大型离心风机变频改造中的问题分析

刘海斌

[摘 要]介绍了某热电公司大型离心风机变频改造调试、试运行时出现的变频器功率单元IGBT损坏及联轴器螺栓断裂情况，从风机电机空载、运行工频与变频的不同、螺栓材质、力学特性和强度性能等方面对变频器功率单元IGBT损坏、联轴器螺栓失效原因做了全面的分析，得出了大型离心风机变频改造中的遇到问题的原因分析，最后给出了有效的预防措施。

[关键词]IGBT损坏；断裂；疲劳；受力

中图分类号：V231.95 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0018-01

0 情况简介

2014年3月29日#1B一次风机进行带电机空载调试，空载电机升到50HZ后，在45HZ降速到40HZ的过程中V6功率单元损坏。4月13日发现1B一次风机电机轴向振动最大0.26mm，X向、Y向振动及温度均为发现异常，对其停机进行检查时发现联轴器电机侧连接螺栓有6条断裂。4月17日1B一次风机再次出现上述现象。4月18日1A一次风机电机轴向振动最大为0.06mm，对其停机进行检查时发现联轴器电机侧连接螺栓有10条全部断裂。随后对其进行更换螺栓并将其切至工频运行，工频运行其未出现此现象。

1 电机空载时变频器功率单元损坏原因分析

1.1 故障描述：

在调试时空转电机升到50HZ后，在45HZ降速到40HZ的过程中爆了一个单元，其中左边并联的二个IGBT炸掉并把右边二个IGBT撑坏，熔断器烧掉，二极管没坏，单元板没坏，IGBT型号GD300HFT170C2S（STARPOWER） IGBT。故障电压电流曲线。空转电机时45HZ、50HZ时，母线电压比较高。

1.2 测试分析

1.2.1 功率单元外观洁净，无较大污染。

1.2.2 功率单元各处螺栓紧固，驱动线接触良好。

1.2.3 经初步测量，功率单元板、整流模块、滤波电容、电阻器均正常；熔断器损坏，4支IGBT模块损坏，4支突波电容因IGBT炸裂导致机械损坏。

1.2.4 将损坏器件更换后功率单元调试正常，未发生二次损坏。

1.2.5 损坏器件型号：GD300HFT170C2S（STARPOWER）。

1.3 原因分析

单从损坏功率单元来看，只有4支IGBT损坏，其中左边的2支IGBT模块为电气损坏（连接J1/J2/J3/J4），右边的2支IGBT为机械损坏（连接J9/J10/J11/J12）。损坏的2支IGBT模块在同一个H桥中。IGBT损坏原因可大致分为IGBT部损坏、FWD部损坏和可靠性三个部分。其中，IGBT部损坏又可大致分为超出RBSOA、门极过电压和结温上升过大。在超出RBSOA中，电源电压过大、电机再生运转、过电压保护不工作以及反向浪涌电压过大都可能造成IGBT模块失效。根据现场描述，功率单元在45赫兹将到50赫兹时IGBT损坏，由于调试时设备负载为空载电机，自身惯性较大，降速时会给设备反馈能量，导致设备母线电压升高，超出IGBT模块RBSOA 导致IGBT炸坏。

2 联轴器螺栓断裂原因分析

2.1 风机运行工况与受力分析

投入变频工况运行，风机变频运行中，由于风机转速变化频繁，螺栓附加的剪切应力无形中增加。同时，在实际变频运行过程中，由于电机的轴向窜动量也明显增大，造成联轴器的轴向窜动量也增大，造成螺栓轴向受力增加。

对于单膜片联轴器而言，在运行工程中联轴器受到的扭矩与轴线偏斜引起的弯矩、螺栓与膜片质量不均引起的离心力和膜片轴向位移引起的弹性推力等力的作用。螺栓因扭矩产生剪应力；因弯矩产生拉伸或压缩应力，且应力随着转动循环交变；因离心力产生剪切应力，也随转速变化；弹性推力使螺栓产生拉伸或压缩应力，联轴器旋转时，连杆端部的周期性轴向偏移产生了一种频率等于轴的旋转频率、振幅等于角位移乘以螺栓所处的半径的轴向振动应力。很多实践也表明，膜片联轴器的主要失效方式是螺栓和膜片在交变循环和复合应力作用下的疲劳断裂。同时，螺栓在安装时都必须预先拧紧，因此螺栓也承受静拉伸载荷。除了受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，通常会在工作过程中受到附加的轴向拉伸载荷、横向剪切（交替变化）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷的作用。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。而通常这种断裂容易在缺口集中部位，如杆与头部的过度处或螺纹根部产生。

