技术文章

 

1　引言

　　某厂五机架轧机主传动装置采用日立公司 hivectol-con/vsi-mh系列交-直-交3电平pwm大容量变频传动装置。其中*大容量为8800kva，采用4组igbt单元并联组成， 每个单元中功率元件采用三菱3.3kv/1.2ka大容量igbt。自投运以来，先后发生多起igbt及快熔大面积击穿烧损的重大故障。例如在2005年 12月的*次故障中，*套整流器内的*12个igbt单元、12个快熔全部烧毁，故障处理时间超过33h，直接经济损失达131.7万元，严重影响工厂 的正常生产。经过*查分析，发现故障的起因是整流器r相1个igbt元件劣化自损坏引起，而由于原系统igbt脉冲封锁过程时间过长，造成故障大面积扩大。

　　经过改进，投入了*种新的igbt元件自损快速*测装置，使*测判断、脉冲封锁等过程时间只需几十微秒，大大降低了故障扩大化的可能性。工厂多次重复试验也证明了该方法的有效性。

　　2　igbt元件保护几种方法以及优缺点

　　由于 igbt元件电流、电压能力的限制，在实际使用的大容量传动装置系统中，往往采用多并联形式。如果发生某个igbt元件击穿等短路故障时，若不及时快速封 锁igbt脉冲，就可能导致并联回路中大量igbt损坏，扩大故障范围。

　　在传动装置系统中，进、出线主回路*般都设置有霍尔ct，用于*测主 回路电流，并通过主控板的硬件和软件来处理、判断过流情况。如果发出重故障跳闸信号，就要快速封锁脉冲，保护igbt元件。其优点是对负载引起的过流保护 效果比较明显，但缺点是过流*出到脉冲封锁的过程时间太长，需要几个毫秒，而且直流回路的短路也保护不了(实际系统中没有直流回路电流*测ct)。因此， 仅靠该保护方式显然不能满足igbt保护的实际要求。

　　为此，还必须采取其它的快速*测方法。目前常用的方法有以下几种:

　　(1)igbt vce电压监测法

　　这是比较常用的方法。利用集电*电流ic升高时vge或vce也会升高的这*现象，当vge或vce超过设定允许值时，输出信号去封锁igbt的脉冲。由于vge在发生故障时变化较小，难以掌握，*般较少使用。而vce的变化较大，因此实际中*般常常采用vce监测法来对 igbt进行保护。这种方法的优点是*测灵敏，动作迅速，有效地避免了并联回路igbt大面积损坏。但这种方法的缺点也比较明显:需要配线，将每个 igbt的集电*与发射*之间的电压信号引入脉冲驱动板。另外由于igbt关断时，集电*与发射*之间的电压比较高，需要增加脉冲放大板相应的绝缘与电位 隔离措施。图1是利用*测集电*与发射*之间电压vce对igbt进行保护的*个例子。

　　图1　vce电压监测以及保护的原理

(2)igbt门*电压fb监控法

　　通过监控igbt元件的门*电压vge来判断igbt元 件是否损坏。如果判断出igbt元件损坏，立即快速封锁传动装置中的*igbt元件，其原理如图2所示。这种方法的优点是结构简单，比较实用。缺点是只有当某个igbt损坏时才能判断出，对*般的过流不起作用。而且，由于igbt损坏短路时，因为放大板上电容的作用，门*电压vce变化缓慢，*般需要经 过1ms左右的延迟才能正确判断和封锁脉冲，如图3所示。在这期间，并联回路大量igbt就可能受到损害，扩大了故障范围。

　　图2　门*电压*测以及保护原理图

　　图3　igbt损坏时门*电压变化及*出

　　3　*种新型igbt元件自损快速*测法(即门*电流ig*测法)

　　当igbt元件损坏时，门*与发射*之间也被击穿，但由于结电容的作用，门*电压变化缓慢。但根据电路理论i=cdu/dt可知，门*电流ig变化比门 *电压vge快得多。因此，可以综合igbt的门*脉冲指令与门*电流来准确、快速地判断igbt是否损坏。*旦*测到某个igbt损坏，立即封锁 igbt脉冲指令，能*避免并联回路大量igbt损坏，不会扩大故障范围。具体原理图如图4所示。

　　图4　门*电流*测以及保护原理图

　　igbt元件正常时，当门*电压给定信号从on切换成off后，igbt门*电流ig数值比较小，具体数值与igbt元件有关，我们已经掌握了 三菱3.3kv/1.2ka大容量igbt的电流数值以及延时时间。igbt损坏时门*电流变化以及*出如图5所示。当*测出igbt有异常时，立即发出 脉冲封锁命令，防止故障扩大化。

该方式的优点是*测、封锁时间*短，只有几个微秒，能*避免igbt大面积损坏。缺点是在igbt导通工作时，*法判断其是否异常，只有在 igbt off指令发出时才可以判断igbt是否自损坏。

　　图5　igbt损坏时门*电流变化以及*出

　　4　现场改造及效果

　　原来现场变频器中采用的是门*电 压fb监控法。由于脉冲封锁*法快速及时，在某个igbt损坏时造成其它igbt大面积损坏，故障损失惨重，必须对现场进行技术改造。

　　如果采 用vce电压监测法对igbt过电流进行保护，虽然比较成熟和常用，但需要对原变频器大动干戈，主回路要增加很多接线，脉冲放大板的改动量也较大。同时由于原变频器没有太多空间来布线及采取绝缘措施，*论从改造工作量和成本上都不太可行。所以vce电压监测法不适合采用。

　　采用门*电流ig*测 法就方便、简单许多。只要在原变频器igbt保护功能的基础上进行局部改造，增加igbt门*电流*测功能即可。这样*旦门*导通电流超过设定值，且经过 x微秒左右的延时后，门*电流仍然超过设定值，就判断该igbt损坏或异常，立刻发出*igbt脉冲封锁指令，及时进行有效保护，防止大面积igbt损坏。

　　图6 改造后的保护原理图

　　图6为改造后的保护原理图，其中灰色部分是新增的门*电流ig*测功能部分。