軋機(jī)大功率變頻器快熔擴(kuò)容的研究

韓驗(yàn)龍，楊金昭，裴勇梅，張學(xué)強(qiáng)，金 琳，侯大偉

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋部，河北 唐山 063200）

1 700 mm酸軋主傳動(dòng)整流控制系統(tǒng)通過應(yīng)用絕緣柵雙極晶體管IGBT的高頻率通斷來控制主軋機(jī)工作。IGBT具有輸入高阻抗、通態(tài)低電壓、通斷速度快、承受大電流的優(yōu)點(diǎn)，但其熱容量較小，有承受短時(shí)間過電流的缺點(diǎn)，因此過電流保護(hù)的設(shè)置要合理[1]。此外，應(yīng)用產(chǎn)線時(shí)，功率半導(dǎo)體和快熔是串聯(lián)關(guān)系，如果過載或短路電流通過閉合回路時(shí)，大電流會(huì)使快熔中的熔體發(fā)熱而迅速熔斷切斷回路，進(jìn)而保證IGBT不被損壞，同時(shí)也保護(hù)了輸出下口的重要設(shè)備。本文提出采取快熔擴(kuò)容的方法，以提升快熔的過流能力，降低設(shè)備損壞率。

1 快熔工作原理

快速熔斷器（簡稱快熔）流入額定電流時(shí)，熔體內(nèi)產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)電觸刀、熔管表面所散熱量之和相平衡，其最高溫度在與鍍銀接觸處，一般低于80℃。

當(dāng)快速熔斷器短路、過載運(yùn)行時(shí)，溫度加劇升高，短路、過載電流流入熔芯窄頸部位，快速熔化，形成電弧。電弧的熱量導(dǎo)致鍍銀片蒸發(fā)，迅速與石英砂熔化形成一種絕緣的銀化合物。此時(shí)弧區(qū)電阻值增大，短路過載電流受到阻截。伴隨著時(shí)間的推移，電弧向兩邊延伸，電弧被拉長拉細(xì)，電弧電流降低，進(jìn)而阻截電流。實(shí)驗(yàn)表明，短路、過載電流大于快熔額定電流的10倍以上時(shí)，快熔將阻截電路，以避免通信設(shè)備被短路故障所影響。正常情況下，快速熔斷器從短路、過載電流流經(jīng)開始，到電路被切斷終止的熔斷時(shí)間低于10 ms[2]。

當(dāng)短路電流高達(dá)10 000 A時(shí)，其熔斷時(shí)間在500μs，而IGBT允許的短路擊穿保護(hù)時(shí)間僅有幾十微秒。IGBT短路允許時(shí)間快于快熔的熔斷時(shí)間，從嚴(yán)格意義上來說，快熔對IGBT起到一定的保護(hù)作用外，其主要作用為防止事故擴(kuò)大化。圖1為快熔短路電流與熔斷時(shí)間的特性圖。

圖1 快熔短路電流與熔斷時(shí)間特性曲線圖

對于IGBT過電流保護(hù)，1 700 mm酸軋采用的是集電極電壓識(shí)別的方法。在正常運(yùn)行情況下，IGBT的通態(tài)飽和壓降UON與集電極電流iC呈線性變化的關(guān)系，明確了通態(tài)飽和壓降UON的大小即可判斷IGBT集電極電流的大小。流入IGBT大電流后，結(jié)溫升高，通態(tài)飽和壓降增加，有效保護(hù)了IGBT過電流被擊穿特性。

2 IGBT的擎住效應(yīng)

從下頁圖2電路圖中可以看出，IGBT內(nèi)部輸出三極管T1和寄生三極管T2等效為一個(gè)晶閘管。電阻Rr形成正向偏壓施加在T2的基極和發(fā)射極回路上。當(dāng)IGBT處于正常穩(wěn)定通態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)、電流iC小于允許值時(shí)，Rr的壓降很小，克服不了T2的發(fā)射極和集電極上PN結(jié)電壓，導(dǎo)致T2產(chǎn)生不了基極電流，即T2并不起作用。如果iC瞬時(shí)增大，Rr上壓降急速增加，達(dá)到可以克服T2的發(fā)射極和集電極間的PN結(jié)電壓時(shí)，觸發(fā)T2導(dǎo)通，這樣就撤除了門極電壓UGE，IGBT也會(huì)像晶閘管一樣處于導(dǎo)通狀態(tài)，門極G失效，這種現(xiàn)象稱之為擎住效應(yīng)[6]。

