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，實現對用電設備（電機）進行調速控制的電力設備。

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］。

變頻器可以實現諸多保護功能，如：過流、過壓、過載保護等。基于變頻器的技術成熟，其在船舶動力控制設備上的應用十分廣泛。

某電力推進船舶，由 SINAMICS GM150 變頻器實現主推進電機調速控制。

該變頻器為 24 脈沖2.2 kV 矢量控制，交 - 直 - 交中壓變頻器，主回路為中性點鉗位（Neutral Point Clamp，NPC）三電平結構，其關鍵元器件為絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）， 該 變頻器結構緊湊、諧波含量低、輸出電壓更高，非常適合船舶電力推進系統(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三相變壓器的兩個二次繞組通過改變聯(lián)接組號產生相位差，分別經過兩個三相橋式整流電路串聯(lián)輸出一個周期內具有12 脈波的脈動直流電。

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 脈沖整流模塊來進行介紹。

SINAMICS GM150變頻器各模塊組成見圖 1。

圖 1 SINAMICS GM150 變頻器拓撲結構

圖 3 故障時直流母線電壓與時間曲線 

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，然后結合變頻器故障現象進行故障分析和排查，才能準確地判斷故障原因。

1、故障分析

變頻器的故障分析方法一般遵循時間和空間分析原則［2］。

（1） 時間分析原則

時間分析原則是從故障的發(fā)生時間上分析。

1）突發(fā)性的故障。

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

2）間歇性故障。

造成這樣的原因可能是電路當中某個模塊或者元器件的連接出現松動，使得系統(tǒng)運行中的某些功能表現出不穩(wěn)定的現象。

3）老化性故障。

電路中的一些模塊和元器件達到使用壽命極限，就會導致這種類型的故障。

老化性故障一般出現在設備運行維護周期的后期階段。

一般為了不影響變頻器的使用功能，避免因設備老化產生突發(fā)故障，生產廠商都會針對特定設備規(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）內部故障

指的是變頻器設備本身存在故障，內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。內部接線故障指的是，在變頻器的使用過程中其內部接線在長時間的使用后會出現斷線、插頭損壞等問題從而影響變頻器的正常運行。

控制系統(tǒng)故障主要是主電路提供控制信號回路、驅動電路故障、反饋與檢測電路故障，表現為頻率失控、誤報警、變頻器參數顯示混亂等。

2）負載故障

指的是變頻器所驅動的電機故障，如：電機缺相、過載、過流等。

主要表現為電機運行速度或噪聲異常，電機過熱或運行速度失去控制等。

過載可能由加速時間過短、制動量過大或是電網電壓過低等導致；

過流可能由電機負載突變引起較大的沖擊、電機絕緣不良等導致。

3）電源故障

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

此類故障發(fā)生時，船舶電網一般會先發(fā)出故障報警。

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

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

2、故障排查

因為變頻器故障內部關聯(lián)性交錯復雜，故障可能性范圍廣，必須對變頻器各模塊系統(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控制系統(tǒng)沒有發(fā)出任何報警，充電電路功能和系統(tǒng)放電功能均可以實現，由此可以判斷控制系統(tǒng)和濾波模塊（包含預充電電路和平衡電阻電路）均功能正常。

對電源輸入模塊、整流模塊、逆變模塊和負載進行隔離并分別進行測量。

1）電源輸入模塊。

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

測量故障側變壓器的原邊、副邊相別電阻，見表 1；

繞組相間對地絕緣數值見表 2，經分析均未發(fā)現異常，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 RC 吸收電路中的一個緩沖電阻炸裂。

測量故障側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)現其中一組模塊參數異常，見表 3。

測量發(fā)現一組整流橋中的三只整流二極管擊穿導通，分析其電阻與電容組成阻容吸收回路保護整流橋，此處出現問題，推斷整流橋遇到比較大的尖峰沖擊，緩沖電阻 R1 未能夠起到保護作用或者已經超出電阻的保護范圍，致使整流二極管 VD1、VD2和 VD3 擊穿。

在監(jiān)控的曲線中發(fā)現：

第一次跳機時直流母線電壓降低曲線是線性的，很短時間內直流母線電壓全部被放完；

第二次跳機時，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的時候，整流模塊就已經出現問題。

3）逆變模塊。

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

經測量三條電平母線間絕緣及對地絕緣無窮大，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）負載。

故障發(fā)生時變頻器雖處于上電狀態(tài)，但并沒有帶負載運行，故障關聯(lián)性極小。

經測量分析推進電機繞組電阻和對地絕緣均正常，可以排除負載故障。

推進電機各相電阻測量數據見表 4；

繞組相間對地絕緣測量數據見表 5。

結合故障分析與排查，判斷該次故障性質為第一次船舶電網失電，由于船舶電網電壓波動，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 吸收電路保護作用失效，整流橋中二極管被擊穿，導致直流匯流排過流的變頻器突發(fā)性內部故障。

四、故障解決

首先，根據故障描述的內容，通過閱讀變頻器電路圖來分析電路工作原理，結合時間和空間分析方法，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部故障，且內部故障在直流環(huán)節(jié)。

然后，對可能的故障范圍內各種原因所涉及模塊的部分，對變頻器分部分進行隔離，結合故障排查過程中對各模塊測量的參數分析，最終確定故障點。

根據各功能模塊測量的數據以及經上述分析，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，對損壞的整流模塊（包含整流橋和緩沖電路）進行更換。

確定所有可能故障原因都排除的情況下，進行通電試驗，在進行這一步檢查時，一般要求變頻器工作的所有外部條件都具備，并且不會引起故障的進一步擴大，在檢修設備工作正常的情況下，就可以進入系統(tǒng)測試［3］。

更換故障元件和模塊后，對變頻器進行使用前檢查和系統(tǒng)測試。

經系統(tǒng)測試，變頻器起停程序均正常，直流模塊電壓波形正常。在泊位進行低速測試運行，并確認變頻器功能一切正常，隨后船舶離港。

文章來源于網絡 原作者為“趙春林”  此處僅做分享學習用 如有侵權請聯(lián)系刪除

相關鏈接：西門子MM440-11KW變頻器炸模塊故障修復及IGBT脫板報警屏蔽實例