逆变器功率元件击穿的分析和研究

2019-07-20任鹏帅杨晓惠

数字通信世界 2019年6期

张帅，王洁，任鹏帅，任超，杨晓惠

（河钢集团邯钢公司中板厂，邯郸 056015）

1 概述

中厚板轧机线轧机前后的机架辊传动系统，由于冲击和负荷都比较大，且电机工作环境潮湿，经常由于电机过载造成跳闸事故。逆变装置工作在频繁过载的工况下，长期过负荷运行造成IGBT软击穿，电机运行不稳定，最终形成设备事故。针对这一情况我们进行了大量的数据分析，找出问题的根源，最终解决了这一问题。

2 原因分析

逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路[1]。

逆变器空载时运行正常，但一旦带负荷运行就会造成电机抖动，损伤机械轴，再加上机械冲击比较大，时间一长就会造成机械轴断裂形成事故。这种情况下分析事故的原因，测量各功率元件是比较困难的工作，需要分析逆变器的输出波形与正常装置的输出波形进行比对，这种情况给我厂的正常生产造成了很大的麻烦，也给我们的事故分析带来了很大麻烦和不便。

首先针对此次事故之前出现的情况进行分析：机械断轴事故前一周，机前机架辊电机停转，现场检查变频器处发现故障为F015（电机堵转），通常此故障是因为设定输出与实际输出反馈不一致造成，通常可复位恢复，于是按“P”键欲恢复此故障；恢复后变频器不再报F015而是开始报F029（测量值传感系统中已发生故障），此故障引起的原因有很多，可能损坏的原因有CUVC板损坏、IGBT损坏、脉冲控制板损坏，因之前压下装置变频器报同样的故障是通过更换脉冲控制板处理此故障的，于是立即进行更换脉冲控制板；更换完脉冲控制板后送变频器24V电源，发现变频器不报F029，而是报F011（过流故障），此故障引起原因有变频器输出电流过大、变频器输出侧接地，但是此时变频器并未运行，通过测量输出侧线路和电机均未发现问题，于是断定此故障为虚假信号；可能为CUVC板损坏，于是立即更换CUVC板，但换完后仍无法恢复故障；在测量主回路线路时发现变频器输出端三相阻值在23～30kΩ之间，而相同规格轧机输出侧机架辊变频器的相间阻值为220～330kΩ之间，于是判断变频器有IGBT损坏，将逆变器12个IGBT拆下。测量其是否存在故障。

绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。图1为逆变单元两个IGBT并联的示意图，下面介绍一下用万用表如何测量功率元件IGBT。

首先，用指针万用表的Rx1k挡来检测，或用数字万用表“电压”挡来测量PN结正向压降进行判断。检测前先将IGBT管三只引脚短路放电，避免影响检测的准确度；然后用指针万用表的两支表笔正反测G、e两极及G、c两极的电阻，对于正常的IGBT管，上述所测值均为无穷大；最后用指针万用表的红笔接c极，黑笔接e极，若所测值在3.5kΩ左右，则所测管为含阻尼二极管的IGBT管，若所测值在50kΩ左右，则所测IGBT管内不含阻尼二极管。对于数字万用表，正常情况下，IGBT管的e、c极间正向压降约为0.5V。经测量拆下的12个IGBT中有4个测量数据值有问题，将这4个IGBT更换后试车正常，但是装置电流比另一同类型装置大，随后出现机械轴断裂事故。于是利用相关软件对前后装置的电流波形下载进行比较，发现这台装置的输出电流存在断续现象，局部放大后如图2：

图1

图2

图3

图2所示为电流波形局部放大后的曲线，图中所标示的圆内为曲线不正常部分，从图中看出电流曲线的波头不够平齐，说明功率元件IGBT存在没有导通的现象。由图中观察波形又不是每个波头都不正常，而是无规律的出现。此现象也正好印证了电机抖动的现象。据此判断此次机械轴断裂可能是由于逆变器装置的功率元件IGBT有软击穿的现象（软击穿就是测量时正常，带负荷时出现不能关断或不能触发的情况）。

更换IGBT功率元器件后，利用相关软件检测到正常的电流波形，波形局部放大后如图3：

由于此软件显示电流时自动调整，所以更换后图形看不清波头的多少，不像事故时能够显示出明显的缺损或误导通，只能看清更换后的电流波形为正常的呈连续的正弦波，因此更换后的效果还是比较明显的。