電推船有源前端變頻器原理分析與故障處理

計(jì)紅雷

“華吉”輪是一艘4 000噸的海洋油田供應(yīng)船，舵槳采用STEERPROP公司的SP25D全回轉(zhuǎn)Z型傳動(dòng)系統(tǒng)，推進(jìn)變頻器為兩套ABB公司的STADT6-AC-2-0有源前端正弦波脈寬調(diào)制交-直-交變頻器，推進(jìn)電機(jī)為ABB三相異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)，額定功率2000千瓦，設(shè)備型號(hào)：STADT6-AC-2-0（SAC1518），生產(chǎn)廠家為 ABB。

電力推進(jìn)的海洋油田供應(yīng)船為新型、綠色船舶，推進(jìn)變頻器是電力推進(jìn)船的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。本文結(jié)合一起典型的變頻器故障，分析其技術(shù)原理和故障原因，提出故障修復(fù)方法和維保管理的注意事項(xiàng)，供業(yè)界參考。

一、故障簡(jiǎn)介

2019年7月“華吉”輪在油田待命期間，接到油田作業(yè)指令準(zhǔn)備備車(chē)，備車(chē)完成后，機(jī)艙與駕駛臺(tái)電話確認(rèn)可以啟動(dòng)主推進(jìn)器，駕駛員確認(rèn)控制面板狀態(tài)正常，開(kāi)始一鍵啟動(dòng)，發(fā)現(xiàn)右車(chē)啟動(dòng)成功，但左車(chē)沒(méi)有反應(yīng)，且駕駛臺(tái)舵槳控制面板無(wú)異常報(bào)警。此時(shí)機(jī)艙報(bào)告電站上1號(hào)主發(fā)電機(jī)過(guò)載跳電脫閘正在處理，發(fā)電機(jī)檢查正常，控制電腦主開(kāi)關(guān)報(bào)警復(fù)位。重新啟動(dòng)還是無(wú)反應(yīng)，機(jī)艙人員發(fā)現(xiàn)左車(chē)濾波器報(bào)警，立即到主推間檢查，發(fā)現(xiàn)左主推進(jìn)器控制箱變頻器的門(mén)被震開(kāi)，左推進(jìn)器變頻器控制箱內(nèi)部有煙霧，該推進(jìn)變頻器一組Power Block模塊出現(xiàn)故障現(xiàn)象，里面的一個(gè)變頻器IGBT模塊完全燒壞，左主推進(jìn)器變頻器大部分板卡損壞，造成左主推進(jìn)器不能正常工作。

船上人員無(wú)法對(duì)故障的原因及損害情況作進(jìn)一步的檢查和恢復(fù)，報(bào)請(qǐng)公司后只能單車(chē)運(yùn)行，回港等待專(zhuān)業(yè)服務(wù)人員上船檢查檢修。

二、現(xiàn)場(chǎng)檢查

（1）對(duì)變頻器進(jìn)行斷電處理，搖出690伏配電板主開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)預(yù)勵(lì)磁開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)風(fēng)機(jī)水泵開(kāi)關(guān)并掛牌上鎖。

（2）連接電腦查看變頻器所有故障信息，并未發(fā)現(xiàn)任何異常報(bào)警。查看傳送到IAS的監(jiān)控報(bào)警的報(bào)警記錄顯示變頻器發(fā)生故障時(shí)的報(bào)警為FC1 common alarm 和FC1 LCL filter fuse brown以及AZ1 Drive SYS common alarm。

（3）斷開(kāi)控制電源，然后檢查發(fā)現(xiàn)左邊整流側(cè)R相出現(xiàn)嚴(yán)重的故障痕跡，IGBT、CT和銅排等一并損毀。整流側(cè)S相也出現(xiàn)銅排凸出的痕跡，內(nèi)部IGBT受損。整流側(cè)T相未發(fā)現(xiàn)明顯故障痕跡。檢查MDC板，發(fā)現(xiàn)MDC板上兩個(gè)元器件C119和IC27明顯損壞。

（4）檢查變頻器另一組Power Block模塊，發(fā)現(xiàn)整個(gè)模塊外觀尚可，無(wú)明顯故障的痕跡，因受旁邊模塊爆炸影響，已經(jīng)不能確認(rèn)原來(lái)里面的清潔狀況。

