水運工程船閘變頻器故障分析與處理措施

郭晶

（黑龍江水運建設發(fā)展有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

1 概述

船閘系統(tǒng)是一種應用在水運工程的大型程控設備，其設備集成化程度高原理復雜，安全措施完善，工作效率高。本水利樞紐工程船閘系統(tǒng)電氣控制部分主要由西門子可編程控制器和工業(yè)計算機組成。駕駛室由兩臺行走電機變頻器和西門子可編程控制器S7-300 控制模塊（附設觸摸屏）組成。中控室由西門子IM153 從站模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊和工業(yè)計算機組成。

船閘系統(tǒng)電源由配電室通過電纜卷盤送到駕駛室。駕駛室和中控室之間通過通訊電纜滑環(huán)應用Profibus-DP 總線網絡實現(xiàn)可編程控制器S7-300 主站和從站之間的通訊。為使船閘系統(tǒng)主驅動電機與付驅動電機位置平行同步開合閘門，船閘驅動電機設有位置采集系統(tǒng)和糾偏傳感器。驅動船閘開閉的變頻電機，其物理性能完全一致，由兩臺高性能工業(yè)變頻器驅動行走；而這兩臺變頻器都用Profibus-DP 總線網絡與PLC 的CPU 相連接。

2 船閘系統(tǒng)電機的控制原理

船閘PLC 接收到閘門開閉運行指令后，經過西門子S7-300PLC 的速度轉換計算，通過Profibus-DP 總線網絡，同時向兩臺變頻器傳遞命令源，驅動船閘門機同步行走。

圖1 PLC 輸入（AS-1）原理圖

在船閘主付驅動減速機的出軸處均安裝有直線位置檢測模塊(SSI 編碼器)，直接與西門子S7-300PLC 的位置檢測模板(IM338)相連。

船閘主付驅動電機在行走時，減速機出軸處的兩個位置檢測模塊同時檢測計數(shù)，西門子S7-300 的IM338模塊通過與編碼器的通訊協(xié)議實時讀取計數(shù)值，通過西門子可編程控制器CPU 中的編程計算功能，讀取船閘門機行走位置。

圖2 PLC 輸入（AI-1）原理圖

船閘主付驅動電機相對位移的控制采用糾偏傳感器提供的4-20mA 模擬量信號和兩個重跑偏限位開關，可編程控制器通過IM331 模擬量輸入模塊動態(tài)讀取糾偏傳感器數(shù)值，判斷主付驅動門機的相對位置，然后通過Profibus-DP 總線來調整付驅動門機的運行速度。

當船閘系統(tǒng)主付驅動門機相對位置誤差過大變頻器難以調整，重跑偏限位開關動作，PLC 通過Profibus-DP 總線來切斷船閘門機變頻器的運行信號，并且報警提醒操作人員。

3 船閘門機電機變頻器的故障現(xiàn)象及分析

3.1 船閘門機電機變頻器故障簡述

2021 年9 月船閘驅動電機變頻器突停報“過電壓故障碼”，電氣檢修人員現(xiàn)場復位后重新啟動變頻器，變頻器運行不久后即發(fā)出焦糊味，現(xiàn)場操作人員手動急停閘機并聯(lián)系電氣。技術人員對船閘驅動電機變頻器拆解檢查發(fā)現(xiàn)變頻器應用于儲能逆變回路的功率單元模塊擊穿（見圖3 所示），通過查閱資料判斷為變頻器直流回路的電壓值超過了跳閘閾值繼而燒毀IGBT 功率單元模塊。

圖3 燒毀的IGBT 功率模塊

IGBT 是GTR 與MOSFET 組成的達林頓結構，一個由MOSFET 驅動的厚基區(qū)PNP 晶體管。IGBT 的驅動原理與電力MOSFET 基本相同，是一個場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。當在G、E 引腳施加受控正向電壓時，場效應晶體管內形成通路，此時GTR 基極有電流產生，IGBT 晶體管導通，反之當G、E 引腳電壓小于開啟值UGE（th）或電壓施加方向反向，GTR 基極無電流產生，IGBT 晶體管關斷。IGBT 晶體管的優(yōu)點是阻抗高抗干擾能力強；電壓、電流容量大，安全工作頻率寬。

