變頻器電路板燒毀故障分析及對(duì)策

四川天華股份有限公司 何 剛

隨著能源問題日益突出，節(jié)能理念愈來愈受到重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國各類電動(dòng)機(jī)年耗電量約占全國發(fā)電量的65%，而其中大功率風(fēng)機(jī)、泵類年耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%。由于變頻器優(yōu)異的節(jié)能效果，因而在各行各業(yè)得到普遍應(yīng)用。而變頻器使用方法不當(dāng)或設(shè)置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動(dòng)作及發(fā)生故障，或者無法滿足預(yù)期的運(yùn)行效果。

目前引發(fā)變頻器電路板故障的原因主要有變頻器電路板接觸不良、插線頭和接線端接觸不良、電纜線內(nèi)部容易折斷，這些問題會(huì)導(dǎo)致機(jī)器在運(yùn)行中出現(xiàn)時(shí)通時(shí)不通的現(xiàn)象，若變頻器受到信號(hào)干擾，尤其是特定條件下會(huì)出現(xiàn)諸多明顯故障，如電路板元件參數(shù)發(fā)生變化，達(dá)到該類型元件抗干擾臨界點(diǎn)[1]，當(dāng)外界干擾超過系統(tǒng)抗干擾閾值就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)失調(diào)的問題，進(jìn)而導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)故障；同時(shí)變頻器中所使用的電路板如果存在潮氣、積塵等污染，也會(huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路和電阻效應(yīng)，并在熱脹冷縮中導(dǎo)致阻值出現(xiàn)變化，在通常情況下變頻器的故障是由多個(gè)因素共同作用下導(dǎo)致的，在本文中將理論與實(shí)踐相結(jié)合，分析某風(fēng)機(jī)變頻器電路板燒毀問題[2]。

1 問題現(xiàn)狀及故障原因分析

工作中現(xiàn)場使用的變頻器風(fēng)機(jī)未能正常啟動(dòng)，并在啟動(dòng)期間出現(xiàn)異響，啟動(dòng)瞬間立馬停機(jī)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)變頻器出現(xiàn)故障后立即切斷電源并對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)變頻器內(nèi)部電路板分別出現(xiàn)I/O電路板燒壞和壓敏電阻燒壞現(xiàn)象，現(xiàn)場使用的電流表也被燒毀，控制回路中保險(xiǎn)也被燒斷（圖1）。

圖1 壓敏電阻燒壞

圖2 電路板I/O燒毀圖

1.1 壓敏電阻燒壞分析

壓敏電阻的電阻體材料是半導(dǎo)體，是半導(dǎo)體電阻器的一種，在變頻器電路板中壓敏電阻主要有三個(gè)作用，分別為過電保護(hù)、耐雷擊以及安規(guī)測(cè)試需要。壓敏電阻作為電壓感受器與保險(xiǎn)絲的工作過程相類似，若是超過其自身可承受電壓就會(huì)被擊穿，在電路中壓敏電阻被視為過壓保護(hù)裝置，雖然其可通流容量較大但能量容量偏低，若是沖擊電流最大脈沖寬度小于大中功率半導(dǎo)體系統(tǒng)實(shí)際脈沖電流寬度時(shí)會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)爆炸。

目前壓敏電阻燒壞原因有很多，壓敏電阻因老化問題使其電阻體呈低阻線性顯著變化，漏電流惡性增加，且容易集中流入壓敏電阻薄弱點(diǎn)，使得薄弱位置處的材料融化，從而形成高阻值短路孔，同時(shí)電源會(huì)持續(xù)推動(dòng)較大電流進(jìn)入到短路點(diǎn)所在位置，使其逐漸升溫并造成起火，為了避免該問題通常可通過一個(gè)與壓敏電阻串聯(lián)的熱熔接點(diǎn)，來避免上述現(xiàn)象的發(fā)生；但是串聯(lián)到熱熔接點(diǎn)無法完全解決電阻燒壞問題，當(dāng)強(qiáng)度較大的暫態(tài)過電壓流過電阻時(shí)會(huì)使電阻體穿孔，使其產(chǎn)生更大電流，造成高溫失火，整個(gè)過程發(fā)生時(shí)間極短，電阻體所設(shè)置的熱熔接點(diǎn)無法及時(shí)熔斷保護(hù)電阻[3]。

