西門子6SE7041逆變器F26故障分析

丁宏杰 曹光輝

（南通港口集團(tuán)有限公司 江海港務(wù)分公司，江蘇 南通 226000）

南通港口集團(tuán)有限公司江海港務(wù)分公司的兩臺(tái)2 100t／h抓斗卸船機(jī)是由上海振華港機(jī)設(shè)計(jì)安裝的。主起升機(jī)構(gòu)包括兩套機(jī)械裝置（支持和開(kāi)閉），每套裝置有兩個(gè)西門子690V 380KW交流變頻電機(jī)。驅(qū)動(dòng)裝置由兩套西門子AFE可回饋驅(qū)動(dòng)裝置組成。每套裝置由一個(gè)整流單元、兩個(gè)逆變器組成。一套驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)一套起升裝置（支持或開(kāi)閉）。整流和逆變都是6脈沖4象限的數(shù)字式驅(qū)動(dòng)裝置。PLC為西門子的S7-400系列，利用PROFIBUS總線連接支持和開(kāi)閉斗驅(qū)動(dòng)裝置。

每套裝置的兩個(gè)逆變器均為西門子6SE7041系列的1000KW裝機(jī)裝柜型雙閉環(huán)矢量控制逆變器。其中IGBT型號(hào)為：eupec_FZ1000R16KF4。驅(qū)動(dòng)方式為主/從跟隨控制，支持1和開(kāi)閉 1裝置為主 （MASTER），支持 2和開(kāi)閉 2裝置為從（SLAVE）。同時(shí)，在做起升運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩套驅(qū)動(dòng)裝置之間也是主/從跟隨控制，以支持驅(qū)動(dòng)裝置為主，開(kāi)閉以驅(qū)動(dòng)裝置為從，接收支持驅(qū)動(dòng)裝置的給定命令。

1 故障分析

司機(jī)室控制合能正常合上，小車可以動(dòng)作，但司機(jī)操作下降時(shí)，4臺(tái)支持開(kāi)閉逆變器同時(shí)報(bào)故障，其中3臺(tái)報(bào)F12故障，一臺(tái)報(bào)F26故障，下降無(wú)動(dòng)作。

考慮到其中3臺(tái)報(bào)F12故障，只有支持2逆變器報(bào)F26故障，因此重點(diǎn)放在報(bào)F26故障的逆變器上（懷疑其他三臺(tái)是由于這臺(tái)影響而報(bào)的假故障）。

查手冊(cè)得知：

F12：在異步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁期間，電流未升至空載工作設(shè)定的勵(lì)磁電流的12.5%。

F26：在L2相存在UCE關(guān)機(jī)或UCE下部開(kāi)關(guān) （增強(qiáng)書本型），檢查：在L2相有無(wú)短路或接地故障、CU板是否正確插入、SAFE STOP開(kāi)關(guān)（X9/5-6）是否打開(kāi)。

2 故障檢查

根據(jù)F26故障提示，做如下檢查：

2.1 排除電路外圍的故障，用萬(wàn)用表檢查去電機(jī)的線路有無(wú)短路或接地的現(xiàn)象（初步），電機(jī)相間直流電阻是否均衡，檢查結(jié)果完好。注意，如果用兆歐表測(cè)量電機(jī)對(duì)地絕緣，應(yīng)將電機(jī)線解開(kāi)，以防對(duì)IGBT及相關(guān)器件造成損壞。

2.2 檢查去觸發(fā)板的光纖是否接觸可靠，觸發(fā)板的檢測(cè)光纖是否有光（根據(jù)提示，檢查第二相，對(duì)應(yīng)的觸發(fā)板是第二塊，光纖編號(hào)為21、22、23，其中插在黑色光偶上的光纖應(yīng)該有光），觸發(fā)板初步判斷正常。檢查觸發(fā)板的原因主要是考慮到可能由于觸發(fā)原因引起主回路中誤觸發(fā)而讓逆變器檢測(cè)回路誤認(rèn)為有接地或短路。

2.3 檢查主回路的檢測(cè)回路，檢測(cè)回路主要是由交流側(cè)的電流互感器加一塊量化板組成，量化板在主板的下方，量化板上有塊ABO板形狀類似電腦的內(nèi)存，主要元器件是電阻。檢查辦法是將量化板拆下和其他逆變器對(duì)調(diào)。檢查結(jié)果正常。

2.4 檢查IGBT，考慮到IGBT短路也會(huì)引起這個(gè)故障。初步檢查，司機(jī)室控制合上后，用萬(wàn)用表的交流700V以上量程檢查，測(cè)量逆變器交流側(cè)對(duì)地電壓，正常為幾十伏，檢查結(jié)果交流對(duì)地電壓達(dá)到240伏左右，改用直流700伏以上量程測(cè)量，逆變器交流側(cè)直流電壓為470伏左右，正常為幾十伏。故初步判斷有IGBT有擊穿（短路）的情況。逆變器斷電（控制斷、該臺(tái)逆變器的控制電源開(kāi)關(guān)斷），改用萬(wàn)用表的二極管檔測(cè)量，一根表棒接在一根直流母排上，一根接在逆變器的交流側(cè)（如果電機(jī)線已經(jīng)解開(kāi)，則三項(xiàng)依次量過(guò)去），正常情況是0.3V左右，兩根表棒對(duì)調(diào)，正常情況是0.23V左右。換一根直流母排，做同樣的檢查。如果有IGBT擊穿，萬(wàn)用表會(huì)有蜂鳴聲，或顯示接近于零點(diǎn)零幾伏。

