1、电力电子器件故障诊断技术全面探讨电力电子器件故障诊断技术全面探讨电力电子器件故障诊断技术全面探讨器件故障诊断技术探讨目的1、掌握SCRSCR、IGBTIGBT的好与否的简易测试；的好与否的简易测试；2、了解、了解SCRSCR、IGBTIGBT器件主要性能的测试方法；器件主要性能的测试方法；3、了解电力电子器件性能劣化机理；、了解电力电子器件性能劣化机理；4、知道、知道SCRSCR、IGBTIGBT的保护；的保护；5、会使用万用表撑握电压型变频器的状态；、会使用万用表撑握电压型变频器的状态；6、了解电力电子装置状态劣化的判断方法；、了解电力电子装置状态劣化的判断方法；7、具备一定的电力电子装置可
2、靠性评价经验、具备一定的电力电子装置可靠性评价经验电力电子器件故障诊断技术全面探讨器件故障诊断技术探讨目录1 1、SCRSCR、IGBTIGBT的发展概述的发展概述2、电力电子器件的劣化机理、电力电子器件的劣化机理3 3、SCRSCR、IGBTIGBT的参数的理解的参数的理解4、电力电子器件性能良否的判断方法、电力电子器件性能良否的判断方法5、电力电子器件故障诊断要点、电力电子器件故障诊断要点6、电力电子器件状态的在线测试技术、电力电子器件状态的在线测试技术7、电力电子器件测试技术的交流互动、电力电子器件测试技术的交流互动8、用万用表撑握电控设备状态的探讨、用万用表撑握电控设备状态的探讨9 9
3、、SCRSCR器件的劣化的典型案例器件的劣化的典型案例10、思考题、思考题电力电子器件故障诊断技术全面探讨一、一、一、一、SCRSCR、IGBTIGBT发展现状概述发展现状概述1）电力电子器件的发展自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来,电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台,以此为基础开发的晶闸管（当时称为可控硅）整流装置,是电气传动领域的一次革命 。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高,电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展,是电力电子技术的又一次飞跃,先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的
4、第三代电力电子器件,开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入90年代电力电子器件正朝着复合化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展。近年来,微电子技术与电力电子技术又在各自的发展的基础上相结合,产生了一批工作频率高,具有门极全控性能集成器件,他们的品种越来越多,功率越来越大,性能越来越好,已经形成了庞大的电力电子器件家族树。图1电力电子器件发展概况。电力电子器件故障诊断技术全面探讨电力电子器件发展概况图200920001990198019701957194719301904t/年水银（汞弧）整流器时代晶闸管问世晶体管诞生晶闸管时代全控型器件迅速发展时期6KV/4KA IEGT和IG
5、CT问世ICBT器件发展时代电子管问世高压大功率及新型器件研发图16电力电子器件的发展（黎明期）电力电子器件故障诊断技术全面探讨1）电力电子器件的发展自20世纪50年代末第一只晶闸管问世以来,电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台,以此为基础开发的晶闸管（当时称为可控硅）整流装置,是电气传动领域的一次革命 。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高,电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展,是电力电子技术的又一次飞跃,先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件,开始向大容易高频率、响应快、
