一、SINAMICS GM150變頻器介紹

變頻器（Variable Frequency Drive，VFD） 是通過輸出電壓或頻率可控的電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備（電機(jī)）進(jìn)行調(diào)速控制的電力設(shè)備。

變頻器主要由電源輸入模塊、整流模塊（交流變直流）、濾波模塊、逆變模塊（直流變交流）、控制系統(tǒng)等組成［1］。

變頻器可以實(shí)現(xiàn)諸多保護(hù)功能，如：過流、過壓、過載保護(hù)等�；�于變頻器的技術(shù)成熟，其在船舶動(dòng)力控制設(shè)備上的應(yīng)用十分廣泛。

某電力推進(jìn)船舶，由 SINAMICS GM150 變頻器實(shí)現(xiàn)主推進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制。

該變頻器為 24 脈沖2.2 kV 矢量控制，交 - 直 - 交中壓變頻器，主回路為中性點(diǎn)鉗位（Neutral Point Clamp，NPC）三電平結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵元器件為絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）， 該 變頻器結(jié)構(gòu)緊湊、諧波含量低、輸出電壓更高，非常適合船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)使用。該變頻器的 24 脈沖整流部分由兩組 12 脈沖整流輸出并聯(lián)組成。

其中，12 脈沖整流電路由一臺(tái)三相變壓器的兩個(gè)二次繞組通過改變聯(lián)接組號(hào)產(chǎn)生相位差，分別經(jīng)過兩個(gè)三相橋式整流電路串聯(lián)輸出一個(gè)周期內(nèi)具有12 脈波的脈動(dòng)直流電。

因此，24 脈沖整流模塊需要使用兩組移相變壓器作為輸入電源。

為了便于理解，僅取該變頻器 24 脈沖整流模塊的其中一組12 脈沖整流模塊來進(jìn)行介紹。

SINAMICS GM150變頻器各模塊組成見圖 1。

圖 1 SINAMICS GM150 變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖 3 故障時(shí)直流母線電壓與時(shí)間曲線 

三、故障分析及排查

變頻器故障分析及排查的前提是要熟悉變頻器工作原理和各組成模塊的具體功能，然后結(jié)合變頻器故障現(xiàn)象進(jìn)行故障分析和排查，才能準(zhǔn)確地判斷故障原因。

1、故障分析

變頻器的故障分析方法一般遵循時(shí)間和空間分析原則［2］。

（1） 時(shí)間分析原則

時(shí)間分析原則是從故障的發(fā)生時(shí)間上分析。

1）突發(fā)性的故障。

變頻器出現(xiàn)這種狀況的原因可能是系統(tǒng)電路中某個(gè)元器件突然出現(xiàn)損壞，元件本身原因或外部影響，使得局部電路的電流過大，導(dǎo)致系統(tǒng)電路中的某些功能無法實(shí)現(xiàn)，整個(gè)變頻器電路無法正常運(yùn)行。

2）間歇性故障。

造成這樣的原因可能是電路當(dāng)中某個(gè)模塊或者元器件的連接出現(xiàn)松動(dòng)，使得系統(tǒng)運(yùn)行中的某些功能表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

3）老化性故障。

電路中的一些模塊和元器件達(dá)到使用壽命極限，就會(huì)導(dǎo)致這種類型的故障。

老化性故障一般出現(xiàn)在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)周期的后期階段。

一般為了不影響變頻器的使用功能，避免因設(shè)備老化產(chǎn)生突發(fā)故障，生產(chǎn)廠商都會(huì)針對(duì)特定設(shè)備規(guī)定特定元件檢修和更換周期。

（2）空間分析原則

空間分析原則是從故障發(fā)生的部位上分析。

1）內(nèi)部故障

指的是變頻器設(shè)備本身存在故障，內(nèi)部故障主要分主電路故障和控制系統(tǒng)故障。

主電路故障包括整流模塊、直流模塊、逆變模塊存在故障。內(nèi)部接線故障指的是，在變頻器的使用過程中其內(nèi)部接線在長(zhǎng)時(shí)間的使用后會(huì)出現(xiàn)斷線、插頭損壞等問題從而影響變頻器的正常運(yùn)行。

