高压变频器功率单元驱动板故障分析及治理

冶金动力METALLURGICALPOWER2017年第8期总第210期高压变频器功率单元驱动板故障分析及治理赵鹏，张攀，王乐（宝钢集团宁波钢铁有限公司能源环保部，浙江宁波315807）【摘要】通过对高压变频器功率单元驱动板故障的实体痕迹分析，确定出了故障的原因，找出了解决问题的办法，保证了高压变频器的安全可靠运行。【关键词】高压变频器；功率单元；驱动板；电源模块【中图分类号】TM344.6【文献标识码】B【文章编号】1006-6764(2017)08-0012-02FailureAnalysisofZinvertHighVoltageInverterPowerUnitDriverBoardandTreatmentZHAOPeng，ZHANGPan，WANGLe(EnvironmentalandEnergyDepartmentofNingboIron&SteelCo.,Ltd.,BaosteelGroup,Ningbo,Zhejiang315807,China)【Abstract】Throughtraceanalysisofapowerunitdriverboardfaultofhighvoltagefre-quencyconverter,thecausesofthefailurewereidentifiedandsolutiontotheproblemwasfound,ensuringsafeandreliableoperationofthehighvoltagefrequencyconverter.【Keywords】highvoltagefrequencyconverter;powerunit;driverboard;powersourcemodule前言2012年12月8日20：10分左右，轧钢粗轧、精轧、炉区高压冷却水8D3水泵高压变频器故障跳机，造成热轧主线停机40min左右，此类故障在2011年的11月份和2012年的4月份、7月份都发生过，且是在不同的高压变频器上（此系列高压变频器共有5套），故障现象和故障原因相似，都是高变频器的功率单元驱动板上的一个二极管烧毁，更换新的备件后变频器恢复正常运行，故障均造成轧钢主线停机几十分钟至一个多小时不等。1故障概况宁钢轧钢水处理共装有Zinvert系列高压变频器5套，分别用在轧线的辊道高压冷却、高压除磷、侧喷等水处理设备上，其中A8H1500/10Y（1250kW）：1套；A8H630/10Y（500kW）：2套；A8H500/10Y（400kW）：1套；A8H450/10Y（355kW）：1套，A8H1500/10Y（1250kW）这套高压变频装置发生过两次同类故障，A8H630/10Y（500kW）发生过一次，还有一次是发生在A8H450/10Y（355kW）上，具体处理步骤如下：（1）首先对8D3高压柜综合保护装置进行了检查，保护装置中没有发现故障记录，高压柜处于分闸状态，排除高压柜到高压变频器之间的电缆和高压柜本身的故障。（2）检查高压变频装置时，在高压变频装置的故障记录中显示有“E108”（单元驱动保护故障）故障代码，故障代码记录时间和事故发生时间一致。（3）对8D3电机进行绝缘测试时，绝缘阻值为：A相对地绝缘为2000M赘，B相绝对地绝缘为2000M赘，C相对地绝缘为2000M赘，电机绝缘状良好。（4）故障范围缩小到高压变频装置本身，在检查到高压变频装置的功率单元时，发现A相的第6个功率单元指示灯全灭，其余装置内的模块及指示均正常，对该功率单元模块供电电压进行测量为AC20V，示值正常。（5）高压变频器故障时，控制器记录的数据，故障类型：单元驱动保护，输入电压：9.61kV、9.62kV、9.63kV，输入电流：27.9A、27.5A、27.2A，输出电压：8.19kV、8.17kV、8.16kV，输出电流：39.2A、39.8A、38.7A，功率单元体信息：A6：7000（其他均为0000）直流电压：900V左右。确定为A相第6个功率单元故障导致此次跳12冶金动力METALLURGICALPOWER2017年第8期总第210期机，更换功率单元后变频器恢复运行。2故障原因分析2.1故障点确定（1）对单元体进行常规的外观目检，发现驱动板电源模块U15处TVS2稳压管烧断开，电路板电源输出部分存在烤黄现象；用万用表检测IGBT等器件各点阻值，未发现其他问题。（2）检查给单元体通控制电源，测试驱动板波形输出无异常，将单元体带负载进行测试无异常。2.2故障原因分析（1）驱动板电源部分设计原理：变频驱动板电源由高隔离变压器提供，变压器供电到驱动板上经整流桥整流后供给两个电源模块U15和U16，两个电源模块输出并联，互为冗余和备用，其电路如图1。每个模块通过瞬态抑制二极管（TVS2和TVS3）进行过压保护。瞬态抑制二极管可将过压尖峰箝位在一个较低的电压上，当电源模块后端有瞬时过压尖峰时，它可以保护电源模块不受后端瞬时过压的影响；当电源模块本身异常产生瞬时过压尖峰时，它可保护模块后端负载不受瞬时过压尖峰影响。