中壓軟起晶閘管國產(chǎn)化

歐陽俊

摘 要：介紹了一種用國產(chǎn)品牌晶閘管模塊替代進(jìn)口品牌中壓軟啟動(dòng)器中損壞晶閘管模塊的方案?，F(xiàn)場應(yīng)用效果良好，可一定程度的節(jié)約進(jìn)口設(shè)備維修費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：中壓軟啟動(dòng)；晶閘管

隨著經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的發(fā)展，大型中壓電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。通常中壓電機(jī)容量較大，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在全壓直接啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的4～7倍，該起動(dòng)電流會(huì)引起電網(wǎng)電壓的急劇下降，影響同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運(yùn)行。大型電機(jī)的啟動(dòng)方法也受到人們的關(guān)注，目前比較常見的方式是利用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)。

軟啟動(dòng)器主要用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起、軟停，減少起停過程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)可集成多種電機(jī)保護(hù)功能。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管以及控制晶閘管導(dǎo)通角的電路，部分品牌還集成了旁路接觸器。通過控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)器輸出電壓按不同的控制要求，從0V逐步升高到電機(jī)額定電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。

海上采油平臺(tái)中壓電機(jī)廣泛應(yīng)用軟啟動(dòng)。由于其電壓等級(jí)較高，其故障率也一直很高，尤其是其核心部件晶閘管的損壞比較常見。由于大部分中壓軟啟動(dòng)器為國外品牌，其晶閘管備件成本高昂，而且人工成本也極高，在節(jié)能增效的大背景，選擇國產(chǎn)品牌晶閘管替代國外品牌，勢(shì)在必行。在本文中，主要闡述的就是中壓軟啟動(dòng)器晶閘管損壞后用國產(chǎn)元件進(jìn)行替代的方案。

一、晶閘管品牌選擇

在三相電源與電機(jī)之間串入三相反并聯(lián)晶閘管，利用晶閘管的移相控制原理，改變晶閘管的導(dǎo)通角。啟動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓隨晶閘管的導(dǎo)通角從零逐漸增大，輸出電壓逐步升高，直到晶閘管完全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的電機(jī)特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，減少啟動(dòng)電流，降低啟動(dòng)沖擊對(duì)電網(wǎng)的影響。晶閘管反并聯(lián)如圖所示：

我們以AB中壓軟啟動(dòng)器為例，每一相功率單元中是有4個(gè)或6個(gè)晶閘管反并聯(lián)組成，其中晶閘管品牌為ABB（AB公司訂制型號(hào)，具體參數(shù)不詳）。一相功率單元中有被擊穿的晶閘管，其余還未被擊穿也必須更換，因?yàn)榫чl管雖然沒有被擊穿，但是串聯(lián)回路中其他晶閘管短路會(huì)有較高電壓加在好的晶閘管兩端，導(dǎo)致晶閘管的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性受到影響，所以要對(duì)中壓軟起中的三相功率單元中的可控硅全部更換。如果還是更換原廠晶閘管，其備件成本和人工成本都很高。

通過我們的了解國內(nèi)生產(chǎn)晶閘管的企業(yè)有很多達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過反復(fù)對(duì)比我們決定采用同等級(jí)中車電氣時(shí)代晶閘管進(jìn)行更換，中車建有完備的檢測(cè)試驗(yàn)中心，能對(duì)元件進(jìn)行全套檢測(cè)和型式試驗(yàn)。

中車晶閘管技術(shù)特點(diǎn)：

1） 采用高真空電子束蒸發(fā)AI厚膜技術(shù)，器件使用壽命長；

2） 具有較高的 di/dt、dv/dt耐受能力，動(dòng)態(tài)特性好；

3） 產(chǎn)品通態(tài)管壓降小，耐受較高的浪涌電流，抗電流沖擊能力強(qiáng)；

4） 管殼內(nèi)充惰性氣體確保器件長期使用的穩(wěn)定性和可靠性；

5） 擁有電子輻照中心，可以精確控制器件的反向恢復(fù)特性和通態(tài)電壓的折衷關(guān)系，產(chǎn)品特別適用于串、并聯(lián)應(yīng)用、要求器件Qrr或VTM等參數(shù)均勻匹配的場合。