（5）IAS故障顯示LCL進(jìn)線屏有1個(gè)保險(xiǎn)絲損壞，檢查發(fā)現(xiàn)LCL進(jìn)線L3相保險(xiǎn)絲燒壞，R、S兩項(xiàng)熔絲正常。

（6）檢查了所有安裝銅排和連接螺絲以及接地電纜，銅牌未發(fā)現(xiàn)有明顯松動(dòng)現(xiàn)象，多個(gè)變頻器模塊連接緊固不足，存在著接觸不良的可能。

（7）檢查了變頻器的水質(zhì)，肉眼查看無(wú)任何異常。沒(méi)有可見(jiàn)的顆粒或者鐵銹情況。

（8）了解出現(xiàn)故障前的操作情況：船員對(duì)變頻器備車(chē)完畢，啟動(dòng)操作前未發(fā)現(xiàn)異常，第一次啟動(dòng)沒(méi)有成功，船員檢查發(fā)電機(jī)組的電力供應(yīng)，未發(fā)現(xiàn)有故障，直接進(jìn)行了第二次啟動(dòng)，沒(méi)有成功，到機(jī)旁檢查發(fā)現(xiàn)變頻器IGBT模塊已經(jīng)炸毀。

三、電力推進(jìn)配置與有源前端變頻原理

長(zhǎng)期以來(lái)，民用船舶主推進(jìn)系統(tǒng)都是由柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)船舶。隨著技術(shù)的進(jìn)步，大功率電力電子器件及其構(gòu)成的變頻器技術(shù)不斷成熟與完善，電力變頻推進(jìn)技術(shù)被更多使用在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，未來(lái)有普及推廣的趨勢(shì)。與傳統(tǒng)推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)布置安裝靈活，省去了大量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，燃油經(jīng)濟(jì)性好，正倒車(chē)反應(yīng)速度快，低速特性極佳，操縱靈活機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，并且具有堵轉(zhuǎn)性能，大大降低了螺旋槳繞異物時(shí)對(duì)設(shè)備造成的損害，非常適合平臺(tái)作業(yè)船舶。

目前船舶電力推進(jìn)應(yīng)用中常見(jiàn)有整流器、交-交循環(huán)、交-直-交電流源型、交-直-交電壓源型四種變頻器，其中交-直-交電壓源型最為常用。脈寬調(diào)制（pulse width modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM）是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個(gè)所需的電壓或電流信號(hào)。

“華吉”輪電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)組、電站及管理系統(tǒng)、變頻器推進(jìn)電機(jī)及舵槳系統(tǒng)構(gòu)成，見(jiàn)圖1。

圖1 “華吉”輪電力推進(jìn)系統(tǒng)

四套主發(fā)電機(jī)組G1～G4，每套由一臺(tái)卡特彼勒3512C四沖程電噴柴油機(jī)與一臺(tái)ABB永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)組成，單機(jī)功率1 360千瓦，總?cè)萘? 440千瓦，電制三相690伏/60赫茲。電站采用康世博K-chief-600自動(dòng)管理系統(tǒng)，推進(jìn)變頻器為兩套ABB公司的STADT6-AC-2-0有源前端正弦波脈寬調(diào)制交-直-交變頻器，推進(jìn)電機(jī)為ABB三相異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)，額定功率2 000千瓦，舵槳采用STEERPROP公司的SP25D全回轉(zhuǎn)Z型傳動(dòng)系統(tǒng)。主發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能送至自動(dòng)電站，電站按照負(fù)荷將電源合理分配至主推進(jìn)裝置，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)定距螺旋槳單向旋轉(zhuǎn)，船舶加減速靠變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向通過(guò)舵槳系統(tǒng)360度旋轉(zhuǎn)改變推進(jìn)水流方向獲得。

“華吉輪”配置了先進(jìn)的變頻技術(shù)AFE（Active front end）前端有源型（也可譯為“主動(dòng)前端型”“可控前端型”）變頻器。它采用全控式開(kāi)關(guān)元件IGBT取代了功率二極管、晶閘管等傳統(tǒng)器件。作為其核心部件的IGBT是絕緣柵雙極型晶體管的縮寫(xiě)，是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 （MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度?。换谄渫瑫r(shí)具備了兩個(gè)元器件的優(yōu)良功能，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600伏及以上的變流系統(tǒng)。IGBT就是一個(gè)開(kāi)關(guān)，非通即斷，如何控制其通或斷，靠的就是柵源極的電壓，其工作原理結(jié)合圖2所示的等效電路圖作如下簡(jiǎn)述：