圖2 IGBT等效電路圖

在設(shè)計(jì)制造日立傳動(dòng)時(shí)，IGBT內(nèi)部已極大地降低了電阻Rr的阻值，使IGBT集電極電流在最大允許值iM時(shí)，電阻Rr的壓降仍低于T2起始導(dǎo)電所需的正偏壓值，而實(shí)際工作中iC仍然會(huì)超過iM，呈現(xiàn)擎住效應(yīng)。若外電路限制不了iC的增長，便有極大可能損壞IGBT元件。表1為IGBT和晶閘管過電流比對表，不難看出IGBT和晶閘管的標(biāo)稱電流原則是不相同的，IGBT的標(biāo)稱電流是按集電極瞬時(shí)最大電流iM來標(biāo)定的，iM還受元件的結(jié)溫、耗散功率的影響，iM值是在規(guī)定的結(jié)溫及標(biāo)準(zhǔn)的散熱條件下得出的[3]。IGBT過流能力比晶閘管能力差很多，為了更好保護(hù)IGBT過流擊穿特性，必須使快熔滿足檢測、保護(hù)裝置的快速性，以及將響應(yīng)時(shí)間控制在4～10μs內(nèi)。

表1 晶閘管、IGBT過電流能力對比

3 快熔擊穿現(xiàn)象

截止到目前，1 700 mm酸軋主傳動(dòng)柜連續(xù)出現(xiàn)3次快熔燒毀的事故，由于設(shè)備的特殊性，基本上每次事故處理起來都至少耗費(fèi)1.5 h，嚴(yán)重影響了酸軋生產(chǎn)節(jié)奏，帶來了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

以最近一次的快熔燒毀為例，1 700 mm酸軋?jiān)谡Ｉa(chǎn)時(shí)，HMI畫面報(bào)警，1號機(jī)架主傳動(dòng)柜跳閘，停車失張后導(dǎo)致1號—2號機(jī)架斷帶。后傳動(dòng)柜重故障報(bào)警，T1相P側(cè)快熔的微動(dòng)開關(guān)彈出，快熔燒毀。1號機(jī)架主傳動(dòng)柜內(nèi)T1相P側(cè)快熔燒毀是本次故障的直接原因。調(diào)取傳動(dòng)故障時(shí)的故障捕捉記錄，如圖3為帶鋼軋制過程中的斷帶時(shí)，1號—2號機(jī)架間的電流曲線圖。而從M-TOOL軟件中不難發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)柜逆變器轉(zhuǎn)矩電流偏大，最高可達(dá)132%，導(dǎo)致整流柜沖擊電流增大，致使快熔燒毀，如圖4所示。

圖3 TRACE曲線斷帶報(bào)警圖形

圖4 轉(zhuǎn)矩電流超過115%限幅值

軋機(jī)主傳動(dòng)柜內(nèi)快熔的溫度實(shí)際檢測約85℃，而快速熔斷型熔斷器的可熔體（金屬絲）較劇烈氧化開始的溫度約為200℃（175～225℃），不存在環(huán)境溫度高的問題。

由于1 700 mm酸軋產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)奏快，鋼種變化頻率較高[7]，因此統(tǒng)計(jì)了1月至4月的5個(gè)機(jī)架的過載電流次數(shù)，如表2所示。通過分析表明，主傳動(dòng)設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷大，電流高，再加上設(shè)備長期運(yùn)行、頻繁起停、高強(qiáng)鋼生產(chǎn)，以及生產(chǎn)過程中的斷帶急停等因素，造成熔斷器在生產(chǎn)中多次受到過電流沖擊，產(chǎn)生熱循環(huán)，從而加速熔絲的擴(kuò)散、氧化、熱應(yīng)力不斷降低[8]。熔斷器將隨著脈沖能量和過電流次數(shù)的增加而漸漸老化，導(dǎo)致快熔性承受不了巨大負(fù)荷，性能也逐漸下降，致使快熔燒毀。

表2 1月—4月5個(gè)機(jī)架過載（≥115%大電流）統(tǒng)計(jì)

經(jīng)多次分析檢查，3次事故都是由同一原因?qū)е碌目烊蹞p壞。綜上判斷，該熔絲可能是因選型過小，長期受過電流沖擊作用，產(chǎn)生熱循環(huán)，觸使熔絲老化所致，根本的解決方法為采取快熔擴(kuò)容。

