电推船有源前端变频器原理分析与故障处理

计红雷

“华吉”轮是一艘4 000吨的海洋油田供应船，舵桨采用STEERPROP公司的SP25D全回转Z型传动系统，推进变频器为两套ABB公司的STADT6-AC-2-0有源前端正弦波脉宽调制交-直-交变频器，推进电机为ABB三相异步鼠笼式电动机，额定功率2000千瓦，设备型号：STADT6-AC-2-0（SAC1518），生产厂家为 ABB。

电力推进的海洋油田供应船为新型、绿色船舶，推进变频器是电力推进船的重要动力设备。本文结合一起典型的变频器故障，分析其技术原理和故障原因，提出故障修复方法和维保管理的注意事项，供业界参考。

一、故障简介

2019年7月“华吉”轮在油田待命期间，接到油田作业指令准备备车，备车完成后，机舱与驾驶台电话确认可以启动主推进器，驾驶员确认控制面板状态正常，开始一键启动，发现右车启动成功，但左车没有反应，且驾驶台舵桨控制面板无异常报警。此时机舱报告电站上1号主发电机过载跳电脱闸正在处理，发电机检查正常，控制电脑主开关报警复位。重新启动还是无反应，机舱人员发现左车滤波器报警，立即到主推间检查，发现左主推进器控制箱变频器的门被震开，左推进器变频器控制箱内部有烟雾，该推进变频器一组Power Block模块出现故障现象，里面的一个变频器IGBT模块完全烧坏，左主推进器变频器大部分板卡损坏，造成左主推进器不能正常工作。

船上人员无法对故障的原因及损害情况作进一步的检查和恢复，报请公司后只能单车运行，回港等待专业服务人员上船检查检修。

二、现场检查

（1）对变频器进行断电处理，摇出690伏配电板主开关，断开预励磁开关，断开风机水泵开关并挂牌上锁。

（2）连接电脑查看变频器所有故障信息，并未发现任何异常报警。查看传送到IAS的监控报警的报警记录显示变频器发生故障时的报警为FC1 common alarm 和FC1 LCL filter fuse brown以及AZ1 Drive SYS common alarm。

（3）断开控制电源，然后检查发现左边整流侧R相出现严重的故障痕迹，IGBT、CT和铜排等一并损毁。整流侧S相也出现铜排凸出的痕迹，内部IGBT受损。整流侧T相未发现明显故障痕迹。检查MDC板，发现MDC板上两个元器件C119和IC27明显损坏。

（4）检查变频器另一组Power Block模块，发现整个模块外观尚可，无明显故障的痕迹，因受旁边模块爆炸影响，已经不能确认原来里面的清洁状况。

（5）IAS故障显示LCL进线屏有1个保险丝损坏，检查发现LCL进线L3相保险丝烧坏，R、S两项熔丝正常。

（6）检查了所有安装铜排和连接螺丝以及接地电缆，铜牌未发现有明显松动现象，多个变频器模块连接紧固不足，存在着接触不良的可能。

（7）检查了变频器的水质，肉眼查看无任何异常。没有可见的颗粒或者铁锈情况。

（8）了解出现故障前的操作情况：船员对变频器备车完毕，启动操作前未发现异常，第一次启动没有成功，船员检查发电机组的电力供应，未发现有故障，直接进行了第二次启动，没有成功，到机旁检查发现变频器IGBT模块已经炸毁。

三、电力推进配置与有源前端变频原理

长期以来，民用船舶主推进系统都是由柴油机直接驱动螺旋桨推进船舶。随着技术的进步，大功率电力电子器件及其构成的变频器技术不断成熟与完善，电力变频推进技术被更多使用在船舶推进系统中，未来有普及推广的趋势。与传统推进方式相比，电力推进布置安装灵活，省去了大量机械传动环节，燃油经济性好，正倒车反应速度快，低速特性极佳，操纵灵活机动性强，并且具有堵转性能，大大降低了螺旋桨绕异物时对设备造成的损害，非常适合平台作业船舶。

目前船舶电力推进应用中常见有整流器、交-交循环、交-直-交电流源型、交-直-交电压源型四种变频器，其中交-直-交电压源型最为常用。脉宽调制（pulse width modulation，简称PWM）是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需的电压或电流信号。

“华吉”轮电力推进系统主要由发电机组、电站及管理系统、变频器推进电机及舵桨系统构成，见图1。

图1 “华吉”轮电力推进系统

四套主发电机组G1～G4，每套由一台卡特彼勒3512C四冲程电喷柴油机与一台ABB永磁无刷发电机组成，单机功率1 360千瓦，总容量5 440千瓦，电制三相690伏/60赫兹。电站采用康世博K-chief-600自动管理系统，推进变频器为两套ABB公司的STADT6-AC-2-0有源前端正弦波脉宽调制交-直-交变频器，推进电机为ABB三相异步鼠笼式电动机，额定功率2 000千瓦，舵桨采用STEERPROP公司的SP25D全回转Z型传动系统。主发电机产生电能送至自动电站，电站按照负荷将电源合理分配至主推进装置，推进电动机带动定距螺旋桨单向旋转，船舶加减速靠变频器控制电动机转速实现，转向通过舵桨系统360度旋转改变推进水流方向获得。

“华吉轮”配置了先进的变频技术AFE（Active front end）前端有源型（也可译为“主动前端型”“可控前端型”）变频器。它采用全控式开关元件IGBT取代了功率二极管、晶闸管等传统器件。作为其核心部件的IGBT是绝缘栅双极型晶体管的缩写，是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管 （MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小；基于其同时具备了两个元器件的优良功能，非常适合应用于直流电压为600伏及以上的变流系统。IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制其通或断，靠的就是栅源极的电压，其工作原理结合图2所示的等效电路图作如下简述：

