一种舰用电力电子变换电路的故障分析与改进

2011-07-03陈淼魏华耿攀

船电技术 2011年11期

陈淼魏华耿攀

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

1 引言

随着舰船自动化程度提高，设置大量低电制电磁阀、电动执行机构及传感器、变送器等测量用电设备。这些用电设备与舰船安全可靠运行关系密切，需要低压直流电源供电。为此研制可靠电源装置将舰船三相50 Hz，380 V交流电源变换为低压直流电源的变换装置。

交流电源对直流负载供电，可采用的电力变换方案有：a)不控整流；b)相控整流；c)带工频变压器的相控整流；d)先经不控整流再采用不隔离的高频 DC/DC变换器；e)AC/DC不控整流、DC/AC高频逆变、AC/DC整流三级变换[1]。为保证输出直流电压纹波小，动态特性好，采用三级电力变换，其实现方案如图1所示。

图1 交流供电时直流电源实现方案图

图1中通过中间一级高频方波逆变（DC/AC），同时高频变压器将直流负载与交流电网隔离，高频变压器输出侧直流L2,C2滤波器重量体积不大。

舰用电力电子变换电路技术参数要求：

输入电压：3 Φ，50 Hz，AC380 V；

输出电压：DC25 V；

输出容量：2.5 kW。

变换电路由滤波电路、升压电路、逆变电路、降压电路以及各种检测电路组成。控制电路由辅助电源、IGBT驱动电路和过流、过压等保护电路组成。IGBT驱动电路核心采用 PWM 芯片TL494, 逆变开关器件为 SIMENS公司的BSM200GB120DN2，驱动电路为EXB841。设置了过流、过压等保护电路，HL1检测直流母线正端的电流， HL2检测直流母线负端的电流。同时检测输出电压，将信号送至TL494,通过电压、电流误差放大器调整输出的 PWM 信号的占空比，从而调整输出电压使其稳定在DC25V。

变换电路原理图如图2所示。其中C1 、C2为分压电容。D1、D2 为三相整流桥。L2为直流母线上滤波电容。L3为输出滤波电容。T1为高频变压器，T2为整流变压器。U2为 2个 IGBT集成半桥模块，V1～V4为保护IGBT的稳压管。IGBT开通关断的驱动信号由控制板上TL494集成芯片发出，经EXB841驱动器件驱动。U4为可控硅，用来切除启动电阻R0。V0为半波整流单元。HL1、HL2为在直流母线正负极上设置的电流霍尔传感器件。

图2 电力电子变换电路原理图

2 故障分析及研究

2.1 故障现象

故障一：电路接通时，三相整流桥D2烧坏，同时AC380 V输入端熔芯烧毁。更换三相桥后恢复正常。故障时为长时间不通电后首次接通电源三相桥烧坏，且都是刚上主电，尚未启动。输入电压为AC380 V。

故障二：电路正常工作时，电路出现过流保护停机。切断电路重新接通，电路工作正常。

2.2 故障分析

根据故障一现象描述，电路故障原因有如下2种。

a）主电路可控硅U4上电时电压变化率du dt过大，导致出现无触发信号也能误导通，直流母线上电流过大。

b）上电瞬间三相桥D2两端有过电压或过电流导致整流桥烧毁。

通过试验对上述故障进行复现，在反复通断电路情况下，检查三相整流桥是否故障。同时设置检测点进行相应参数监测。

针对故障原因中a）种情况，查阅可控硅U4参数为：

额定通态平均电流：55 A

断态（反向）重复峰值电压：1200 V

门极触发电流：52 mA

断态电压临界上升率：500 V/μs。

接通电路，用示波器监测直流主母线上电流值。上电瞬间可控硅正负极电压由0跳至540 V，峰值即 540 V，没有电压上冲。正母线电流由 0上升至5 A，充电完成后下降至2A（约80 ms）。波形显示小于可控硅 U4断态电压临界上升率500 V/μs。且多次试验三相整流桥均工作正常。

