岸桥安川VS656DC5变流单元典型故障诊断及电路优化

2020-12-01黄纬广州南沙联合集装箱码头有限公司

珠江水运 2020年21期

◎ 黄纬广州南沙联合集装箱码头有限公司

1.引言

岸桥即岸边集装箱起重机，作为集装箱码头岸边装卸的主力装备，承担着转运输送的重要任务。其主要工况是通过轨行小车搭载自动吊具将集装箱进行水平垂直运输，从而进行集装箱卸船装船作业。岸桥的变流单元位于电气房内，是岸桥内部电力分配输送的重要一环。其主要功能是将上机的交流电通过整流模块转化为直流电送入后续的变频单元中。变流单元单个造价高，结构复杂，故障频率高，在岸桥日常维修保养中占很大比例。本文主要以VS656DC5型号的安川变流单元为例。

2.变流单元结构机理

VS656DC5变流单元在岸桥上主要有两个作用。第一个作用是前文提到的将输入端约440v的交流电转化为约660v的直流电，进入后继的变频系统。第二个作用是吸收岸桥作业过程中产生的反馈电能。VS656DC5变流单元内部主要由3个功率单元并联连接，每一个的额定功率为200kw，输出额定电流为1200A。内部结构见图1。

图1 变流单元内部结构图

在VS656DC5变流单元的进线端还设置有熔断器和电抗器。这两个元器件的作用主要是减少冲击电压对变流器的伤害，使输入电压更加稳定。变流单元自身具有较强的自我保护功能。当输入电流电压，频率功率或者温度出现异常时，变流器会立即停止工作。VS656DC5变流单元主要元件有阻容元件，IGBT元件，大容量电容和保险丝。其中起到整流作用的元件主要是IGBT元件。电流通过变流单元中的IGBT元件的C极，即集电极进入元件，后通过发射极E极输出。

3.变流单元常见故障情况

半导体开关器件的短路和开路占到变流系统的故障原因的38%。其中通过电路设计来进行系统保护和应急断电，可以使大部分短路故障发生得到及时检测和处理。而对于开路故障所导致的信号波动，却往往会引发二次故障。开路故障又可分为单管故障和双管及多管故障等，后两类发生概率较小。在实际故障统计中，短路故障占到80%以上。

变流系统的报警机制如下：如果机器检测到的是过热，风扇故障，保险熔断故障等非模块故障，故障代码会在上电时立即给出，且无法启动。如果模块内部发生故障，则分为两种情况：当变频器正在启动中时，系统会报出GF接地故障代码；当变频器启动完毕已在运行时，系统会报出OC过流故障代码。所以有可能检测回路输出的是同一个故障信号，但是因为输出的时间不同而造成最终显示的故障代码不同。因此故障代码不一定一对一的指向某个故障，我们在排查时可以将故障代码作为一个重要参考，而以拆解检测结果作为最终判断的依据。

图2 变流单元内部拆解图

4.变流单元典型故障诊断：IGBT损毁

4.1 故障现象

VS656DC5变流单元报OC过电流故障，值班人员在进行紧急抢修时首先尝试了按下复位键进行复位。复位无效后又尝试断电重启。重启后故障依旧存在。由于作业需要，值班人员换上备用变流器，将故障变流器拆下。

4.2 处理流程

步骤一：将故障变流单元断电后，使用万用表对三组功率单元的三相电阻分别进行测量。测量结果发现其中一组功率单元的三相电阻存在异常，有一相明显小于另外两项。这说明此功率单元内部元器件已经损坏。因此检修人员将精力放在了故障的这组故障单元的排查检测上。

步骤二：拆开这组功率单元的外侧保险丝和阻容元件进行测量，均未发生异常。由此排除了外围元件的故障，将焦点放于IGBT元件上。拆解图示见图2。

步骤三：拆除IGBT元件。观察元件表面，发现有一个的接线口呈发黑状，怀疑已烧坏，对其进行检测。测量时将万用表电阻档拨至R＊10kΩ，用黑表笔接IGBT的集电极C，红表笔接发射极E，这个时候万用表显示电阻为无穷大，IGBT元件未导通。后用手指同时触及集电极C和栅极G，电表依旧显示电阻为无穷大，IGBT未导通。正常情况下当手指同时触及集电极C和栅极G时，IGBT导通，电阻应趋向于0。因此判断IGBT元件损坏。考虑到同一回路的IGBT元件的使用频率和寿命相似，因此更换了成对的IGBT元件。

步骤四：安装回机上进行三相电阻测量正常。最后将变流单元送电，试机正常，故障排除。

5.变流单元的IGBT电路优化

事后检修人员对近期同类故障进行了合并统计并分析，对故障原因做出了合理推测。在笔者所处的码头内，岸桥根据起升机构的数量不同分为单起升机构岸桥和双起升机构岸桥。根据统计，双起升机构岸桥的变流单元故障频率比单起升机构岸桥高30%左右。对参数进行进一步统计后发现在变流单元的进线端，单起升岸桥的各工况下电压分别为：控制断时440v，控制合后500v，起升动作时520v，而双起升岸桥的进线端电压较单起升岸桥平均高20v左右。这一差异使变频系统内部半导体元件在截止工况时承受更多反向电压的冲击，特别是核心部件IGBT元件。

所以为了减少变流单元故障率，延长内部核心半导体元件使用寿命，后续将会在进线端增加更多的阻容元件。阻容元件一般由电阻和电容串联组成，并联在IGBT元件两端形成保护电路。在IGBT元件两端的电流发生瞬间变化时，IGBT元件自身会产生自感电动势。而阻容元件会对这一自感电动势进行钳位，其多余的能量会以热能的形式消耗掉，通过能量的转换以减少过大的电压电流对核心元件的冲击。同时，技术人员将会优化维修流程，减少抢修时间，保证作业不受较大影响。