水運(yùn)工程船閘變頻器故障分析與處理措施

郭晶

（黑龍江水運(yùn)建設(shè)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(yīng)用在水運(yùn)工程的大型程控設(shè)備，其設(shè)備集成化程度高原理復(fù)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(jì)算機(jī)組成。駕駛室由兩臺(tái)行走電機(jī)變頻器和西門子可編程控制器S7-300 控制模塊（附設(shè)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(jì)算機(jī)組成。

船閘系統(tǒng)電源由配電室通過(guò)電纜卷盤送到駕駛室。駕駛室和中控室之間通過(guò)通訊電纜滑環(huán)應(yīng)用Profibus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(qū)動(dòng)電機(jī)與付驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置平行同步開合閘門，船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)有位置采集系統(tǒng)和糾偏傳感器。驅(qū)動(dòng)船閘開閉的變頻電機(jī)，其物理性能完全一致，由兩臺(tái)高性能工業(yè)變頻器驅(qū)動(dòng)行走；而這兩臺(tái)變頻器都用Profibus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)與PLC 的CPU 相連接。

2 船閘系統(tǒng)電機(jī)的控制原理

船閘PLC 接收到閘門開閉運(yùn)行指令后，經(jīng)過(guò)西門子S7-300PLC 的速度轉(zhuǎn)換計(jì)算，通過(guò)Profibus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)向兩臺(tái)變頻器傳遞命令源，驅(qū)動(dòng)船閘門機(jī)同步行走。

圖1 PLC 輸入（AS-1）原理圖

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

船閘主付驅(qū)動(dòng)電機(jī)在行走時(shí)，減速機(jī)出軸處的兩個(gè)位置檢測(cè)模塊同時(shí)檢測(cè)計(jì)數(shù)，西門子S7-300 的IM338模塊通過(guò)與編碼器的通訊協(xié)議實(shí)時(shí)讀取計(jì)數(shù)值，通過(guò)西門子可編程控制器CPU 中的編程計(jì)算功能，讀取船閘門機(jī)行走位置。

圖2 PLC 輸入（AI-1）原理圖

船閘主付驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)位移的控制采用糾偏傳感器提供的4-20mA 模擬量信號(hào)和兩個(gè)重跑偏限位開關(guān)，可編程控制器通過(guò)IM331 模擬量輸入模塊動(dòng)態(tài)讀取糾偏傳感器數(shù)值，判斷主付驅(qū)動(dòng)門機(jī)的相對(duì)位置，然后通過(guò)Profibus-DP 總線來(lái)調(diào)整付驅(qū)動(dòng)門機(jī)的運(yùn)行速度。

當(dāng)船閘系統(tǒng)主付驅(qū)動(dòng)門機(jī)相對(duì)位置誤差過(guò)大變頻器難以調(diào)整，重跑偏限位開關(guān)動(dòng)作，PLC 通過(guò)Profibus-DP 總線來(lái)切斷船閘門機(jī)變頻器的運(yùn)行信號(hào)，并且報(bào)警提醒操作人員。

3 船閘門機(jī)電機(jī)變頻器的故障現(xiàn)象及分析

3.1 船閘門機(jī)電機(jī)變頻器故障簡(jiǎn)述

2021 年9 月船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器突停報(bào)“過(guò)電壓故障碼”，電氣檢修人員現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位后重新啟動(dòng)變頻器，變頻器運(yùn)行不久后即發(fā)出焦糊味，現(xiàn)場(chǎng)操作人員手動(dòng)急停閘機(jī)并聯(lián)系電氣。技術(shù)人員對(duì)船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器拆解檢查發(fā)現(xiàn)變頻器應(yīng)用于儲(chǔ)能逆變回路的功率單元模塊擊穿（見圖3 所示），通過(guò)查閱資料判斷為變頻器直流回路的電壓值超過(guò)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(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP 晶體管。IGBT 的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET 基本相同，是一個(gè)場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。當(dāng)在G、E 引腳施加受控正向電壓時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)形成通路，此時(shí)GTR 基極有電流產(chǎn)生，IGBT 晶體管導(dǎo)通，反之當(dāng)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(wú)電流產(chǎn)生，IGBT 晶體管關(guān)斷。IGBT 晶體管的優(yōu)點(diǎn)是阻抗高抗干擾能力強(qiáng)；電壓、電流容量大，安全工作頻率寬。

