西门子6SE7041逆变器F26故障分析

丁宏杰 曹光辉

（南通港口集团有限公司 江海港务分公司，江苏 南通 226000）

南通港口集团有限公司江海港务分公司的两台2 100t／h抓斗卸船机是由上海振华港机设计安装的。主起升机构包括两套机械装置（支持和开闭），每套装置有两个西门子690V 380KW交流变频电机。驱动装置由两套西门子AFE可回馈驱动装置组成。每套装置由一个整流单元、两个逆变器组成。一套驱动装置驱动一套起升装置（支持或开闭）。整流和逆变都是6脉冲4象限的数字式驱动装置。PLC为西门子的S7-400系列，利用PROFIBUS总线连接支持和开闭斗驱动装置。

每套装置的两个逆变器均为西门子6SE7041系列的1000KW装机装柜型双闭环矢量控制逆变器。其中IGBT型号为：eupec_FZ1000R16KF4。驱动方式为主/从跟随控制，支持1和开闭 1装置为主 （MASTER），支持 2和开闭 2装置为从（SLAVE）。同时，在做起升运动时，两套驱动装置之间也是主/从跟随控制，以支持驱动装置为主，开闭以驱动装置为从，接收支持驱动装置的给定命令。

1 故障分析

司机室控制合能正常合上，小车可以动作，但司机操作下降时，4台支持开闭逆变器同时报故障，其中3台报F12故障，一台报F26故障，下降无动作。

考虑到其中3台报F12故障，只有支持2逆变器报F26故障，因此重点放在报F26故障的逆变器上（怀疑其他三台是由于这台影响而报的假故障）。

查手册得知：

F12：在异步电动机励磁期间，电流未升至空载工作设定的励磁电流的12.5%。

F26：在L2相存在UCE关机或UCE下部开关 （增强书本型），检查：在L2相有无短路或接地故障、CU板是否正确插入、SAFE STOP开关（X9/5-6）是否打开。

2 故障检查

根据F26故障提示，做如下检查：

2.1 排除电路外围的故障，用万用表检查去电机的线路有无短路或接地的现象（初步），电机相间直流电阻是否均衡，检查结果完好。注意，如果用兆欧表测量电机对地绝缘，应将电机线解开，以防对IGBT及相关器件造成损坏。

2.2 检查去触发板的光纤是否接触可靠，触发板的检测光纤是否有光（根据提示，检查第二相，对应的触发板是第二块，光纤编号为21、22、23，其中插在黑色光偶上的光纤应该有光），触发板初步判断正常。检查触发板的原因主要是考虑到可能由于触发原因引起主回路中误触发而让逆变器检测回路误认为有接地或短路。

2.3 检查主回路的检测回路，检测回路主要是由交流侧的电流互感器加一块量化板组成，量化板在主板的下方，量化板上有块ABO板形状类似电脑的内存，主要元器件是电阻。检查办法是将量化板拆下和其他逆变器对调。检查结果正常。

2.4 检查IGBT，考虑到IGBT短路也会引起这个故障。初步检查，司机室控制合上后，用万用表的交流700V以上量程检查，测量逆变器交流侧对地电压，正常为几十伏，检查结果交流对地电压达到240伏左右，改用直流700伏以上量程测量，逆变器交流侧直流电压为470伏左右，正常为几十伏。故初步判断有IGBT有击穿（短路）的情况。逆变器断电（控制断、该台逆变器的控制电源开关断），改用万用表的二极管档测量，一根表棒接在一根直流母排上，一根接在逆变器的交流侧（如果电机线已经解开，则三项依次量过去），正常情况是0.3V左右，两根表棒对调，正常情况是0.23V左右。换一根直流母排，做同样的检查。如果有IGBT击穿，万用表会有蜂鸣声，或显示接近于零点零几伏。

