電推船有源前端變頻器原理分析與故障處理

計紅雷

“華吉”輪是一艘4 000噸的海洋油田供應船，舵槳采用STEERPROP公司的SP25D全回轉Z型傳動系統，推進變頻器為兩套ABB公司的STADT6-AC-2-0有源前端正弦波脈寬調制交-直-交變頻器，推進電機為ABB三相異步鼠籠式電動機，額定功率2000千瓦，設備型號：STADT6-AC-2-0（SAC1518），生產廠家為 ABB。

電力推進的海洋油田供應船為新型、綠色船舶，推進變頻器是電力推進船的重要動力設備。本文結合一起典型的變頻器故障，分析其技術原理和故障原因，提出故障修復方法和維保管理的注意事項，供業界參考。

一、故障簡介

2019年7月“華吉”輪在油田待命期間，接到油田作業指令準備備車，備車完成后，機艙與駕駛臺電話確認可以啟動主推進器，駕駛員確認控制面板狀態正常，開始一鍵啟動，發現右車啟動成功，但左車沒有反應，且駕駛臺舵槳控制面板無異常報警。此時機艙報告電站上1號主發電機過載跳電脫閘正在處理，發電機檢查正常，控制電腦主開關報警復位。重新啟動還是無反應，機艙人員發現左車濾波器報警，立即到主推間檢查，發現左主推進器控制箱變頻器的門被震開，左推進器變頻器控制箱內部有煙霧，該推進變頻器一組Power Block模塊出現故障現象，里面的一個變頻器IGBT模塊完全燒壞，左主推進器變頻器大部分板卡損壞，造成左主推進器不能正常工作。

船上人員無法對故障的原因及損害情況作進一步的檢查和恢復，報請公司后只能單車運行，回港等待專業服務人員上船檢查檢修。

二、現場檢查

（1）對變頻器進行斷電處理，搖出690伏配電板主開關，斷開預勵磁開關，斷開風機水泵開關并掛牌上鎖。

（2）連接電腦查看變頻器所有故障信息，并未發現任何異常報警。查看傳送到IAS的監控報警的報警記錄顯示變頻器發生故障時的報警為FC1 common alarm 和FC1 LCL filter fuse brown以及AZ1 Drive SYS common alarm。

（3）斷開控制電源，然后檢查發現左邊整流側R相出現嚴重的故障痕跡，IGBT、CT和銅排等一并損毀。整流側S相也出現銅排凸出的痕跡，內部IGBT受損。整流側T相未發現明顯故障痕跡。檢查MDC板，發現MDC板上兩個元器件C119和IC27明顯損壞。

（4）檢查變頻器另一組Power Block模塊，發現整個模塊外觀尚可，無明顯故障的痕跡，因受旁邊模塊爆炸影響，已經不能確認原來里面的清潔狀況。

（5）IAS故障顯示LCL進線屏有1個保險絲損壞，檢查發現LCL進線L3相保險絲燒壞，R、S兩項熔絲正常。

（6）檢查了所有安裝銅排和連接螺絲以及接地電纜，銅牌未發現有明顯松動現象，多個變頻器模塊連接緊固不足，存在著接觸不良的可能。

（7）檢查了變頻器的水質，肉眼查看無任何異常。沒有可見的顆粒或者鐵銹情況。

（8）了解出現故障前的操作情況：船員對變頻器備車完畢，啟動操作前未發現異常，第一次啟動沒有成功，船員檢查發電機組的電力供應，未發現有故障，直接進行了第二次啟動，沒有成功，到機旁檢查發現變頻器IGBT模塊已經炸毀。

三、電力推進配置與有源前端變頻原理

長期以來，民用船舶主推進系統都是由柴油機直接驅動螺旋槳推進船舶。隨著技術的進步，大功率電力電子器件及其構成的變頻器技術不斷成熟與完善，電力變頻推進技術被更多使用在船舶推進系統中，未來有普及推廣的趨勢。與傳統推進方式相比，電力推進布置安裝靈活，省去了大量機械傳動環節，燃油經濟性好，正倒車反應速度快，低速特性極佳，操縱靈活機動性強，并且具有堵轉性能，大大降低了螺旋槳繞異物時對設備造成的損害，非常適合平臺作業船舶。

