一種艦用電力電子變換電路的故障分析與改進(jìn)

陳淼 魏華 耿攀

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064)

1 引言

隨著艦船自動(dòng)化程度提高，設(shè)置大量低電制電磁閥、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳感器、變送器等測(cè)量用電設(shè)備。這些用電設(shè)備與艦船安全可靠運(yùn)行關(guān)系密切，需要低壓直流電源供電。為此研制可靠電源裝置將艦船三相50 Hz，380 V交流電源變換為低壓直流電源的變換裝置。

交流電源對(duì)直流負(fù)載供電，可采用的電力變換方案有：a)不控整流；b)相控整流；c)帶工頻變壓器的相控整流；d)先經(jīng)不控整流再采用不隔離的高頻 DC/DC變換器；e)AC/DC不控整流、DC/AC高頻逆變、AC/DC整流三級(jí)變換[1]。為保證輸出直流電壓紋波小，動(dòng)態(tài)特性好，采用三級(jí)電力變換，其實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 交流供電時(shí)直流電源實(shí)現(xiàn)方案圖

圖1中通過(guò)中間一級(jí)高頻方波逆變（DC/AC），同時(shí)高頻變壓器將直流負(fù)載與交流電網(wǎng)隔離，高頻變壓器輸出側(cè)直流L2,C2濾波器重量體積不大。

艦用電力電子變換電路技術(shù)參數(shù)要求：

輸入電壓：3 Φ，50 Hz，AC380 V；

輸出電壓：DC25 V；

輸出容量：2.5 kW。

變換電路由濾波電路、升壓電路、逆變電路、降壓電路以及各種檢測(cè)電路組成?？刂齐娐酚奢o助電源、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和過(guò)流、過(guò)壓等保護(hù)電路組成。IGBT驅(qū)動(dòng)電路核心采用 PWM 芯片TL494, 逆變開(kāi)關(guān)器件為 SIMENS公司的BSM200GB120DN2，驅(qū)動(dòng)電路為EXB841。設(shè)置了過(guò)流、過(guò)壓等保護(hù)電路，HL1檢測(cè)直流母線正端的電流， HL2檢測(cè)直流母線負(fù)端的電流。同時(shí)檢測(cè)輸出電壓，將信號(hào)送至TL494,通過(guò)電壓、電流誤差放大器調(diào)整輸出的 PWM 信號(hào)的占空比，從而調(diào)整輸出電壓使其穩(wěn)定在DC25V。

變換電路原理圖如圖2所示。其中C1 、C2為分壓電容。D1、D2 為三相整流橋。L2為直流母線上濾波電容。L3為輸出濾波電容。T1為高頻變壓器，T2為整流變壓器。U2為 2個(gè) IGBT集成半橋模塊，V1～V4為保護(hù)IGBT的穩(wěn)壓管。IGBT開(kāi)通關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制板上TL494集成芯片發(fā)出，經(jīng)EXB841驅(qū)動(dòng)器件驅(qū)動(dòng)。U4為可控硅，用來(lái)切除啟動(dòng)電阻R0。V0為半波整流單元。HL1、HL2為在直流母線正負(fù)極上設(shè)置的電流霍爾傳感器件。

圖2 電力電子變換電路原理圖

2 故障分析及研究

2.1 故障現(xiàn)象

故障一：電路接通時(shí)，三相整流橋D2燒壞，同時(shí)AC380 V輸入端熔芯燒毀。更換三相橋后恢復(fù)正常。故障時(shí)為長(zhǎng)時(shí)間不通電后首次接通電源三相橋燒壞，且都是剛上主電，尚未啟動(dòng)。輸入電壓為AC380 V。

故障二：電路正常工作時(shí)，電路出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)停機(jī)。切斷電路重新接通，電路工作正常。

2.2 故障分析

根據(jù)故障一現(xiàn)象描述，電路故障原因有如下2種。

a）主電路可控硅U4上電時(shí)電壓變化率du dt過(guò)大，導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)觸發(fā)信號(hào)也能誤導(dǎo)通，直流母線上電流過(guò)大。

b） 上電瞬間三相橋D2兩端有過(guò)電壓或過(guò)電流導(dǎo)致整流橋燒毀。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)上述故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，在反復(fù)通斷電路情況下，檢查三相整流橋是否故障。同時(shí)設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)監(jiān)測(cè)。