6、低损耗方向发展。而进入90年代电力电子器件正朝着复合化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展。近年来,微电子技术与电力电子技术又在各自的发展的基础上相结合,产生了一批工作频率高,具有门极全控性能集成器件,他们的品种越来越多,功率越来越大,性能越来越好,已经形成了庞大的电力电子器件家族树。图1电力电子器件发展概况。电力电子器件故障诊断技术全面探讨 ）SCR水平 国内晶闸管（SCR）制造技术已经相当成熟，在利用引进技术、合资制造，已承担完成国内三峡直流输电用高压大功率晶闸管（英寸管）研究和制造，实际运用证明运行可靠。可以这样说，目前国内大容量晶闸管制造水平已经达到国际水平，完全可以不依赖进口（其
7、它电力电子器件与国外相比，其差尚很大）。电力电子器件故障诊断技术全面探讨）IGBT水平 20世纪80年代末期发展起来的IGBT已经发展到了第六代，主要特征是沟槽型门极结构和电场截止型基区结构相结合的器件，明显特点是功耗比非穿通型IGBT减少了25。器件的耐压水平自1985年最高的2KV发展到了当今的6.5KV。电力电子器件故障诊断技术全面探讨、器件劣化的基本规律 电力电子器件是电子元件之一。诸如电阻、电容、电感元件、晶体二极管、三极管、晶闸管，以及大规模集成块等。这些电子元件的性能参数指标及功能各具特色。但是，它们的共同点是：都应满足器件总体设计指标规范的要求而正常运行，能耐一定外部环境条件下
8、变异的影响。例如，当发生温度、湿度或外部电压等超规范指标的变异影响时，器件仍能正常工作。器件不论如何精心选材、精心设计、精制工艺而得到精致优良产品，随着器件材料内部的分子运动、各种物理和化学效应的影响、环境条件、各扰动因素及时间的推移，总会产生功能、特性向低落方向变化。所以，器件的使用寿命存在一定的极限。但若使用、维护得当则可延长使用寿命；反之，将导致器件加速劣化或老化。也就是说明了电力电子器件同样会产生劣化的基本规律。二、电子器件劣化的基本规律二、电子器件劣化的基本规律电力电子器件故障诊断技术全面探讨、电子器件劣化的基本特征所谓劣化是指电子器件在正常规范使用或长期放置在自然环境中，其性能趋于
9、单方向、不可逆的低落蠕变特征，正如人的寿命一样产生渐变性的老化现象，称之为劣化。劣化的标准以寿命来衡量，它包括特征性（正常规范）寿命和破坏性（超规范）寿命这两种形式。但归纳起来不外乎是有内因和外因的共同作用，促使电子器件产生种种劣化的现象，这两种因素往往是互相制约、互相渗透的，其中重复发生的现象也不少。图2电子器件劣化示意图。电力电子器件故障诊断技术全面探讨电力电子器件外因内因力（机械）、声、热、光、电、磁、放射线等晶体变形、位错等离子移动、电子移动、空穴位移动局部各向异性晶体缺陷、空位、杂质、浓度变化局部各向异性激活能和位能变化或转化弛豫时向变化劣化图电子器件劣化示意图器件劣化因素电力电子器
10、件故障诊断技术全面探讨、电力电子器件劣化表现形式） 突发性损坏受到某种超规范性冲击（瞬间过电压、过电流等）。）拢乱性故障受到某种超指标运行的影响（最为明显的是温度），出现了暂时性故障，设备停机后多数又能恢复功能（但性能已劣化）。） 潜伏性故障这类故障多指运行中的损伤，但是又与超规范运行相联系的。要消除潜伏性故障是我们关注重点。首先把好器件选型关：器件设计、定型和工艺生产上要反复考核试验，获得优质精良的器件。其次：器件应用上既要发挥其固有特性的优势，又要严格遵守规范、控制最优的器件运行条件，防止或减少不应有劣化现象、安全、可靠地使用器件，延长其使用寿命。电力电子器件故障诊断技术全面探讨、电力电子
11、器件优化） 要清楚装备或系统对器件的技术参数要求；）能提得出较全面地器件运用前（或出厂前）例行实验内容）要核算器件在设备或系统中运行裕量是否科学、合理和安全）必要时对器件进行老化或破坏性实验，因为老化实验是考核器件是否安全、可靠并使其性能达到稳定的最直接手段。它通常是在超规范条件下进行的，且选取其超临界极端的最坏环境条件。） 器件运行参数的建立，形成器件安全运行地技术规范。、电力电子器件的特性参数掌握电力电子器件的特性参数是用好器件的最基本要求，也才能够针对设备或系统开展有针对性的掌控器件劣化的手段。器件选型把关电力电子器件故障诊断技术全面探讨三、三、SCRSCR、IGBTIGBT的参数的理解
