預(yù)精軋SM150功率模塊燒壞原因分析及處理

楊云峰

（山西通才工貿(mào)有限公司， 山西 曲沃 043400）

預(yù)精軋SM150功率模塊燒壞原因分析及處理

楊云峰

（山西通才工貿(mào)有限公司， 山西 曲沃 043400）

針對山西通才工貿(mào)有限公司雙高線A線預(yù)精軋SM150傳動柜IGBT功率模塊燒毀情況，分析故障曲線、查看OP177故障記錄并追溯判斷故障來源，綜合各種情況并通過排除法找出燒毀原因，最終提出相應(yīng)的處理方法和注意事項。

預(yù)精軋 SM150傳動柜 IGBT功率模塊 灰塵 成對更換

山西通才工貿(mào)有限公司雙高線A線于2012年5月28日正式投產(chǎn)，預(yù)精軋17/18架機組為引進(jìn)達(dá)涅利高速線材預(yù)精軋機組，電機為上海電機廠生產(chǎn)的2 200 kW、3 300 V的交流異步電動機，驅(qū)動裝置采用西門子風(fēng)冷型SINAMICS SM150，其功率元件采用IGBT模塊，控制單元為SIMOTIOND445-1。

預(yù)精軋機組在正常運行的情況下，SM150傳動柜報警停機。停電后打開SM150，模塊組A11-IGBT炸管，其控制板燒糊，同時造成與其相連的直流母排部分絕緣破壞，柜門內(nèi)側(cè)直流母排被不同程度地?fù)p壞。更換兩組IGBT并對母排做絕緣處理，對碳化部分進(jìn)行打磨擦拭處理，操作完成后，送電試機運行，正常過鋼。

1 IGBT損壞原因分析

1.1 分析故障曲線

從故障曲線（見下頁圖1）可以看出：事故前進(jìn)線電壓從3 381 V上升至3 435 V，設(shè)定值為上限10%、下限20%，在正常范圍內(nèi)；在空載情況下，力矩從1.1%下跌至-139.9%，電流從14.7%上升至199.8%；經(jīng)過0.021 s，進(jìn)線電與直流電停電，證明此時SM150已故障分閘，經(jīng)過0.035 s直流電流從3 A上升至1 598 A，IGBT被擊穿；判斷SM150出現(xiàn)異常，雖然緊急停機但未能阻止事故進(jìn)程。

1.2 分析OP177故障記錄

1.2.1 故障記錄

1）WA71/C4 communication fault operator panel。

2）WA71/C4 communication fault active infeed1。

3）WA71/C4 external pulse disable。

1.2.2 通過故障追溯判斷故障來源

1）communication fault operator panel為 OP177通訊中斷。

2）communication fault active infeed1為 SIMOTION_CX32-A_INFMV的通訊狀態(tài)字1。

3）externalpulsedisable 為 SINAMICS_Vector-TM15通訊狀態(tài)字1。

4）通過SIMOTION SCOUT也未能找到故障發(fā)生前有效的警告或異常信息。

1.3 綜合以上因素考慮各種情況

1）正常運行時，由于控制電源出現(xiàn)線路虛接或斷路器接觸不良等故障，造成控制電壓瞬間降低或丟失，裝置失電重啟，通訊出現(xiàn)中斷，IGBT導(dǎo)通失控，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT損壞。

2）由于IGBT組件安裝工藝復(fù)雜，對操作人員要求高。日常清潔處理能將其表面浮灰清除，而部分灰塵附著在其背面難以通過普通方式得以清除，為故障的發(fā)生提供了條件?？紤]可能會由于灰塵使IGBT控制板局部短路而造成IGBT錯誤導(dǎo)通短路放炮。

3）IGBT損壞瞬間釋放較大能量形成局部放炮，導(dǎo)致其控制板損壞，而控制板的損壞造成控制電源瞬間異常，進(jìn)而造成D445-1與OP177 SIMOTION_CX32、SINAMICS_Vector通訊中斷，故障信息采集失敗。［1］

1.4 根據(jù)2.3分析所得情況對可能原因進(jìn)行排除

1）對SM150所有控制電源及其進(jìn)線進(jìn)行相關(guān)檢查，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)部分有問題，排除由此造成的可能。

