岸橋安川VS656DC5變流單元典型故障診斷及電路優化

◎ 黃緯 廣州南沙聯合集裝箱碼頭有限公司

1.引言

岸橋即岸邊集裝箱起重機，作為集裝箱碼頭岸邊裝卸的主力裝備，承擔著轉運輸送的重要任務。其主要工況是通過軌行小車搭載自動吊具將集裝箱進行水平垂直運輸，從而進行集裝箱卸船裝船作業。岸橋的變流單元位于電氣房內，是岸橋內部電力分配輸送的重要一環。其主要功能是將上機的交流電通過整流模塊轉化為直流電送入后續的變頻單元中。變流單元單個造價高，結構復雜，故障頻率高，在岸橋日常維修保養中占很大比例。本文主要以VS656DC5型號的安川變流單元為例。

2.變流單元結構機理

VS656DC5變流單元在岸橋上主要有兩個作用。第一個作用是前文提到的將輸入端約440v的交流電轉化為約660v的直流電，進入后繼的變頻系統。第二個作用是吸收岸橋作業過程中產生的反饋電能。VS656DC5變流單元內部主要由3個功率單元并聯連接，每一個的額定功率為200kw，輸出額定電流為1200A。內部結構見圖1。

圖1 變流單元內部結構圖

在VS656DC5變流單元的進線端還設置有熔斷器和電抗器。這兩個元器件的作用主要是減少沖擊電壓對變流器的傷害，使輸入電壓更加穩定。變流單元自身具有較強的自我保護功能。當輸入電流電壓，頻率功率或者溫度出現異常時，變流器會立即停止工作。VS656DC5變流單元主要元件有阻容元件，IGBT元件，大容量電容和保險絲。其中起到整流作用的元件主要是IGBT元件。電流通過變流單元中的IGBT元件的C極，即集電極進入元件，后通過發射極E極輸出。

3.變流單元常見故障情況

半導體開關器件的短路和開路占到變流系統的故障原因的38%。其中通過電路設計來進行系統保護和應急斷電，可以使大部分短路故障發生得到及時檢測和處理。而對于開路故障所導致的信號波動，卻往往會引發二次故障。開路故障又可分為單管故障和雙管及多管故障等，后兩類發生概率較小。在實際故障統計中，短路故障占到80%以上。

變流系統的報警機制如下：如果機器檢測到的是過熱，風扇故障，保險熔斷故障等非模塊故障，故障代碼會在上電時立即給出，且無法啟動。如果模塊內部發生故障，則分為兩種情況：當變頻器正在啟動中時，系統會報出GF接地故障代碼；當變頻器啟動完畢已在運行時，系統會報出OC過流故障代碼。所以有可能檢測回路輸出的是同一個故障信號，但是因為輸出的時間不同而造成最終顯示的故障代碼不同。因此故障代碼不一定一對一的指向某個故障，我們在排查時可以將故障代碼作為一個重要參考，而以拆解檢測結果作為最終判斷的依據。

圖2 變流單元內部拆解圖

4.變流單元典型故障診斷：IGBT損毀

4.1 故障現象

VS656DC5變流單元報OC過電流故障，值班人員在進行緊急搶修時首先嘗試了按下復位鍵進行復位。復位無效后又嘗試斷電重啟。重啟后故障依舊存在。由于作業需要，值班人員換上備用變流器，將故障變流器拆下。

4.2 處理流程

步驟一：將故障變流單元斷電后，使用萬用表對三組功率單元的三相電阻分別進行測量。測量結果發現其中一組功率單元的三相電阻存在異常，有一相明顯小于另外兩項。這說明此功率單元內部元器件已經損壞。因此檢修人員將精力放在了故障的這組故障單元的排查檢測上。

步驟二：拆開這組功率單元的外側保險絲和阻容元件進行測量，均未發生異常。由此排除了外圍元件的故障，將焦點放于IGBT元件上。拆解圖示見圖2。

步驟三：拆除IGBT元件。觀察元件表面，發現有一個的接線口呈發黑狀，懷疑已燒壞，對其進行檢測。測量時將萬用表電阻檔撥至R＊10kΩ，用黑表筆接IGBT的集電極C，紅表筆接發射極E，這個時候萬用表顯示電阻為無窮大，IGBT元件未導通。后用手指同時觸及集電極C和柵極G，電表依舊顯示電阻為無窮大，IGBT未導通。正常情況下當手指同時觸及集電極C和柵極G時，IGBT導通，電阻應趨向于0。因此判斷IGBT元件損壞。考慮到同一回路的IGBT元件的使用頻率和壽命相似，因此更換了成對的IGBT元件。

步驟四：安裝回機上進行三相電阻測量正常。最后將變流單元送電，試機正常，故障排除。

5.變流單元的IGBT電路優化

事后檢修人員對近期同類故障進行了合并統計并分析，對故障原因做出了合理推測。在筆者所處的碼頭內，岸橋根據起升機構的數量不同分為單起升機構岸橋和雙起升機構岸橋。根據統計，雙起升機構岸橋的變流單元故障頻率比單起升機構岸橋高30%左右。對參數進行進一步統計后發現在變流單元的進線端，單起升岸橋的各工況下電壓分別為：控制斷時440v，控制合后500v，起升動作時520v，而雙起升岸橋的進線端電壓較單起升岸橋平均高20v左右。這一差異使變頻系統內部半導體元件在截止工況時承受更多反向電壓的沖擊，特別是核心部件IGBT元件。

所以為了減少變流單元故障率，延長內部核心半導體元件使用壽命，后續將會在進線端增加更多的阻容元件。阻容元件一般由電阻和電容串聯組成，并聯在IGBT元件兩端形成保護電路。在IGBT元件兩端的電流發生瞬間變化時，IGBT元件自身會產生自感電動勢。而阻容元件會對這一自感電動勢進行鉗位，其多余的能量會以熱能的形式消耗掉，通過能量的轉換以減少過大的電壓電流對核心元件的沖擊。同時，技術人員將會優化維修流程，減少搶修時間，保證作業不受較大影響。

6.結束語

變流單元故障作為碼頭機械設備常見的一種故障，其發生頻率高，原因復雜，排查故障需要較大的耐心和豐富的經驗。對變流單元進行優化后，可以大大減少變流單元故障頻率，讓岸橋在碼頭裝卸中發揮更大的作用。這同時對軌道吊，門機變流單元的維護也有一定的借鑒意義。