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及通訊導航等系統供電的電源，肩負著海上安全航行的重要任務。中頻電源的發(fā)展，經歷了從早期簡易的中頻發(fā)電機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，廣泛應用于航空及軍用電子電氣設備。隨著中頻電源設備的不斷升級換代，對中頻電源設備的安裝及調試要求也越來越高，由此引發(fā)的故障現象也日益頻繁。本文著重對中頻靜止電源裝置的典型故障進行分析并給出解決方案，為后續(xù)解決相關設備故障問題提供參考。

關鍵詞：中頻靜止電源；IGBT；驅動板；變壓器

中圖分類號：U665.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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，其特點是對各種負載適應力強、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，經電抗器平波后成為直流電源，再經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，設備出現以下兩個故障：高頻整流硬件一級過流；C相報IGBT故障。

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

（2）準備負載測試時，8#中頻電源上電后出現C相IGBT故障，表現為驅動板返回光纖不發(fā)光。

（3）啟機空載運行，確認輸出空載正常，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0.8工況），加載途中無異常；運行60 kVA、功率因數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 ℃、柜內空氣溫度將近40 ℃；停機斷電打開柜門查看，發(fā)現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，本次故障可確認為IGBT損壞引起的故障。根據控制器的工作原理，造成IGBT損壞的原因可歸結為：短路損壞；驅動回路故障導致上下管直通，IGBT損壞；過熱損壞；IGBT個體失效。

（1）短路損壞

結合此前上級380 V斷路器跳閘現象，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)現異常。

還有一種可能是柜體未清理干凈，內部存在導電雜質，在風機的吹動下導致直流正負極之間短路。由于經常性地對柜體進行衛(wèi)生清理，且在問題發(fā)生后對柜體內部進行檢查未發(fā)現有任何雜質，故此種原因可以排除。

（2）驅動回路導致IGBT損壞

驅動回路導致IGBT損壞，主要有以下幾種情況：

① 驅動回路存在隱患，硬件保護在運行過程中的某種工況下會產生誤保護，使IGBT驅動脈沖丟失和形成窄脈沖，導致IGBT損壞燒毀。該驅動板是比較成熟的產品，經過我們對產品的長期驗證，該種原因基本可以排除；

② 驅動電源線松動，導致驅動電阻增大，開通電壓15V偏低，可能會導致IGBT無法完全導通，增加IGBT功率損耗，導致IGBT損壞。之前，在測絕緣過程中，發(fā)現C相12號IGBT驅動板電源線及光纖未連接，因此IGBT驅動板電源線存在松動可能性。但理論上該驅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

當運行中的IGBT模塊結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。當前船舶普遍使用的最高結溫為150 ℃的IGBT 器件，因此在 IGBT 模塊應用中其結溫應限制在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。

根據上述排查結果，上述（1）（2）（3）原因不會導致此次故障產生。同時，本次故障型號IGBT共計在中頻靜止電源中使用450個，均嚴格通過了廠內功率單元測試、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? ?驅動板故障原因分析

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

造成驅動板故障的原因，主要有以下幾種情況：

驅動板供電電壓低；

驅動板供電電壓高；

光耦失效；

靜電放電損壞；

Vce檢測電路故障。

（1）驅動板供電電壓低

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

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

（2）驅動板供電電壓高

當驅動板供電的+15 V電源過高時，導致原邊推挽的MOSFET芯片失效，進而引起原邊LDI芯片失效，導致驅動板副邊電源欠壓，驅動板出現故障，故障反饋光纖頭熄滅。

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

如驅動板供電的+15 V電源有過壓現象，導致原邊推挽的MOSFET芯片失效，進而引起原邊LDI芯片失效，導致驅動板副邊電源欠壓，驅動板出現故障，故障反饋光纖頭熄滅。

（3）光耦失效

在驅動板中光纖耦合器對光電隔離信號起傳遞作用。當光耦出現故障時，驅動板無法傳遞驅動信號，也無法反饋自身狀態(tài)信號，最終驅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生的熱量，會超出元件的溫度承受范圍，使元件受到內在損傷，最終驅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絡測得。在導通狀態(tài)下經過響應時間后再檢測Vce，以判斷短路狀況。如果此電壓高于預設的閾值Vth（9 V），驅動器將判斷為IGBT短路，并立即將故障信號發(fā)送到相應的光纖狀態(tài)反饋端，在經過附加延遲時間后，關斷相應的IGBT。

在之前排查C相變壓器故障時，發(fā)現C相集電極電壓波形存在異常，出現一個讓驅動板誤以為IGBT導通的電壓波形，IGBT導通特性如圖1所示。該電壓由于高于驅動板預設的閾值Vth（9 V），可能會引起驅動板報Vce檢測故障。同時，由于該電壓將近200 V，可能損壞驅動板IGD芯片，最終驅動板故障反饋光纖頭報故障。

對驅動板進行了如下檢測：

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，呈現故障狀態(tài)，且無法自動復位，因此可以判定IGD芯片出現故障。

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C相變壓器右側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明顯的下降，表明初級繞組存在層間接觸現象，導致電感量減小；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，但層間絕緣已經被破壞。

經分析，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，對臨近變壓器產生輻射效應，導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)熱嚴重，造成絕緣紙燒熔。

針對上述可能產生故障的原因，進行如下排查：

（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機，通控制電后其正常運行，表明變壓器損壞時通風條件良好；

（4）變壓器燒熔繞組靠近后門板，后門板上無任何電子元件，不存在熱輻射效應導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

由檢測結果發(fā)現，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的線包電流已達額定的1.6倍，運行時間過長可能導致元件過熱損壞，因此可以判定是由于變壓器繞組間電流不均衡導致的變壓器繞組燒熔。

檢測C相兩H橋的輸出電壓，發(fā)現C相第2組H橋左橋臂下管對負母線輸出波形存在異常，負電平不穩(wěn)定；檢查線路光纖，發(fā)現光纖頭松動，光纖端子已經卡在驅動板光纖端口內。至此可以推斷，由于光纖與驅動板的接觸不良，導致繞組開關不正常，進而引起兩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致。

經上述分析可知，IGBT因個體失效產生炸裂現象導致光纖存在斷裂的質量隱患，引起主回路波形異常，從而導致驅動板及變壓器故障。

4? ? 故障復現及解決措施

在更換損壞變壓器后，再次上電進行空載試驗，C相變壓器3-4繞組的溫度短時間內升至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，就會產生電流不均衡現象，造成繞組發(fā)熱不均，若繼續(xù)進行下去，C相新換上去的變壓器也必然產生繞組燒熔的現象，客觀上說故障的趨勢已經復現。

根據以上分析，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、驅動板、光纖線及變壓器；

（2）更換后，按照流程進行外觀檢查、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，設備正常，未出現報警現象，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，分別為41 A、38 A，偏差不大，且兩初級繞組線包溫度相當未出現大的偏差。

5? ? 小結

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

參考文獻

[1]劉春喜.大容量400 Hz中頻逆變器拓撲及數字技術研究[D].杭州：浙江大學，2010.

作者簡介：楊書林（1988-），男，工程師。主要從事船舶質量檢驗工作。

胡宇桐（1994-），男，助理工程師。主要從事船舶質量檢驗工作。

收稿日期：2023-01-17