12、的参数的理解三、三、SCRSCR、IGBTIGBT的参数的理解的参数的理解）、晶闸管参数和使用条件的关系这里首先要明确的问题是晶闸管的额定电流值，电流有效值与平均值的关系。所谓平均值：是指正弦半波的整流（直流）平均值，这就是晶闸管的电流定额，在产品样，多称之为额定电流，如100A、200A等。所谓有效值：是指正弦半波的等效发热值，也常称之谓根均方值对于正弦半波，其有效值与平均值之比为1.57，换句话说，一个额定电流为100A的元件，表示其半波整流的直流电流为100A，但是从发热考虑，可允许通过157A的电流有效值。电力电子器件故障诊断技术全面探讨2）正向峰值电压和使用条件的关系3）正向平均电流
13、和使用条件的关系4) 晶闸管承受浪涌电流的能力和使用条件的关系5) 晶闸管正反向峰值电流和使用条件的关系6)晶闸管触发电流、触发电压和使用条件的关系7) 晶闸管门极控制开通时间tgt 和使用条件的关系8) 晶闸管关断时间和使用条件的关系9）晶闸管断态电压临界上升率dv/dt和使用条件的关系10）晶闸管通态电流临界上升率di/dt和使用条件的关系11）晶闸管通态压降与安装压力的关系12）晶闸管正反向电阻和使用条件的关系13）晶闸管承载能力的其试验正确理解晶闸管参数电力电子器件故障诊断技术全面探讨）直流电流 ）最大集电极脉冲电流 (ICM)）感性负载电流 (ILM). ）集电极发射极电压(BVCE
14、S). ）发射极集电极电压(BVECS). ）集电极发射极电压饱和电压(VCE(on) ）门极发射极电压 (VGE) . ）栅极阈值电压VGE(th . ）集电极漏电流 (ICES). ）开关时间 (td, tr , tf) 。）电容(Cige, Coec,Crce).）结温 (Tj): ）热阻Rthjc, Rthcs, Rthja）发射极引线电感(LE)IGBT的参数的理解电力电子器件故障诊断技术全面探讨1 1）静态转移特性特性输出特性表达了集电极电流IC与集电极-发射极间电压UCE之间的关系，分饱和区、放大区及击穿区，饱和导通时管压降比MOSFET低得多，一般为2-5V。IGBT输出特性的
15、特点是集电极电流IC由栅极电压UG控制，Ug越大IC越大。图 IGBT的转移特性IGBT的特性电力电子器件故障诊断技术全面探讨IGBT的动态特性即开关特性，如图10所示，其开通过程主要由其MOSFET结构决定。当栅极电压UG达开启电压Ug（th后，集电极电流IC迅速增长，其中栅极电压从UG的10%增大至额定集电极电流的10%（开启电压）所需时间td（on）为开通延迟时间；集电极电流由额定10%增长至 90%额定所需时间为电流上升时间tr，故总的开通时间为ton=td(on)+tr2）动态开关特性电力电子器件故障诊断技术全面探讨3) 静态导通特性由原理可知，IGBT上的压降是二极管和MOSFET
16、等的压降和。因此IGBT上的压降永远不能低于二极管的压降。IGBT上的压降与栅极电压有关，当电流达到额定值时，降低栅极电压，电流下降。增加栅极电压，发射极集电极电压下降。MOSFET压降具有正的温度系数，不同的IGBT器件其压降与温度的关系不同，如图11当温度升高时，IGBT的压降下降。电力电子器件故障诊断技术全面探讨若IGBT的集电极电流IC大到一定程度，这个Rbr上的电压足以使N+PN晶体管开通，经过连锁反应，可使寄生晶体管导通，从而IGBT栅极对器件失去控制，这就是所谓的擎住效应。它将使IGBT集电极电流增大，产生过高功耗导致器件损坏。擎住现象有静态与动态之分。静态擎住指通态集电极电流大
17、于某临界值ICM后产生的擎住现象，对此规定有IGBT最大集电极电流ICM的限制。动态擎住现象是指关断过程中产生的擎住现象。IGBT关断时，MOSFET结构部分关断速度很快，J2结的反压迅速建立，反压建立速度与IGBT所受重加dUCE/dt大小有关。dUCE/dt越大，J2结反压建立越快，关断越迅速，但在J2结上引起的位移电流CJ2（dUCE/dt） 也越大，此位移电流流过体区电阻Rbr时可产生足以使N+PN管导通的正向偏置电压，使寄生晶闸管开通，即发生动态擎住现象。由于动态擎住时所允许的集电极电流比静态擎住时小，故器件的ICM应按动态擎住所允许的数值来决定。为了避免发生擎住现象，使用中应保证集
