Der Frequenzumrichter eines bestimmten Schiffes hatte während der Fahrt eine Fehlfunktion und fiel aus, wodurch das Schiff die Stromversorgung verlor. Basierend auf den Fehlersymptomen, Informationen und beschädigten Komponenten wurde eine Fehlerbaumanalyse durchgeführt, um eine Lösung zu finden, den Fehler zu beheben und die Stromversorgung wiederherzustellen.
Das Kommunikations-Elektroantriebssystem ist heutzutage in verschiedenen Formen der Hauptbestandteil des Elektroantriebs von Schiffen.
Ein bestimmtes Schiff verwendet zwei Sätze von AC-Antriebssystemen vom Typ „AC-DC-AC-Frequenzumrichter + AC-Synchronmotoren“. Der Frequenzumrichter spielt eine Brückenfunktion bei der Leistungsumwandlung dieses Antriebssystems und ist eine Schlüsselausrüstung des elektrischen Antriebssystems. Sobald ein Fehler auftritt, führt dies dazu, dass das Schiff die Leistung verliert.
Daher ist die Fehlersuche und -behebung bei Frequenzumrichterfehlern ein wichtiges Thema, um den normalen Betrieb dieser Art von Antriebssystem sicherzustellen. In diesem Artikel wird der Vorgang zur Behebung eines Fehlers im Frequenzumrichter des elektrischen Antriebssystems eines Schiffes erläutert.
Fehlerphänomen
Der Hauptstromkreis eines bestimmten Schiffsfrequenzumrichters weist eine AC-DC-AC-Topologiestruktur auf. Der Eingang besteht aus zwei Sätzen dreiphasigen 690-V-50-Hz-Wechselstroms, die durch unkontrollierte Gleichrichtung in Gleichstrom umgewandelt werden und dann durch Wechselrichter und Ausgangsfilterung in den von der Last benötigten dreiphasigen Wechselstrom umgewandelt werden.
Während des Navigationstests des elektrischen Antriebssystems des Schiffs, während des Übergangs vom Test mit zwei Motoren und drei Betriebszuständen zum Test mit zwei Motoren und einem Betriebszustand:
Nach einigen Minuten Betrieb im Doppelmotorbetrieb machte der linke Antriebsfrequenzumsetzer ein seltsames Geräusch, der untere Teil des Umsetzergehäuses gab ein Geräusch von sich und aus der Belüftungsöffnung kam schwarzer Rauch. Der Frequenzumsetzer funktionierte nicht richtig und blieb stehen, und der Hauptschutzschalter des Antriebssystems löste aus.
Während des einachsigen Drei-Achsen-Navigationstests trat in der Mitte des Wechselrichtergehäuses des rechten Antriebsfrequenzumrichters ein Geräusch auf, und aus der Belüftungsöffnung trat schwarzer Rauch auf. Der Frequenzumrichter funktionierte nicht richtig und blieb stehen, und der Leistungsschalter des Hauptantriebssystems löste aus.
2)Fehlerinformationen
Die zentrale Bedieneinheit zeichnete die während der Störabschaltung nacheinander aufgetretenen Störungen und Alarminformationen auf:
① Linker Frequenzumrichter
Leistungsschalter für anormalen Antrieb; Hardware-Schutz des Controllers; Fehler Wechselrichtereinheit C2; Fehlfunktion des Hauptschalters.
② Rechter Frequenzumrichter
Schutz der Reglerhardware; Fehler in den Wechselrichtereinheiten B1, B2 und A2; Ausfall der Steuerstromversorgung und der Wasserkühlungseinheit.
③ Die oben erwähnte Fehlerinformation des linken Frequenzumrichters zeigt an, dass
Übermäßiger Strom im linken Antriebsleistungsschalter führt zu einem Überstromauslöseschutz; und der rechte Druckleistungsschalter wurde normal geöffnet, ohne dass ein Überstromphänomen auftrat.
Fehlerhafte beschädigte Komponenten
Demontieren Sie den Frequenzumrichter. Die beschädigten Komponenten sind wie folgt:
Linker Frequenzumsetzer:
Der C2-Phase-IGBT ist beschädigt und einige DC-Stützkondensatorschalen sind beschädigt und verformt. Die Pufferkondensatoranschlüsse sind schwer beschädigt und die mit dem Pufferkondensator verbundenen DC-Busanschlüsse sind geschmolzen; Die gestapelte C-Phase-Sammelschiene ist beschädigt; Andere Phasenkomponenten sind normal und der Status der Steuerungshardware und -software ist normal.
Richtiger Frequenzumsetzer
Die Schnittstellenkarte des IGBT-Treibers der Phase A2 fällt aus. Die gemeinsame Wechselrichtersammelschiene von B1 und B2 und die gemeinsame Wechselrichtersammelschiene von A1 und A2 sind beschädigt. Andere Phasenkomponenten sind normal und der Status der Steuerungs-Hardware und -Software ist normal.