針對(duì)故障原因中a）種情況，查閱可控硅U4參數(shù)為：

額定通態(tài)平均電流：55 A

斷態(tài)（反向）重復(fù)峰值電壓：1200 V

門極觸發(fā)電流：52 mA

斷態(tài)電壓臨界上升率：500 V/μs。

接通電路，用示波器監(jiān)測(cè)直流主母線上電流值。上電瞬間可控硅正負(fù)極電壓由0跳至540 V，峰值即 540 V，沒(méi)有電壓上沖。正母線電流由 0上升至5 A，充電完成后下降至2A（約80 ms）。波形顯示小于可控硅 U4斷態(tài)電壓臨界上升率500 V/μs。且多次試驗(yàn)三相整流橋均工作正常。

針對(duì)故障原因 b）種情況，整流橋技術(shù)參數(shù)為：

額定正向整流電流：30 A

最高反向工作電壓：1200 V

三相橋輸入410 V，C1、C2大電容兩端電壓為0時(shí)，上電瞬間三相橋D2兩端電壓由0跳變至約600 V，偶爾過(guò)充至700 V。D2輸出電流由0跳變至7 A（最高8 A）然后下降，都小于三相橋參數(shù)值30 A/1200 V。且多次試驗(yàn)三相整流橋工作正常。根據(jù)以上分析，可以推斷出故障原因應(yīng)是三相整流橋器件批次質(zhì)量問(wèn)題。

根據(jù)故障二現(xiàn)象描述，電路故障原因有如下4種，即：

a）電路輸出端短路；

b）電路中電流霍爾檢測(cè)誤差大；

c) 電路中IGBT模塊損壞；

d) 電路中IGBT控制電路故障或受到干擾。

針對(duì)電路輸出端負(fù)載某支路短路情況，檢查各支路用電設(shè)備的絕緣、電路輸入端、輸出端的對(duì)地絕緣。經(jīng)檢查大于10 M，排除a項(xiàng)故障原因。

電流霍爾HL1、HL2檢測(cè)誤差大及U2模塊損壞均可造成電路過(guò)流保護(hù)。在電路運(yùn)行時(shí)經(jīng)示波器對(duì)電流霍爾的波形監(jiān)測(cè)，顯示結(jié)果正常。而U2模塊在裝置停機(jī)時(shí)脫開(kāi)IGBT，萬(wàn)用表對(duì)該模塊檢測(cè)也正常，排除b、c項(xiàng)故障原因。

由此可以得出控制電路的過(guò)流故障應(yīng)是IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)出錯(cuò)或過(guò)流保護(hù)電路抗干擾能力不足而引起的。對(duì)d項(xiàng)故障原因進(jìn)行分析。

IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由TL494輸出的脈沖寬度調(diào)制PWM波。TL494內(nèi)部由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)組成，內(nèi)部電路如圖3所示[2]。

a) 電源：12 V電源送入TL494的12端，其內(nèi)部電路變?yōu)橐粋€(gè)+5 V標(biāo)準(zhǔn)電源，由14端輸出。

b) 鋸齒波發(fā)生器：由 CT、RT構(gòu)成振蕩器，產(chǎn)生鋸齒波，5端的鋸齒波頻率f= 1.1/(RTCT)=20 kHz。即為電路的控制頻率。