18、电极电流不超过ICM，或者增大栅极电阻RG以减缓IGBT的关断速度，减小重加dUCE/dt值。总之，使用中必须避免发生擎住效应，以确保器件的安全。 锁住效应（擎住效应）电力电子器件故障诊断技术全面探讨IGBT开通与关断时，均具有较宽的安全工作区。IGBT开通时对应正向偏置安全工作区。它是由避免擎住而确定的最大集电极电流ICM、器件内P+NP晶体管击穿电压确定的最大允许集射电极电压UCEO、以及最大允许功耗线所框成。值得指出的是，由于饱和导通后集电极电流IC与集射极间电压UCE无关，其大小由栅极电压UG决定，故可通过控制UG来控制IC，进而避免擎住效应发生，因此可确定出与最大集电极电流ICM相应
19、的最大栅极电压UGM这个参数 (a) 正向安全工作区 (b)反向安全工作区 安全工作区电力电子器件故障诊断技术全面探讨四、电力电子器件性能良否的判断方法四、电力电子器件性能良否的判断方法1、简易判断法 ）万用表法 ）简易通电法 、 、 精密测试法）工厂实用测试法 ）在线状态测试法 ）专用仪器测试法 电力电子器件故障诊断技术全面探讨在电力电子与电气传动领域，电力电子器件扮演着非常重要角色。但是，由于器件本身的特殊性，电力电子器件是电力电子装置中最薄弱环节。所以，有效的器件故障诊断技术具有实际应用价值，当今正成为此领域热点。目前，对于器件用户来讲，对器件故障机理的认识还不全面、不充分。均为故障器件
20、处理，属事后行为，实际运用也说明，电力电子器件的故障诊断通常均较快捷，因器件损坏后系统均有报警信息。所以，电力电子器件故障诊断重点在于掌握器件损坏的原因，从而建全器件状态跟踪信息。电力电子器件故障诊断案例电力电子器件故障诊断案例： 、中频电源系统功率达到额定值 、SCR轧机送电就故障报警 、电镀电源频繁损坏整流管故障分析 五、电力电子器件故障诊断要点五、电力电子器件故障诊断要点电力电子器件故障诊断技术全面探讨1、基于泄漏电流的电力电子设备的状态掌技术电力电子装置状态监测与通常所说的设备状态监测与故障诊断技术都是一种预测故障发展趋势的技术，根据监测方式不同，通常分为离线定期监测、自动在线监测两种
21、。设备状态监测技术的基础工作主要是指监测手段和经验的积累，包括监测参数的选择、数据建立和测量点选择、数据的采集与分析。以实际事例说明，离线定期对电力电子装置设备进行监测及诊断的离线监测技术和实施方法是快速、便捷、可靠和有效的。六、电力电子器件状态的在线测试技术六、电力电子器件状态的在线测试技术电力电子器件故障诊断技术全面探讨（1）电力电子设备状态监测的依据按照宝钢多年来对电力电子器件离线测试的经验，总结出了以80%器件的额定电压法来检验IDRM、IRRM的变化，从而判断其器件性能劣化。泄漏电流法是一种定期的设备停机时的在线电力电子设备的状态监测技术，可在不拆卸设备的情况下取得精确的监测参数和信
22、息。该技术投入人力少，仪器操作简单，记录的监测数据少，反映电力电子装置性能劣化情况直观明了。泄漏电流法不同于设备的定期检查和预防维修，突出的是状态追踪，根据状态情况进一步确定异常部件和隐患的排查，并决定相应的维修措施。采用设备停机状态下的在线检测，其装置的状态劣化判断值容易确定，并且易于指导状态劣化的追踪，不仅检测效率高，且不存在人为安全或质量因素。这里需要明确的是电器设备漏泄电流测试方法有很多，但基本原理与摇表测量电器设备绝缘电阻的原理类同，通常讲漏泄（传导）电流就是电器设备通过绝缘层而传导至“地”电流，所以能通过漏泄电流反映出电器设备的绝缘状态。但是，电力电子装置由非线性器件构成，其漏电流
23、具有非线性的特性。电力电子器件故障诊断技术全面探讨（2）电力电子设备状态监测的基本要求我们称之为泄漏电流法的目的就是视电力电子设备同一个电器设备绝缘试验一样，以区别电力电子设备同单个器件的测试。单只器件泄漏电流值超过出厂值时，说明器件劣性在下降，当接近于器件导通后的维持电流时，说明器件性能严重劣化。而对于整流装置，是由器件串联或并联组成，器件还有阻容保护，其进线和输出通常还有吸收电路等。所以，泄漏电流法应用时还需视整流装置的结构和具体技术参数来确定监测措施和参数。比如：是否断开整流器阻容回路、输入输出母线连接等。整流器状态测试的技术措施和测试值一经确定就应每次保持不变，只有这样的测试参数才有比