图2 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等效电路图

IGBT是以GTR为主导元件、MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其外部有三个电极，分别为G（栅极）、C（集电极）、E（发射极）。在IGBT使用过程中，可以通过控制其集电极电压UCE和栅极电压UGE的大小，从而实现对IGBT导通、关断、阻断状态的选择性控制。

（1）当IGBT栅极加上加0或负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT呈关断状态。

（2）当集电极电压UCE＜0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。

（3）当集电极电压UCE＞0时，分两种情况：

a.若栅极电压UGE＜Uth，沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。

b.若栅极电压UGE＞Uth，栅极沟道形成，IGBT呈导通状态即为其正常工作。

此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使IGBT通态压降降低。

IGBT的安全可靠与否主要决定因素有：①IGBT栅极与发射极之间的电压；②IGBT集电极与发射极之间的电压；③流过IGBT集电极-发射极的电流；④IGBT的温度。如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。

有源前端交-直-交变频推进作为目前较为先进的推进用设备，集诸多优点于一身，非常适合对机动性要求高的平台作业船使用，两者结合可以将该系统的优点完美体现出来。但凡事总有它的两面性，该设备比较复杂，日常维护保养不易，需要专业人员完成，设备某一环节发生故障会导致整个推进系统停用，在高功率运行阶段燃油经济性低于传统推进系统，对轮机人员管理及技术水平要求较高。

四、故障原因分析

此次左车推进变频器故障，为突发性电气元件故障。因电器电子元件的故障导致模块损坏的可能原因如下：

（1）船员操作失误。上船了解到船员在第一次启动没有成功时，仅对发电机组的电力供应情况做了检查，没有核查控制板的故障报警情况，未有及时对故障报警作原因分析，在情况不明的情况下进行了二次启动，存在着明显的操作失误。

（2）电子板灰尘入侵。如果功率电子元件有灰尘侵入，可能会导致控制板上电子元件故障造成模块短路。询船方出厂至今未作专项清洁工作，我司要求定期（视情，一般每年）用防静电设备清洁或请专业人员服务，特别是出厂运行三个月内。

（3）冷却水路腐蚀。变频器内部水循环系统水垢较多，会直接影响IGBT元件的腐蚀及水路高温，造成模块短路。现场检查船方使用厂家推荐冷却液，冷却系统状态良好，未发现冷却水路腐蚀现象。

（4）控制元件的部件老化。 电子元件的老化会导致控制信号的紊乱，并可能导致IGBT甚至是整个功率单元的损坏。该船交船使用仅为2年，检查中也没有发现元器件有老化现象。

（5）功率元件松动。变频器模块的IGBT模块或者直流铜排安装松动，会造成调制电流不稳定和触发信号紊乱并可能导致IGBT瞬间发生短路故障。现场发现模块的紧固情况不足，船舶出厂运行至今未作全面的检查紧固工作，维保要求中对所需紧固检查的部位没有明确标注，没有对变频器模块的安装紧固情况进行有效检查跟踪。

（6）主控制板故障。变频器模块的IGBT模块、GateDriver等驱动板通过光纤连接其主控板并实施调制控制，其控制板需要定期检查其安装和连接状态，避免某些隐患问题长时间不解决导致控制信号紊乱并最终导致故障。

结合船方检查和现场勘察认为本次故障产生的直接原因是IGBT短路故障。由于故障模块炸毁，船员在故障后按了复位键，造成一些记录缺失，无法确认第一次启动失败时的原因与状况。

五、故障修复

（1）根据现场检查情况分析，认为损坏件的现场修复难度非常大，因此紧急订购新的Power Block模块到场进行修复。重新更换防冻液和冷却水，检查了变频器和电机绝缘，检查了所有动力电缆连接。

（2）上控制电后检查变频器，将690伏主开关摇到测试位，只通过预充电给直流母排充电3次，激活电容后将690伏主开关摇到工作位。

（3）检查变频器参数，显示数据正常后消掉启动连锁点，准备起机测试。

（4）变频器启动后在最低转速下运行半个小时，然后逐渐加负载，测试变频器在0～100%负荷下的状态，在不同负荷下进行电流校正。

（5）在考虑船舶安全的前提下尽量大负荷测试，100%负荷运行大于1个小时，变频器工作稳定正常，达到正常工作条件，修理更换工作圆满完成。

六、维保和管理注意事项

针对IGBT模块存在过电压、过电流及短路故障的可能，与ABB设计公司一起探讨设备技术改进的可能。在日常使用维护中采取必要的措施以确保电力推进系统的良好运作。

（1）提高船舶管理人员的电力推进理论认知水平，邀请专业人员对设备的原理与使用进行系统的培训，采用理论知识学习与上船现场指导相结合，提升船员的业务能力。

（2）制订电力推进装置等设备启动操作程序，避免操作不当导致设备损坏；明确规定舵桨变频器在启动及使用过程中发现异常情况、启动不成功或报警，应及时与ABB工程师联系获得技术支持，不得在情况不明时采取复位等操作后企图再次启动或使用，以避免造成故障证据的丢失。

（3）根据说明书维保建议与规定，结合船舶推进设备的实际使用周期及状况，制订科学合理的维保程序，督促船员认真执行，确保设备始终处于良好的状态。

（4）邀请ABB工程师定期对设备进行检查、维护，并在检查维护的过程中对船员的操作、维护进行现场培训与指导。