2.2 金属检验分析

通过对断裂螺栓的断口进行形貌观察，发现螺栓断裂发生在螺栓光滑部分与

螺纹相结合部位，断面平齐，断裂面边缘未发生明显塑性变形，断口呈现出脆性断裂现象。螺栓为更换不久的新螺栓，外表面无明显氧化层，说明运行温度不高；螺栓表面无明显被冲击痕迹，且测量振动在合理范围内，表明螺栓断裂原因与受到冲击力无关。基于以上分析可初步判断该螺栓可塑性较差及疲劳延迟为螺栓断裂的主要原因。

螺栓外表面虽然无明显氧化皮，也无明显外伤痕迹，表明该螺栓运行温度、振动在正常范围内。但是由于螺栓在长期运行过程中，受到来自扭矩、剪切、拉伸、压缩、振动、弯曲等各种复杂的力的相互作用。在这些交变应力的作用下，加速了螺栓金属组织内部的夹杂物演变为裂纹源，并逐渐扩展，最终导致断裂。

3 防范措施

3.1 在变频调试前对变频器及接线情况进行全面检查，确保无误后方能进行调试工作；

3.2 对变频器带空载电机调试过程中，要适当增加降频时间定值，运行人员进行降频操作时应缓慢，待电流稳定后方能再次减频率，防止降速时因电机反馈能量，导致设备母线电压升高，超出IGBT模块RBSOA 导致IGBT损坏；

3.3 螺栓的断裂不是短时间内发生的，而是逐步积累的疲劳断裂，这就要求在运行中不断摸清联轴器螺栓断裂的周期及对轴振进行定期测试，当振动异常以便在发生断裂之前及时进行预防性处理。

3.4 该风机联轴器原来采用的45号钢螺栓已经不能满足现场使用的要求，需将离心风机的膜片联轴器螺栓更换为高强螺栓或者抗疲劳性能等级较强的螺栓，如40Cr、25Cr2Mol V（调质处理）等；若出现更换螺栓后联轴器本体损坏现象时，需更换系数更高的联轴器，改造设备所用联轴器不但要有高的强度值和硬度值的同时也要求具有良好的塑性和断裂特性。

参考文献

[1] 徐甫荣.高压变频调速技术应用实践[M].中国电力出版社.2007（2）

[2] 电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001

[3] 柬德林.金属力学性能[M].北京：机械工业出版社，1986：63.endprint

[摘 要]介绍了某热电公司大型离心风机变频改造调试、试运行时出现的变频器功率单元IGBT损坏及联轴器螺栓断裂情况，从风机电机空载、运行工频与变频的不同、螺栓材质、力学特性和强度性能等方面对变频器功率单元IGBT损坏、联轴器螺栓失效原因做了全面的分析，得出了大型离心风机变频改造中的遇到问题的原因分析，最后给出了有效的预防措施。

[关键词]IGBT损坏；断裂；疲劳；受力

中图分类号：V231.95 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0018-01

0 情况简介

2014年3月29日#1B一次风机进行带电机空载调试，空载电机升到50HZ后，在45HZ降速到40HZ的过程中V6功率单元损坏。4月13日发现1B一次风机电机轴向振动最大0.26mm，X向、Y向振动及温度均为发现异常，对其停机进行检查时发现联轴器电机侧连接螺栓有6条断裂。4月17日1B一次风机再次出现上述现象。4月18日1A一次风机电机轴向振动最大为0.06mm，对其停机进行检查时发现联轴器电机侧连接螺栓有10条全部断裂。随后对其进行更换螺栓并将其切至工频运行，工频运行其未出现此现象。