24、较意义，也才能达到直观掌握整流器状态的目的。电力电子器件故障诊断技术全面探讨电力电子装置结构形式分门别类，可归为简单、复杂两种。对于结构简单类装置，在测试时考虑的技术措施相应方便些。对于结构复杂，如多装置并联，多器件串并联等结构，其进行状态测试时采取技术措施相应要考虑全面些，这里要看是否对电力电子装置进行局部还是整体状态监测。图15是不考虑器件阻容吸收的一个电力电子装置的状态监测示意图。在进行电力电子装置状态监测追踪时通常考虑如下几个方面：1）首先对电力电子装置进行状态监测前的安全确认；2）电力电子装置状态测试仪输出电压值应根据装置结构及器件技术参数等情况决定；3）电力电子装置的电源通常由变压
25、器供给，测试时应将装置的电源输入母线短接；4）对于电力电子装置输出与负载带有分离开关时最好断开；5）确定是否阻容吸收回路解除（有时可根据解除的难易来决定）；6）当电力电子装置是水冷却时，要确定是否通水或者停水；7）用指针式表对整流装置桥臂分别测试正反向电阻值，作为状态监测前的准备工作；8）记录好装置状态检测时的环境温度；9）电力电子装置状态劣化判断标准的确定。（3）电力电子设备状态监测的技术要点电力电子器件故障诊断技术全面探讨不考虑器件阻容吸收的电力电子装置的状态监 示意图电力电子器件故障诊断技术全面探讨以基于泄漏电流法对3套整流器装置进行状态监测来说明其应用效果（图1618），图中的纵坐标为
26、漏电流毫安值，横坐标为设备状态检测周期。从图中不难看出，1号装置的状态良好，而很清晰表明了装置随运行时间的推移而在发生性能劣化；2号装置次之，通过维护处理，其装置状态劣化情况得到较好控制；3号装置状态最差。经过处理后设备状态虽然有了一定改善，并较稳定地运行了一段时间，但再次进行设备状态检测时，其劣化状态又出现反弹现象，已明显表明装置存在严重的器件性能劣化或设备隐患，通过进一步检查，排除了劣化器件3只，而且还查出因装置结构变形而导致交流与直流母线绝缘下降的严重设备缺陷。、应用实例电力电子器件故障诊断技术全面探讨图161号整流器装置状态变化趋势图中IAK/IKA共阳极组晶闸管正反向漏电流；IAK/
27、IKA：共阴极组晶闸管正反向漏电流。电力电子器件故障诊断技术全面探讨图172号整流器装置状态变化趋势 电力电子器件故障诊断技术全面探讨图183号电力变流装置状态变化趋势电力电子器件故障诊断技术全面探讨、IGBT静态参数。栅射极最大漏电流IGES测试（测试在额定的GE极电压下进行，CE短接，通常情况下，VDrive=20V。此时，IGES（）100nA）。栅极阈值电压VGE（th）测试（CE短接）。CE极通态压降VCE（ON）测试（即指在额定集电极电流IC和额定GE极电压VGE下，CE极通态压降）。续流二极管的正向压降VFM测试（IGBT模块中与IGBT芯片反并联续流二极管的正向压降。该值与IG
28、BT关断特性密切相关）。CE极漏电流ICES测试（GE短接，在CE极上加IGBT的额定电压VCset）。CE极阻断电压VCES（Bias）测试（栅射极短路，在指定的集电极电流值ICset下，集射极上的最小电压即为（VCES（Bias）。、IGBT主要动态参数擎住电流、能耗测试、反偏安全工作区、短路测试、开通时间、开通延迟时间、关断时间和关断延迟时间等。七、电力电子器件测试技术的交流互动七、电力电子器件测试技术的交流互动 电力电子器件故障诊断技术全面探讨、SCR静态参数测试SCR静态参数测试有23之多：断态不重复峰值电压、反向不重复峰值电压、断态重复峰值电压、反向重复峰值电压、通态平圴电压、通态
29、峰值电压、断态不重复平均电流（正向漏电流）、断态重复平均电流、反向不重复平均电流（反向漏电流）、通态平均电流、浪涌电流、维持电流、掣住电流、门极触发电流、门极触发电压、门极不触发电流、门极不触发电压、等23项。、SCR动态参数测试通常有项：断态电压临界上升率、断态电流临界上升率、门极控制开通时间、电路换向关断时间、反向恢复时间、最高允许工作结温等项。、SCR特性曲线管壳温度与通态平均电流的降额关系曲线、通态伏安曲线、瞬态热阻抗与时间的关系曲线、浪涌电流与周波数的关系曲线和I2t特性关系曲线、最大通态功耗与通态平均电流的关系曲线、门极触发范围特性曲线等。电力电子器件故障诊断技术全面探讨这是以通用