4 主傳動(dòng)快熔擴(kuò)容原則

1 700 mm酸軋軋機(jī)主傳動(dòng)快熔的選擇主要參數(shù)有：額定電流、額定電壓[4]、熱能熔化值、限熔流特性。

4.1 額定電流

額定電流為允許條件下，快熔長期保持正常運(yùn)行的最大電流。主傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算中，快熔的選取主要按保護(hù)IGBT功率開關(guān)元件為依托，要求快熔在保護(hù)IGBT元件熱擊穿前斷開電路，所以主傳動(dòng)快熔保護(hù)選取的額定電流IRN應(yīng)滿足：

式中：I*RN為快熔的計(jì)算額定電流；IT（RMS）為功率元器件的電流均方根。

快熔的計(jì)算額定電流I*RN計(jì)算如下：

式中：IP為快熔臂平均電流；KBX為波形系數(shù)；KRX為快熔選擇系數(shù)（1.1～1.25倍）；KC為均流系數(shù)（≤0.85）；ZBX為每臂并聯(lián)元器件數(shù)；X為快熔損壞數(shù)2只。

功率元器件的電流均方根IT（RMS）值為：

式中：IT（AV）為功率元器件通態(tài)均電流。

在實(shí)際應(yīng)用中，1 700 mm酸軋主傳動(dòng)的負(fù)荷具有沖擊性，所以要對計(jì)算額定電流IT（AV）考慮一定的余量，取系數(shù)為0.73。因此，軋機(jī)主傳動(dòng)快熔額定電流IRN的選型原則為：

對于1 700 mm酸軋系統(tǒng)，I*RN=317A，IT（AV）=1210.7A，因此，IRN的選擇范圍應(yīng)該是429 A≤IRN≤1 901 A，快熔額定電流選取要滿足在此范圍內(nèi)。

4.2 額定電壓

額定電壓為快熔斷開瞬間所承受的安全最大電壓。而快熔額定電壓應(yīng)滿足條件為：

式中：UAC為網(wǎng)側(cè)額定電壓；K為電壓裕量系數(shù)，其值在1.1～1.2之間。

4.3 熱能熔化值

熱能熔化值（I2T）：使快熔的熔斷體快速熔化、部分氣化的切斷電流需要的能量公稱值，也就是快熔熔斷需要的最小熱能值。

式中：i2dt為溶化積分值，即IEC標(biāo)稱中的I2T預(yù)飛弧值，指從熔體熔化至飛弧瞬間開始所需的能量，與熔體容量大小有關(guān)；i2dt為飛弧積分值，是指飛弧瞬間開始到飛弧熄滅所需的能量。

4.4 限熔流特性

限熔流特性指快熔出現(xiàn)短路故障時(shí)，熔化后的電弧起限流、截阻作用。在短路電流故障未達(dá)到峰值前，快熔就產(chǎn)生了限流、截阻現(xiàn)象。熔斷過程中的峰值電流大小值與電路的外部電源頻率、電壓、功率因數(shù)、電弧始燃角大小，及其預(yù)期電流等相關(guān)[5]。

4.5 快熔參數(shù)確定

1 700 mm酸軋應(yīng)滿足軋機(jī)主傳動(dòng)快熔的參數(shù)選定條件，額定電壓、內(nèi)阻不變，額定電流由原來的500 A增加到560 A，滿足429 A≤IRN≤1 901 A的原則，即1 700 mm酸軋軋機(jī)主傳動(dòng)采用快熔擴(kuò)容的型號為PC123UC20C560TF，額定電流為560 A，額定電壓為2 000 V，內(nèi)阻值為0.297 MΩ的快速熔斷器，提高了快熔的容量，且滿足產(chǎn)線特種高強(qiáng)鋼的保護(hù)需求。

5 結(jié)論

1 700 mm酸軋主傳動(dòng)系統(tǒng)中快熔擴(kuò)容要遵循額定電流滿足I*RN/0.73≤IRN≤1.57IT（AV）的要求，額定電壓應(yīng)滿足URN=KUAC的條件，開斷能力要強(qiáng)于短路電流。在滿足上述條件的同時(shí)，也要高于偏下限值，還需考慮一定的余量。主傳動(dòng)系統(tǒng)快熔擴(kuò)容后，承受過電流沖擊的能力大大提高，減緩了快熔老化的進(jìn)程，保護(hù)了IGBT元器件，提高了帶鋼生產(chǎn)效率。