淺析某船中頻靜止電源故障與解決方案

楊書林 胡宇桐 馬奔

摘? ? 要：中頻靜止電源裝置作為動力系統(tǒng)及通訊導(dǎo)航等系統(tǒng)供電的電源，肩負(fù)著海上安全航行的重要任務(wù)。中頻電源的發(fā)展，經(jīng)歷了從早期簡易的中頻發(fā)電機(jī)組到后來的可控硅式變頻電源的過程，成為目前新一代變頻電源裝置，廣泛應(yīng)用于航空及軍用電子電氣設(shè)備。隨著中頻電源設(shè)備的不斷升級換代，對中頻電源設(shè)備的安裝及調(diào)試要求也越來越高，由此引發(fā)的故障現(xiàn)象也日益頻繁。本文著重對中頻靜止電源裝置的典型故障進(jìn)行分析并給出解決方案，為后續(xù)解決相關(guān)設(shè)備故障問題提供參考。

關(guān)鍵詞：中頻靜止電源；IGBT；驅(qū)動板；變壓器

中圖分類號：U665.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Analysis of MF Static Power Supply Fault and Solution

YANG Shulin， HU Yutong， MA Ben

（ Hudong Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.， Ltd.， Shanghai 200129 ）

Abstract： As the power supply of power system， medium frequency static power supply device shoulders the important task of safe navigation at sea. The development of medium frequency power supply has experienced a process from the early simple medium frequency generator set to the later silicon-controlled type frequency conversion power supply. Now， through the efforts of researchers， it has become a new generation of variable frequency power supply device， which has been widely used in aviation and military electronic and electrical equipment. However， with the continuous upgrading of medium frequency power supply equipment， the installation and debugging requirements of medium frequency power supply equipment are becoming higher and higher， and the resulting fault phenomenon is also frequent. This paper focuses on the analysis of the typical faults of medium frequency static power supply devices，? proposes solutions， and provides some reference for the subsequent solution of related equipment fault problems.

Key words： Medium Frequency Static Power Supply; IGBT; Drive Board; Transformer

1? ? ?前言

本文闡述的中頻電源是一種靜止變頻裝置，作用是將三相工頻電源變換成單相電源，其特點是對各種負(fù)載適應(yīng)力強(qiáng)、適用范圍廣。其工作原理是采用三相橋式全控整流電路，將交流電整流為直流電，經(jīng)電抗器平波后成為直流電源，再經(jīng)單相逆變橋把直流電流逆變成一定頻率的單相中頻電流。

2? ? ? 某船故障情況

（1）某船中頻靜止電源正常啟動且空載運行正常，在運行3分鐘后，發(fā)現(xiàn)該中頻靜止電源上級380 V斷路器跳閘，然后將二次電源斷路器、面板分閘旋鈕分閘后，重新合上上級380 V斷路器，再合閘二次電源斷路器，設(shè)備出現(xiàn)以下兩個故障：高頻整流硬件一級過流；C相報IGBT故障。

通過檢查，發(fā)現(xiàn)C相12號IGBT驅(qū)動板電源線及光纖未連接，查看發(fā)現(xiàn)C相12號IGBT已燒壞，且對應(yīng)復(fù)合母排也有燒黑。

（2）準(zhǔn)備負(fù)載測試時，8#中頻電源上電后出現(xiàn)C相IGBT故障，表現(xiàn)為驅(qū)動板返回光纖不發(fā)光。

（3）啟機(jī)空載運行，確認(rèn)輸出空載正常，面板溫度顯示溫度正常；8點30分帶載（逐級加載至60 kVA，功率因數(shù)0.8工況），加載途中無異常；運行60 kVA、功率因數(shù)0.8工況將近20 min，聞到有類似油漆氣味，一縷白煙從柜子排風(fēng)口飄出，此時面板無任何報警，查看溫度顯示界面， A相和B相變壓器溫度50 ℃、C相變壓器70 ℃、散熱器50 ℃、柜內(nèi)空氣溫度將近40 ℃；停機(jī)斷電打開柜門查看，發(fā)現(xiàn)C相變壓器冒煙，用手觸摸連接變壓器的軟銅排和變壓器對比，變壓器左側(cè)燙手。

3? ? 故障原因分析

3.1? ?IGBT故障原因分析

針對上述情況，本次故障可確認(rèn)為IGBT損壞引起的故障。根據(jù)控制器的工作原理，造成IGBT損壞的原因可歸結(jié)為：短路損壞；驅(qū)動回路故障導(dǎo)致上下管直通，IGBT損壞；過熱損壞；IGBT個體失效。

