變流器晶閘管故障分析及處理方法

天地科技股份有限公司　李建華

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變流器晶閘管故障分析及處理方法

天地科技股份有限公司李建華

本文以大功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象，通過(guò)分析變流器運(yùn)行過(guò)程中的工作狀態(tài)，總結(jié)變流器發(fā)生故障的原因，針對(duì)晶閘管出現(xiàn)故障的原因確定其相應(yīng)地處理方法。通過(guò)實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法的有效性和可靠性。

變流器晶閘管；故障分析；處理方法

1　概述

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)是保證礦井安全生產(chǎn)工作的關(guān)鍵設(shè)備，電控系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行決定了礦井生產(chǎn)工作人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。大功率變流器是礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的核心組成部分，變流器是否安全可靠運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)電控系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的工作。晶閘管是變流器的核心工作元件，變流器故障往往都是由晶閘管故障所引起，因此，對(duì)晶閘管故障狀態(tài)進(jìn)行跟蹤分析，并尋找合適的處理方法，可以快速的對(duì)變流器工作過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行快速響應(yīng)，甚至對(duì)晶閘管潛在的故障進(jìn)行可靠的診斷，從而保證了大功率變流器的安全可靠運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)電控系統(tǒng)的正常工作。

2　變流器晶閘管故障原因分析

2.1晶閘管故障分析

晶閘管故障可以從兩方面判斷：

（1）燒斷熔斷器熔斷器被燒斷說(shuō)明有非常大的電流，產(chǎn)生大電流可能有以下原因：

1）晶閘管故障（陽(yáng)極和陰極短路）導(dǎo)致模塊內(nèi)部進(jìn)線側(cè)相間短路。

2）4-Q 變流器中的環(huán)流（而不是晶閘管故障）導(dǎo)致模塊內(nèi)部進(jìn)線側(cè)相間短路。

3）直流輸出端沒有足夠的阻抗而短路。

4）逆變顛覆（動(dòng)態(tài)制動(dòng)，直流側(cè)有大電流高 EMF，同時(shí)交流輸入電壓低）。

（2）波形監(jiān)視器

波形監(jiān)視器顯示直流輸出的波形脈動(dòng)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常波形。造成這種情況的原因通常是一個(gè)晶閘管不工作，從而導(dǎo)致波形出現(xiàn)低谷。

由于電流環(huán)的控制作用，會(huì)迫使其他的晶閘管出現(xiàn)一定的過(guò)載來(lái)補(bǔ)充電流的低谷，從而保持恒定的平均電流。當(dāng)導(dǎo)通角a≤90°時(shí)，這種補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致波形監(jiān)視故障。在制動(dòng)或逆變狀態(tài)時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致燒斷熔斷器。

導(dǎo)致晶閘管無(wú)電流的原因有：

（1）六個(gè)晶閘管中其中的一個(gè)和熔斷器連接分?jǐn)?。如? 個(gè)外部交流輸入熔斷器中有一個(gè)燒斷，變流器將引缺相而立刻停止工作。

（2）晶閘管沒有收到觸發(fā)脈沖。

（3）電流控制器可能與直流負(fù)載完全不匹配。

（4）交流電網(wǎng)供電導(dǎo)致錯(cuò)誤信息，此時(shí)不對(duì)稱相位角偏移，相電壓不平衡或功率補(bǔ)償器和濾波器都可能是導(dǎo)致錯(cuò)誤的原因。

2.2晶閘管故障定位

變流器中的熔斷器燒斷，極有可能是有晶閘管故障引起的。為進(jìn)一步定位故障并進(jìn)行相應(yīng)地處理，應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的模塊采用兩種方法進(jìn)行故障原因判定。

（1）變流器D1～D4 （20～1000 A）

1）變流器必須和主電斷開。

2）直流輸出至少一端必須和電機(jī)斷開。

3）用歐姆表測(cè)量交流輸入端和直流輸出端（ U1 至 C1， V1 至C1， W1至 C1， U1 至 D1， V1 至 D1 還有 W1 至 D1）：

正常情況下，每次測(cè)量的阻值都應(yīng)大于1k，如果其中一路的阻值小于1k，說(shuō)明這一路上的晶閘管故障。 如果變流器是半控的，則每個(gè)晶閘管模塊包含兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管。這種情況下只需知道是哪對(duì)晶閘管故障就可以了，因?yàn)楸仨殞⒎床⒙?lián)的晶閘管同時(shí)更換。更換完晶閘管后，還要按照前面說(shuō)的再測(cè)量一次，確保所有故障晶閘管都找到了。

注意 ：阻容吸收電路可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量剛開始時(shí)的阻值短時(shí)間為0。如果測(cè)量的阻值小于 1，應(yīng)將兩個(gè)表筆交換位置，反向再測(cè)量一次。如果結(jié)果相同，一定是這個(gè)支路上的晶閘管發(fā)生故障，需要更換。