Ursachenanalyse des linken Frequenzumrichters
① Bei der Demontage vor Ort stellte sich heraus:
Die CE-Pins des Pufferkondensators der Phase C2 weisen ein Brennphänomen auf, aber die interne Kapazität und die Seriendioden des Pufferkondensators sind intakt, was darauf hinweist, dass der Kurzschlussstrom im Moment des Fehlers durch die externen Pins des Pufferkondensators fließt, ohne durch die interne Kapazität des Pufferkondensators zu fließen. Auf dieser Grundlage kann festgestellt werden, dass im Moment des Fehlers ein Kurzschlussphänomen zwischen den externen Pins des Pufferkondensators vorliegt.
Der Stützkondensator der Phasenwechselrichterkomponente C2 ist beschädigt und verformt, was darauf hinweist, dass eine kurze Hochstromentladung aufgetreten ist und die in kurzer Zeit angesammelte übermäßige Hitze zur Verformung der Stützkondensatorhülle geführt hat.
Das Gehäuse des IGBT der Phase C2 ist leicht beschädigt, was darauf hindeutet, dass die Kurzschlussenergie im Inneren des IGBT-Moduls nicht in großen Mengen freigesetzt wurde.
② Aus den Fehlerinformationen des Leistungsschalters lässt sich Folgendes ermitteln:
Während des Fehlers trat auf der Eingangsseite des Transformators ein Überstrom auf, der zum Auslösen des Leistungsschalters führte. Der Hardwareschutz des Controllers zeigt das Auftreten einer Überspannung auf der internen Gleichstromseite an.
Die Klemmenverbindung zwischen der gestapelten Sammelschiene und dem C2-Phase-IGBT in der C-Phase-Wechselrichtereinheit ist stark erodiert, was auf einen Kurzschluss hinweist und von einer energiereichen Entladung begleitet wird.
③ Während des Betriebs des Geräts überlappten sich aufgrund der Bewegung des internen Windpfads und der Erschütterungen des Schiffes vor dem Fehler im Gehäuse vorhandene leitfähige Verunreinigungen mit den Pins des Pufferkondensators der Phase C2, was zu einem Kurzschluss der Pins des Pufferkondensators führte.
Der Kurzschlussfehler tritt zuerst im äußeren Teil des IGBT-Moduls neben der gestapelten Sammelschiene auf. Nach dem Kurzschluss verursacht er eine lange Kurzschlussentladung von Hunderten von Millisekunden, die einen Lichtbogen zwischen den Pufferkondensatorstiften erzeugt. Der hohe Strom bewirkt, dass der eingehende Leistungsschalter aktiv schützt und auslöst, und die Energiezufuhr auf der eingehenden Seite wird unterbrochen, wodurch die zwischen den Pufferkondensatorstiften fließende Energie schnell abnimmt;
Wenn die Entladungsenergie des Stützkondensators nicht ausreicht, um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten, wird der Lichtbogen gelöscht. Im Moment der Lichtbogenlöschung wird zwischen den Pins des Pufferkondensators eine Hochspannung erzeugt, die dazu führt, dass die Überspannung des C2-Phase-IGBT durchbricht und durchgeht. Die verbleibende Entladungsenergie des Stützkondensators fließt durch das IGBT-Modul, wodurch der C2-Phase-IGBT überhitzt und platzt;
Nach der Fertigstellung der Systemverdrahtung wurden die Schutzmaßnahmen des Frequenzumrichters nicht befolgt und entsprechende Inspektionen und Reinigungsarbeiten vor dem Test nicht durchgeführt. Leitfähige Verunreinigungen gelangten in das Innere des Frequenzumrichters und die leitfähigen Verunreinigungen überlappten sich zwischen den positiven und negativen Gleichstromanschlüssen, wodurch ein Kurzschlusslichtbogen entstand und Überspannung erzeugt wurde. Die Überspannung führt zum Durchschlag des parallel zwischen den positiven und negativen Anschlüssen angeschlossenen IGBT, wodurch der IGBT direkt durchgelassen wird und IGBT-Schäden verursacht werden.
(2) Analyse der Ursachen des richtigen Frequenzumrichters
① Bei der Demontage vor Ort stellte sich heraus:
Der IGBT der Phase B1 war schwer beschädigt, was darauf hindeutet, dass während des Fehlervorgangs ein großer Strom durch das IGBT-Modul floss und die in kurzer Zeit angesammelte hohe Energie dazu führte, dass der IGBT explodierte und beschädigt wurde.
Der IGBT-Treiber der Phase A-2 löste sich und wurde im Vergleich zur Phase B1 nicht schwer beschädigt. Dies deutet darauf hin, dass die während des Fehlervorgangs durch den IGBT der Phase A2 fließende Energie geringer war als die des IGBT der Phase B1.
Der B2-Phase-IGBT ist nahezu unbeschädigt, aber die internen Parameter des IGBT sind abnormal, was darauf hinweist, dass während des Fehlers keine große Energie durch den B2-Phase-IGBT fließt.