3 故障排除

根据检查结果，可以判定有IGBT损坏，结合故障是F26，说明是L2相中有IGBT损坏（如果报F25，对应于L1相；F27，对应于L3相）。更换IGBT需要将逆变器的主电路部分全部拆除，先拆最外面的电容组 （L1相对应于最上面的一组电容，L2相对应于中间的组），将固定的螺丝拆下，拔出插在电容组上的接线，将电容组整体拆除。接下来拆除SMU、SML板，拆时应注意安装方式，这两块板极为相似，但耐压不同不能搞混，在接下来拆一块背板（较容易，就几个固定螺丝，背板主要是和直流母排和交流侧相连的铜排），拆完后就看到触发板和IGBT了，先拆出触发板上的光纤和电源接线，注意光纤和电源接线的顺序，不能搞混，然后拆触发板和IGBT相连的固定螺丝。拆完后开始判断是哪个IGBT损坏。红表棒于IGBT上的E端，黑表棒接在C端，用二极管档量，正常在0.3V左右，反向截止。根据检查结果更换损坏的IGBT。安装IGBT时，要在IGBT的背面涂上导热硅胶，以保证良好的导热。其他部件的安装与拆时相反。

在更换IGBT的同时应该还要检查SMU和SML板以及触发板是否损坏。有时候IGBT的损坏会造成SMU或SML板的损坏，触发板的损坏也会造成IGBT的损坏。

4 IGBT损坏的原因

4.1 IGBT损坏一般是由外部短路或输出接地等外部原因造成的，但从这次情况来看，更换IGBT后系统就能正常工作，故可以排除是由外部原因造成的。

4.2 逆变器选型偏小，系统正常工作几年以来，如果是选型问题，应该早就能暴露，故可以排除该原因。

4.3 过温，IGBT对温度的要求比较高，一般工作温度不超过60℃，温度的升高会引起IGBT耐压和载流量的急剧下降。该逆变器故障时，通风良好，且温控开关可靠，逆变器拆开时，柜内灰尘极少，IGBT背面的导热硅胶未硬化，故可以排除是由于散热不良而导致IGBT温升过高的原因。

4.4 触发板的损坏也会造成IGBT的损坏，但更换IGBT后逆变器能正常工作，可以排除触发板的原因。由于对触发板我们没有有效的检测手段，故一般在更换IGBT的同时也要更换触发板，这次未更换是有风险的。

4.5 过电压造成IGBT的损坏，系统是挂在直流母排上的，正常情况下如果是由于直流母排过压，其他的IGBT应该也会出现损坏。但这次损坏是在调清仓设备到达最上端停止时出现的，故不能排除在能量反馈时，直流母排有瞬间过压的可能，但只损坏这一只IGBT，可能还是和这只IGBT本身老化而导致耐压下降有关，这是这次故障怀疑的重点。

4.6 过流。电机在正常工作时电流在额定范围内，但电机的零速励磁电流较大（这次没有实际测量），如果励磁电流较大而造成IGBT性能下降，不能及时导通或关断也会造成IGBT的损坏。这是这次故障所要怀疑的次要原因。

5 结束语

IGBT模块是6SE70系列产品中的逆变器、制动单元、AFE变流器。与OCP保护器所使用的主要功率器件。基本上都采用集成了桥臂续流二极管的模块式封装。IGBT是集双极型晶体管与MOS场效应晶体管各自优点与一身的新型器件。IGBT的过流能力一般小于同容量的BJT，后者允许4倍的额定值，且时间小于等于50微秒，而IGBT只能是2倍的额定值，时间小于等于20微秒。因此在线路上的快速熔断器一类的保护是不能保护IGBT的，需要借助于系统方面软、硬件结合的保护功能。IGBT在C、E端已加有高压的情况下，不允许G、E端开路，不然会损坏器件。在日常中，G、E两级要可靠的短路，防止静电损坏器件。在更换IGBT时禁止用手触摸G端。

SMU与SML缓冲电路是IGBT的吸收回路，每个桥臂的每个IGBT元件均有一块。缓冲电路用以控制关断浪涌电压和续流二极管，恢复浪涌电压，有时也被设计用于减少IGBT的开关损耗。

[1]西门子SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制.装机装柜逆变器（DC-AC）使用说明书.版本：AC 6SE7085-OKN60.

[2]上海振华港口机械（集团）有限公司2100t／h抓斗卸船机使用手册、电气原理图.