（2）變流器 D5、D6和D7 （900～5200 A）

這些變流器模塊內(nèi)部的功率部分裝有熔斷器。

變流器必須和主電斷開。

●熔斷器燒斷

（1）當(dāng)一個(gè)熔斷器燒斷，它所在的一路上的有故障的晶閘管或反并聯(lián)的晶閘管已經(jīng)和其它的晶閘管斷開了。

（2）當(dāng)晶閘管沒有被拆下時(shí)，先要按照前面說(shuō)的測(cè)量電阻。

（3）4-Q 變流器中還要進(jìn)一步判斷是正向還是反向晶閘管需要更換。

（4）更換完晶閘管后，還要按照前面說(shuō)的再測(cè)量一次，確保所有故障晶閘管都找到了。

注意：如果電機(jī)沒有和變流器斷開，測(cè)量結(jié)果可能有誤。

●波形監(jiān)視器

如果波形監(jiān)視器故障，原因和前面的一樣：

（1）根據(jù)前面的測(cè)量判斷熔斷器和晶閘管是否正常。

（2）如果功率部分器件看起來(lái)正常，而一個(gè)或多個(gè)晶閘管沒有電流通過(guò)，就需要檢查脈沖觸發(fā)器和晶閘管門極之間是否正常工作；具體要檢查：

1）脈沖放大器輸入側(cè)是否有信號(hào)

2）脈沖放大器輸出側(cè)是否有信號(hào)

3）脈沖是否發(fā)送到門極以及連接是否有問(wèn)題

4）觸發(fā)脈沖是否將晶閘管導(dǎo)通以及是否所有測(cè)量位置的脈沖形狀都相同

（3）檢查電流控制器的設(shè)定。

（4）同時(shí)測(cè)量并記錄3相交流電源的線電壓和電流。

3　變流器晶閘管故障處理方法

3.1故障晶閘管初步定位

通過(guò)正反向分別測(cè)量 U1， V1， W1和C1， D1間的電阻來(lái)找到故障支路（如圖1所示）：

圖1　大功率變流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.2故障晶閘管拆除前準(zhǔn)備

（1）在直流銅排和散熱器之間插入一小片絕緣物，如一張紙或塑料片。

（2）正反向測(cè)量直流銅排和散熱器之間的阻值。

（3）再測(cè)量絕緣的散熱器和與熔斷器相連的散熱器之間的電阻。

（4）根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷兩次測(cè)量點(diǎn)之間的晶閘管，哪個(gè)需要更換。

3.3拆除故障晶閘管

（1）拆除直流和交流母排的螺栓；拆除快熔，如果損壞的晶閘管被快熔遮擋；

（2）松開背板固定螺絲，保證背板能上下移動(dòng)；

（3）記下將要拆除的晶閘管的方向和位置，標(biāo)記好觸發(fā)線；

（4）拆除觸發(fā)線；

（5）松開模塊頂部的緊固螺釘；

（6）用拆除專用工具將故障晶閘管上下側(cè)的散熱器撐開；

（7）拆除晶閘管。

圖2　晶閘管安裝布置圖

3.4安裝新的晶閘管

（1）確定新的器件的型號(hào)正確。保持半導(dǎo)體器件和工作臺(tái)清潔，如果需要，用軟紙沾有機(jī)溶劑擦拭。

（2）使用柔軟浸有有機(jī)溶劑的紙擦干凈半導(dǎo)體的接觸面，并晾干。然后再接觸面上薄薄的涂抹一層導(dǎo)熱硅脂。

（3）使用柔軟浸有有機(jī)溶劑的紙擦干凈將要和半導(dǎo)體接觸的表面（散熱器，AC和DC銅排），并晾干。注意不要用力擦拭，以免造成劃痕。

（4）將晶閘管放到將要安裝的位置。轉(zhuǎn)動(dòng)晶閘管，使觸發(fā)線轉(zhuǎn)向正確的方向。

（5）插上觸發(fā)信號(hào)線。

（6）用手緊固螺釘，直到螺帽接觸到模塊。

（7）用套筒扳手緊固螺釘，一次緊半圈，直到指示彈簧指示合適的力矩。

（8）測(cè)量阻值確認(rèn)晶閘管完好。

（9）重新安裝 DC / AC 銅排，熔斷器和其他零件。

（10）測(cè)量 U1， V1， W1 和 C1， D1端的電阻，確認(rèn)功率部件完好。晶閘管的具體布置方法參考圖2所示。

4　結(jié)語(yǔ)

本文以大功率變流傳動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象，重點(diǎn)分析了變流器故障發(fā)生的原因，詳細(xì)分析了晶閘管故障產(chǎn)生的原因及其對(duì)變流器正常工作的影響。通過(guò)分析晶閘管發(fā)生故障時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象，總結(jié)晶閘管發(fā)生故障的原因，針對(duì)晶閘管出現(xiàn)故障的原因確定其相應(yīng)地處理方法。最后通過(guò)實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法的有效性和可行性。

［1］J.Rodriguez，J.S.Lai，F(xiàn).Z.Peng.Multilevel inverters:A survey of topologies，controls，and applications［J］.IEEE Trans.Ind.Electron.2002:49（4）:724-738.

［2］TolbertLM，Pang F Z，Habeleler T G.Multilevel converters for large electric drivers［J］.IEEE Transion Ind Appl，1999，35（1）:36-43.

［3］To lbert L，Habet ler T G Novel Multilevel Inverter Carrier.based PWM Method［J］.IEEE Trans，1999，35（5）:1098-1107.

［4］徐德鴻，程肇基.電力電子電路故障診斷的新方法——沃爾什分析法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1993.

［5］崔博文.基于傅里葉變換的逆變器故障檢測(cè)新方法［J］.安徽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，30（7）:41-47.

李建華（1978—），男，內(nèi)蒙古人，工學(xué)學(xué)士，工程師。