30、变频器为例，探讨使用万用表的方法来掌控其设备状态的技巧。掌握万用表法对通用变频器进行静态参数测试，完全可以判断变频器状态，若借助对变频器动态技术的分析，则就能对变频器性能指标做出判断。下面以图19通用变频器为例说明万用表的运用（其它控设备同样可参考）。首先我们可以对变频器做一个静态的测试，一般通用型变频器大致包括以下几个部分整流电路、直流中间电路、逆变电路、控制电路。静态测试主要是对整流电路，直流中间电路和逆变电路部分的大功率晶体管(功率模块)的一个测试，工具主要是万用表。整流电路主要是对整流二极管的一个正反向的测试来判断它的好坏，当然我们还可以用耐压表来测试。直流中间回路主要是对滤波电容的容
31、量及耐压的测量，我们也可以观察电容上的安全阀是否爆开,有否漏液现象等来判断它的好坏。功率模块的好坏判断主要是对功率模块内的续流二极管的判断。对于IGBT模块我们还需判断在有触发电压的情况下能否导通和关断。八、万用表掌控其设备状态的技巧八、万用表掌控其设备状态的技巧电力电子器件故障诊断技术全面探讨通用变频器基本结构图图19通用变频器主电路结构电力电子器件故障诊断技术全面探讨检测点接线端子（表笔）标准值（）检测点接线端子（表笔）标准值（）L1-P1L1-P110-50L2-P1L2-P1L3-P1L3-P1L1-N400-100L1-NL2-NL2-NL3-NL3-NU-PU-P10-50V-PV
32、-PW-PW-PU-N10-50U-NV-NV-NW-NW-N变频器各端子的测量标准值 电力电子器件故障诊断技术全面探讨上表为某一型号通用变频器各端子的测量标准值。检测时,首先要求将其外部联线拆除,以免外部原件在测量时对测量结果有影响。而且必须切断电源,CHARGELAMP灭灯后才能使用万用表进行检测,然后将接直流电抗器的端子P1和P短接,在测量图19的接线端子U、V、W与P及U、V、W与N之间的阻值时,万用表指针先有一个定阻值在400左右,然后表针缓慢地指向,此为电容器充电过程,这也说明变频器内的电容是好的。用万用表检测此电容器充电电阻的阻值应在240为正常。电力电子器件故障诊断技术全面探讨
33、1 1）整流桥状态测试）整流桥状态测试粗测与判断a）整流桥电路 b）万用表测量 c）二极管击穿 d）二极管烧断图20 整流桥的粗测电力电子器件故障诊断技术全面探讨损坏原因a）进线有冲击电压 b）后续电路故障 c）进线电压不平衡图21 整流管损坏原因电力电子器件故障诊断技术全面探讨滤波电路状态滤波电路的粗测a）滤波电路损坏特点 b）电容器损坏特点 c）均压电阻损坏特点图22 滤波电路的粗测电力电子器件故障诊断技术全面探讨滤波电容的损坏原因： a)有交流电压窜入 b)电压分配不均 c)漏电流较大 图23 滤波电容损坏原因电力电子器件故障诊断技术全面探讨限流电阻的状态测试a）频繁充放电 b）短路器件
34、接触不良图24 限流电阻损坏原因电力电子器件故障诊断技术全面探讨2 2）逆变电路）逆变电路IGBT管的状态简单测试a）控制极反偏 b）控制极正偏 c）控制极的测量图25 IGBT管状态的简单测试电力电子器件故障诊断技术全面探讨IGBT驱动不足的后果分析某IGBT管：击穿电压：UCEX1200V；漏电流：ICEX1.0mA；集电极最大电流：ICM100A；饱和压降：UCES2.6V；额定功耗：PC600W。a）输出电压和电流不平衡 b）IGBT饱和导通c）IGBT的截止状态 d）IGBT的放大状态图26 驱动不足的后果电力电子器件故障诊断技术全面探讨反向二极管的粗测 逆变桥电路万用表测量图27
35、逆变桥的粗测电力电子器件故障诊断技术全面探讨驱动模块电路 a)驱动模块电路 b) G、E间的电压图28 IGBT的驱动电路电力电子器件故障诊断技术全面探讨驱动电路的电源 图29 驱动电路的电源电力电子器件故障诊断技术全面探讨IGBT管的缓冲电路完整的缓冲电路 a)并联电容 b）串入电阻 c）并联二极管图30完整的缓冲电路电力电子器件故障诊断技术全面探讨简化的缓冲电路 a）中小容量 b）中等容量 c）较大容量图31 简化的缓冲电路电力电子器件故障诊断技术全面探讨 九、九、SCR器件的劣化的典型案例器件的劣化的典型案例 图32150t电炉整流器单个桥臂结构）电炉厂150t电炉整流器结构 采用三套三
