中压软起晶闸管国产化

欧阳俊

摘 要：介绍了一种用国产品牌晶闸管模块替代进口品牌中压软启动器中损坏晶闸管模块的方案。现场应用效果良好，可一定程度的节约进口设备维修费用。

关键词：中压软启动；晶闸管

随着经济形势的发展，大型中压电机的应用越来越广泛。通常中压电机容量较大，当电动机在全压直接启动时，起动电流会达到额定电流的4～7倍，该起动电流会引起电网电压的急剧下降，影响同电网其它设备的正常运行。大型电机的启动方法也受到人们的关注，目前比较常见的方式是利用软启动器启动。

软启动器主要用于实现电机软起、软停，减少起停过程中对电网的冲击，同时可集成多种电机保护功能。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管以及控制晶闸管导通角的电路，部分品牌还集成了旁路接触器。通过控制三相反并联闸管的导通角，实现软启动器输出电压按不同的控制要求，从0V逐步升高到电机额定电压，从而实现电机的软启动。

海上采油平台中压电机广泛应用软启动。由于其电压等级较高，其故障率也一直很高，尤其是其核心部件晶闸管的损坏比较常见。由于大部分中压软启动器为国外品牌，其晶闸管备件成本高昂，而且人工成本也极高，在节能增效的大背景，选择国产品牌晶闸管替代国外品牌，势在必行。在本文中，主要阐述的就是中压软启动器晶闸管损坏后用国产元件进行替代的方案。

一、晶闸管品牌选择

在三相电源与电机之间串入三相反并联晶闸管，利用晶闸管的移相控制原理，改变晶闸管的导通角。启动时电机端电压随晶闸管的导通角从零逐渐增大，输出电压逐步升高，直到晶闸管完全导通，电动机工作在额定电压的电机特性上，实现平滑启动，减少启动电流，降低启动冲击对电网的影响。晶闸管反并联如图所示：

我们以AB中压软启动器为例，每一相功率单元中是有4个或6个晶闸管反并联组成，其中晶闸管品牌为ABB（AB公司订制型号，具体参数不详）。一相功率单元中有被击穿的晶闸管，其余还未被击穿也必须更换，因为晶闸管虽然没有被击穿，但是串联回路中其他晶闸管短路会有较高电压加在好的晶闸管两端，导致晶闸管的动态特性和静态特性受到影响，所以要对中压软起中的三相功率单元中的可控硅全部更换。如果还是更换原厂晶闸管，其备件成本和人工成本都很高。

通过我们的了解国内生产晶闸管的企业有很多达到了国际标准，经过反复对比我们决定采用同等级中车电气时代晶闸管进行更换，中车建有完备的检测试验中心，能对元件进行全套检测和型式试验。

中车晶闸管技术特点：

1） 采用高真空电子束蒸发AI厚膜技術，器件使用寿命长；

2） 具有较高的 di/dt、dv/dt耐受能力，动态特性好；

3） 产品通态管压降小，耐受较高的浪涌电流，抗电流冲击能力强；

4） 管壳内充惰性气体确保器件长期使用的稳定性和可靠性；

5） 拥有电子辐照中心，可以精确控制器件的反向恢复特性和通态电压的折衷关系，产品特别适用于串、并联应用、要求器件Qrr或VTM等参数均匀匹配的场合。

中车建有完备的检测试验中心，能对器件进行全套例行检测和型式试验。

二、晶闸管主要技术参数

（一）晶闸管的外形尺寸及电气参数的测试

1.外形尺寸

由于功率组件都是由散热器和SCR压装而成，替换的晶闸管外形尺寸要和原有晶闸管外形尺寸一致，才能和散热器很好的压装在一起。

2.电气参数测试

经过对海上平台中压软起调研，AB中压软起功率单元中使用的晶闸管的型号不是标准的ABB晶闸管的型号，而是AB公司的订货型号，不能确定所用晶闸管的正反向峰值电压、通态电流等特性参数。所以我们提供性能正常的单相功率组件，拆除其中晶闸管，由中车时代电气公司来进行各项动态特性和静态特性参数的检测。通过对我方提供晶闸管的特性测试，中车时代电气来确定最终能够替代的型号。

