電動鉆機大功率變頻裝置故障分析

【摘要】通過對中原油田電動鉆機高壓大功率變頻器燒損故障的分析，研究了鉆機變頻供電高頻諧振與變頻器功率開關器件損壞之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過分析故障時輸出電流與器件觸發(fā)脈沖波形，發(fā)現(xiàn)供電線路諧振造成功率開關器件強制高頻開通、關斷，器件損耗增大；同時高頻諧振又導致功率器件的不完全導通和關斷，器件內(nèi)部發(fā)生局部過流和過熱，從而開關管燒損。該分析對于變頻器的結構設計、控制方法的優(yōu)化具有一定的意義。

【關鍵詞】變頻 振蕩 諧波 過流

1概述

近年來，高壓大功率變頻器得到了越來越多的應用，數(shù)千伏安甚至是兆伏安級的大功率變頻器已經(jīng)逐漸開始應用到工業(yè)現(xiàn)場。其中很大一部分大功率變頻器應用在與負載距離非常遠的地方，如機車牽引、石油鉆采、深海作業(yè)等。變頻器輸出電纜的長度都達到了幾百米，甚至是數(shù)千米，這對變頻器的輸出電壓波形提出了很高的要求。

如果輸出電壓具有非常大的dv/dt（對于GTO器件，dv/dt可達到1000Ｖ/μs，而對于IGBT器件，dv/dt可達到20000Ｖ/μs），由于長線電纜存在分布電感及分布電容，當其波阻抗與電動機的等效阻抗不匹配，則在變頻器與負載電機之間的饋電電纜上可能發(fā)生電壓行波反射現(xiàn)象，形成過電壓；同時由于輸出電壓中包含有嚴重的諧波，在線路電纜中將引起高頻諧振，以上兩方面原因?qū)⒃斐呻娎|或電機的損壞，這在多篇論文中已經(jīng)進行了分析；本文將研究高頻諧振對變頻器的負面影響，詳細分析高頻諧振造成變頻器燒損的機理及解決問題的措施。

2故障情況簡介

我們使用了一臺1000kVA的多電平高壓大功率變頻器來驅(qū)動一臺電動鉆機。為了操作及維護方便，采用了變頻器置于地面動力房的供電方式，因此變頻器距離驅(qū)動電機最遠達到了500m。變頻器在安裝前，運行正常，各項性能指標都達到了要求，滿足現(xiàn)場應用的需要。在現(xiàn)場安裝調(diào)試結束后，鉆機正常運行。但在系統(tǒng)運行1個月后，變頻器發(fā)生燒損。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，變頻器逆變模塊的一個三電平橋臂的四個GTO器件及門驅(qū)動電路燒損，逆變模塊結構見圖1。經(jīng)過仔細測試分析后沒有發(fā)現(xiàn)燒損的原因，于是更換了GTO及其它器件后繼續(xù)運行。但一段時間后變頻器又發(fā)生燒損，以至于在隨后的不到一年的運行中先后發(fā)生了多次變頻器燒損，造成非常巨大的損失。為了找到燒損的原因，我們與變頻器生產(chǎn)廠家一起進行了深入的調(diào)研，采用故障跟蹤系統(tǒng)對變頻器所有的驅(qū)動、保護、狀態(tài)及輸出電壓、電流信號進行了實時跟蹤記錄，對每次損壞時記錄的數(shù)據(jù)進行了故障分析。

3故障分析

變頻器的直流母線電壓是1000V，開關器件采用的是TOSHIBA生產(chǎn)的SG2000EX24型號的GTO，其正向阻斷電壓為2500V，由于本變頻器采用三電平結構，每個GTO所承受的電壓為直流母線電壓的一半，所以所選用器件的電壓等級沒有問題。在對燒損的變頻器檢測時發(fā)現(xiàn)有6次燒損時其snubber電路并沒有損壞，(其余兩次盡管snubber電路損壞，但極有可能是GTO燒損時電流拉弧造成)，所以可以排除過壓燒損的可能。

變頻器的最大輸出電流為800A，所選GTO的關斷電流為1500A，電流等級也沒有問題。直流母線側的限流電感也沒有損壞，可以排除是di/dt的原因。另外我們發(fā)現(xiàn)一個非常特別的現(xiàn)象，大多數(shù)的損壞并不是發(fā)生在變頻器輸出電流最大的時刻，即鉆機剛起動的時刻，而是發(fā)生在鉆機轉(zhuǎn)速最高的時刻，此時變頻器輸出電流較小，特別是當鉆機從最高速度開始減速運行時，電流非常小。這進一步排除了過流損壞的可能。

進一步分析故障跟蹤系統(tǒng)記錄下的變頻器燒損時的系統(tǒng)狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)GTO的觸發(fā)脈沖邏輯順序，死區(qū)設置等都沒有問題。而在分析系統(tǒng)狀態(tài)與輸出電流波形時發(fā)現(xiàn)了異常，見圖2。

圖2中上邊六條曲線是變頻器六個橋臂的GTO狀態(tài)圖，下面六條曲線是六個橋臂的輸出電流波形。（為了實現(xiàn)變頻器的高壓大電流輸出，本變頻器采用兩個逆變模塊組合而成，故有六個橋臂）。在靠近右端的波形畸變處為燒損時刻。為了仔細分析波形，我們選擇一號橋臂的GTO狀態(tài)與輸出電流波形進行放大分析，見圖3。