Aus der Analyse der Fehlerinformationen:
Der Hardwareschutz des Controllers zeigt das Auftreten einer Überspannung auf der internen DC-Seite an;
Im Inneren des B1-Phase-IGBT brennt es stark, und der daran angeschlossene DC-Busanschluss ist geschmolzen, was darauf hinweist, dass der durchgebrannte Teil des IGBT zum Zeitpunkt des Fehlers durch einen Kurzschluss verursacht wurde. Der Kurzschlussstrom fließt in kurzer Zeit durch den IGBT und den Busanschlussanschluss, wodurch eine große Wärmemenge angesammelt wird und der B1-Phase-IGBT explodiert.
Durch die Explosion des IGBT der Phase B1 fiel die obere Treiberschnittstellenkarte des IGBT der Phase A2 ab, was zu weiteren Schäden am IGBT der Phase A2 führte.
Da die IGBTs der Phasen B2 und B1 über dieselbe gestapelte Sammelschiene mit dem Hauptstromkreis verbunden waren, explodierte der IGBT der Phase B1 und beschädigte den IGBT der Phase B2.
Während des Betriebs der elektrischen Antriebsausrüstung führen der interne Windweg und das Schwanken des Schiffes dazu, dass sich leitfähige Verunreinigungen im Gehäuse an den positiven und negativen Anschlüssen des B1-Phase-IGBT-Gleichstroms überlappen, was einen Kurzschluss im Stromkreis verursacht. Im Moment des Kurzschlusses wird zwischen den B1-Phase-IGBT-Gleichstromanschlüssen ein energiereicher Lichtbogen erzeugt, der die leitfähigen Verunreinigungen schmilzt, den elektrischen Abstand der Gleichstromanschlüsse vergrößert und den Lichtbogen löscht;
Im Moment des Erlöschens wird zwischen den Kurzschlusspunkten eine hohe Spannung erzeugt, die dazu führt, dass der B1-Phasen-IGBT durchbricht und durchgeht. Die Eingangsenergie auf der AC-Eingangsseite und die im Stützkondensator gespeicherte Energie werden alle durch den IGBT freigesetzt, wodurch die B1-Phase explodiert und beschädigt wird. Die Stoßwelle der Explosion führt dazu, dass die A2-Phasen-IGBT-Treiberplatine direkt darüber abfällt, wodurch die normale Leitung und Abschaltung des A2-Phasen-IGBT nicht mehr gesteuert werden kann. Das Gate befindet sich in einem Zustand des Kontrollverlusts und bis zu einem gewissen Grad sammelt sich statische Elektrizität an, wodurch der IGBT leitet. Die verbleibende Energie auf der DC-Seite fließt durch den A2-Phasen-IGBT und verursacht dessen Beschädigung;
Die vom Gleichstromanschluss des IGBT der Phase B1 erzeugte Lichtbogenspannung stört über die gestapelte Sammelschiene den Gleichstromanschluss des IGBT der Phase B2 und führt zu einer Beschädigung des IGBT der Phase B2.
Maßnahmen zur Fehlerbehebung
Basierend auf der Analyse der Störungsursache werden folgende entsprechende Korrekturmaßnahmen ergriffen:
(1) Ersetzen Sie beschädigte Wechselrichterkomponenten. Reinigen Sie andere Komponenten und Hauptstromkreiskomponenten gründlich, insbesondere die IGBT-Oberfläche und die zugehörige Verkabelung. Ziehen Sie alle Steckverbinder und Kabelklemmen fest und überprüfen Sie sie zur Bestätigung. Führen Sie am wiederhergestellten Frequenzumrichter statische Prüfungen und Statusprüfungen durch und bestätigen Sie diese gemäß dem statischen Einschaltvorgang. Führen Sie entsprechende Aufzeichnungen.
(2) Die „Konstruktionstechnologie für den Geräteschutz umfassender elektrischer Antriebssysteme“ weiter überarbeiten und verbessern, den Schutz und die Reinigung elektrischer Antriebsgeräte gut leisten, die Verkabelung, Wartung und Reinigung elektrischer Antriebsgeräte rechtzeitig überwachen und aktiv mit den Herstellern zusammenarbeiten, um sichere und reibungslose Tests zu gewährleisten;
(3) Nach Abschluss der Berichtigung wurden verschiedene Arbeitsbedingungentests für Einzelachsen und Doppelachsen durchgeführt. Die Testergebnisse entsprachen den Anforderungen der Testübersicht und des Testbuchs.
5. Schlussfolgerung
Die Fehlerbehebung beim Frequenzumrichter und die Wiederherstellung der Stromversorgung zeigen, dass die Analysemethode und der Handhabungsprozess in diesem Artikel korrekt sind.
Die tägliche Wartung elektrischer Geräte ist ein wichtiges Bindeglied zur Gewährleistung ihres normalen Betriebs. Jede Nachlässigkeit kann zu Geräteausfällen mit schwerwiegenden Folgen führen.