1 电机空载时变频器功率单元损坏原因分析

1.1 故障描述：

在调试时空转电机升到50HZ后，在45HZ降速到40HZ的过程中爆了一个单元，其中左边并联的二个IGBT炸掉并把右边二个IGBT撑坏，熔断器烧掉，二极管没坏，单元板没坏，IGBT型号GD300HFT170C2S（STARPOWER） IGBT。故障电压电流曲线。空转电机时45HZ、50HZ时，母线电压比较高。

1.2 测试分析

1.2.1 功率单元外观洁净，无较大污染。

1.2.2 功率单元各处螺栓紧固，驱动线接触良好。

1.2.3 经初步测量，功率单元板、整流模块、滤波电容、电阻器均正常；熔断器损坏，4支IGBT模块损坏，4支突波电容因IGBT炸裂导致机械损坏。

1.2.4 将损坏器件更换后功率单元调试正常，未发生二次损坏。

1.2.5 损坏器件型号：GD300HFT170C2S（STARPOWER）。

1.3 原因分析

单从损坏功率单元来看，只有4支IGBT损坏，其中左边的2支IGBT模块为电气损坏（连接J1/J2/J3/J4），右边的2支IGBT为机械损坏（连接J9/J10/J11/J12）。损坏的2支IGBT模块在同一个H桥中。IGBT损坏原因可大致分为IGBT部损坏、FWD部损坏和可靠性三个部分。其中，IGBT部损坏又可大致分为超出RBSOA、门极过电压和结温上升过大。在超出RBSOA中，电源电压过大、电机再生运转、过电压保护不工作以及反向浪涌电压过大都可能造成IGBT模块失效。根据现场描述，功率单元在45赫兹将到50赫兹时IGBT损坏，由于调试时设备负载为空载电机，自身惯性较大，降速时会给设备反馈能量，导致设备母线电压升高，超出IGBT模块RBSOA 导致IGBT炸坏。

2 联轴器螺栓断裂原因分析

2.1 风机运行工况与受力分析

投入变频工况运行，风机变频运行中，由于风机转速变化频繁，螺栓附加的剪切应力无形中增加。同时，在实际变频运行过程中，由于电机的轴向窜动量也明显增大，造成联轴器的轴向窜动量也增大，造成螺栓轴向受力增加。

对于单膜片联轴器而言，在运行工程中联轴器受到的扭矩与轴线偏斜引起的弯矩、螺栓与膜片质量不均引起的离心力和膜片轴向位移引起的弹性推力等力的作用。螺栓因扭矩产生剪应力；因弯矩产生拉伸或压缩应力，且应力随着转动循环交变；因离心力产生剪切应力，也随转速变化；弹性推力使螺栓产生拉伸或压缩应力，联轴器旋转时，连杆端部的周期性轴向偏移产生了一种频率等于轴的旋转频率、振幅等于角位移乘以螺栓所处的半径的轴向振动应力。很多实践也表明，膜片联轴器的主要失效方式是螺栓和膜片在交变循环和复合应力作用下的疲劳断裂。同时，螺栓在安装时都必须预先拧紧，因此螺栓也承受静拉伸载荷。除了受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，通常会在工作过程中受到附加的轴向拉伸载荷、横向剪切（交替变化）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷的作用。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。而通常这种断裂容易在缺口集中部位，如杆与头部的过度处或螺纹根部产生。

2.2 金属检验分析

通过对断裂螺栓的断口进行形貌观察，发现螺栓断裂发生在螺栓光滑部分与

螺纹相结合部位，断面平齐，断裂面边缘未发生明显塑性变形，断口呈现出脆性断裂现象。螺栓为更换不久的新螺栓，外表面无明显氧化层，说明运行温度不高；螺栓表面无明显被冲击痕迹，且测量振动在合理范围内，表明螺栓断裂原因与受到冲击力无关。基于以上分析可初步判断该螺栓可塑性较差及疲劳延迟为螺栓断裂的主要原因。

螺栓外表面虽然无明显氧化皮，也无明显外伤痕迹，表明该螺栓运行温度、振动在正常范围内。但是由于螺栓在长期运行过程中，受到来自扭矩、剪切、拉伸、压缩、振动、弯曲等各种复杂的力的相互作用。在这些交变应力的作用下，加速了螺栓金属组织内部的夹杂物演变为裂纹源，并逐渐扩展，最终导致断裂。