控制系統(tǒng)故障主要是主電路提供控制信號(hào)回路、驅(qū)動(dòng)電路故障、反饋與檢測(cè)電路故障，表現(xiàn)為頻率失控、誤報(bào)警、變頻器參數(shù)顯示混亂等。

2）負(fù)載故障

指的是變頻器所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)故障，如：電機(jī)缺相、過載、過流等。

主要表現(xiàn)為電機(jī)運(yùn)行速度或噪聲異常，電機(jī)過熱或運(yùn)行速度失去控制等。

過載可能由加速時(shí)間過短、制動(dòng)量過大或是電網(wǎng)電壓過低等導(dǎo)致；

過流可能由電機(jī)負(fù)載突變引起較大的沖擊、電機(jī)絕緣不良等導(dǎo)致。

3）電源故障

指的是變頻器所接入的船舶電網(wǎng)存在異常，如：船舶電網(wǎng)本身過電壓、欠電壓、電壓相序錯(cuò)誤、三相不平衡、斷路器功能不良或損壞等。

此類故障發(fā)生時(shí)，船舶電網(wǎng)一般會(huì)先發(fā)出故障報(bào)警。

當(dāng)故障發(fā)生在移相變壓器副邊繞組和變頻器的整流模塊之間時(shí)，一般變頻器報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)難以給出故障是發(fā)生在移相變壓器側(cè)，還是變頻器整流模塊側(cè)的提示，該情況下故障排查相對(duì)復(fù)雜。

從故障現(xiàn)象的描述可以分析得出，此次故障為變頻器突發(fā)性內(nèi)部直流環(huán)節(jié)過流故障。

2、故障排查

因?yàn)樽冾l器故障內(nèi)部關(guān)聯(lián)性交錯(cuò)復(fù)雜，故障可能性范圍廣，必須對(duì)變頻器各模塊系統(tǒng)逐一排查各種引起該直流環(huán)節(jié)過流故障的可能性。

經(jīng)查看直流母排電壓波形記錄可以分析得出，第二次變頻器送電時(shí)控制系統(tǒng)沒有發(fā)出任何報(bào)警，充電電路功能和系統(tǒng)放電功能均可以實(shí)現(xiàn)，由此可以判斷控制系統(tǒng)和濾波模塊（包含預(yù)充電電路和平衡電阻電路）均功能正常。

對(duì)電源輸入模塊、整流模塊、逆變模塊和負(fù)載進(jìn)行隔離并分別進(jìn)行測(cè)量。

1）電源輸入模塊。

根據(jù)故障現(xiàn)象分析，在變頻器第二次合閘時(shí)，變壓器主開關(guān)并沒有立即跳閘，而是在完成了充電后才跳閘。

測(cè)量故障側(cè)變壓器的原邊、副邊相別電阻，見表 1；

繞組相間對(duì)地絕緣數(shù)值見表 2，經(jīng)分析均未發(fā)現(xiàn)異常，由此排除電源輸入模塊故障。

2）整流模塊。

拆除整流單元后，發(fā)現(xiàn) RC 吸收電路中的一個(gè)緩沖電阻炸裂。

測(cè)量故障側(cè)各整流橋和緩沖電路，其他 RC 吸收電路及整流橋功能正常，只發(fā)現(xiàn)其中一組模塊參數(shù)異常，見表 3。

測(cè)量發(fā)現(xiàn)一組整流橋中的三只整流二極管擊穿導(dǎo)通，分析其電阻與電容組成阻容吸收回路保護(hù)整流橋，此處出現(xiàn)問題，推斷整流橋遇到比較大的尖峰沖擊，緩沖電阻 R1 未能夠起到保護(hù)作用或者已經(jīng)超出電阻的保護(hù)范圍，致使整流二極管 VD1、VD2和 VD3 擊穿。