（二）功率器件的选择、配对及压装

1.选择及配对

由于电力电子器件特性的各异性（即分散性），即使相同型号规格的电力电子器件，其静态和动态伏安特性亦不相同，所以在器件选择方面，尽量采用阻断特性、开通特性、恢复特性特性一致的元器件进行串联。在安装前，按制造商提供的测试参数进行选配，用仪器测试多个器件的静态特性和动态特性，然后按特性进行选配，将特性相近的安装在一个桥臂上。

2.压装

对选择好的晶闸管配对进行压装。

如上图，移除晶闸管步骤：

1）移除短路棒插件。

2）撬动散热器使它们分离。

3）取出晶闸管。

插入新的晶闸管步骤：

1）在晶闸管表面附加电连接化合物薄膜。

2）安装晶闸管，使它固定在散热器的定位销（注意晶闸管的方向）。

3）撬动散热器，使它们完全靠近接触，确保晶闸管正确的固定在两侧的定位销上。

4）旋转晶闸管，使所有的导线有相同的方向。

（三）功率器件保护电路的设计

晶闸管串联后会出现如下需要解决的问题：要求所加的电压均匀地分摊在每只晶闸管上，即每只器件分摊的电压基本一致。

1.静态均压

为了减小晶闸管因为漏阻抗不等导致的两端静态电压不等，可以在其两端并联均压电阻。每只晶闸管所承担的电压与该晶闸管阻断时正向或反向漏电阻的大小成反比，由于晶闸管元件个体特性存在差异，不同晶闸管的漏电阻可能有较大的 差别。如果不加均压电阻，当晶闸管阻断时，将造成各晶闸管承受电压不均的问题。并联电阻后，因电阻比晶闸管漏电阻小得 多，且每只晶闸管并联的电阻相等，所以各晶闸管承担的电压大小也近似相等。为保证均压效果的同时控制均压电阻上的损耗不会过大，均压电阻的阻值一般取晶闸管热态正、反向漏电阻的 1/3 至 1/5。

2.动态均压

在需串联使用的晶闸管两端并联阻容均压环节，利用电容两端电压不能突变的特点来使各个管子承受的瞬间电压均匀起来。避免当晶闸管导通或关断时，由于串联的各个晶闸管导通和关断时间不一致，其中最后导通和最先关断的晶闸管将会承受全部电压而导致击穿。

三、功率组件现场更换、调试

（一）功率组件的安装

1）确保断开设备所有电源。

2）安装三相功率组件，连接外部接线和光缆。

3）检查所有的连接并核实所有连接是否正确，并连接牢靠。

（二）高压空载试验

1.中压电动机空载测试的准备工作

1）连接电机前，对电机及其电缆进行绝缘测试。

2）确认电机准备工作完成，进行运行测试，电机与泵连接拆除。

3）连接中压输入电缆、电机电缆。

2.中压空载测试

1）根据电机参数设置中压软启动器相关保护参数。在电动机试运行前，应确认所有电机保护参数设置正确。

2）空載启动软启动，并在启动过程中读取显示在启动器显示屏上的三相电流，确定三相电流是否均衡。

3）在现场注意观察电动机的启动状态。

4）启动过程完成后，记录最大启动电流，最大启动时间。

5）进行2.3次不同参数设置的启动。

（三）带载试验

1）确认用户电机具备带负载条件。

2）确认各种安全措施到位。

3）连接电机与负载，启动软启动器，并在启动过程中读取显示在启动器显示屏上的三相电流，确定三相电流是否均衡。

4）在现场注意观察电动机的启动状态。

5）启动过程完成后，记录最大启动电流，最大启动时间。

四、方案总结

本文中晶闸管更换是以AB公司的中压软起为例，由于软启动器的工作原理一样，所以在功率模块上更换晶闸管，也适用于其他国外品牌的中压软起。

中车时代公司生产的晶闸管在国内市场占有率和影响力均处于领先地位，技术水平也在国际先进之列，该公司生产的功率器件在动车等性能要求较高的场合中大量使用，产品可靠性较高。

由于天津分公司海上平台，AB、本秀等国外公司的中压软起的应用数量很多，自行采购更换国内的晶闸管，对于中压软起晶闸管故障维修需要的时间会大大缩短、维修成本也会降低，备品备件的采购也比较灵活，对于天津分公司海上作业平台生产降本增效是有重要意义的。