变频器故障原因分析与探讨

变频器故障原因分析与探讨

徐健

(中国电建集团四川工程有限公司四川成都610051)

摘要:本文结合工作中一起变频器故障的实际案例，从故障原因入手，对引起的变频器A相IGBT爆炸，造成变频器严重损坏进行深入分析，制定处理对策，按照流程依次对变频器模块、元器件进行测试并更换，顺利完成加压调试并投入运行。

【关键词】IGBT爆炸原因分析；元器件测试；更换后设备投入运行

1、故障经过

某海外600MW中央电厂机组主厂房及辅助厂房建筑安装工程施工用电负荷高峰期总用电量约为1900~2400kVA，由于用电负荷分布广、较分散、外部电网极不稳定，电源侧频率为60HZ，施工所需的电动设备、工器具均为50HZ，从中国内地购置4台大功率变频设备以保证施工电源的安全、可靠性。

采购到现场的变频设备其中一台800kVA电源在初次加电试运，启动多次，电源输出电压上升至300V左右，A相IGBT炸掉。

2、原因分析

2.1工作原理

变频电源的主要功能是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。经过AC→DC→AC变换的变频电源有别于普通交流稳压电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。

因为某些原因，模块的损耗十分巨大发热功功率超过散热功率，热量散不出去，导致内部温度极高，产生气体，充破外壳，造成IGBT爆炸。

IGBT爆炸原因分析

电路中过流检测电路反应时间跟不上；IGBT短路保护是通过检测饱和压降，而留给执行机构的时间一般是10us（8倍过流）。在上电的时候容易烧预充电电阻和制动单元里的IGBT；短时大电流原因也有很多，比如死区没设置好、主电路过压、吸收电路未做好；驱动电源也是个应该特别注意的问题，未加隔离和滤波。

（1）控制电路处逻辑受干扰，导致上下桥臂元件直通而过电流。

（2）绝缘的损坏。

（3）通常是线路杂散电感在极高的di/dt作用下产生的尖峰电压而造成过电压。

（4）IGBT不能完全导通，在有电流的情况下元件损耗增大，温度增加导致损坏。

（5）通讯误码率

a.通讯一段时间后，突然的错误信息导致IGBT误导通使IGBT爆炸

b.通讯板FPGA程序运行不稳定导致IGBT误导通使IGBT爆炸

2.2电源调试步骤：

2.2.1模块、元器件检测：

技术人员按照流程依次对变频器模块、元器件进行测试。拔掉驱动线，用万用表测模块G、E之间的电阻，约为10k，C、E间并接反向二极管，C端为阴极，E端为阳极。测量反向二极管导通情况，在母线不带电的情况下对所有IGBT模块测试了一遍。插拔驱动线也一定要在母线不带电的时候，否则有危险。过程中测得B相第1组第2个IGBT保护板电阻值为6.7k，测得B相第二组第1个IGBT保护板电阻值为6.8k，测得C相第二组1个IGBT保护板电阻值为3.6k。测试得出IGBT保护板电阻值小于10kV,故IGBT模块反向二极管坏掉需全部更换。

检测电解电容，将电容拆下，用万用表测电容值是否正常，47k、5W的白色水泥电阻阻值是否正确，IGBT保护板、吸收回路板和叠层母排也需要更换。

配件发到国外项目现场后我公司技术人员针对此故障，更换了A相IGBT模块（FZ800R12KE3800A/1200V）4块；A相层叠母排（400KIGBTM001）1块；A相吸收回路板（WP-RCD0）1块；A相IGBT保护板4块。被熏黑的温控线也进行了更换。

2.2.2断开空开输入控制部分的电源，将系统供电3k380V/220V变压器（集装箱里面有2台3k变压器，其中有一台是用于控制系统电路板的供电，另一台是用于照明灯和空调的供电，通过给集装箱供电，但不闭合输入空开，用万用表检测哪个变压器不带电即是系统供电变压器）的220V端拆下来，采用外部220V给系统供电，断开电路板的供电电源。

2.2.3测量驱动板的驱动信号

2.2.3.1按启动键启动电源，检测驱动板1点(R82)与2点(R79)之间的波形，检测3点(R74)与4点(R76)之间波形，其中1点和3点接示波器探头的地。波形为幅值23V左右，频率4kHz的PWM波则为正常。