3 防范措施

3.1 在变频调试前对变频器及接线情况进行全面检查，确保无误后方能进行调试工作；

3.2 对变频器带空载电机调试过程中，要适当增加降频时间定值，运行人员进行降频操作时应缓慢，待电流稳定后方能再次减频率，防止降速时因电机反馈能量，导致设备母线电压升高，超出IGBT模块RBSOA 导致IGBT损坏；

3.3 螺栓的断裂不是短时间内发生的，而是逐步积累的疲劳断裂，这就要求在运行中不断摸清联轴器螺栓断裂的周期及对轴振进行定期测试，当振动异常以便在发生断裂之前及时进行预防性处理。

3.4 该风机联轴器原来采用的45号钢螺栓已经不能满足现场使用的要求，需将离心风机的膜片联轴器螺栓更换为高强螺栓或者抗疲劳性能等级较强的螺栓，如40Cr、25Cr2Mol V（调质处理）等；若出现更换螺栓后联轴器本体损坏现象时，需更换系数更高的联轴器，改造设备所用联轴器不但要有高的强度值和硬度值的同时也要求具有良好的塑性和断裂特性。

参考文献

[1] 徐甫荣.高压变频调速技术应用实践[M].中国电力出版社.2007（2）

[2] 电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001

[3] 柬德林.金属力学性能[M].北京：机械工业出版社，1986：63.endprint

[摘 要]介绍了某热电公司大型离心风机变频改造调试、试运行时出现的变频器功率单元IGBT损坏及联轴器螺栓断裂情况，从风机电机空载、运行工频与变频的不同、螺栓材质、力学特性和强度性能等方面对变频器功率单元IGBT损坏、联轴器螺栓失效原因做了全面的分析，得出了大型离心风机变频改造中的遇到问题的原因分析，最后给出了有效的预防措施。

[关键词]IGBT损坏；断裂；疲劳；受力

中图分类号：V231.95 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0018-01

0 情况简介

2014年3月29日#1B一次风机进行带电机空载调试，空载电机升到50HZ后，在45HZ降速到40HZ的过程中V6功率单元损坏。4月13日发现1B一次风机电机轴向振动最大0.26mm，X向、Y向振动及温度均为发现异常，对其停机进行检查时发现联轴器电机侧连接螺栓有6条断裂。4月17日1B一次风机再次出现上述现象。4月18日1A一次风机电机轴向振动最大为0.06mm，对其停机进行检查时发现联轴器电机侧连接螺栓有10条全部断裂。随后对其进行更换螺栓并将其切至工频运行，工频运行其未出现此现象。

1 电机空载时变频器功率单元损坏原因分析

1.1 故障描述：

在调试时空转电机升到50HZ后，在45HZ降速到40HZ的过程中爆了一个单元，其中左边并联的二个IGBT炸掉并把右边二个IGBT撑坏，熔断器烧掉，二极管没坏，单元板没坏，IGBT型号GD300HFT170C2S（STARPOWER） IGBT。故障电压电流曲线。空转电机时45HZ、50HZ时，母线电压比较高。

1.2 测试分析

1.2.1 功率单元外观洁净，无较大污染。

1.2.2 功率单元各处螺栓紧固，驱动线接触良好。

1.2.3 经初步测量，功率单元板、整流模块、滤波电容、电阻器均正常；熔断器损坏，4支IGBT模块损坏，4支突波电容因IGBT炸裂导致机械损坏。

1.2.4 将损坏器件更换后功率单元调试正常，未发生二次损坏。

1.2.5 损坏器件型号：GD300HFT170C2S（STARPOWER）。

1.3 原因分析

单从损坏功率单元来看，只有4支IGBT损坏，其中左边的2支IGBT模块为电气损坏（连接J1/J2/J3/J4），右边的2支IGBT为机械损坏（连接J9/J10/J11/J12）。损坏的2支IGBT模块在同一个H桥中。IGBT损坏原因可大致分为IGBT部损坏、FWD部损坏和可靠性三个部分。其中，IGBT部损坏又可大致分为超出RBSOA、门极过电压和结温上升过大。在超出RBSOA中，电源电压过大、电机再生运转、过电压保护不工作以及反向浪涌电压过大都可能造成IGBT模块失效。根据现场描述，功率单元在45赫兹将到50赫兹时IGBT损坏，由于调试时设备负载为空载电机，自身惯性较大，降速时会给设备反馈能量，导致设备母线电压升高，超出IGBT模块RBSOA 导致IGBT炸坏。