36、相桥式全控整流器，每套整流器有六个桥臂，每个桥臂由10只国产3200A/2500V晶闸管并联，共用晶闸管60只，桥臂采用大圆盘结构形式，如图图。整流器输入电压645V，额定输出电压870V，额定输出电流36KA。电力电子器件故障诊断技术全面探讨1 8 只 晶闸 管 并联 ）宝通钢铁整流器结构 一套整流器由个柱式桥臂组成，每一个柱式桥臂由18只ABB公司制造的3000A/2800V晶闸管并联，共用晶闸管108只,整流器结构如图。整流器输入电压577V，额定输出电压795V, 额定输出电流55KA。图33 ABB100t电炉整流器结构 电力电子器件故障诊断技术全面探讨、技术指标分析、技术指标分析晶
37、闸管主要参数对照分析晶闸管主要参数对照分析电炉原使用的进口晶闸管、现使用的国产晶闸管及宝通闲置的晶闸管主要参数对照见表7：参数 晶闸管电炉（进口）电炉（国产）宝通闲置断态正向重复峰值电压V250025002800断态反向重复峰值电压V250025002800通态平均电流A250032003000工作结温125125125通态峰值电压（2000A）V1.251.1.35（3000A）浪涌电流KA41.541.543通态电流临界上升率/s150A150A200断态电压上升率/s500V1000V2000门极最大开通电压V7.47.44.5正常门极触发电流mA250250400门极开通时间S334电
38、力电子器件故障诊断技术全面探讨3 3、技术结论：、技术结论：参数对比和状态确认表明：宝通闲置整流器的晶闸管可以利旧作为150t电炉整流器晶闸管的备件。4 4、晶闸管利旧后的整流器状态分析、晶闸管利旧后的整流器状态分析晶闸管的使用要求：有效发挥晶闸管固有功能，并延长使用寿命）晶闸管替代可靠性分析由于ABB的晶闸管的晶闸管的断态正向重复峰值电压（2800V）、通态平均电流（3000A）、通态峰值电压（3000A时1.35V）、浪涌电流（43KA）、通态电流临界上升率（200A/s）、断态电压上升率（2000V/s）等技术指标较电炉整流器晶闸管高，再综合分析ABB公司元件制造水平认为：在目前150t
39、电炉整流器冷却水、整流器室温湿度控制、粉尘控制、元件安装水平等条件不变情况下，使用宝通闲置晶闸管替代运行后系统可靠性将会有一定提高。电力电子器件故障诊断技术全面探讨2）晶闸管损耗及劣化分析导致晶闸管性能劣化的主要因素是通态损耗及电连接耗损耗共同产生的热的影响，晶闸管最高允许结温为120，实践证明晶闸管器件的表面温度最高不宜超过65，否则晶闸管就会受热劣化加速（电炉整流器晶闸壳温度曾经达到过75）。（1）桥臂晶闸管电流（宝钢150T整流器额定输出电流36000A）则晶闸管的电流有效值：IT（AV）=36000*0.578/10=2080（A）晶闸管的平均电流为：IT=36000/3/10=120
40、0（A）最大通态平均压降不大于1.3V(2000A时产品出厂时参数)：晶闸管的通态平均损耗：PT=1200*1.3=1560(w)电力电子器件故障诊断技术全面探讨快熔损耗快熔电阻0.0280.032m)2220800.028 121( )rPIRW桥臂支路接触电阻上的损耗 jPrP2220800.045 195( )jPIrW 则每个桥臂支路总损耗：PG=1560+121+195=1876（W）（桥臂支路接触电阻0.0450.055m电力电子器件故障诊断技术全面探讨（2)桥臂不均流问题宝钢150T整流器桥臂不均流问题一直没能解决。原设计厂家均流设计的想法很好（见桥臂结构图32），但存在三大不足
41、：一是动态均流欠佳，仅靠桥臂母排电感量来实现，其实际效果不理想；二是桥臂SCR组件复杂，组件安装质量很难保证，接触电阻过大，不但导致组件受热增加，而且形成了人为的桥臂静态不均流；三是该桥臂结构的机械强度有限，导致晶闸管增大容量受限制或存在组件紧固力受电磁力的影响。而西门子和ABB公司的整流结构设计体现了安全、可靠和载流能力强，设计上的主导思想是以牺牲桥臂的静态均流来确保其可靠性的，所以，选用SCR器件的容量均较大，则器件通态损耗就小，器件寿命得到延长。其桥臂特点有：一是桥臂设计有动态均流；二是最大限度减少SCR及连接件接触电阻；三是SCR增容方便且不存在组件紧固力受电磁力的影响；四是日常维护或