（1）短路損壞

結(jié)合此前上級380 V斷路器跳閘現(xiàn)象，用500 V兆歐表測輸入、輸出電纜絕緣，輸入對地絕緣100 MΩ左右，輸出對地絕緣9.8 MΩ左右，未發(fā)現(xiàn)異常。

還有一種可能是柜體未清理干凈，內(nèi)部存在導(dǎo)電雜質(zhì)，在風(fēng)機(jī)的吹動下導(dǎo)致直流正負(fù)極之間短路。由于經(jīng)常性地對柜體進(jìn)行衛(wèi)生清理，且在問題發(fā)生后對柜體內(nèi)部進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)有任何雜質(zhì)，故此種原因可以排除。

（2）驅(qū)動回路導(dǎo)致IGBT損壞

驅(qū)動回路導(dǎo)致IGBT損壞，主要有以下幾種情況：

① 驅(qū)動回路存在隱患，硬件保護(hù)在運行過程中的某種工況下會產(chǎn)生誤保護(hù)，使IGBT驅(qū)動脈沖丟失和形成窄脈沖，導(dǎo)致IGBT損壞燒毀。該驅(qū)動板是比較成熟的產(chǎn)品，經(jīng)過我們對產(chǎn)品的長期驗證，該種原因基本可以排除；

② 驅(qū)動電源線松動，導(dǎo)致驅(qū)動電阻增大，開通電壓15V偏低，可能會導(dǎo)致IGBT無法完全導(dǎo)通，增加IGBT功率損耗，導(dǎo)致IGBT損壞。之前，在測絕緣過程中，發(fā)現(xiàn)C相12號IGBT驅(qū)動板電源線及光纖未連接，因此IGBT驅(qū)動板電源線存在松動可能性。但理論上該驅(qū)動板電源端子帶鎖扣裝置，不存在松動可能，因此該項原因也基本可以排除。

（3）過熱損壞

當(dāng)運行中的IGBT模塊結(jié)溫超過了晶片的最大溫度承受上限，會造成模塊因為過熱而損壞。當(dāng)前船舶普遍使用的最高結(jié)溫為150 ℃的IGBT 器件，因此在 IGBT 模塊應(yīng)用中其結(jié)溫應(yīng)限制在150 ℃以下。由于發(fā)生故障時為空載工況，過熱損壞基本可以排除。

（4）IGBT個體失效

IGBT作為半導(dǎo)體器件，本身在靜電、濕熱環(huán)境等影響下存在失效可能，從而引起IGBT損毀。

根據(jù)上述排查結(jié)果，上述（1）（2）（3）原因不會導(dǎo)致此次故障產(chǎn)生。同時，本次故障型號IGBT共計在中頻靜止電源中使用450個，均嚴(yán)格通過了廠內(nèi)功率單元測試、出廠試驗、系泊試驗等，使用性能已趨于穩(wěn)定，故本次中頻電源故障確定為（4）IGBT個體失效。

3.2? ?驅(qū)動板故障原因分析

2SP0320V2A0-12是由CONCEPT開發(fā)的即插即用驅(qū)動器，其內(nèi)部由高度集成的SCALE-2芯片構(gòu)成。

造成驅(qū)動板故障的原因，主要有以下幾種情況：

驅(qū)動板供電電壓低；

驅(qū)動板供電電壓高；

光耦失效；

靜電放電損壞；

Vce檢測電路故障。

（1）驅(qū)動板供電電壓低

當(dāng)驅(qū)動板的供電電壓降低時，給IGBT供給的驅(qū)動電壓VGE也會隨之一起降低。通常，IGBT柵極驅(qū)動電壓 VGE必須達(dá)到至少15 V才能使IGBT進(jìn)入深度飽和狀態(tài)：如果VGE低于13 V，IGBT則會進(jìn)入淺飽和狀態(tài)；在大電流狀態(tài)下，CE之間過高的導(dǎo)通壓降會快速提升IGBT芯片溫度；當(dāng)柵極電壓低于10 V，IGBT將工作于線性區(qū)域從而導(dǎo)致芯片過熱，嚴(yán)重時會導(dǎo)致芯片燒毀。

驅(qū)動板供電如處于長期欠壓的情況，導(dǎo)致驅(qū)動板電源芯片輸出電流增大，長期過負(fù)荷損壞電源芯片，最終驅(qū)動板故障反饋光纖頭報故障。