模块前端驱动波形

2.2.3.2展开PWM波形，观察六块驱动板的PWM波形上升时间是否一致，下降时间是否一致（在M1.00us情况下观察上升和下降时间）。若某块驱动板的上升或下降时间很长，与其它驱动板存在明显的不一致，视为不正常！

PWM驱动波形没有问题后，再进行下一步的调试！

PWM展开后上升沿波形

2.2.4加压调试

2.2.4.1在现场进行调试加压。按照电源的调试步骤重新走一遍，过程中加压到30V时，显示屏上报A相IGBT过流，系统自动退出，仔细检查发现A相第一组驱动板上插槽内的探针断裂脱落，更换了A相每一组驱动板后继续加压发现A相两组IGBT模块、电解电容温度超高、A相第二组驱动板报警指示灯亮，停电检查并拔掉驱动线测试正常，随即更换了A相的第二组驱动板，送二次电源后报警指示消失。

2.2.4.2加电压使输出线电压达到AC220V，运行正常后空载运行30分钟，均正常。当加压输出线电压达到AC280V时显示器上显示电压自动下降，降至50V时稳定了5分钟，过程中测试直流母线电压均无变化，随后显示器上显示电压自动上升至280V后，继续加电压使输出线电压达到AC380V，无异常现象。

2.2.4.3然后停止电源，断开加压器接入市电。将预置界面调到线电压界面，将输出电压

和频率调整到负载的要求，启动电源，现空载运行正常。

2.2.4.4断开集装箱的前端供电开关，打开集装箱的输入接线盒，拆下输入线，加压器的输出接变频电源集装箱的输入接线盒，系统220V供电外接。

2.2.4.5预置电压设置在30V，启动电压设置为10V，预置频率和启动频率设置在50HZ，启动时间设置为15S左右。

2.2.4.6启动电源输出。从零开始缓慢升高电压，输入20V左右，检测直流母线的电压，是否约为输入（线电压）的1.414倍，是则正常，否则断电检测整流桥。

2.2.4.7缓慢升高输入电压，同时使用示波器检测输出波形，观察电源是否为正弦波输出，如果波形不正常，应迅速停止电源。

输出电压波形

2.2.4.8加电的过程中，随着母线电压的升高，一定要测量电容的均压！（一般母线在40V左右时测量即可，母线电压过高时测量很危险！）均压就是两个串联电解电容（400VDC10000UF）的分压。

2.2.4.9输出电压增加的同时，外接电源的供电电压同时升高。加电压到AC220V，运行正常后空载运行30分钟，断开输入开关，控制部分输入线接回供电3K变压器。将加压器调到AC220V，直接给电源上电，观察，空载运行30分钟。（注意电源各部分有无异响或异味，若有异常，迅速按触摸屏的停止按键或急停按钮。）

2.2.4.10然后停止电源，断开加压器接入市电。将预置界面调到线电压界面，其方法同上，将输出电压和频率调整到负载的要求，启动电源，待电源运行稳定，接入负载。

3.防范措施

3.1控制电路处逻辑受干扰，导致上下桥臂元件直通，需加抗干扰模块。

3.2带电前对一次、二次回路进行绝缘测试，测试主电路电压、主驱动板、吸收回路板、电容、IGBT及IGBT保护板。

3.3通常是线路杂散电感在极高的di/dt作用下产生的尖峰电压而造成，解决的办就是设计高性能吸收回路，降低线路杂散电感。

3.4IGBT不能完全导通，在有电流的情况下元件损耗增大，温度增加导致损坏，加大散热面积，采用大功率通风装置

3.5采用数字光纤通讯误降低误码率。

3.6驱动电源该隔离加隔离、该滤波加滤波。

4、结论

变频电源越来越多地用作标准供电电源，为用电器提供最优良的供电环境。因为模块的损耗十分巨大发热功功率超过散热功率，热量散不出去，导致内部温度极高，产生气体，充破外壳，造成IGBT爆炸。IGBT采取有效的防范和隔离措施，使变频电源的主动元件IGBT模块以隔离变压器输出来增加整机稳定性和电源可靠运行性。

参考文献：

【1】韩刚峰,&王站.(2002).大功率高频开关电源技术研究.第七届全国电镀与精饰学术年会.

【2】吴江波.ZVSPWM大功率高频开关电源的研究[D].西安理工大学,2006.