3.2 船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器IGBT 功率模塊燒毀原因分析

船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)是在變頻器輸出頻率的控制下運(yùn)行的，其轉(zhuǎn)速與變頻器的輸出頻率關(guān)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(shè)備，在減速或者停車的過(guò)程中在物理慣性的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)速有可能超出變頻器所給定的轉(zhuǎn)速，處于超速運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度，產(chǎn)生容性電流，由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)。船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)的再生發(fā)電能量，經(jīng)絕緣柵雙極型晶體管構(gòu)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(guān)器件、電解電容上，而由電力二極管構(gòu)成的整流環(huán)節(jié)具有能量的傳輸不可逆性，導(dǎo)致直流回路的電壓異常升高，中間直流環(huán)節(jié)用于無(wú)功功率交換的晶體管開關(guān)和儲(chǔ)能電容擊穿。

4 預(yù)防整改措施

船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器燒毀后，我公司技術(shù)人員立即查閱變頻器說(shuō)明書圖紙，以變頻器中間直流環(huán)節(jié)IGBT功率模塊過(guò)電壓為分析切入點(diǎn)，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(dòng)機(jī)再生發(fā)電饋回的能量消耗在制動(dòng)電阻上以熱能的形式發(fā)散掉。變頻器制動(dòng)回路工作時(shí)，可使電動(dòng)機(jī)的饋電能量快速耗散。

制動(dòng)環(huán)節(jié)在不同的變頻器中有不同的實(shí)現(xiàn)方式，本水利工程船閘變頻器制動(dòng)原理（如圖4 所示），MCU微控單元檢測(cè)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(guò)設(shè)置定值產(chǎn)生泵升電壓，大于變頻器設(shè)定的直流過(guò)電壓動(dòng)作閾值時(shí)，由38 引腳輸出制動(dòng)脈沖信號(hào)，經(jīng)U37、U8 兩種受控相同的反向驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)制動(dòng)開關(guān)管IGBT7，將外接制動(dòng)電阻與IGBT7 晶體管串聯(lián)進(jìn)行分壓，消耗泵升電壓能量，從而保護(hù)變頻器中間直流環(huán)節(jié)不被過(guò)電壓擊穿。

圖4 能耗制動(dòng)原理

能耗制動(dòng)電阻的選擇要求電動(dòng)機(jī)再生饋電的能量要完全能被制動(dòng)電阻所消耗。變頻器制動(dòng)回路工作時(shí)，中間直流環(huán)節(jié)電壓量變化幅值與RC 有關(guān)，R 為制動(dòng)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(hào)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(dòng)電阻的阻值。

式中，UC為制動(dòng)單元?jiǎng)幼麟妷褐?，船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器設(shè)置值為680V；TM為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（N*m）；TB為制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩；N1為制動(dòng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速（r*min）。根據(jù)船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)銘牌計(jì)算選用100Ω 電阻即可滿足制動(dòng)要求。安裝制動(dòng)電阻后調(diào)節(jié)變頻器參數(shù)為外接電阻能耗制動(dòng)，送電運(yùn)行至今未再出現(xiàn)直流過(guò)電壓故障。

5 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

船閘投運(yùn)后因受北方冬季惡劣的氣候條件影響，其行走導(dǎo)軌早已發(fā)生變形，致使近年來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(guò)電壓能力，簡(jiǎn)單期望靠調(diào)整變頻器參數(shù)和增加變頻器容量來(lái)解決問(wèn)題，未深入挖掘變頻器變頻原理和直流過(guò)電壓原因，在負(fù)載減速期間變頻器長(zhǎng)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(guò)高的逆變饋回電壓有可能擊穿功率模塊，嚴(yán)重甚至?xí)茐碾妱?dòng)機(jī)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(diào)速設(shè)備應(yīng)用廣泛，除船閘這種大慣性負(fù)載外，我們?cè)趹?yīng)用變頻器進(jìn)行節(jié)能調(diào)速時(shí)如碰到：電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的位能負(fù)載（如起重、電梯等）；電動(dòng)機(jī)有可能被拖動(dòng)處于發(fā)電狀態(tài)（如破碎機(jī)、引風(fēng)機(jī)等）。以上幾類負(fù)載的共同特點(diǎn)是，電動(dòng)機(jī)不僅運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)（一、三象限），而且有時(shí)會(huì)運(yùn)行于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)（二、四象限）。本次對(duì)于船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器過(guò)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(jià)值和參考，為日后應(yīng)對(duì)類似情況提供借鑒。