某船变频器故障原因分析

陈 明，陈 静，孙 迪，覃登罗

（1. 海装驻广州地区第一军事代表室， 广州 510715；2. 广州海关技术中心，广州 511457；3.中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715）

1 前言

交流电力推进系统是当今船舶电力推进的主流，其形式多种多样。某船采用两套“交-直-交变频器+交流同步电机”型式的交流推进系统，变频器在这种推进系统中起到电力转动力的桥梁作用，是该电力推进系统的关键设备，一旦发生故障将使船舶失去动力。因此，如何排查并解决变频器故障，是保障该型式推进系统正常工作的重要课题。本文阐述某船电力推进系统中的变频器在某次故障中的解决过程。

2 故障现象

某船变频器的主电路采用交-直-交拓扑结构，输入为2组三相690 V 50 Hz交流电，经过不控整流变换为直流电，再经过逆变及输出滤波转化为负载所需的三相交流电。图1所示为其逆变电路，由6组（A1、B1、C1、A2、B2、C2） 12个IGBT组成。

图1 变频器主电路图

该船的电力推进系统在航行试验过程中，在进行双机进三工况转换至双机进一工况试验时：在双机进一工况运行几分钟后，左推进变频器发生异响，逆变柜下部发生声响并从通风口处冒出黑烟，变频器故障停机，主推进系统断路器跳闸；在进行单轴进三航行工况试验时，右推进变频器逆变柜中部先后发生声响，从通风口处冒出黑烟，变频器故障停机，主推进系统断路器跳闸。

故障发生后，联合设备厂家进行了故障确认：

（1）故障前运行参数（表1）

表1 故障前运行参数

（2）故障信息

推进集控台记录了故障停机时先后发生的故障及报警信息：

① 左变频器：推进断路器异常；控制器硬件保护；逆变单元C2故障；主开关故障。

② 右变频器：控制器硬件保护；逆变单元B1、B2、A2故障；控制电源故障和水冷单元故障。

③ 上述左变频器的故障信息表明：左推进断路器电流过大造成过流跳闸保护；而右推进断路器正常分断，无过流现象发生。

（3）故障损坏元件

将变频器拆解，损坏的元件如下：

① 左变频器：C2相IGBT损坏，部分直流支撑电容壳体破损变形，缓冲电容端受损严重，与缓冲电容相连接的直流母排端子烧熔；C相叠层母排损坏；其它相元件无异常，控制硬件及软件状态无异常。

② 右变频器：A2相IGBT驱动接口板掉出；B1、B2相共用逆变母排和A1、A2相共用逆变母排受损；其它相元件无异常，控制硬件及软件状态无异常。

3 故障原因分析

由于两台变频器均发生了IGBT直通故障，因此对IGBT直通故障进行故障树分析，如图2所示。

图2 IGBT直通故障的故障树

根据IGBT器件采购情况合格，故原因1可排除；

根据IGBT驱动器具备互锁功能，设置了桥臂控制死区时间，具备防IGBT上下管直通功能，故原因2可排除；

根据集控室推进屏仪表显示的数据，故障前后电网电压保持在690 V左右，电网谐波也在合理范围之内，故原因3可排除；

根据该系统已在多条船上应用，未出现过IGBT直通故障的问题，使用情况良好，故原因4可排除；

若导电杂质搭接在直流正负端子之间，会形成短路电弧，电弧熄灭瞬间会产生过电压，将并联在正负端子间的IGBT过电压击穿直通，从而导致IGBT故障损坏。

通过以上分析，可将故障原因定位在导电杂质搭接在直流正负端子之间，引起IGBT直通故障。

（1）左变频器原因分析

① 现场拆解发现：C2相缓冲电容的C－E管脚有烧熔现象，但缓冲电容内部的电容及串联的二极管完好，说明故障瞬间短路电流流经缓冲电容的外部管脚，没有流经缓冲电容的内部电容，据此可判断故障瞬间缓冲电容外部管脚之间存在短路现象；C2相逆变组件支撑电容受损变形，表明发生了短时间的大电流放电，短时间内积聚的过高热量导致支撑电容壳体变形；C2相IGBT外壳轻微破损，表明短路能量并未大量释放在IGBT模块内部；