（2）驅(qū)動板供電電壓高

當(dāng)驅(qū)動板供電的+15 V電源過高時，導(dǎo)致原邊推挽的MOSFET芯片失效，進(jìn)而引起原邊LDI芯片失效，導(dǎo)致驅(qū)動板副邊電源欠壓，驅(qū)動板出現(xiàn)故障，故障反饋光纖頭熄滅。

驅(qū)動板2SP0320V2A0-12的供電電壓最高不能超過16 V，且VDC和VCC需要并聯(lián)在一起。

如驅(qū)動板供電的+15 V電源有過壓現(xiàn)象，導(dǎo)致原邊推挽的MOSFET芯片失效，進(jìn)而引起原邊LDI芯片失效，導(dǎo)致驅(qū)動板副邊電源欠壓，驅(qū)動板出現(xiàn)故障，故障反饋光纖頭熄滅。

（3）光耦失效

在驅(qū)動板中光纖耦合器對光電隔離信號起傳遞作用。當(dāng)光耦出現(xiàn)故障時，驅(qū)動板無法傳遞驅(qū)動信號，也無法反饋自身狀態(tài)信號，最終驅(qū)動板故障反饋光纖頭報故障。

（4）靜電放電損壞

元件受到靜電的放電破壞，會導(dǎo)致元件受損無法工作甚至于完全損壞。靜電放電電場或電流產(chǎn)生的熱量，會超出元件的溫度承受范圍，使元件受到內(nèi)在損傷，最終驅(qū)動板故障反饋光纖頭報故障。

（5） Vce檢測電路故障

2SP0320V2A0-12中配置的基本Vce檢測電路，IGBT集電極-發(fā)射極電壓通過電阻網(wǎng)絡(luò)測得。在導(dǎo)通狀態(tài)下經(jīng)過響應(yīng)時間后再檢測Vce，以判斷短路狀況。如果此電壓高于預(yù)設(shè)的閾值Vth（9 V），驅(qū)動器將判斷為IGBT短路，并立即將故障信號發(fā)送到相應(yīng)的光纖狀態(tài)反饋端，在經(jīng)過附加延遲時間后，關(guān)斷相應(yīng)的IGBT。

在之前排查C相變壓器故障時，發(fā)現(xiàn)C相集電極電壓波形存在異常，出現(xiàn)一個讓驅(qū)動板誤以為IGBT導(dǎo)通的電壓波形，IGBT導(dǎo)通特性如圖1所示。該電壓由于高于驅(qū)動板預(yù)設(shè)的閾值Vth（9 V），可能會引起驅(qū)動板報Vce檢測故障。同時，由于該電壓將近200 V，可能損壞驅(qū)動板IGD芯片，最終驅(qū)動板故障反饋光纖頭報故障。

對驅(qū)動板進(jìn)行了如下檢測：

外觀檢查：外觀正常，無明顯損壞痕跡；

電性能測試：通控制電；電源芯片正常；光耦正常；MOSFET芯片供電正常；原邊LDI芯片電源正常；IGD芯片輸出低電平，呈現(xiàn)故障狀態(tài)，且無法自動復(fù)位，因此可以判定IGD芯片出現(xiàn)故障。

3.3? ?變壓器故障原因分析

將8#中頻故障變壓器移出柜體，發(fā)現(xiàn)C相變壓器右側(cè)原邊繞組絕緣紙呈燒熔跡象，包括最外層絕緣紙及層間的絕緣紙。

用萬用表電阻檔測量燒毀變壓器原邊繞組的電阻，兩繞組的直流電阻均為0.1 Ω左右，表明燒毀相繞組并未熔斷；使用數(shù)字電橋，再次測量損壞變壓器的電感，與正常變壓器對比（見表1），損壞變壓器的電感值已出現(xiàn)明顯的下降，表明初級繞組存在層間接觸現(xiàn)象，導(dǎo)致電感量減小；用絕緣表測量燒毀繞組對鐵芯絕緣電阻，阻值為10 MΩ以上，表明該燒毀相繞組對鐵芯的整體絕緣良好，但層間絕緣已經(jīng)被破壞。