电源模块输出为15V，瞬态抑制二极管选型为P6KE18A，理论上可将过压尖峰箝位在18V。两个电源模块通过两条短接线（TX1和TX2）并联在一起，并通过两个二极管（D10和D11）进行并联保护。二极管的单向导通特性保证电流只能从电源模块的15V流出到负载，而不会从外部（包括另一个模块）流入到电源模块的15V内。在电源模块的并联中，参考了厂家的推荐电路，并根据实际应用进行了完善。（2）对驱动板进行分析，主要故障点在TVS2稳压管处，分析可能存在设备运行中TVS2稳压管特性发生变化，钳制电压降低，导致正常工作时，工作电压被TVS管箝位拉低，导致一直有电流从TVS管上流过，长时间的运行使TVS管损坏且附近PCB由于热积累出现变焦变黄现象，导致电源输出出现异常，引起驱动波形发生异常，与设备出现“单元驱动保护”报警现象相吻合，报警记录中A6单元信息代码为：7000，包含驱动故障、过温故障、直流电压异常信息，与电源出现问题的故障原因相吻合。（3）关于此电源设计方式及器件选型，已有数万个单元体应用业绩，极少发生此类异常，可排除设计方面因素；关于TVS2稳压管，经过厂家对该批次原材料进行排查，也没有批次性问题出现，分析认为可能属个别不良现象。（4）单从稳压管损坏的原因看还有就是：①二极管容量不足。②选型不当。比如低频二极管用在高频电路中。③环境温度过高。前两条无法排除，但环境温度过高可以排除，配电室的4台空调全部工作，室内温度在26℃左右，功率单元的柜顶风扇运转正常。3预防改善措施鉴于先后多次存在同类问题的出现，计划从以下几个方面进行改善，以保证设备长期稳定运行：（1）考虑到TVS元件异常后，会引起电源部分发生过流现象，引起电源板及元件烤黄变色，拟在现场定期检修时，安排对系统所有单元体进行拆开检查，排查有无电路板存在变色现象，如有则对驱动板进行预防性更换。（2）在措施1的前提下，利用公司定修期间，对无变色现象的驱动板，通控制电源，1~2h后采用测温仪对TVS元件温度进行检测、记录、对照，对存在较大温度偏差的驱动板进行预防性更换；通过以上处理措施，应基本能保证不良TVS元件剔除完毕。（3）设备厂家要对同批次的原件（下转第16页）图1驱动板电源部分电路图13冶金动力METALLURGICALPOWER2017年第8期总第210期（上接第13页）向其他用户咨询，看是否有同类问题，同时对同批次TVS元件进一步跟踪，统计TVS元件异常情况，如存在同批次元件质量问题，安排进行全部更换。（4）前3条措施是对现阶段存在问题所采取的临时措施，依据上述原因分析中第4条，要求设备厂家对功率单元驱动板的电路进行优化，对电路板中TVS元件重新选型，加大容量，待优化后的驱动板生产出后，对5套高压变频器的120块功率单元驱动板全部更换。4结束语自高压变频装置更换升级后的功率单元模块驱动板后，通过3年多的运行，此类问题再无出现，既验证了此次故障原因分析的准确、彻底，同时保证了轧钢主生产线的正常供水。[参考文献][1]汪英.电路与信号[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.收稿日期：2017－04－05作者简介：赵鹏（1983-），男，2003年毕业于山西工程技术学院电气自动化专业，工程师，现从事电气维护与管理工作。图3优化后励磁控制系统供电示意图跳闸停机，不能够继续稳定运行。为了满足电机瞬间失电不停机要求，与西门子公司工程师研究协商后，将励磁控制系统失压跳闸保护延时由0.2s修改为1.5s，保证电机在励磁电源断电自投过程中能够继续安全稳定运行。（3）电机励磁控制系统及变频器控制系统电源由单台东芝三菱10kVAUPS单独供电为了保证控制系统供电稳定性，电机励磁控制系统及变频器控制系统电源由单台东芝三菱10kVAUPS单独供电，如图3。并且通过交换机将东芝三菱UPS通讯模块与电脑连接，将UPS实时运行状况及时反映到电脑画面中，使岗位值班人员能够在值班室对UPS运行的各项参数及运行状态进行实时监控，确保UPS突发故障情况时，能够及时发现并处理，避免电机停机事故的发生。（4）改善供电电源质量与相关单位联系协商，将西门子同步电机10kV主电源和380V励磁系统供电电源与其他单位设备分段运行，避免其他单位设备启、停机及故障造成电源波动，影响西门子电机安全稳定运行。4优化后运行效果2010年6月优化方案实施后，利用高炉定修机会在电机停机和在线运行两种状况下分别进行了模拟励磁系统供电一段电源故障，另一段电源自投试验，电机在此过程中没有跳闸停机，能够继续安全稳定运行，没有发现异常情况。高炉生产后优化后的励磁系统供电方式正式投用，运行至今已有7年时间，没有发生因励磁系统供电电源故障导致的电机停机事故，运行效果良好。5结束语西门子同步电机励磁系统电源利用两段低压380V厂用电直接供电，采用低压互投开关在断电瞬间实现Ⅰ段、Ⅱ段低压厂用电互投，避免了由于UPS故障导致的电机励磁系统失电，电机停机事故，保证了高炉鼓风机稳定送风。收稿日期：2017－06－21作者简介：陈德权（1985-），男，毕业于辽宁工程技术大学机械工程及自动化专业，工程师，现从事燃气专业技术管理工作。16