在監(jiān)控的曲線中發(fā)現(xiàn)：

第一次跳機(jī)時(shí)直流母線電壓降低曲線是線性的，很短時(shí)間內(nèi)直流母線電壓全部被放完；

第二次跳機(jī)時(shí)，直流母線電壓降低曲線是拋物線的，這是比較正常的放電過程。

所以懷疑第一次跳機(jī)的時(shí)候，整流模塊就已經(jīng)出現(xiàn)問題。

3）逆變模塊。

故障時(shí)變頻器未輸出功率，逆變模塊未工作，由 IGBT 相組功能故障導(dǎo)致過流的可能性極小。

經(jīng)測(cè)量三條電平母線間絕緣及對(duì)地絕緣無窮大，各 IGBT 相組模塊的 IGBT 耐壓值均大于 600 MΩ，由此可排除逆變模塊故障。

4）負(fù)載。

故障發(fā)生時(shí)變頻器雖處于上電狀態(tài)，但并沒有帶負(fù)載運(yùn)行，故障關(guān)聯(lián)性極小。

經(jīng)測(cè)量分析推進(jìn)電機(jī)繞組電阻和對(duì)地絕緣均正常，可以排除負(fù)載故障。

推進(jìn)電機(jī)各相電阻測(cè)量數(shù)據(jù)見表 4；

繞組相間對(duì)地絕緣測(cè)量數(shù)據(jù)見表 5。

結(jié)合故障分析與排查，判斷該次故障性質(zhì)為第一次船舶電網(wǎng)失電，由于船舶電網(wǎng)電壓波動(dòng)，整流模塊中的 RC 吸收電路遇到尖峰電壓沖擊，緩沖電阻炸裂，RC 吸收電路保護(hù)作用失效，整流橋中二極管被擊穿，導(dǎo)致直流匯流排過流的變頻器突發(fā)性內(nèi)部故障。

四、故障解決

首先，根據(jù)故障描述的內(nèi)容，通過閱讀變頻器電路圖來分析電路工作原理，結(jié)合時(shí)間和空間分析方法，判斷可能造成此類故障的范圍。

由此可得出本次故障：

在時(shí)間分析上為變頻器突發(fā)性故障；

在空間分析上為變頻器內(nèi)部故障，且內(nèi)部故障在直流環(huán)節(jié)。

然后，對(duì)可能的故障范圍內(nèi)各種原因所涉及模塊的部分，對(duì)變頻器分部分進(jìn)行隔離，結(jié)合故障排查過程中對(duì)各模塊測(cè)量的參數(shù)分析，最終確定故障點(diǎn)。

根據(jù)各功能模塊測(cè)量的數(shù)據(jù)以及經(jīng)上述分析，確定本次故障的原因是直流環(huán)節(jié)中整流模塊的 RC 吸收電路故障。

最后，對(duì)損壞的整流模塊（包含整流橋和緩沖電路）進(jìn)行更換。

確定所有可能故障原因都排除的情況下，進(jìn)行通電試驗(yàn)，在進(jìn)行這一步檢查時(shí)，一般要求變頻器工作的所有外部條件都具備，并且不會(huì)引起故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，在檢修設(shè)備工作正常的情況下，就可以進(jìn)入系統(tǒng)測(cè)試［3］。

更換故障元件和模塊后，對(duì)變頻器進(jìn)行使用前檢查和系統(tǒng)測(cè)試。

經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，變頻器起停程序均正常，直流模塊電壓波形正常。在泊位進(jìn)行低速測(cè)試運(yùn)行，并確認(rèn)變頻器功能一切正常，隨后船舶離港。

文章來源于網(wǎng)絡(luò) 原作者為“趙春林”  此處僅做分享學(xué)習(xí)用 如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除

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