經(jīng)分析，造成變壓器燒毀的原因主要有以下幾種情況：

受環(huán)境影響（如潮濕、污物等因素），造成繞組絕緣降低；

金屬異物掉落搭接到導(dǎo)電部位，引起對地放電打火；

變壓器散熱條件差，熱量積聚超過層間絕緣承受極限引起絕緣失效；

環(huán)境存在熱源，對臨近變壓器產(chǎn)生輻射效應(yīng)，導(dǎo)致變壓器絕緣紙燒熔變形；

變壓器兩初級繞組電流不均衡，電流大的發(fā)熱嚴(yán)重，造成絕緣紙燒熔。

針對上述可能產(chǎn)生故障的原因，進(jìn)行如下排查：

（1）檢查中頻柜體各相功率單元至變壓器線路的絕緣情況，該線路電纜絕緣狀況良好；

（2）檢查中頻柜體變壓器副邊繞組連接的電纜至后級濾波器的電纜絕緣情況，該線路電纜絕緣狀況良好；

（3）檢查受損變壓器附件的散熱風(fēng)機(jī)，通控制電后其正常運行，表明變壓器損壞時通風(fēng)條件良好；

（4）變壓器燒熔繞組靠近后門板，后門板上無任何電子元件，不存在熱輻射效應(yīng)導(dǎo)致變壓器絕緣紙燒熔；

（5）測量各相變壓器初級兩繞組間電流均衡度，如表2所示。

表2? 變壓器初級繞組電流

由檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，C相變壓器兩初級繞組電流相差較大，且C相變壓器燒熔的線包也就是電流較大的一相，C相初級繞組額定電流為68 A，111 A的線包電流已達(dá)額定的1.6倍，運行時間過長可能導(dǎo)致元件過熱損壞，因此可以判定是由于變壓器繞組間電流不均衡導(dǎo)致的變壓器繞組燒熔。

檢測C相兩H橋的輸出電壓，發(fā)現(xiàn)C相第2組H橋左橋臂下管對負(fù)母線輸出波形存在異常，負(fù)電平不穩(wěn)定；檢查線路光纖，發(fā)現(xiàn)光纖頭松動，光纖端子已經(jīng)卡在驅(qū)動板光纖端口內(nèi)。至此可以推斷，由于光纖與驅(qū)動板的接觸不良，導(dǎo)致繞組開關(guān)不正常，進(jìn)而引起兩H橋輸出電壓不一致，電壓大的輸出電流大，電壓小的輸出電流小，造成電流不均衡。因此，本次故障定位為光纖接頭斷裂導(dǎo)致。

經(jīng)上述分析可知，IGBT因個體失效產(chǎn)生炸裂現(xiàn)象導(dǎo)致光纖存在斷裂的質(zhì)量隱患，引起主回路波形異常，從而導(dǎo)致驅(qū)動板及變壓器故障。

4? ? 故障復(fù)現(xiàn)及解決措施

在更換損壞變壓器后，再次上電進(jìn)行空載試驗，C相變壓器3-4繞組的溫度短時間內(nèi)升至70 ℃，而相鄰1～2繞組的溫度在30 ℃左右，表明只要光纖的接觸不良狀態(tài)存在，就會產(chǎn)生電流不均衡現(xiàn)象，造成繞組發(fā)熱不均，若繼續(xù)進(jìn)行下去，C相新?lián)Q上去的變壓器也必然產(chǎn)生繞組燒熔的現(xiàn)象，客觀上說故障的趨勢已經(jīng)復(fù)現(xiàn)。

根據(jù)以上分析，對發(fā)生故障的中頻靜止電源采取以下整改措施：

（1）更換損壞的IGBT、驅(qū)動板、光纖線及變壓器；

（2）更換后，按照流程進(jìn)行外觀檢查、螺栓擰緊力矩檢驗、校線、絕緣電阻檢測、靜態(tài)測試等工作；測試合格后，重新上控制電，設(shè)備正常，未出現(xiàn)報警現(xiàn)象，同時放電正常、空載啟動正常，輸出電壓115 V，三相相位差在120°，裝置功能正常；中頻電源帶載啟動，C相兩初級繞組電流相當(dāng)，分別為41 A、38 A，偏差不大，且兩初級繞組線包溫度相當(dāng)未出現(xiàn)大的偏差。

5? ? 小結(jié)

中頻靜止電源裝置是整個船舶系統(tǒng)供電中非常重要的部分，隨著中頻電源設(shè)備的不斷升級換代，對中頻電源設(shè)備的安裝及調(diào)試要求也越來越高，由此引發(fā)的故障現(xiàn)象也日益頻繁。本文通過對中頻靜止電源裝置的典型故障進(jìn)行分析并給出解決方案，希望能為后續(xù)解決相關(guān)設(shè)備故障問題提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉春喜.大容量400 Hz中頻逆變器拓?fù)浼皵?shù)字技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

作者簡介：楊書林（1988-），男，工程師。主要從事船舶質(zhì)量檢驗工作。

胡宇桐（1994-），男，助理工程師。主要從事船舶質(zhì)量檢驗工作。

收稿日期：2023-01-17