中壓軟起晶閘管國產化

歐陽俊

摘 要：介紹了一種用國產品牌晶閘管模塊替代進口品牌中壓軟啟動器中損壞晶閘管模塊的方案。現場應用效果良好，可一定程度的節約進口設備維修費用。

關鍵詞：中壓軟啟動；晶閘管

隨著經濟形勢的發展，大型中壓電機的應用越來越廣泛。通常中壓電機容量較大，當電動機在全壓直接啟動時，起動電流會達到額定電流的4～7倍，該起動電流會引起電網電壓的急劇下降，影響同電網其它設備的正常運行。大型電機的啟動方法也受到人們的關注，目前比較常見的方式是利用軟啟動器啟動。

軟啟動器主要用于實現電機軟起、軟停，減少起停過程中對電網的沖擊，同時可集成多種電機保護功能。它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯晶閘管以及控制晶閘管導通角的電路，部分品牌還集成了旁路接觸器。通過控制三相反并聯閘管的導通角，實現軟啟動器輸出電壓按不同的控制要求，從0V逐步升高到電機額定電壓，從而實現電機的軟啟動。

海上采油平臺中壓電機廣泛應用軟啟動。由于其電壓等級較高，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，在節能增效的大背景，選擇國產品牌晶閘管替代國外品牌，勢在必行。在本文中，主要闡述的就是中壓軟啟動器晶閘管損壞后用國產元件進行替代的方案。

一、晶閘管品牌選擇

在三相電源與電機之間串入三相反并聯晶閘管，利用晶閘管的移相控制原理，改變晶閘管的導通角。啟動時電機端電壓隨晶閘管的導通角從零逐漸增大，輸出電壓逐步升高，直到晶閘管完全導通，電動機工作在額定電壓的電機特性上，實現平滑啟動，減少啟動電流，降低啟動沖擊對電網的影響。晶閘管反并聯如圖所示：

我們以AB中壓軟啟動器為例，每一相功率單元中是有4個或6個晶閘管反并聯組成，其中晶閘管品牌為ABB（AB公司訂制型號，具體參數不詳）。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，因為晶閘管雖然沒有被擊穿，但是串聯回路中其他晶閘管短路會有較高電壓加在好的晶閘管兩端，導致晶閘管的動態特性和靜態特性受到影響，所以要對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生產晶閘管的企業有很多達到了國際標準，經過反復對比我們決定采用同等級中車電氣時代晶閘管進行更換，中車建有完備的檢測試驗中心，能對元件進行全套檢測和型式試驗。

中車晶閘管技術特點：

1） 采用高真空電子束蒸發AI厚膜技術，器件使用壽命長；

2） 具有較高的 di/dt、dv/dt耐受能力，動態特性好；

3） 產品通態管壓降小，耐受較高的浪涌電流，抗電流沖擊能力強；

4） 管殼內充惰性氣體確保器件長期使用的穩定性和可靠性；

5） 擁有電子輻照中心，可以精確控制器件的反向恢復特性和通態電壓的折衷關系，產品特別適用于串、并聯應用、要求器件Qrr或VTM等參數均勻匹配的場合。

中車建有完備的檢測試驗中心，能對器件進行全套例行檢測和型式試驗。

二、晶閘管主要技術參數

（一）晶閘管的外形尺寸及電氣參數的測試

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.電氣參數測試

經過對海上平臺中壓軟起調研，AB中壓軟起功率單元中使用的晶閘管的型號不是標準的ABB晶閘管的型號，而是AB公司的訂貨型號，不能確定所用晶閘管的正反向峰值電壓、通態電流等特性參數。所以我們提供性能正常的單相功率組件，拆除其中晶閘管，由中車時代電氣公司來進行各項動態特性和靜態特性參數的檢測。通過對我方提供晶閘管的特性測試，中車時代電氣來確定最終能夠替代的型號。

（二）功率器件的選擇、配對及壓裝

1.選擇及配對

由于電力電子器件特性的各異性（即分散性），即使相同型號規格的電力電子器件，其靜態和動態伏安特性亦不相同，所以在器件選擇方面，盡量采用阻斷特性、開通特性、恢復特性特性一致的元器件進行串聯。在安裝前，按制造商提供的測試參數進行選配，用儀器測試多個器件的靜態特性和動態特性，然后按特性進行選配，將特性相近的安裝在一個橋臂上。

2.壓裝

對選擇好的晶閘管配對進行壓裝。

如上圖，移除晶閘管步驟：

1）移除短路棒插件。

2）撬動散熱器使它們分離。

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的定位銷上。

4）旋轉晶閘管，使所有的導線有相同的方向。

（三）功率器件保護電路的設計

晶閘管串聯后會出現如下需要解決的問題：要求所加的電壓均勻地分攤在每只晶閘管上，即每只器件分攤的電壓基本一致。

1.靜態均壓

為了減小晶閘管因為漏阻抗不等導致的兩端靜態電壓不等，可以在其兩端并聯均壓電阻。每只晶閘管所承擔的電壓與該晶閘管阻斷時正向或反向漏電阻的大小成反比，由于晶閘管元件個體特性存在差異，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，當晶閘管阻斷時，將造成各晶閘管承受電壓不均的問題。并聯電阻后，因電阻比晶閘管漏電阻小得 多，且每只晶閘管并聯的電阻相等，所以各晶閘管承擔的電壓大小也近似相等。為保證均壓效果的同時控制均壓電阻上的損耗不會過大，均壓電阻的阻值一般取晶閘管熱態正、反向漏電阻的 1/3 至 1/5。

2.動態均壓

在需串聯使用的晶閘管兩端并聯阻容均壓環節，利用電容兩端電壓不能突變的特點來使各個管子承受的瞬間電壓均勻起來。避免當晶閘管導通或關斷時，由于串聯的各個晶閘管導通和關斷時間不一致，其中最后導通和最先關斷的晶閘管將會承受全部電壓而導致擊穿。

三、功率組件現場更換、調試

（一）功率組件的安裝

1）確保斷開設備所有電源。

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所有連接是否正確，并連接牢靠。

（二）高壓空載試驗

1.中壓電動機空載測試的準備工作

1）連接電機前，對電機及其電纜進行絕緣測試。

2）確認電機準備工作完成，進行運行測試，電機與泵連接拆除。

3）連接中壓輸入電纜、電機電纜。

2.中壓空載測試

1）根據電機參數設置中壓軟啟動器相關保護參數。在電動機試運行前，應確認所有電機保護參數設置正確。

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

3）在現場注意觀察電動機的啟動狀態。

4）啟動過程完成后，記錄最大啟動電流，最大啟動時間。

5）進行2.3次不同參數設置的啟動。

（三）帶載試驗

1）確認用戶電機具備帶負載條件。

2）確認各種安全措施到位。

3）連接電機與負載，啟動軟啟動器，并在啟動過程中讀取顯示在啟動器顯示屏上的三相電流，確定三相電流是否均衡。

4）在現場注意觀察電動機的啟動狀態。

5）啟動過程完成后，記錄最大啟動電流，最大啟動時間。

四、方案總結

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。

中車時代公司生產的晶閘管在國內市場占有率和影響力均處于領先地位，技術水平也在國際先進之列，該公司生產的功率器件在動車等性能要求較高的場合中大量使用，產品可靠性較高。

由于天津分公司海上平臺，AB、本秀等國外公司的中壓軟起的應用數量很多，自行采購更換國內的晶閘管，對于中壓軟起晶閘管故障維修需要的時間會大大縮短、維修成本也會降低，備品備件的采購也比較靈活，對于天津分公司海上作業平臺生產降本增效是有重要意義的。