2 联轴器螺栓断裂原因分析

2.1 风机运行工况与受力分析

投入变频工况运行，风机变频运行中，由于风机转速变化频繁，螺栓附加的剪切应力无形中增加。同时，在实际变频运行过程中，由于电机的轴向窜动量也明显增大，造成联轴器的轴向窜动量也增大，造成螺栓轴向受力增加。

对于单膜片联轴器而言，在运行工程中联轴器受到的扭矩与轴线偏斜引起的弯矩、螺栓与膜片质量不均引起的离心力和膜片轴向位移引起的弹性推力等力的作用。螺栓因扭矩产生剪应力；因弯矩产生拉伸或压缩应力，且应力随着转动循环交变；因离心力产生剪切应力，也随转速变化；弹性推力使螺栓产生拉伸或压缩应力，联轴器旋转时，连杆端部的周期性轴向偏移产生了一种频率等于轴的旋转频率、振幅等于角位移乘以螺栓所处的半径的轴向振动应力。很多实践也表明，膜片联轴器的主要失效方式是螺栓和膜片在交变循环和复合应力作用下的疲劳断裂。同时，螺栓在安装时都必须预先拧紧，因此螺栓也承受静拉伸载荷。除了受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，通常会在工作过程中受到附加的轴向拉伸载荷、横向剪切（交替变化）载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷的作用。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。而通常这种断裂容易在缺口集中部位，如杆与头部的过度处或螺纹根部产生。

2.2 金属检验分析

通过对断裂螺栓的断口进行形貌观察，发现螺栓断裂发生在螺栓光滑部分与

螺纹相结合部位，断面平齐，断裂面边缘未发生明显塑性变形，断口呈现出脆性断裂现象。螺栓为更换不久的新螺栓，外表面无明显氧化层，说明运行温度不高；螺栓表面无明显被冲击痕迹，且测量振动在合理范围内，表明螺栓断裂原因与受到冲击力无关。基于以上分析可初步判断该螺栓可塑性较差及疲劳延迟为螺栓断裂的主要原因。

螺栓外表面虽然无明显氧化皮，也无明显外伤痕迹，表明该螺栓运行温度、振动在正常范围内。但是由于螺栓在长期运行过程中，受到来自扭矩、剪切、拉伸、压缩、振动、弯曲等各种复杂的力的相互作用。在这些交变应力的作用下，加速了螺栓金属组织内部的夹杂物演变为裂纹源，并逐渐扩展，最终导致断裂。

3 防范措施

3.1 在变频调试前对变频器及接线情况进行全面检查，确保无误后方能进行调试工作；

3.2 对变频器带空载电机调试过程中，要适当增加降频时间定值，运行人员进行降频操作时应缓慢，待电流稳定后方能再次减频率，防止降速时因电机反馈能量，导致设备母线电压升高，超出IGBT模块RBSOA 导致IGBT损坏；

3.3 螺栓的断裂不是短时间内发生的，而是逐步积累的疲劳断裂，这就要求在运行中不断摸清联轴器螺栓断裂的周期及对轴振进行定期测试，当振动异常以便在发生断裂之前及时进行预防性处理。

3.4 该风机联轴器原来采用的45号钢螺栓已经不能满足现场使用的要求，需将离心风机的膜片联轴器螺栓更换为高强螺栓或者抗疲劳性能等级较强的螺栓，如40Cr、25Cr2Mol V（调质处理）等；若出现更换螺栓后联轴器本体损坏现象时，需更换系数更高的联轴器，改造设备所用联轴器不但要有高的强度值和硬度值的同时也要求具有良好的塑性和断裂特性。

参考文献

[1] 徐甫荣.高压变频调速技术应用实践[M].中国电力出版社.2007（2）

[2] 电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001

[3] 柬德林.金属力学性能[M].北京：机械工业出版社，1986：63.endprint