上面一條波形是橋臂上四個GTO動作的狀態(tài)，通過不同時刻不同GTO的開通和關斷構成了多電平的輸出，由波形可以算出此時變頻器的輸出頻率為230Hz。由下面的一條變頻器的輸出電流波形可以看出，在輸出的正弦波上疊加有振蕩波形，這就是輸出電纜諧振造成的。對輸出電流波形進行快速傅立葉分析，見圖4，可見除230Hz的基波外，還存在幅值幾乎同等大小的2530Hz左右的高頻諧波，正好是基波的11次諧波。11次諧波電流幅值如此大正是由于變頻器長距離輸出電纜的分布電感及分布電容的阻抗，正好與11次諧波發(fā)生諧振造成的。同時還存在幅值較小的5次、7次、13次、17次等諧波。

從電流波形可以看到正是由于如此大的諧波振蕩，正弦基波被強制振蕩過零，其頻率近似達到了2500Hz。而電流在零點附近的振蕩又將強迫GTO導通和關斷，不再受門極觸發(fā)信號的控制，也就是說GTO的開關頻率被強制達到了2500Hz，而如此大功率的GTO器件的推薦使用開關頻率為不超過1000Hz，因此這是導致GTO溫度升高的原因之一。

進一步分析GTO的開關過程，發(fā)現(xiàn)問題嚴重得多。GTO是由許多GTO微單元并聯(lián)而成的，數(shù)百個以上的GTO微單元制作在同一個硅片上，每個GTO微單元的特性總會存在差異，使得GTO微單元的電流分布不均，導通狀態(tài)壓降不一。在開通過程中，導通區(qū)有一個從小到大的擴展過程，陽極電流有一個上升的過程，陽極電壓也有一個下降的過程，所以此時開關損耗非常大。為了縮短GTO陽極電流滯后時間、加速GTO陰極導電面積的擴展，減少開關損耗，觸發(fā)脈沖必須采用強觸發(fā)，其波形見圖5。導通觸發(fā)脈沖的前沿陡度dv/dt要足夠大，脈沖前部幅值要足夠大，維持10～60μs。其后半部波形幅值很小，僅為前半部的1/5左右(理論上可以為零)，其作用在于減小導通時的管壓降，降低功耗和管子溫度。由圖3可以看出，在GTO的一個觸發(fā)周期內(nèi)由于諧振的原因GTO要反復開通多次，除第一次開通外其余的開通都是在觸發(fā)脈沖的強觸發(fā)結束以后進行的。在失去強觸發(fā)的條件下使得有些GTO微單元處于非導通狀態(tài)，僅有部分微單元處于導通狀態(tài)，承受全部負載電流，因而形成局部過流、過熱進一步造成GTO燒損。

在GTO關斷過程中，由于尖峰電壓和尾部電流的存在，關斷瞬間也產(chǎn)生很大的瞬態(tài)功耗，一般在幾微秒至幾十微秒，因此在所有的GTO微單元都能同時關斷的理想情況下，關斷損耗不會使整個PN結的溫度發(fā)生很大的變化，可是如果各個GTO微單元不是同時關斷，就可能使關斷瞬態(tài)功耗集中在個別關斷較晚的GTO微單元上，從而形成局部過流，使GTO產(chǎn)生局部過熱點，造成GTO燒損；或使GTO漏電流顯著增大，當漏電流大于某個GTO微單元的擎住電流時，GTO將發(fā)生再導通現(xiàn)象，導致系統(tǒng)短路，變頻器燒損。所以為了加快關斷過程，提高各個GTO微單元動作的同時性，必須對門極施加很大的關斷電流，關斷時門極負電流越大，關斷時間越短，GTO微單元動作的同時性越強，該變頻器的驅(qū)動門電路為GTO提供高達1000A的關斷電流。但由圖3可以看出由于振蕩造成的GTO反復關斷是在GTO的一個觸發(fā)脈沖周期內(nèi)，除了最后一次關斷有門極關斷信號外，其余幾次關斷根本就沒有門極關斷觸發(fā)信號，所以關斷損耗變大，GTO微單元形成局部過流，最終導致系統(tǒng)燒損。

經(jīng)過以上分析，消除線路的高頻振蕩是解決這一問題的關鍵。在現(xiàn)場我們通過變頻器輸出端外接輸出濾波器和線路匹配電感等方法有效的解決這一問題，改進后鉆機一直正常運行。此外也可以通過改進變頻器的控制方法，如采用消除輸出特定諧波的算法(如SHEPWM)，高頻振蕩問題可以得到有效抑制。

4結束語

在變頻器輸出電纜比較長的情況下，線路發(fā)生的高頻諧振不僅將引起電機和電纜的過壓燒損，而且對變頻器的正常運行也造成很大的影響，其根本危害在于在沒有合適觸發(fā)脈沖的條件下強制開關器件高頻開通和關斷（局部開通和關斷）。另外在變頻器驅(qū)動感性或容性負載時，即使線路沒有振蕩，如果電壓和電流相位差較大的情況下，也會發(fā)生類似的情況，特別是多電平變頻器。只不過這種條件下因為沒有振蕩，局部開通或關斷的頻率沒有超過設計的開關頻率范圍，對系統(tǒng)的影響較小。因此在設計變頻器系統(tǒng)的控制方法及門極觸發(fā)脈沖波形時對以上兩種情況應給予充分考慮。