1.2 I/O電路板燒毀分析

電力設(shè)備直流控制的穩(wěn)定性將會(huì)影響到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，但因直流系統(tǒng)覆蓋面較廣，變頻器風(fēng)機(jī)工作環(huán)境十分惡劣，常見的風(fēng)機(jī)應(yīng)用目的是在無人監(jiān)管下實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)過流、短路故障時(shí)風(fēng)機(jī)會(huì)按照保護(hù)定值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電，同時(shí)風(fēng)機(jī)變頻器電路板燒毀也會(huì)帶來巨額經(jīng)濟(jì)損失，為此需要對(duì)電路板燒毀事故原因進(jìn)行分析，并提出行之有效的解決措施。電機(jī)電流表在啟動(dòng)時(shí)表計(jì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象并將其瞬間燒毀，在控制回路中有220V交流電返回至I/O板將板燒毀，在電流表電源端子與4～20mA模擬量端子間存在電阻阻值僅有65Ω。

經(jīng)分析可能造成I/O模板燒毀的原因主要有三種：線路短路造成毀壞、瞬間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中出現(xiàn)較大的電流使其毀壞，以及電源電壓過高造成毀壞，該現(xiàn)象通常發(fā)生在發(fā)電機(jī)故障中，前兩種因素會(huì)造成用電設(shè)備的損壞，在實(shí)際工作過程中無論上述任何原因造成I/O模塊出現(xiàn)破損和燒毀均須徹底查明原因，找到故障后先將故障進(jìn)行處理，否則會(huì)對(duì)新的模塊造成損壞，并且在更換模塊后需要對(duì)程序進(jìn)行重新設(shè)定。

2 問題處理和對(duì)策

2.1 壓敏電阻過熱保護(hù)技術(shù)

壓敏電阻短路問題是引發(fā)壓敏電阻起火燃燒的最主要原因，壓敏電阻在短路之前會(huì)出現(xiàn)快速升溫現(xiàn)象，其升高的溫度已超過漏電流升溫速度，針對(duì)該問題可使用溫度管理方式用于判斷壓敏電阻性能，其保護(hù)原理在于實(shí)現(xiàn)熱量集中采集，最佳熱保護(hù)方式是盡可能將失效過度發(fā)熱的壓敏電阻及時(shí)從電路中隔離切斷，避免更嚴(yán)重的故障發(fā)生。

熱熔保險(xiǎn)絲技術(shù)。常見的熱熔保險(xiǎn)絲技術(shù)是使用蠟保護(hù)低熔點(diǎn)金屬，采用特殊工藝手段將其安裝于壓敏電阻，當(dāng)壓敏電阻漏電流過大、溫度達(dá)到一定程度后，安裝在壓敏電阻會(huì)出現(xiàn)熱熔點(diǎn)金屬熔斷現(xiàn)象，此刻需要先將壓敏電阻從電路中切除，其目的是防止壓敏電阻二次起火。

低熔點(diǎn)焊錫技術(shù)。使用彈簧拉住低熔點(diǎn)焊錫技術(shù)，該技術(shù)多應(yīng)用于防雷器廠家限壓型SPD中，其主要操作是在壓敏電阻引腳處增加低熔點(diǎn)焊錫接點(diǎn)，然后用一根彈簧將焊接點(diǎn)拉住，當(dāng)壓敏電阻漏電流較大的時(shí)候，焊接點(diǎn)會(huì)因?yàn)闇囟冗^高熔斷焊錫，彈簧因拉力效果使其與焊接點(diǎn)分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓敏電阻電路斷開。

