高压变频器功率单元常见故障分析与维修

孙晋中 段修文 蔡 辉

（济宁何岗煤矿，山东 济宁 272075）

1 矿井高压变频器使用概况

济宁何岗煤矿位于济宁煤田的东北部，于2003年6月开工建设，2006年5月建成投产，设计生产能力30万t/a，核定生产能力45万t/a。矿井于2010年分别对主副提升系统进行了高压变频改造，极大地提高了矿井主提升系统的安全性、经济性、可靠性。高压变频器美中不足的是由于受大功率开关元件IGBT的耐压这一主要技术参数的影响，还无法实现直接逆变，所以现用高压变频器采用了单元串联脉宽调制叠波升压输出原理，济宁何岗煤矿主副井提升机高压变频器就是基于此种原理。功率单元就是单元串联式高压变频器的核心部件，也是承受高电压大电流冲击的部件，是该类型变频器的主要易损件之一。对相应的故障在现场进行正确及时地维修处理，将会极大减少因设备故障影响生产的时间，有利于保障矿井安全生产，对矿井经济效益产生积极的影响。

2 常见故障分析与维修处理

2.1 功率单元常见轻故障分析与维修

在日常使用中，高压变频器熔断器故障、光纤故障、过电压故障在现场出现频率较高。

2.1.1 熔断器故障与维修

当变频器人机界面上显示熔断器故障时，根据对应单元编号查找，用万用表检查对应单元的两只熔断器，出现熔断情况时应更换同规格熔断器，更换完成后送电进行故障复位，一般情况下可以恢复正常运行。如不能恢复正常运行，则更换功率单元解决。

2.1.2 光纤故障与维修

出现光纤故障时，应分不同情况进行维修。常见光纤故障有以下3种情况：

（1）光纤本身故障：处理方式为更换光纤；

（2）因功率单元熔断器故障，出现光纤故障报警，则更换相应功率单元的熔断器；

（3）光纤板故障：更换对应的光纤板。

2.1.3 过电压故障与维修

变频器在运行中，特别是在进行能量回馈过程中，容易出现过电压故障，一般情况下采取故障复位的方式能够解决。

2.2 功率单元常见重故障分析与维修

功率单元常见重故障有IGBT故障、驱动板故障、过电压不能复位等。这些故障表现在日常维护上具有突发性、现场维修时间长或不易维修等特点，很难通过维护保养等常规方式解决，只能更换备用功率单元恢复设备正常运行。对于功率单元重故障维修，需要在结合功率单元工作原理的基础上进行分析，然后进行维修。

2.2.1 IGBT重故障

主要表现为出现熔断器故障更换熔断器后仍然熔断，多为IGBT非可逆性损坏或炸管，分析其原因多为IGBT击穿或高压变频器运行中频繁停送电引起。对炸管故障能够比较直观判断出故障点，但在多数情况下，IGBT损坏后很难从外观上判断出故障点。在不具备试验条件的情况下，常规判断IGBT模块是否正常的方法如下：

（1）判断极性。首先将万用表拨在R×1K挡，用万用表测量时，若某一极与其他两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其他两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G）。其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C)：黑表笔接的为发射极（E）。

（2）判断好坏。将万用表拨在R×10K档，用黑表笔接IGBT的集电极（C)，红表笔接IGBT的发射极(E)，此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C)，这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E)，这时IGBT被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。

（3）注意事项。任何指针式万用表铃可用于检测IGBT。注意判断IGBT好坏时，一定要将万用表拨在R×10K挡，因R×11K档以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT导通，而无法判断IGBT的好坏。但在进行逆变侧IGBT模块检测时需注意其内置二极管与整流侧IGBT模块方法上有所不同，需要引起维修者注意。需要特别说明的是，经过测试后，完好的IGBT模块的栅极应进行短路放电，防止因栅极间剩余电压造成IGBT导通，导致IGBT模块在维修后上电试验时损坏。更换IGBT模块时，使用的电烙铁必须进行接地防止感应电压损坏IGBT模块。

2.2.2 驱动板常见故障分析与维修

驱动板常见故障主要表现为无输出驱动脉冲信号。分析其原因多数为驱动电路所对应IGBT栅极已被击穿，栅极损坏时驱动电路板保护栅极的稳压管也随之击穿损坏，或在严重的情况下损坏整个驱动电路。常见典型驱动电路如图1所示。

正常情况下，检测该电路电阻RG处触发电平为9.5V，使用示波器检测波形（如下图2）则为驱动电路正常，反之则应进行相应维修。

图2 示波器监测波形图

2.2.3 过电压故障分析与维修

当变频器在控制面板上显示过电压故障并且通过故障复位处理不能恢复正常运行时，应考虑是功率单元电压检测电路出现故障，需在现场更换备用功率单元先恢复设备运行。更换下的故障功率单元，要检查其单元控制板的直流母线电压检测电路。该电路由降压电路、电压传感器、三运算放大器及外围电路组成。

过电压一般由两部分引起。

一部分是电压检测电路故障。常见降压及电压检测传感器电路如下图3。

图3 常见降压及电压检测传感器电路

按图3进行分析可知，降压电阻一般不会出现故障，故障率较高的为电压传感器(LV25-P),故障后可直接进行更换。

另一部分是三运算放大器及其外围电路故障。由传统的AD620三运算放大器及外围电路构成。根据 AD620的工作原理，出现过压故障的原因可分为两个方面：一是AD620三运算放大器自身故障引起误报过电压；二是放大器外部增益控制电阻RG阻值变化，引起输出增益的变化，导致误报过电压。正常情况下，更换相应元件可以恢复正常使用。

3 结论

高压变频器功率单元的维修是一项低成本高效益的维修工作，购置相对廉价的电子元件进行现场维修在，能够现场解决设备故障的同时，每年可节约数万元返厂维修费用。

该工作要求维修人员具备相应的电工电子理论知识和现场维修经验。在现场维修后应进行通电试验，为确保试验安全，建议先进行低电压导通试验，正常后再进行上机运行试验。