圖2 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等效電路圖

IGBT是以GTR為主導(dǎo)元件、MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。其外部有三個(gè)電極，分別為G（柵極）、C（集電極）、E（發(fā)射極）。在IGBT使用過(guò)程中，可以通過(guò)控制其集電極電壓UCE和柵極電壓UGE的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷、阻斷狀態(tài)的選擇性控制。

（1）當(dāng)IGBT柵極加上加0或負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)溝道消失，IGBT呈關(guān)斷狀態(tài)。

（2）當(dāng)集電極電壓UCE＜0時(shí)，J3的PN結(jié)處于反偏，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。

（3）當(dāng)集電極電壓UCE＞0時(shí)，分兩種情況：

a.若柵極電壓UGE＜Uth，溝道不能形成，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。

b.若柵極電壓UGE＞Uth，柵極溝道形成，IGBT呈導(dǎo)通狀態(tài)即為其正常工作。

此時(shí)，空穴從P+區(qū)注入到N基區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N基區(qū)電阻RN的值，使IGBT通態(tài)壓降降低。

IGBT的安全可靠與否主要決定因素有：①I(mǎi)GBT柵極與發(fā)射極之間的電壓；②IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；③流過(guò)IGBT集電極-發(fā)射極的電流；④IGBT的溫度。如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過(guò)高超過(guò)柵極-發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過(guò)集電極-發(fā)射極之間的耐壓，流過(guò)IGBT集電極-發(fā)射極的電流超過(guò)集電極-發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過(guò)其結(jié)溫的允許值，IGBT都可能會(huì)永久性損壞。

有源前端交-直-交變頻推進(jìn)作為目前較為先進(jìn)的推進(jìn)用設(shè)備，集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，非常適合對(duì)機(jī)動(dòng)性要求高的平臺(tái)作業(yè)船使用，兩者結(jié)合可以將該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)完美體現(xiàn)出來(lái)。但凡事總有它的兩面性，該設(shè)備比較復(fù)雜，日常維護(hù)保養(yǎng)不易，需要專(zhuān)業(yè)人員完成，設(shè)備某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)停用，在高功率運(yùn)行階段燃油經(jīng)濟(jì)性低于傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)輪機(jī)人員管理及技術(shù)水平要求較高。

四、故障原因分析

此次左車(chē)推進(jìn)變頻器故障，為突發(fā)性電氣元件故障。因電器電子元件的故障導(dǎo)致模塊損壞的可能原因如下：

（1）船員操作失誤。上船了解到船員在第一次啟動(dòng)沒(méi)有成功時(shí)，僅對(duì)發(fā)電機(jī)組的電力供應(yīng)情況做了檢查，沒(méi)有核查控制板的故障報(bào)警情況，未有及時(shí)對(duì)故障報(bào)警作原因分析，在情況不明的情況下進(jìn)行了二次啟動(dòng)，存在著明顯的操作失誤。

（2）電子板灰塵入侵。如果功率電子元件有灰塵侵入，可能會(huì)導(dǎo)致控制板上電子元件故障造成模塊短路。詢船方出廠至今未作專(zhuān)項(xiàng)清潔工作，我司要求定期（視情，一般每年）用防靜電設(shè)備清潔或請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人員服務(wù)，特別是出廠運(yùn)行三個(gè)月內(nèi)。

（3）冷卻水路腐蝕。變頻器內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)水垢較多，會(huì)直接影響IGBT元件的腐蝕及水路高溫，造成模塊短路?，F(xiàn)場(chǎng)檢查船方使用廠家推薦冷卻液，冷卻系統(tǒng)狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)冷卻水路腐蝕現(xiàn)象。

（4）控制元件的部件老化。 電子元件的老化會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)的紊亂，并可能導(dǎo)致IGBT甚至是整個(gè)功率單元的損壞。該船交船使用僅為2年，檢查中也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)元器件有老化現(xiàn)象。