3 故障排除

根據(jù)檢查結(jié)果，可以判定有IGBT損壞，結(jié)合故障是F26，說(shuō)明是L2相中有IGBT損壞（如果報(bào)F25，對(duì)應(yīng)于L1相；F27，對(duì)應(yīng)于L3相）。更換IGBT需要將逆變器的主電路部分全部拆除，先拆最外面的電容組 （L1相對(duì)應(yīng)于最上面的一組電容，L2相對(duì)應(yīng)于中間的組），將固定的螺絲拆下，拔出插在電容組上的接線，將電容組整體拆除。接下來(lái)拆除SMU、SML板，拆時(shí)應(yīng)注意安裝方式，這兩塊板極為相似，但耐壓不同不能搞混，在接下來(lái)拆一塊背板（較容易，就幾個(gè)固定螺絲，背板主要是和直流母排和交流側(cè)相連的銅排），拆完后就看到觸發(fā)板和IGBT了，先拆出觸發(fā)板上的光纖和電源接線，注意光纖和電源接線的順序，不能搞混，然后拆觸發(fā)板和IGBT相連的固定螺絲。拆完后開(kāi)始判斷是哪個(gè)IGBT損壞。紅表棒于IGBT上的E端，黑表棒接在C端，用二極管檔量，正常在0.3V左右，反向截止。根據(jù)檢查結(jié)果更換損壞的IGBT。安裝IGBT時(shí)，要在IGBT的背面涂上導(dǎo)熱硅膠，以保證良好的導(dǎo)熱。其他部件的安裝與拆時(shí)相反。

在更換IGBT的同時(shí)應(yīng)該還要檢查SMU和SML板以及觸發(fā)板是否損壞。有時(shí)候IGBT的損壞會(huì)造成SMU或SML板的損壞，觸發(fā)板的損壞也會(huì)造成IGBT的損壞。

4 IGBT損壞的原因

4.1 IGBT損壞一般是由外部短路或輸出接地等外部原因造成的，但從這次情況來(lái)看，更換IGBT后系統(tǒng)就能正常工作，故可以排除是由外部原因造成的。

4.2 逆變器選型偏小，系統(tǒng)正常工作幾年以來(lái)，如果是選型問(wèn)題，應(yīng)該早就能暴露，故可以排除該原因。

4.3 過(guò)溫，IGBT對(duì)溫度的要求比較高，一般工作溫度不超過(guò)60℃，溫度的升高會(huì)引起IGBT耐壓和載流量的急劇下降。該逆變器故障時(shí)，通風(fēng)良好，且溫控開(kāi)關(guān)可靠，逆變器拆開(kāi)時(shí)，柜內(nèi)灰塵極少，IGBT背面的導(dǎo)熱硅膠未硬化，故可以排除是由于散熱不良而導(dǎo)致IGBT溫升過(guò)高的原因。

4.4 觸發(fā)板的損壞也會(huì)造成IGBT的損壞，但更換IGBT后逆變器能正常工作，可以排除觸發(fā)板的原因。由于對(duì)觸發(fā)板我們沒(méi)有有效的檢測(cè)手段，故一般在更換IGBT的同時(shí)也要更換觸發(fā)板，這次未更換是有風(fēng)險(xiǎn)的。

4.5 過(guò)電壓造成IGBT的損壞，系統(tǒng)是掛在直流母排上的，正常情況下如果是由于直流母排過(guò)壓，其他的IGBT應(yīng)該也會(huì)出現(xiàn)損壞。但這次損壞是在調(diào)清倉(cāng)設(shè)備到達(dá)最上端停止時(shí)出現(xiàn)的，故不能排除在能量反饋時(shí)，直流母排有瞬間過(guò)壓的可能，但只損壞這一只IGBT，可能還是和這只IGBT本身老化而導(dǎo)致耐壓下降有關(guān)，這是這次故障懷疑的重點(diǎn)。

4.6 過(guò)流。電機(jī)在正常工作時(shí)電流在額定范圍內(nèi)，但電機(jī)的零速勵(lì)磁電流較大（這次沒(méi)有實(shí)際測(cè)量），如果勵(lì)磁電流較大而造成IGBT性能下降，不能及時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷也會(huì)造成IGBT的損壞。這是這次故障所要懷疑的次要原因。

5 結(jié)束語(yǔ)

IGBT模塊是6SE70系列產(chǎn)品中的逆變器、制動(dòng)單元、AFE變流器。與OCP保護(hù)器所使用的主要功率器件。基本上都采用集成了橋臂續(xù)流二極管的模塊式封裝。IGBT是集雙極型晶體管與MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管各自優(yōu)點(diǎn)與一身的新型器件。IGBT的過(guò)流能力一般小于同容量的BJT，后者允許4倍的額定值，且時(shí)間小于等于50微秒，而IGBT只能是2倍的額定值，時(shí)間小于等于20微秒。因此在線路上的快速熔斷器一類的保護(hù)是不能保護(hù)IGBT的，需要借助于系統(tǒng)方面軟、硬件結(jié)合的保護(hù)功能。IGBT在C、E端已加有高壓的情況下，不允許G、E端開(kāi)路，不然會(huì)損壞器件。在日常中，G、E兩級(jí)要可靠的短路，防止靜電損壞器件。在更換IGBT時(shí)禁止用手觸摸G端。

SMU與SML緩沖電路是IGBT的吸收回路，每個(gè)橋臂的每個(gè)IGBT元件均有一塊。緩沖電路用以控制關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管，恢復(fù)浪涌電壓，有時(shí)也被設(shè)計(jì)用于減少IGBT的開(kāi)關(guān)損耗。

[1]西門子SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制.裝機(jī)裝柜逆變器（DC-AC）使用說(shuō)明書.版本：AC 6SE7085-OKN60.

[2]上海振華港口機(jī)械（集團(tuán)）有限公司2100t／h抓斗卸船機(jī)使用手冊(cè)、電氣原理圖.