中車建有完備的檢測(cè)試驗(yàn)中心，能對(duì)器件進(jìn)行全套例行檢測(cè)和型式試驗(yàn)。

二、晶閘管主要技術(shù)參數(shù)

（一）晶閘管的外形尺寸及電氣參數(shù)的測(cè)試

1.外形尺寸

由于功率組件都是由散熱器和SCR壓裝而成，替換的晶閘管外形尺寸要和原有晶閘管外形尺寸一致，才能和散熱器很好的壓裝在一起。

2.電氣參數(shù)測(cè)試

經(jīng)過對(duì)海上平臺(tái)中壓軟起調(diào)研，AB中壓軟起功率單元中使用的晶閘管的型號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的ABB晶閘管的型號(hào)，而是AB公司的訂貨型號(hào)，不能確定所用晶閘管的正反向峰值電壓、通態(tài)電流等特性參數(shù)。所以我們提供性能正常的單相功率組件，拆除其中晶閘管，由中車時(shí)代電氣公司來進(jìn)行各項(xiàng)動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性參數(shù)的檢測(cè)。通過對(duì)我方提供晶閘管的特性測(cè)試，中車時(shí)代電氣來確定最終能夠替代的型號(hào)。

（二）功率器件的選擇、配對(duì)及壓裝

1.選擇及配對(duì)

由于電力電子器件特性的各異性（即分散性），即使相同型號(hào)規(guī)格的電力電子器件，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)伏安特性亦不相同，所以在器件選擇方面，盡量采用阻斷特性、開通特性、恢復(fù)特性特性一致的元器件進(jìn)行串聯(lián)。在安裝前，按制造商提供的測(cè)試參數(shù)進(jìn)行選配，用儀器測(cè)試多個(gè)器件的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，然后按特性進(jìn)行選配，將特性相近的安裝在一個(gè)橋臂上。

2.壓裝

對(duì)選擇好的晶閘管配對(duì)進(jìn)行壓裝。

如上圖，移除晶閘管步驟：

1）移除短路棒插件。

2）撬動(dòng)散熱器使它們分離。

3）取出晶閘管。

插入新的晶閘管步驟：

1）在晶閘管表面附加電連接化合物薄膜。

2）安裝晶閘管，使它固定在散熱器的定位銷（注意晶閘管的方向）。

3）撬動(dòng)散熱器，使它們完全靠近接觸，確保晶閘管正確的固定在兩側(cè)的定位銷上。

4）旋轉(zhuǎn)晶閘管，使所有的導(dǎo)線有相同的方向。

（三）功率器件保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

晶閘管串聯(lián)后會(huì)出現(xiàn)如下需要解決的問題：要求所加的電壓均勻地分?jǐn)傇诿恐痪чl管上，即每只器件分?jǐn)偟碾妷夯疽恢隆?/p>

1.靜態(tài)均壓

為了減小晶閘管因?yàn)槁┳杩共坏葘?dǎo)致的兩端靜態(tài)電壓不等，可以在其兩端并聯(lián)均壓電阻。每只晶閘管所承擔(dān)的電壓與該晶閘管阻斷時(shí)正向或反向漏電阻的大小成反比，由于晶閘管元件個(gè)體特性存在差異，不同晶閘管的漏電阻可能有較大的 差別。如果不加均壓電阻，當(dāng)晶閘管阻斷時(shí)，將造成各晶閘管承受電壓不均的問題。并聯(lián)電阻后，因電阻比晶閘管漏電阻小得 多，且每只晶閘管并聯(lián)的電阻相等，所以各晶閘管承擔(dān)的電壓大小也近似相等。為保證均壓效果的同時(shí)控制均壓電阻上的損耗不會(huì)過大，均壓電阻的阻值一般取晶閘管熱態(tài)正、反向漏電阻的 1/3 至 1/5。

