郭晶

（黑龍江水運(yùn)建設(shè)發(fā)展有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

1 概述

船閘系統(tǒng)是一種應(yīng)用在水運(yùn)工程的大型程控設(shè)備，其設(shè)備集成化程度高原理復(fù)雜，安全措施完善，工作效率高。本水利樞紐工程船閘系統(tǒng)電氣控制部分主要由西門子可編程控制器和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成。駕駛室由兩臺(tái)行走電機(jī)變頻器和西門子可編程控制器S7-300 控制模塊（附設(shè)觸摸屏）組成。中控室由西門子IM153 從站模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成。

船閘系統(tǒng)電源由配電室通過電纜卷盤送到駕駛室。駕駛室和中控室之間通過通訊電纜滑環(huán)應(yīng)用Profibus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可編程控制器S7-300 主站和從站之間的通訊。為使船閘系統(tǒng)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)與付驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置平行同步開合閘門，船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)有位置采集系統(tǒng)和糾偏傳感器。驅(qū)動(dòng)船閘開閉的變頻電機(jī)，其物理性能完全一致，由兩臺(tái)高性能工業(yè)變頻器驅(qū)動(dòng)行走；而這兩臺(tái)變頻器都用Profibus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)與PLC 的CPU 相連接。

2 船閘系統(tǒng)電機(jī)的控制原理

船閘PLC 接收到閘門開閉運(yùn)行指令后，經(jīng)過西門子S7-300PLC 的速度轉(zhuǎn)換計(jì)算，通過Profibus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)向兩臺(tái)變頻器傳遞命令源，驅(qū)動(dòng)船閘門機(jī)同步行走。

圖1 PLC 輸入（AS-1）原理圖

在船閘主付驅(qū)動(dòng)減速機(jī)的出軸處均安裝有直線位置檢測(cè)模塊(SSI 編碼器)，直接與西門子S7-300PLC 的位置檢測(cè)模板(IM338)相連。

船閘主付驅(qū)動(dòng)電機(jī)在行走時(shí)，減速機(jī)出軸處的兩個(gè)位置檢測(cè)模塊同時(shí)檢測(cè)計(jì)數(shù)，西門子S7-300 的IM338模塊通過與編碼器的通訊協(xié)議實(shí)時(shí)讀取計(jì)數(shù)值，通過西門子可編程控制器CPU 中的編程計(jì)算功能，讀取船閘門機(jī)行走位置。

圖2 PLC 輸入（AI-1）原理圖

船閘主付驅(qū)動(dòng)電機(jī)相對(duì)位移的控制采用糾偏傳感器提供的4-20mA 模擬量信號(hào)和兩個(gè)重跑偏限位開關(guān)，可編程控制器通過IM331 模擬量輸入模塊動(dòng)態(tài)讀取糾偏傳感器數(shù)值，判斷主付驅(qū)動(dòng)門機(jī)的相對(duì)位置，然后通過Profibus-DP 總線來調(diào)整付驅(qū)動(dòng)門機(jī)的運(yùn)行速度。

當(dāng)船閘系統(tǒng)主付驅(qū)動(dòng)門機(jī)相對(duì)位置誤差過大變頻器難以調(diào)整，重跑偏限位開關(guān)動(dòng)作，PLC 通過Profibus-DP 總線來切斷船閘門機(jī)變頻器的運(yùn)行信號(hào)，并且報(bào)警提醒操作人員。

3 船閘門機(jī)電機(jī)變頻器的故障現(xiàn)象及分析

3.1 船閘門機(jī)電機(jī)變頻器故障簡述

2021 年9 月船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器突停報(bào)“過電壓故障碼”，電氣檢修人員現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位后重新啟動(dòng)變頻器，變頻器運(yùn)行不久后即發(fā)出焦糊味，現(xiàn)場(chǎng)操作人員手動(dòng)急停閘機(jī)并聯(lián)系電氣。技術(shù)人員對(duì)船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器拆解檢查發(fā)現(xiàn)變頻器應(yīng)用于儲(chǔ)能逆變回路的功率單元模塊擊穿（見圖3 所示），通過查閱資料判斷為變頻器直流回路的電壓值超過了跳閘閾值繼而燒毀IGBT 功率單元模塊。

圖3 燒毀的IGBT 功率模塊

IGBT 是GTR 與MOSFET 組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP 晶體管。IGBT 的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET 基本相同，是一個(gè)場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。當(dāng)在G、E 引腳施加受控正向電壓時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)形成通路，此時(shí)GTR 基極有電流產(chǎn)生，IGBT 晶體管導(dǎo)通，反之當(dāng)G、E 引腳電壓小于開啟值UGE（th）或電壓施加方向反向，GTR 基極無電流產(chǎn)生，IGBT 晶體管關(guān)斷。IGBT 晶體管的優(yōu)點(diǎn)是阻抗高抗干擾能力強(qiáng)；電壓、電流容量大，安全工作頻率寬。