（5）功率元件松動(dòng)。變頻器模塊的IGBT模塊或者直流銅排安裝松動(dòng)，會(huì)造成調(diào)制電流不穩(wěn)定和觸發(fā)信號(hào)紊亂并可能導(dǎo)致IGBT瞬間發(fā)生短路故障?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)模塊的緊固情況不足，船舶出廠運(yùn)行至今未作全面的檢查緊固工作，維保要求中對(duì)所需緊固檢查的部位沒(méi)有明確標(biāo)注，沒(méi)有對(duì)變頻器模塊的安裝緊固情況進(jìn)行有效檢查跟蹤。

（6）主控制板故障。變頻器模塊的IGBT模塊、GateDriver等驅(qū)動(dòng)板通過(guò)光纖連接其主控板并實(shí)施調(diào)制控制，其控制板需要定期檢查其安裝和連接狀態(tài)，避免某些隱患問(wèn)題長(zhǎng)時(shí)間不解決導(dǎo)致控制信號(hào)紊亂并最終導(dǎo)致故障。

結(jié)合船方檢查和現(xiàn)場(chǎng)勘察認(rèn)為本次故障產(chǎn)生的直接原因是IGBT短路故障。由于故障模塊炸毀，船員在故障后按了復(fù)位鍵，造成一些記錄缺失，無(wú)法確認(rèn)第一次啟動(dòng)失敗時(shí)的原因與狀況。

五、故障修復(fù)

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況分析，認(rèn)為損壞件的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)難度非常大，因此緊急訂購(gòu)新的Power Block模塊到場(chǎng)進(jìn)行修復(fù)。重新更換防凍液和冷卻水，檢查了變頻器和電機(jī)絕緣，檢查了所有動(dòng)力電纜連接。

（2）上控制電后檢查變頻器，將690伏主開(kāi)關(guān)搖到測(cè)試位，只通過(guò)預(yù)充電給直流母排充電3次，激活電容后將690伏主開(kāi)關(guān)搖到工作位。

（3）檢查變頻器參數(shù)，顯示數(shù)據(jù)正常后消掉啟動(dòng)連鎖點(diǎn)，準(zhǔn)備起機(jī)測(cè)試。

（4）變頻器啟動(dòng)后在最低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行半個(gè)小時(shí)，然后逐漸加負(fù)載，測(cè)試變頻器在0～100%負(fù)荷下的狀態(tài)，在不同負(fù)荷下進(jìn)行電流校正。

（5）在考慮船舶安全的前提下盡量大負(fù)荷測(cè)試，100%負(fù)荷運(yùn)行大于1個(gè)小時(shí)，變頻器工作穩(wěn)定正常，達(dá)到正常工作條件，修理更換工作圓滿完成。

六、維保和管理注意事項(xiàng)

針對(duì)IGBT模塊存在過(guò)電壓、過(guò)電流及短路故障的可能，與ABB設(shè)計(jì)公司一起探討設(shè)備技術(shù)改進(jìn)的可能。在日常使用維護(hù)中采取必要的措施以確保電力推進(jìn)系統(tǒng)的良好運(yùn)作。

（1）提高船舶管理人員的電力推進(jìn)理論認(rèn)知水平，邀請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人員對(duì)設(shè)備的原理與使用進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，采用理論知識(shí)學(xué)習(xí)與上船現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)相結(jié)合，提升船員的業(yè)務(wù)能力。

（2）制訂電力推進(jìn)裝置等設(shè)備啟動(dòng)操作程序，避免操作不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備損壞；明確規(guī)定舵槳變頻器在啟動(dòng)及使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常情況、啟動(dòng)不成功或報(bào)警，應(yīng)及時(shí)與ABB工程師聯(lián)系獲得技術(shù)支持，不得在情況不明時(shí)采取復(fù)位等操作后企圖再次啟動(dòng)或使用，以避免造成故障證據(jù)的丟失。

（3）根據(jù)說(shuō)明書(shū)維保建議與規(guī)定，結(jié)合船舶推進(jìn)設(shè)備的實(shí)際使用周期及狀況，制訂科學(xué)合理的維保程序，督促船員認(rèn)真執(zhí)行，確保設(shè)備始終處于良好的狀態(tài)。

（4）邀請(qǐng)ABB工程師定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查、維護(hù)，并在檢查維護(hù)的過(guò)程中對(duì)船員的操作、維護(hù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)與指導(dǎo)。