42、维修方面。电力电子器件故障诊断技术全面探讨5、快速熔断器保护分析由于电炉整流器晶闸管的保护出于设计厂家对系统可靠性考虑，快速熔断器的选择差异较大。1）快熔额定电压选择通常快熔额定电压选择以略大于整流变压器的次级线电压即可，也可按的1.8倍以上来选用，按公式计算则如下式：2U22ugerkuu式中，：整流变压器副边相电压（V）；：晶闸管电压计算系数，对于三相全控桥，2Uugk2.45,ugk 2）快熔额定电流选择快熔正常工作时不应过热，为了保护晶闸管，其选择快熔的应小于晶闸管的。快速熔断器的额定电流可按下式计算。2I t2I t电力电子器件故障诊断技术全面探讨式中：整流电流计算系数，对于三相全控
43、桥，0.367均流系数（10并/0.85、12并/0.8、14并/0.78）输出最大的整流电流（A）n:每桥臂元件并联数。目前电炉整流器快熔的额定电流计算值：该值实际上是水冷却系统很正常情况计算的。所以，确定整流器桥臂快熔额定电流为2800A/800V。max2IgderjlKIIK nIgK:jlKmax:dImax2Ig derjlK IIK n0.367 360002441( )20.85 10A电力电子器件故障诊断技术全面探讨3）整流器晶闸管快熔数据比对表8：整流器及快熔的技术参数单元电炉整流器快速熔断器输入电压(v)输出电压(v)输出电流（A）SCR电流及并联数(A/只)额定电压(v
44、)额定电流(A)计算电流(A)电阻(m)宝钢645875360003200/10800280025290.028宝通577795550003000/1875035002379 特钢7201000460003000/141000500024270.014(21)苏钢7801053（空载）2500051000500032010.018电力电子器件故障诊断技术全面探讨6、下步对策目前电炉整流器主要有下面的问题必须要得到解决：1）晶闸管的电流裕量仍然偏小 与宝通钢铁公司的整流器相比电流情况如下：参数宝钢电炉宝通电炉特钢电炉输出电流36000A55000A46000A并联数10(3200A)18(300
45、0A)14(3000A)单个元件有效电流2080A1766A1899A宝通整流器单只元件的有效电流比宝钢电路小约314A）器件的散热能力差宝钢电炉的散热系统与宝通整流器相比，有很大差别。由于整个系统原设计的散热管路的限制，水的冷却能力与晶闸管工作时产生的功率损耗不匹配。例如：宝钢电炉的水冷管内径约6mm；而宝通整流器的水冷管内径约1012mm，宝钢整流器的冷却水量远低于宝通整流器，导致在晶闸管中产生了热积累效应，使器件裂化，可靠性下降。 电力电子器件故障诊断技术全面探讨）宝钢电炉的整流器经多年的运行，严重形变，输出电极的耐压不够，存在严重的运行隐患。易产生瞬态放电的短路故障。）在瞬态过电流冲击
46、问题，由于电炉应用的整流器运行时的特殊性，电路设计中应采取一定的安全设计，改善整流元件的瞬态过电流冲击特性，但原宝钢整流器在设计上没有考虑这一问题。）多并联器件均流问题，宝钢电炉整流器在结构设计上主要考虑了均流好的问题。但是，对器件要求高，器件的安装苛刻，反而均流问题成为系统效率低的主要问题。而ABB、西门子等公司的设计是牺牲器件容量，不去关注均流。）宝钢电炉整流器可靠性设计差。主要体现在与ABB、西门子的整流器结构设计上，比如晶闸管与快速熔断器的选用就足以说明 为了彻底的解决上面提到的几个问题，原整流器需要进行彻底的改造。在对原宝通整流器的元件进行利旧的同时，利用宝通整流器的框架设计改造一台满足宝钢电路使用的整流器机组。电力电子器件故障诊断技术全面探讨新的机组应具有如下特点：）采用14只5英寸（或英寸）大功率电力电子器件，确保整流器的电流余量。）采用最新设计的框架自支撑结构，彻底解决耐压和降低电磁震动的问题）提高整流器的冷却能力，改善大功率晶闸管的运行环境条件。）采取改善整流元件的瞬态过电流冲击特性的电路设计，降低器件的开通损耗，改善均流特性。十、思考题：十、思考题：、晶闸管出厂试验包括的内容？、各厂家晶闸管技术指标的认识？、SCR主要技术参数？、SCR的状态如何能够掌控？、IGBT器件的主要技术参数？、如何看待SCR、IGBT器件的保护问题？