② 从断路器的故障信息可以判断：故障时变压器输入侧发生了过流，引起断路器跳闸；控制器硬件保护，表明内部直流侧有过电压发生；C相逆变单元中叠层母排与C2相IGBT连接的端子处烧蚀严重，表明该处发生了短路，并伴随有大能量的放电；

③ 在设备运行过程中，由于设备内部风路的搅动及船体的晃动，使在故障前瞬间柜内存在的导电杂质搭接在C2相缓冲电容的管脚处，导致缓冲电容管脚短路；短路故障首先发生在IGBT模块外部与叠层母排相邻的部位，短路后引起百毫秒级的较长时间短路放电，在缓冲电容管脚间产生电弧，大电流导致进线断路器主动保护跳闸，进线侧能量输入切断，使流经缓冲电容管脚间的能量迅速减小；当支撑电容放电能量不足以维持电弧时，电灭熄灭，电弧熄灭瞬间，在缓冲电容管脚间产生高电压，将C2相IGBT过电压击穿直通，支撑电容剩余放电能量流经IGBT模块内部，导致C2相IGBT过热爆裂；在推进系统接线后，未按照变频器保护措施执行，且试验前未开展相应的检查以及清洁工作，导电杂质进入变频器内部，导电杂质搭接在直流正负端子间形成短路电弧之后产生过电压，过电压将并联在正负端子间的IGBT击穿，IGBT直通，引发IGBT损坏。

（2）右变频器原因分析

① 现场拆解发现：B1相IGBT受损很严重，表明故障过程中有大电流流经IGBT模块内部，短时间积聚的高能量致使IGBT爆炸损坏；A2相IGBT驱动脱落，受损没有B1相严重，表明故障过程中流经A2相IGBTr能量比B1相IGBT小；B2相IGBT几乎无损伤，但IGBT内部参数异常，表明故障时没有大能量流经B2相的IGBT；

② 从故障信息分析：控制器硬件保护，表明内部直流侧有过电压发生；B1相IGBT内部有严重烧蚀，同时与其相连的直流母排端子被烧熔，表明IGBT烧毁部位处在故障瞬间发生短路，短路电流在很短时间内流过IGBT与母排连接端子处，短时间内积聚很大热量，引发B1相IGBT爆炸；B1相IGBT爆炸引起上方A2相IGBT驱动接口板脱落，从而进一步引发A2相IGBT损坏；由于B2相IGBT与B1相IGBT通过同一个叠层母排与主电路相连，B1相IGBT爆炸引起B2相IGBT损坏；

③ 在电推设备运行运行过程中，设备内部风路及船体摇摆，使得柜内导电杂质搭接在B1相IGBT直流正负端子处造成电路短路，短路瞬间在B1相IGBT直流端子间产生大能量电弧，将导电杂质烧熔，增加了直流端子的电气间隙，电弧熄灭；熄灭瞬间在短路点间产生高电压，将B1相IGBT击穿直通，交流进线侧输入能量和支撑电容储存的能量叠加全部通过IGBT内部释放，导致B1相爆炸损坏，爆炸的冲击波引起正上方A2相IGBT驱动板脱落，使其无法控制A2相IGBT的正常导通和关断，门极处于失控状态，门极产生静电累积到一定程度使得IGBT导通，直流侧的剩余能量会流经A2相IGBT，使其损坏；B1相IGBT直流端产生的弧电压通过叠层母排串扰至B2相IGBT直流端子处，导致B2相IGBT损坏。

4 故障处理措施

在故障原因分析基础上，采取下列对应的纠正措施：

（1）更换损坏的逆变组件；彻底清洁其它组件以及主回路元件，特别是IGBT表面以及相关接线；对所有接插件以及接线端子进行紧固并检查确认；对恢复后的变频器整机进行静态检查、状态检查，并按照静态上电流程进行确认，做好相应记录；

（2）进一步修订完善《综合电力推进系统设备保护施工工艺》，做好电推设备的保护及清洁工作，及时督促并积极配合厂家对电推设备接线、保养、清洁情况进行全面检查，确保试验安全、顺利；

（3）整改完成后，分别开展了单轴、双轴的各类工况试验，试验结果满足试验大纲及试验册要求。

5 结论

排除了变频器故障，恢复了动力，说明本文分析方法和处理过程是正确的。

电气设备的日常保养是保证其正常工作的重要环节，任何疏忽都有可能使设备发生故障，造成严重后果。