45 0430和WESTCODE UK 6SY7010-0AA52 1021，进行替代试运行。根据现场6SE70变频器6个月的运行反馈情况分析替代后无晶闸管烧损，成功实现可控硅晶闸管的国产化替代,并且国产价格远远低于进口元器件。