岸橋安川VS656DC5變流單元典型故障診斷及電路優(yōu)化

◎ 黃緯 廣州南沙聯(lián)合集裝箱碼頭有限公司

1.引言

岸橋即岸邊集裝箱起重機(jī)，作為集裝箱碼頭岸邊裝卸的主力裝備，承擔(dān)著轉(zhuǎn)運輸送的重要任務(wù)。其主要工況是通過軌行小車搭載自動吊具將集裝箱進(jìn)行水平垂直運輸，從而進(jìn)行集裝箱卸船裝船作業(yè)。岸橋的變流單元位于電氣房內(nèi)，是岸橋內(nèi)部電力分配輸送的重要一環(huán)。其主要功能是將上機(jī)的交流電通過整流模塊轉(zhuǎn)化為直流電送入后續(xù)的變頻單元中。變流單元單個造價高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障頻率高，在岸橋日常維修保養(yǎng)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(jié)構(gòu)機(jī)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(zhuǎn)化為約660v的直流電，進(jìn)入后繼的變頻系統(tǒng)。第二個作用是吸收岸橋作業(yè)過程中產(chǎn)生的反饋電能。VS656DC5變流單元內(nèi)部主要由3個功率單元并聯(lián)連接，每一個的額定功率為200kw，輸出額定電流為1200A。內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 變流單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

在VS656DC5變流單元的進(jìn)線端還設(shè)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(wěn)定。變流單元自身具有較強(qiáng)的自我保護(hù)功能。當(dāng)輸入電流電壓，頻率功率或者溫度出現(xiàn)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(jìn)入元件，后通過發(fā)射極E極輸出。

3.變流單元常見故障情況

半導(dǎo)體開關(guān)器件的短路和開路占到變流系統(tǒng)的故障原因的38%。其中通過電路設(shè)計來進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)和應(yīng)急斷電，可以使大部分短路故障發(fā)生得到及時檢測和處理。而對于開路故障所導(dǎo)致的信號波動，卻往往會引發(fā)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(fā)生概率較小。在實際故障統(tǒng)計中，短路故障占到80%以上。

變流系統(tǒng)的報警機(jī)制如下：如果機(jī)器檢測到的是過熱，風(fēng)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(nèi)部發(fā)生故障，則分為兩種情況：當(dāng)變頻器正在啟動中時，系統(tǒng)會報出GF接地故障代碼；當(dāng)變頻器啟動完畢已在運行時，系統(tǒng)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(jié)果作為最終判斷的依據(jù)。

圖2 變流單元內(nèi)部拆解圖

4.變流單元典型故障診斷：IGBT損毀

4.1 故障現(xiàn)象

VS656DC5變流單元報OC過電流故障，值班人員在進(jìn)行緊急搶修時首先嘗試了按下復(fù)位鍵進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位無效后又嘗試斷電重啟。重啟后故障依舊存在。由于作業(yè)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(jìn)行測量。測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(nèi)部元器件已經(jīng)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(cè)保險絲和阻容元件進(jìn)行測量，均未發(fā)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(fā)現(xiàn)有一個的接線口呈發(fā)黑狀，懷疑已燒壞，對其進(jìn)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(fā)射極E，這個時候萬用表顯示電阻為無窮大，IGBT元件未導(dǎo)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(dǎo)通。正常情況下當(dāng)手指同時觸及集電極C和柵極G時，IGBT導(dǎo)通，電阻應(yīng)趨向于0。因此判斷IGBT元件損壞?？紤]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(jī)上進(jìn)行三相電阻測量正常。最后將變流單元送電，試機(jī)正常，故障排除。

5.變流單元的IGBT電路優(yōu)化

事后檢修人員對近期同類故障進(jìn)行了合并統(tǒng)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(nèi)，岸橋根據(jù)起升機(jī)構(gòu)的數(shù)量不同分為單起升機(jī)構(gòu)岸橋和雙起升機(jī)構(gòu)岸橋。根據(jù)統(tǒng)計，雙起升機(jī)構(gòu)岸橋的變流單元故障頻率比單起升機(jī)構(gòu)岸橋高30%左右。對參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)在變流單元的進(jìn)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(jìn)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(tǒng)內(nèi)部半導(dǎo)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(nèi)部核心半導(dǎo)體元件使用壽命，后續(xù)將會在進(jìn)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(lián)組成，并聯(lián)在IGBT元件兩端形成保護(hù)電路。在IGBT元件兩端的電流發(fā)生瞬間變化時，IGBT元件自身會產(chǎn)生自感電動勢。而阻容元件會對這一自感電動勢進(jìn)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(zhuǎn)換以減少過大的電壓電流對核心元件的沖擊。同時，技術(shù)人員將會優(yōu)化維修流程，減少搶修時間，保證作業(yè)不受較大影響。

6.結(jié)束語

變流單元故障作為碼頭機(jī)械設(shè)備常見的一種故障，其發(fā)生頻率高，原因復(fù)雜，排查故障需要較大的耐心和豐富的經(jīng)驗。對變流單元進(jìn)行優(yōu)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(fā)揮更大的作用。這同時對軌道吊，門機(jī)變流單元的維護(hù)也有一定的借鑒意義。