针对故障原因 b）种情况，整流桥技术参数为：

额定正向整流电流：30 A

最高反向工作电压：1200 V

三相桥输入410 V，C1、C2大电容两端电压为0时，上电瞬间三相桥D2两端电压由0跳变至约600 V，偶尔过充至700 V。D2输出电流由0跳变至7 A（最高8 A）然后下降，都小于三相桥参数值30 A/1200 V。且多次试验三相整流桥工作正常。根据以上分析，可以推断出故障原因应是三相整流桥器件批次质量问题。

根据故障二现象描述，电路故障原因有如下4种，即：

a）电路输出端短路；

b）电路中电流霍尔检测误差大；

c) 电路中IGBT模块损坏；

d) 电路中IGBT控制电路故障或受到干扰。

针对电路输出端负载某支路短路情况，检查各支路用电设备的绝缘、电路输入端、输出端的对地绝缘。经检查大于10 M，排除a项故障原因。

电流霍尔HL1、HL2检测误差大及U2模块损坏均可造成电路过流保护。在电路运行时经示波器对电流霍尔的波形监测，显示结果正常。而U2模块在装置停机时脱开IGBT，万用表对该模块检测也正常，排除b、c项故障原因。

由此可以得出控制电路的过流故障应是IGBT驱动信号出错或过流保护电路抗干扰能力不足而引起的。对d项故障原因进行分析。

IGBT驱动信号是由TL494输出的脉冲宽度调制PWM波。TL494内部由以下几个环节组成，内部电路如图3所示[2]。

a) 电源：12 V电源送入TL494的12端，其内部电路变为一个+5 V标准电源，由14端输出。

b) 锯齿波发生器：由 CT、RT构成振荡器，产生锯齿波，5端的锯齿波频率f= 1.1/(RTCT)=20 kHz。即为电路的控制频率。

c )两个误差放大器

通过外接电阻电容可以构成两个运算放大器，在控制系统中误差放大器 I(输入端为 1，2)作为电压调节器。由TL494 的14端经分压得到Vg＝2.5 V送给2端。输出电压U0经分压后引入到1端，2、3点之间接入负反馈电路。另外误差经放大器(Ⅱ输入端为15，16)可作为电流调节器，15端接入2.5 V对应电流给定，输出电流I0经霍尔传感器HL3得到检测信号，经分压后送到误差放大器Ⅱ的16端，当负载电流小于2倍额定电流时，放大器Ⅱ的输出电压小于放大器Ⅰ的输出电压，D1导通，D2截止，这时电压 V3由电压调节放大器Ⅰ决定，系统在电压负馈作用之下稳压运行，当负载电流超过2倍额定电流，放大器Ⅱ的输出大于放大器Ⅰ的输出，D2导通，D1截止，于是 V3由电流调节放大器Ⅱ决定，使得系统处于限流状态运行。经示波器监测IGBT驱动波形正常。

过流保护电路如图4所示。

正常过流保护的工作原理：两个电流霍尔HL1及HL2对直流母线电流进行采样比较，取采样值大的进入LM319正端，LM319负端为电压基准，由电阻R3、R4分压为LM319负端提供7.5V的基准电压。若直流母线上电流值小于允许值则输出为0。D2中2个与非门构成RS触发器，此时三极管T1截止，H1过流指示灯不亮。当直流母线上电流值高于允许值，三极管T1导通，H1报警指示灯亮，表示过流报警，此报警已锁存。

图3 芯片TL494内部电路

控制电路误保护 IGBT停止工作电路无直流输出。一旦重新启动，控制电路工作恢复正常，电路正常直流输出，与控制电路受干扰引起过流报警故障现象较为符合。参见图4过流保护电路，RS触发器是由4011芯片中的2个与非门构建。4011芯片的低电平为0.05 V，高电平为11.95 V。原用于锁存过流信号的RS 触发器的输出端通过引线接到机箱面板的指示灯 H1上，未加隔离器件，外部的干扰信号会导致 RS触发器翻转，导致控制电路过流保护。故障定位后，在 4011的10，11脚增加0.01 μf电容后，变换电路能可靠正常工作，未出现过误报警现象，由此故障可以准确定位在过流保护电路抗干扰能力不足。