軋機大功率變頻器快熔擴容的研究

韓驗龍，楊金昭，裴勇梅，張學強，金 琳，侯大偉

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司冷軋部，河北 唐山 063200）

1 700 mm酸軋主傳動整流控制系統通過應用絕緣柵雙極晶體管IGBT的高頻率通斷來控制主軋機工作。IGBT具有輸入高阻抗、通態低電壓、通斷速度快、承受大電流的優點，但其熱容量較小，有承受短時間過電流的缺點，因此過電流保護的設置要合理[1]。此外，應用產線時，功率半導體和快熔是串聯關系，如果過載或短路電流通過閉合回路時，大電流會使快熔中的熔體發熱而迅速熔斷切斷回路，進而保證IGBT不被損壞，同時也保護了輸出下口的重要設備。本文提出采取快熔擴容的方法，以提升快熔的過流能力，降低設備損壞率。

1 快熔工作原理

快速熔斷器（簡稱快熔）流入額定電流時，熔體內產生的熱量與導電觸刀、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℃。

當快速熔斷器短路、過載運行時，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。電弧的熱量導致鍍銀片蒸發，迅速與石英砂熔化形成一種絕緣的銀化合物。此時弧區電阻值增大，短路過載電流受到阻截。伴隨著時間的推移，電弧向兩邊延伸，電弧被拉長拉細，電弧電流降低，進而阻截電流。實驗表明，短路、過載電流大于快熔額定電流的10倍以上時，快熔將阻截電路，以避免通信設備被短路故障所影響。正常情況下，快速熔斷器從短路、過載電流流經開始，到電路被切斷終止的熔斷時間低于10 ms[2]。

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

圖1 快熔短路電流與熔斷時間特性曲線圖

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

2 IGBT的擎住效應

從下頁圖2電路圖中可以看出，IGBT內部輸出三極管T1和寄生三極管T2等效為一個晶閘管。電阻Rr形成正向偏壓施加在T2的基極和發射極回路上。當IGBT處于正常穩定通態或截止狀態、電流iC小于允許值時，Rr的壓降很小，克服不了T2的發射極和集電極上PN結電壓，導致T2產生不了基極電流，即T2并不起作用。如果iC瞬時增大，Rr上壓降急速增加，達到可以克服T2的發射極和集電極間的PN結電壓時，觸發T2導通，這樣就撤除了門極電壓UGE，IGBT也會像晶閘管一樣處于導通狀態，門極G失效，這種現象稱之為擎住效應[6]。

圖2 IGBT等效電路圖

在設計制造日立傳動時，IGBT內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，電阻Rr的壓降仍低于T2起始導電所需的正偏壓值，而實際工作中iC仍然會超過iM，呈現擎住效應。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和晶閘管的標稱電流原則是不相同的，IGBT的標稱電流是按集電極瞬時最大電流iM來標定的，iM還受元件的結溫、耗散功率的影響，iM值是在規定的結溫及標準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IGBT過流擊穿特性，必須使快熔滿足檢測、保護裝置的快速性，以及將響應時間控制在4～10μs內。

表1 晶閘管、IGBT過電流能力對比

3 快熔擊穿現象

截止到目前，1 700 mm酸軋主傳動柜連續出現3次快熔燒毀的事故，由于設備的特殊性，基本上每次事故處理起來都至少耗費1.5 h，嚴重影響了酸軋生產節奏，帶來了不必要的經濟損失。

以最近一次的快熔燒毀為例，1 700 mm酸軋在正常生產時，HMI畫面報警，1號機架主傳動柜跳閘，停車失張后導致1號—2號機架斷帶。后傳動柜重故障報警，T1相P側快熔的微動開關彈出，快熔燒毀。1號機架主傳動柜內T1相P側快熔燒毀是本次故障的直接原因。調取傳動故障時的故障捕捉記錄，如圖3為帶鋼軋制過程中的斷帶時，1號—2號機架間的電流曲線圖。而從M-TOOL軟件中不難發現，傳動柜逆變器轉矩電流偏大，最高可達132%，導致整流柜沖擊電流增大，致使快熔燒毀，如圖4所示。

圖3 TRACE曲線斷帶報警圖形

圖4 轉矩電流超過115%限幅值

軋機主傳動柜內快熔的溫度實際檢測約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℃），不存在環境溫度高的問題。

由于1 700 mm酸軋產線生產節奏快，鋼種變化頻率較高[7]，因此統計了1月至4月的5個機架的過載電流次數，如表2所示。通過分析表明，主傳動設備運行負荷大，電流高，再加上設備長期運行、頻繁起停、高強鋼生產，以及生產過程中的斷帶急停等因素，造成熔斷器在生產中多次受到過電流沖擊，產生熱循環，從而加速熔絲的擴散、氧化、熱應力不斷降低[8]。熔斷器將隨著脈沖能量和過電流次數的增加而漸漸老化，導致快熔性承受不了巨大負荷，性能也逐漸下降，致使快熔燒毀。

表2 1月—4月5個機架過載（≥115%大電流）統計

經多次分析檢查，3次事故都是由同一原因導致的快熔損壞。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，產生熱循環，觸使熔絲老化所致，根本的解決方法為采取快熔擴容。

4 主傳動快熔擴容原則

1 700 mm酸軋軋機主傳動快熔的選擇主要參數有：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行的最大電流。主傳動系統計算中，快熔的選取主要按保護IGBT功率開關元件為依托，要求快熔在保護IGBT元件熱擊穿前斷開電路，所以主傳動快熔保護選取的額定電流IRN應滿足：

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

快熔的計算額定電流I*RN計算如下：

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

功率元器件的電流均方根IT（RMS）值為：

式中：IT（AV）為功率元器件通態均電流。

在實際應用中，1 700 mm酸軋主傳動的負荷具有沖擊性，所以要對計算額定電流IT（AV）考慮一定的余量，取系數為0.73。因此，軋機主傳動快熔額定電流IRN的選型原則為：

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

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。而快熔額定電壓應滿足條件為：

式中：UAC為網側額定電壓；K為電壓裕量系數，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標稱中的I2T預飛弧值，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；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短路故障時，熔化后的電弧起限流、截阻作用。在短路電流故障未達到峰值前，快熔就產生了限流、截阻現象。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、電弧始燃角大小，及其預期電流等相關[5]。

4.5 快熔參數確定

1 700 mm酸軋應滿足軋機主傳動快熔的參數選定條件，額定電壓、內阻不變，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酸軋軋機主傳動采用快熔擴容的型號為PC123UC20C560TF，額定電流為560 A，額定電壓為2 000 V，內阻值為0.297 MΩ的快速熔斷器，提高了快熔的容量，且滿足產線特種高強鋼的保護需求。

5 結論

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