c )兩個(gè)誤差放大器

通過(guò)外接電阻電容可以構(gòu)成兩個(gè)運(yùn)算放大器，在控制系統(tǒng)中誤差放大器 I(輸入端為 1，2)作為電壓調(diào)節(jié)器。由TL494 的14端經(jīng)分壓得到Vg＝2.5 V送給2端。輸出電壓U0經(jīng)分壓后引入到1端，2、3點(diǎn)之間接入負(fù)反饋電路。另外誤差經(jīng)放大器(Ⅱ輸入端為15，16)可作為電流調(diào)節(jié)器，15端接入2.5 V對(duì)應(yīng)電流給定，輸出電流I0經(jīng)霍爾傳感器HL3得到檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)分壓后送到誤差放大器Ⅱ的16端，當(dāng)負(fù)載電流小于2倍額定電流時(shí)，放大器Ⅱ的輸出電壓小于放大器Ⅰ的輸出電壓，D1導(dǎo)通，D2截止，這時(shí)電壓 V3由電壓調(diào)節(jié)放大器Ⅰ決定，系統(tǒng)在電壓負(fù)饋?zhàn)饔弥路€(wěn)壓運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)2倍額定電流，放大器Ⅱ的輸出大于放大器Ⅰ的輸出，D2導(dǎo)通，D1截止，于是 V3由電流調(diào)節(jié)放大器Ⅱ決定，使得系統(tǒng)處于限流狀態(tài)運(yùn)行。經(jīng)示波器監(jiān)測(cè)IGBT驅(qū)動(dòng)波形正常。

過(guò)流保護(hù)電路如圖4所示。

正常過(guò)流保護(hù)的工作原理：兩個(gè)電流霍爾HL1及HL2對(duì)直流母線電流進(jìn)行采樣比較，取采樣值大的進(jìn)入LM319正端，LM319負(fù)端為電壓基準(zhǔn)，由電阻R3、R4分壓為L(zhǎng)M319負(fù)端提供7.5V的基準(zhǔn)電壓。若直流母線上電流值小于允許值則輸出為0。D2中2個(gè)與非門構(gòu)成RS觸發(fā)器，此時(shí)三極管T1截止，H1過(guò)流指示燈不亮。當(dāng)直流母線上電流值高于允許值，三極管T1導(dǎo)通，H1報(bào)警指示燈亮，表示過(guò)流報(bào)警，此報(bào)警已鎖存。

圖3 芯片TL494內(nèi)部電路

控制電路誤保護(hù) IGBT停止工作電路無(wú)直流輸出。一旦重新啟動(dòng)，控制電路工作恢復(fù)正常，電路正常直流輸出，與控制電路受干擾引起過(guò)流報(bào)警故障現(xiàn)象較為符合。參見(jiàn)圖4過(guò)流保護(hù)電路，RS觸發(fā)器是由4011芯片中的2個(gè)與非門構(gòu)建。4011芯片的低電平為0.05 V，高電平為11.95 V。原用于鎖存過(guò)流信號(hào)的RS 觸發(fā)器的輸出端通過(guò)引線接到機(jī)箱面板的指示燈 H1上，未加隔離器件，外部的干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致 RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致控制電路過(guò)流保護(hù)。故障定位后，在 4011的10，11腳增加0.01 μf電容后，變換電路能可靠正常工作，未出現(xiàn)過(guò)誤報(bào)警現(xiàn)象，由此故障可以準(zhǔn)確定位在過(guò)流保護(hù)電路抗干擾能力不足。

2.3 故障結(jié)論及改進(jìn)

針對(duì)故障一加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制，遵循標(biāo)準(zhǔn)及企標(biāo)規(guī)定，并加強(qiáng)元器件采購(gòu)、檢驗(yàn)及篩選控制流程。

針對(duì)故障二即在外接指示燈的 R-S觸發(fā)器輸出端接C1、C2兩個(gè)0.01 μF電容，濾除干擾信號(hào)，防止指示燈引線引入的干擾引起過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作。修改后的過(guò)流保護(hù)電路如圖5所示。

圖4 過(guò)流保護(hù)電路圖

圖5 修改后的過(guò)流保護(hù)電路圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)變換電路的設(shè)計(jì)改進(jìn)和試驗(yàn)，很大程度的提高了基于該變換電路電源變換裝置的可靠性。該裝置已多批次裝船使用，實(shí)船使用效果比較理想，有力地保證了全船直流低壓電網(wǎng)供電的安全性及可靠性。該裝置設(shè)計(jì)方案及故障處理措施可廣泛應(yīng)用相關(guān)電力電子器件變換領(lǐng)域，并作為一種成熟可靠直流電源電路具有推廣價(jià)值。

[1]陳堅(jiān).電力電子學(xué).北京： 高等教育出版社, 2001.

[2]徐正喜, 陳濤. 艦用直流升壓變換電路研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 1998, 6： 3-4.