目前船舶電力推進應用中常見有整流器、交-交循環、交-直-交電流源型、交-直-交電壓源型四種變頻器，其中交-直-交電壓源型最為常用。脈寬調制（pulse width modulation，簡稱PWM）是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需的電壓或電流信號。

“華吉”輪電力推進系統主要由發電機組、電站及管理系統、變頻器推進電機及舵槳系統構成，見圖1。

圖1 “華吉”輪電力推進系統

四套主發電機組G1～G4，每套由一臺卡特彼勒3512C四沖程電噴柴油機與一臺ABB永磁無刷發電機組成，單機功率1 360千瓦，總容量5 440千瓦，電制三相690伏/60赫茲。電站采用康世博K-chief-600自動管理系統，推進變頻器為兩套ABB公司的STADT6-AC-2-0有源前端正弦波脈寬調制交-直-交變頻器，推進電機為ABB三相異步鼠籠式電動機，額定功率2 000千瓦，舵槳采用STEERPROP公司的SP25D全回轉Z型傳動系統。主發電機產生電能送至自動電站，電站按照負荷將電源合理分配至主推進裝置，推進電動機帶動定距螺旋槳單向旋轉，船舶加減速靠變頻器控制電動機轉速實現，轉向通過舵槳系統360度旋轉改變推進水流方向獲得。

“華吉輪”配置了先進的變頻技術AFE（Active front end）前端有源型（也可譯為“主動前端型”“可控前端型”）變頻器。它采用全控式開關元件IGBT取代了功率二極管、晶閘管等傳統器件。作為其核心部件的IGBT是絕緣柵雙極型晶體管的縮寫，是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場效應管 （MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小；基于其同時具備了兩個元器件的優良功能，非常適合應用于直流電壓為600伏及以上的變流系統。IGBT就是一個開關，非通即斷，如何控制其通或斷，靠的就是柵源極的電壓，其工作原理結合圖2所示的等效電路圖作如下簡述：

圖2 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等效電路圖

IGBT是以GTR為主導元件、MOSFET為驅動元件的達林頓結構的復合器件。其外部有三個電極，分別為G（柵極）、C（集電極）、E（發射極）。在IGBT使用過程中，可以通過控制其集電極電壓UCE和柵極電壓UGE的大小，從而實現對IGBT導通、關斷、阻斷狀態的選擇性控制。

（1）當IGBT柵極加上加0或負電壓時，MOSFET內溝道消失，IGBT呈關斷狀態。

（2）當集電極電壓UCE＜0時，J3的PN結處于反偏，IGBT呈反向阻斷狀態。

（3）當集電極電壓UCE＞0時，分兩種情況：

a.若柵極電壓UGE＜Uth，溝道不能形成，IGBT呈正向阻斷狀態。

b.若柵極電壓UGE＞Uth，柵極溝道形成，IGBT呈導通狀態即為其正常工作。

此時，空穴從P+區注入到N基區進行電導調制，減少N基區電阻RN的值，使IGBT通態壓降降低。

IGBT的安全可靠與否主要決定因素有：①IGBT柵極與發射極之間的電壓；②IGBT集電極與發射極之間的電壓；③流過IGBT集電極-發射極的電流；④IGBT的溫度。如果IGBT柵極與發射極之間的電壓，即驅動電壓過低，則IGBT不能穩定正常地工作，如果過高超過柵極-發射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發射極允許的電壓超過集電極-發射極之間的耐壓，流過IGBT集電極-發射極的電流超過集電極-發射極允許的最大電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞。

有源前端交-直-交變頻推進作為目前較為先進的推進用設備，集諸多優點于一身，非常適合對機動性要求高的平臺作業船使用，兩者結合可以將該系統的優點完美體現出來。但凡事總有它的兩面性，該設備比較復雜，日常維護保養不易，需要專業人員完成，設備某一環節發生故障會導致整個推進系統停用，在高功率運行階段燃油經濟性低于傳統推進系統，對輪機人員管理及技術水平要求較高。