3.2 船閘驅動電機變頻器IGBT 功率模塊燒毀原因分析

船閘驅動電機是在變頻器輸出頻率的控制下運行的，其轉速與變頻器的輸出頻率關系為N=60f/P。船閘閘門作為一種自重100 余噸的大型工業(yè)設備，在減速或者停車的過程中在物理慣性的作用下，電機轉速有可能超出變頻器所給定的轉速，處于超速運行狀態(tài)，此時電機轉子轉速超過定子旋轉磁場速度，產生容性電流，由電動機狀態(tài)進入再生發(fā)電狀態(tài)。船閘驅動電機的再生發(fā)電能量，經絕緣柵雙極型晶體管構成的逆變回路，逆變?yōu)橹绷麟妷菏┘釉谥虚g直流環(huán)節(jié)的開關器件、電解電容上，而由電力二極管構成的整流環(huán)節(jié)具有能量的傳輸不可逆性，導致直流回路的電壓異常升高，中間直流環(huán)節(jié)用于無功功率交換的晶體管開關和儲能電容擊穿。

4 預防整改措施

船閘驅動電機變頻器燒毀后，我公司技術人員立即查閱變頻器說明書圖紙，以變頻器中間直流環(huán)節(jié)IGBT功率模塊過電壓為分析切入點，決定采用電阻能耗的方式，選擇合適的電阻接到變頻器的直流環(huán)節(jié)，將電動機再生發(fā)電饋回的能量消耗在制動電阻上以熱能的形式發(fā)散掉。變頻器制動回路工作時，可使電動機的饋電能量快速耗散。

制動環(huán)節(jié)在不同的變頻器中有不同的實現(xiàn)方式，本水利工程船閘變頻器制動原理（如圖4 所示），MCU微控單元檢測變頻器中間環(huán)節(jié)直流回路電壓值，直流回路電壓一旦超過設置定值產生泵升電壓，大于變頻器設定的直流過電壓動作閾值時，由38 引腳輸出制動脈沖信號，經U37、U8 兩種受控相同的反向驅動器驅動制動開關管IGBT7，將外接制動電阻與IGBT7 晶體管串聯(lián)進行分壓，消耗泵升電壓能量，從而保護變頻器中間直流環(huán)節(jié)不被過電壓擊穿。

圖4 能耗制動原理

能耗制動電阻的選擇要求電動機再生饋電的能量要完全能被制動電阻所消耗。變頻器制動回路工作時，中間直流環(huán)節(jié)電壓量變化幅值與RC 有關，R 為制動電阻的阻值，C 為電解電容的容量。由充放電曲線可以知道，RC 越小，母線電壓的放電速度越快，在C 保持一定（變頻器型號確定）的情況下，R 越小，母線電壓的放電速度越快。[2]由（式1）可以求出制動電阻的阻值。

式中，UC為制動單元動作電壓值，船閘驅動電機變頻器設置值為680V；TM為電動機額定轉矩（N*m）；TB為制動電磁轉矩；N1為制動前電機轉速（r*min）。根據(jù)船閘驅動電機銘牌計算選用100Ω 電阻即可滿足制動要求。安裝制動電阻后調節(jié)變頻器參數(shù)為外接電阻能耗制動，送電運行至今未再出現(xiàn)直流過電壓故障。

5 經驗教訓

船閘投運后因受北方冬季惡劣的氣候條件影響，其行走導軌早已發(fā)生變形，致使近年來驅動電機變頻器故障頻發(fā)，未能引起電氣檢修人員足夠重視，為改善變頻器過電壓能力，簡單期望靠調整變頻器參數(shù)和增加變頻器容量來解決問題，未深入挖掘變頻器變頻原理和直流過電壓原因，在負載減速期間變頻器長期被倒拖。而以GTR、IGBT 為代表的全控型變頻器抗耐壓能力差，過高的逆變饋回電壓有可能擊穿功率模塊，嚴重甚至會破壞電動機的絕緣，從而威脅船閘的安全航行。

6 借鑒意義

變頻器作為廠礦常用節(jié)能調速設備應用廣泛，除船閘這種大慣性負載外，我們在應用變頻器進行節(jié)能調速時如碰到：電動機拖動的位能負載（如起重、電梯等）；電動機有可能被拖動處于發(fā)電狀態(tài)（如破碎機、引風機等）。以上幾類負載的共同特點是，電動機不僅運行于電動狀態(tài)（一、三象限），而且有時會運行于發(fā)電制動狀態(tài)（二、四象限）。本次對于船閘驅動電機變頻器過電壓燒毀事故的分析及處置方法可以為同行提供有意義的價值和參考，為日后應對類似情況提供借鑒。