溫度保險(xiǎn)絲技術(shù)。是將壓敏電阻與溫度保險(xiǎn)絲使用串聯(lián)的方式進(jìn)行封裝，通過熱傳導(dǎo)的形式將漏電流壓敏電阻所產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)溫度保險(xiǎn)絲上，當(dāng)其溫度達(dá)到保險(xiǎn)絲原設(shè)定溫度數(shù)值后，高溫會(huì)將保險(xiǎn)絲熔斷，從而實(shí)現(xiàn)壓敏電阻切除效果。

2.2 防止電路板燒毀措施

由于交流電源竄入直流系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)間歇性現(xiàn)象，變頻器判別裝置未能及時(shí)反應(yīng)并采取相應(yīng)動(dòng)作，尤其是當(dāng)竄流現(xiàn)象暫時(shí)消失后又會(huì)增加故障點(diǎn)排查難度，這種隱藏現(xiàn)象在后續(xù)實(shí)際工作運(yùn)行中后果難以預(yù)知，為機(jī)組安全運(yùn)行造成隱患，針對(duì)該現(xiàn)象需要運(yùn)行人員定期排查裝置故障，盡可能在故障排查中做到高效和精準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)直流回路進(jìn)行全面監(jiān)視。

2.2.1 直流系統(tǒng)帶交流處理辦法

對(duì)于此次事故中變頻器風(fēng)機(jī)中電路板燒毀現(xiàn)象，因故障點(diǎn)具有不可預(yù)知性，需要采用大范圍搜索和排查工作，需對(duì)直流回路進(jìn)行衛(wèi)生清掃工作，對(duì)接線與端子排進(jìn)行整理以及臨時(shí)電源清理工作；對(duì)運(yùn)行中變頻器直流回路進(jìn)行對(duì)地絕緣檢查，確保其連接符合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，并在直流系統(tǒng)中增設(shè)交流監(jiān)視報(bào)警回路，確保其具有足夠的靈敏度。

2.2.2 阻止交流進(jìn)入直流電路辦法

交流電串入變頻器直流系統(tǒng)時(shí)，擊穿測(cè)控裝置壓敏電阻，變頻器裝置無故障跳閘，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)造成嚴(yán)重破壞。通常情況下可以采用以下方法阻止交流進(jìn)入直流電路：加強(qiáng)直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工管控，不斷提升變頻器性能；改進(jìn)直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置；嚴(yán)格控制直流系統(tǒng)電纜布置方式，加強(qiáng)變頻器主回路和控制回路的交直流設(shè)計(jì)管控；提高直流系統(tǒng)告警信號(hào)的重要級(jí)別。

2.2.3 變頻器電路板燒毀解決辦法

變頻器因電機(jī)慣性在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)返回電流，變頻器的主輸出電路中未能完全與控制電路相隔離，主變頻器電路板設(shè)計(jì)時(shí)未能充分考慮變頻器使用環(huán)境，針對(duì)該現(xiàn)象當(dāng)電機(jī)停止正常工作會(huì)增強(qiáng)制動(dòng)保護(hù)機(jī)構(gòu)，斷開變頻接觸器；強(qiáng)電干擾會(huì)將變頻器電路板燒毀，這是因?yàn)橹麟娐放c控制電路間距較近，電流在諧波作用下當(dāng)主電路出現(xiàn)瞬時(shí)高電壓，出現(xiàn)過載電流或電壓，將變頻器電路板電路元件燒毀，應(yīng)在設(shè)計(jì)變頻器時(shí)充分考慮主電路對(duì)控制電路干擾，盡可能降低干擾因素，同時(shí)，對(duì)輸入主電路增加保護(hù)措施，避免出現(xiàn)較大電流將直接影響到變頻器正常工作；變頻器會(huì)在惡劣或特殊天氣遭受破壞，其原因與高輸入電壓有關(guān)，為解決該問題需要對(duì)設(shè)備增加防雷裝置，綜上均是參考風(fēng)機(jī)變頻器常見電路板燒毀事故提出變頻器維護(hù)措施。