四、故障原因分析

此次左車推進變頻器故障，為突發性電氣元件故障。因電器電子元件的故障導致模塊損壞的可能原因如下：

（1）船員操作失誤。上船了解到船員在第一次啟動沒有成功時，僅對發電機組的電力供應情況做了檢查，沒有核查控制板的故障報警情況，未有及時對故障報警作原因分析，在情況不明的情況下進行了二次啟動，存在著明顯的操作失誤。

（2）電子板灰塵入侵。如果功率電子元件有灰塵侵入，可能會導致控制板上電子元件故障造成模塊短路。詢船方出廠至今未作專項清潔工作，我司要求定期（視情，一般每年）用防靜電設備清潔或請專業人員服務，特別是出廠運行三個月內。

（3）冷卻水路腐蝕。變頻器內部水循環系統水垢較多，會直接影響IGBT元件的腐蝕及水路高溫，造成模塊短路。現場檢查船方使用廠家推薦冷卻液，冷卻系統狀態良好，未發現冷卻水路腐蝕現象。

（4）控制元件的部件老化。 電子元件的老化會導致控制信號的紊亂，并可能導致IGBT甚至是整個功率單元的損壞。該船交船使用僅為2年，檢查中也沒有發現元器件有老化現象。

（5）功率元件松動。變頻器模塊的IGBT模塊或者直流銅排安裝松動，會造成調制電流不穩定和觸發信號紊亂并可能導致IGBT瞬間發生短路故障。現場發現模塊的緊固情況不足，船舶出廠運行至今未作全面的檢查緊固工作，維保要求中對所需緊固檢查的部位沒有明確標注，沒有對變頻器模塊的安裝緊固情況進行有效檢查跟蹤。

（6）主控制板故障。變頻器模塊的IGBT模塊、GateDriver等驅動板通過光纖連接其主控板并實施調制控制，其控制板需要定期檢查其安裝和連接狀態，避免某些隱患問題長時間不解決導致控制信號紊亂并最終導致故障。

結合船方檢查和現場勘察認為本次故障產生的直接原因是IGBT短路故障。由于故障模塊炸毀，船員在故障后按了復位鍵，造成一些記錄缺失，無法確認第一次啟動失敗時的原因與狀況。

五、故障修復

（1）根據現場檢查情況分析，認為損壞件的現場修復難度非常大，因此緊急訂購新的Power Block模塊到場進行修復。重新更換防凍液和冷卻水，檢查了變頻器和電機絕緣，檢查了所有動力電纜連接。

（2）上控制電后檢查變頻器，將690伏主開關搖到測試位，只通過預充電給直流母排充電3次，激活電容后將690伏主開關搖到工作位。

（3）檢查變頻器參數，顯示數據正常后消掉啟動連鎖點，準備起機測試。

（4）變頻器啟動后在最低轉速下運行半個小時，然后逐漸加負載，測試變頻器在0～100%負荷下的狀態，在不同負荷下進行電流校正。

（5）在考慮船舶安全的前提下盡量大負荷測試，100%負荷運行大于1個小時，變頻器工作穩定正常，達到正常工作條件，修理更換工作圓滿完成。

六、維保和管理注意事項

針對IGBT模塊存在過電壓、過電流及短路故障的可能，與ABB設計公司一起探討設備技術改進的可能。在日常使用維護中采取必要的措施以確保電力推進系統的良好運作。

（1）提高船舶管理人員的電力推進理論認知水平，邀請專業人員對設備的原理與使用進行系統的培訓，采用理論知識學習與上船現場指導相結合，提升船員的業務能力。

（2）制訂電力推進裝置等設備啟動操作程序，避免操作不當導致設備損壞；明確規定舵槳變頻器在啟動及使用過程中發現異常情況、啟動不成功或報警，應及時與ABB工程師聯系獲得技術支持，不得在情況不明時采取復位等操作后企圖再次啟動或使用，以避免造成故障證據的丟失。

（3）根據說明書維保建議與規定，結合船舶推進設備的實際使用周期及狀況，制訂科學合理的維保程序，督促船員認真執行，確保設備始終處于良好的狀態。

（4）邀請ABB工程師定期對設備進行檢查、維護，并在檢查維護的過程中對船員的操作、維護進行現場培訓與指導。