2.動(dòng)態(tài)均壓

在需串聯(lián)使用的晶閘管兩端并聯(lián)阻容均壓環(huán)節(jié)，利用電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn)來使各個(gè)管子承受的瞬間電壓均勻起來。避免當(dāng)晶閘管導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，由于串聯(lián)的各個(gè)晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間不一致，其中最后導(dǎo)通和最先關(guān)斷的晶閘管將會(huì)承受全部電壓而導(dǎo)致?lián)舸?/p>

三、功率組件現(xiàn)場更換、調(diào)試

（一）功率組件的安裝

1）確保斷開設(shè)備所有電源。

2）安裝三相功率組件，連接外部接線和光纜。

3）檢查所有的連接并核實(shí)所有連接是否正確，并連接牢靠。

（二）高壓空載試驗(yàn)

1.中壓電動(dòng)機(jī)空載測(cè)試的準(zhǔn)備工作

1）連接電機(jī)前，對(duì)電機(jī)及其電纜進(jìn)行絕緣測(cè)試。

2）確認(rèn)電機(jī)準(zhǔn)備工作完成，進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，電機(jī)與泵連接拆除。

3）連接中壓輸入電纜、電機(jī)電纜。

2.中壓空載測(cè)試

1）根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)置中壓軟啟動(dòng)器相關(guān)保護(hù)參數(shù)。在電動(dòng)機(jī)試運(yùn)行前，應(yīng)確認(rèn)所有電機(jī)保護(hù)參數(shù)設(shè)置正確。

2）空載啟動(dòng)軟啟動(dòng)，并在啟動(dòng)過程中讀取顯示在啟動(dòng)器顯示屏上的三相電流，確定三相電流是否均衡。

3）在現(xiàn)場注意觀察電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)狀態(tài)。

4）啟動(dòng)過程完成后，記錄最大啟動(dòng)電流，最大啟動(dòng)時(shí)間。

5）進(jìn)行2.3次不同參數(shù)設(shè)置的啟動(dòng)。

（三）帶載試驗(yàn)

1）確認(rèn)用戶電機(jī)具備帶負(fù)載條件。

2）確認(rèn)各種安全措施到位。

3）連接電機(jī)與負(fù)載，啟動(dòng)軟啟動(dòng)器，并在啟動(dòng)過程中讀取顯示在啟動(dòng)器顯示屏上的三相電流，確定三相電流是否均衡。

4）在現(xiàn)場注意觀察電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)狀態(tài)。

5）啟動(dòng)過程完成后，記錄最大啟動(dòng)電流，最大啟動(dòng)時(shí)間。

四、方案總結(jié)

本文中晶閘管更換是以AB公司的中壓軟起為例，由于軟啟動(dòng)器的工作原理一樣，所以在功率模塊上更換晶閘管，也適用于其他國外品牌的中壓軟起。

中車時(shí)代公司生產(chǎn)的晶閘管在國內(nèi)市場占有率和影響力均處于領(lǐng)先地位，技術(shù)水平也在國際先進(jìn)之列，該公司生產(chǎn)的功率器件在動(dòng)車等性能要求較高的場合中大量使用，產(chǎn)品可靠性較高。

由于天津分公司海上平臺(tái)，AB、本秀等國外公司的中壓軟起的應(yīng)用數(shù)量很多，自行采購更換國內(nèi)的晶閘管，對(duì)于中壓軟起晶閘管故障維修需要的時(shí)間會(huì)大大縮短、維修成本也會(huì)降低，備品備件的采購也比較靈活，對(duì)于天津分公司海上作業(yè)平臺(tái)生產(chǎn)降本增效是有重要意義的。