3.2 船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器IGBT 功率模塊燒毀原因分析

船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)是在變頻器輸出頻率的控制下運(yùn)行的，其轉(zhuǎn)速與變頻器的輸出頻率關(guān)系為N=60f/P。船閘閘門作為一種自重100 余噸的大型工業(yè)設(shè)備，在減速或者停車的過程中在物理慣性的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)速有可能超出變頻器所給定的轉(zhuǎn)速，處于超速運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度，產(chǎn)生容性電流，由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)。船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)的再生發(fā)電能量，經(jīng)絕緣柵雙極型晶體管構(gòu)成的逆變回路，逆變?yōu)橹绷麟妷菏┘釉谥虚g直流環(huán)節(jié)的開關(guān)器件、電解電容上，而由電力二極管構(gòu)成的整流環(huán)節(jié)具有能量的傳輸不可逆性，導(dǎo)致直流回路的電壓異常升高，中間直流環(huán)節(jié)用于無功功率交換的晶體管開關(guān)和儲(chǔ)能電容擊穿。

4 預(yù)防整改措施

船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器燒毀后，我公司技術(shù)人員立即查閱變頻器說明書圖紙，以變頻器中間直流環(huán)節(jié)IGBT功率模塊過電壓為分析切入點(diǎn)，決定采用電阻能耗的方式，選擇合適的電阻接到變頻器的直流環(huán)節(jié)，將電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電饋回的能量消耗在制動(dòng)電阻上以熱能的形式發(fā)散掉。變頻器制動(dòng)回路工作時(shí)，可使電動(dòng)機(jī)的饋電能量快速耗散。

制動(dòng)環(huán)節(jié)在不同的變頻器中有不同的實(shí)現(xiàn)方式，本水利工程船閘變頻器制動(dòng)原理（如圖4 所示），MCU微控單元檢測(cè)變頻器中間環(huán)節(jié)直流回路電壓值，直流回路電壓一旦超過設(shè)置定值產(chǎn)生泵升電壓，大于變頻器設(shè)定的直流過電壓動(dòng)作閾值時(shí)，由38 引腳輸出制動(dòng)脈沖信號(hào)，經(jīng)U37、U8 兩種受控相同的反向驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)制動(dòng)開關(guān)管IGBT7，將外接制動(dòng)電阻與IGBT7 晶體管串聯(lián)進(jìn)行分壓，消耗泵升電壓能量，從而保護(hù)變頻器中間直流環(huán)節(jié)不被過電壓擊穿。

圖4 能耗制動(dòng)原理

能耗制動(dòng)電阻的選擇要求電動(dòng)機(jī)再生饋電的能量要完全能被制動(dòng)電阻所消耗。變頻器制動(dòng)回路工作時(shí)，中間直流環(huán)節(jié)電壓量變化幅值與RC 有關(guān)，R 為制動(dòng)電阻的阻值，C 為電解電容的容量。由充放電曲線可以知道，RC 越小，母線電壓的放電速度越快，在C 保持一定（變頻器型號(hào)確定）的情況下，R 越小，母線電壓的放電速度越快。[2]由（式1）可以求出制動(dòng)電阻的阻值。

式中，UC為制動(dòng)單元?jiǎng)幼麟妷褐?，船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器設(shè)置值為680V；TM為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（N*m）；TB為制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩；N1為制動(dòng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速（r*min）。根據(jù)船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)銘牌計(jì)算選用100Ω 電阻即可滿足制動(dòng)要求。安裝制動(dòng)電阻后調(diào)節(jié)變頻器參數(shù)為外接電阻能耗制動(dòng)，送電運(yùn)行至今未再出現(xiàn)直流過電壓故障。

5 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

船閘投運(yùn)后因受北方冬季惡劣的氣候條件影響，其行走導(dǎo)軌早已發(fā)生變形，致使近年來驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器故障頻發(fā)，未能引起電氣檢修人員足夠重視，為改善變頻器過電壓能力，簡單期望靠調(diào)整變頻器參數(shù)和增加變頻器容量來解決問題，未深入挖掘變頻器變頻原理和直流過電壓原因，在負(fù)載減速期間變頻器長期被倒拖。而以GTR、IGBT 為代表的全控型變頻器抗耐壓能力差，過高的逆變饋回電壓有可能擊穿功率模塊，嚴(yán)重甚至?xí)茐碾妱?dòng)機(jī)的絕緣，從而威脅船閘的安全航行。

6 借鑒意義

變頻器作為廠礦常用節(jié)能調(diào)速設(shè)備應(yīng)用廣泛，除船閘這種大慣性負(fù)載外，我們?cè)趹?yīng)用變頻器進(jìn)行節(jié)能調(diào)速時(shí)如碰到：電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的位能負(fù)載（如起重、電梯等）；電動(dòng)機(jī)有可能被拖動(dòng)處于發(fā)電狀態(tài)（如破碎機(jī)、引風(fēng)機(jī)等）。以上幾類負(fù)載的共同特點(diǎn)是，電動(dòng)機(jī)不僅運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)（一、三象限），而且有時(shí)會(huì)運(yùn)行于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)（二、四象限）。本次對(duì)于船閘驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器過電壓燒毀事故的分析及處置方法可以為同行提供有意義的價(jià)值和參考，為日后應(yīng)對(duì)類似情況提供借鑒。