圖1 故障曲線

2）灰塵對IGBT控制板的損害主要集中在兩個方面：一是粉塵對電路板的腐蝕。事故發(fā)生時，控制板部分已經(jīng)損毀，剩余部分在30倍放大鏡下未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕情況，對電路板元件使用儀表進(jìn)行單獨測試，發(fā)現(xiàn)所有元件性能正常。二是灰塵積聚過厚，會與濕氣形成電阻，可能會導(dǎo)致電源短路和控制失靈。但此SM150為風(fēng)冷型，控制室冷卻由空調(diào)完成，而空調(diào)本身具有除濕功能且事故當(dāng)天天氣晴朗，室內(nèi)環(huán)境較為干燥，從控制板損壞現(xiàn)象看更接近于由外部對其造成的傷害，據(jù)此考慮灰塵可能為故障的發(fā)生提供了條件但不是主要原因。

3）SM150電壓為3.3 kV，IGBT塊被串聯(lián)連接用于電壓分布，串聯(lián)IGBT運行時，因其個體的性能差異和外圍電路參數(shù)不一致等原因會造成串聯(lián)各IGBT上出現(xiàn)分壓不均衡的現(xiàn)象，即靜態(tài)均壓失衡和動態(tài)均壓失衡。靜態(tài)均壓失衡的主要原因是器件的斷態(tài)阻抗不同，串聯(lián)后在器件上造成電壓的分配不均。由于串聯(lián)的lGBT開通和關(guān)斷過程不同步而引起的瞬態(tài)電壓分配不均被稱作動態(tài)均壓失衡。均壓失衡的后果是導(dǎo)致某個或某幾個器件出現(xiàn)電壓尖峰。均壓失衡和動態(tài)均壓失衡都會引起器件被擊穿，隨著使用年限的增加，IGBT的性能差異不斷增強，當(dāng)這種變化達(dá)到一定條件，就會發(fā)生故障［2］。另外，IGBT橋臂在正常運行時，IGBT將依次開通和關(guān)斷，其開通時間和關(guān)斷時間不是嚴(yán)格一致的。為了避免橋臂直通，在控制中設(shè)定一個死區(qū)時間。要首先關(guān)斷其中一個，然后在死區(qū)時間結(jié)束時開通另外一個，這樣就能夠避免由于開通時間和關(guān)斷時間不對稱造成的直通現(xiàn)象，但在實際使用過程中隨著IGBT的逐漸老化，原有的死區(qū)時間不能滿足要求，就會造成兩個IGBT同時導(dǎo)通，引起擊穿［3］。

2 處理方法及注意事項

1）利用P0070直流母線電壓實際值總值［0］= P0070直流母線電壓實際值正極對M極［1］+P0070直流母線電壓實際值負(fù)極對M極［2］，經(jīng)D445-1與主軋線PLC通訊將此三個信號通過IBAPDA進(jìn)行實時監(jiān)控，并在PLC中編輯程序，當(dāng)P0070［1］與P0070［2］差值大于1‰時程序開始報警。

2）保持傳動柜內(nèi)元器件清潔對設(shè)備安全運行至關(guān)重要，但預(yù)精軋機SM150柜因采用風(fēng)機冷卻，柜內(nèi)灰塵積聚太多，死角無法清理，存在安全隱患。于是決定對傳動柜進(jìn)行密封處理，盡量減少灰塵影響，并由西門子專業(yè)人員對SM150進(jìn)行定期預(yù)維護(hù)。

3）鑒于SM150對電氣人員素質(zhì)要求較高，因此在今后一段時間內(nèi)應(yīng)加強對電氣人員的技術(shù)培訓(xùn)，提高檢修人員的操作技能。

4）對于SM150柜內(nèi)模塊的更換，必須成對更換，西門子提供備件也是成對提供的，并且在模塊的端側(cè)貼有相同編號的標(biāo)記。隨意單獨更換某一個損壞的模塊，將會因模塊性能的微小偏差，造成成對模塊開關(guān)不同步，本應(yīng)由兩個模塊共同承受的的電壓，瞬間會由一個模塊承擔(dān)，時間稍長就會造成另一個模塊損壞。如第95頁表1所示，成對組件為：A11+A12和A13+A14，A21+A22和 A23+A24，

表1 IGBT在整流柜內(nèi)布置

相UVW功率組件1 A11 A21 A31功率組件2 A12 A22 A32 A15 A25 A35功率組件3 A13 A23 A33功率組件4A14A24A34

TG333.11

A

1672-1152（2016）05-0091-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.32

2016-08-11

楊云峰（1983—），男，電氣工程師，主要負(fù)責(zé)雙高線電氣設(shè)備管理工作。