大功率逆變電源典型故障原因分析及改進措施

隨著國內(nèi)造船技術能力的不斷發(fā)展壯大，大功率逆變電源作為主要電源變換設備已經(jīng)在現(xiàn)代船舶上得到廣泛應用，是船舶電力系統(tǒng)的重要組成部分，大功率逆變電源的主要作用是將電網(wǎng)上的中壓直流電變換為380V，50Hz的三相交流電，再輸送至各分配電板，為電動機、通信導航等設備提供電能，同時避免用電設備對發(fā)電機造成干擾。其逆變電路主要由逆變器、濾波器、和控制電路組成，而其中的典型器件主要在正式交付前，需進行調(diào)試試驗，以檢驗其實際性能與設計要求是否一致，并對其可靠性進行驗證，本文通過對兩起調(diào)試期間發(fā)生的故障進行描述并展開分析發(fā)生原因，采取措施消除故障，并進行故障復現(xiàn)，以驗證采取措施的可靠性與真實性，最后開展舉一反三，避免以后發(fā)生類似故障，增強設備承制單位的質量控制水平，提升顧客滿意度。一、故障一分析1、現(xiàn)象大功率逆變電源自滿載運行發(fā)生保護報警停機，通過拆解發(fā)現(xiàn)功率模塊中電容發(fā)生損壞，內(nèi)部絕緣膠從外殼膨出；高溫絕緣膠將電容附近的信號光纖灼傷。進一步排查發(fā)現(xiàn)C相功率模塊中也存在類似問題，結合當時設備滿載運行工況，及下電后功率模塊電容表面觸感溫度，初步判斷電容故障原因為過熱損壞。2、問題定位大功率逆變電源采用組合式結構，A、B、C三相采用通用的單相功率模塊，在各功率模塊內(nèi)部就近IGBT逆變電路布置4只0.6mF電容并聯(lián)，在功率模塊外部集中布置12只3.3mF電容并聯(lián)。在冷卻設計上，上述電容采用自然冷卻，主電路中的IGBT貼裝在水冷板上采用水冷冷卻，當IGBT水冷板溫度超過過溫預警值65℃（10s）時會啟動功率模塊內(nèi)的風機進行輔助風冷散熱。將損壞的模塊內(nèi)電容、以及二次受損的信號光纖進行更換恢復后，設備單機運行正常，判斷該問題定位為功率模塊內(nèi)電容過溫損壞。3、機理分析搭建電容電流測試工裝，對電容載流量進行實測檢查，實測逆變電源滿載時單只模塊電容電流有效值約70A，滿足設計技術要求中關于電容器總電流70A的規(guī)定。電容電流過載引起的過溫原因可以排除。于是進行電容均溫分析，為保證電容載流量要求，該型電容采用三層柱芯并聯(lián)結構設計，如圖1所示。圖1電容結構圖進行了三層柱芯溫升一致性摸底試驗，對單只電容加載高頻電流77A@20kHz[1]，至熱穩(wěn)定后觀測三層柱芯，離極柱由近及遠依次為Bx1、Bx2、Bx3，對應部位的外殼溫度分別為58.8、57.2、55.4℃，外殼溫差<4℃，不會出現(xiàn)層間不均導致單層電流過載引起過溫損壞的故障。電容內(nèi)部層間不均溫原因可以排除。進一步結合故障電容返廠拆解情況，電容內(nèi)部金屬膜面無自愈點，產(chǎn)品金屬化膜無異常。多個電容出現(xiàn)異常點均為第一級芯子表面高溫導致的金屬化膜熔化痕跡，且熔融部位靠近銅帶部分，如圖。圖2損壞電容解剖圖電容器失效原因分析如下：①該款電容器在實際使用時電流頻率為10kHz及其倍頻次，總電流有效值為70.79A。在高頻情況下通過電容器內(nèi)部載流銅帶的電流趨膚效應會加重，導致銅帶載流發(fā)熱增加；②由于電容器內(nèi)部采用三個電容芯子并聯(lián)結構，三個芯子單元離電極的距離有差異，因此對應的連接銅待的長度引起極柱至三個并聯(lián)單元芯子阻抗差異。由于電流會優(yōu)先通過阻抗小的支路，因此離電極最近的第一個芯子（阻抗最?。┩ㄟ^的電流會最大，導致連接第一個芯子的銅帶通過更多的電流。由于以上兩個原因，最終導致第一個芯子上的銅帶過熱，銅帶上的熱量會傳遞到緊鄰的第一芯子上，此時高溫會導致芯子的有機高分子絕緣材料-聚丙烯薄膜高溫老化，絕緣性能下降，最終芯子擊穿，擊穿產(chǎn)生的高溫會導致聚丙烯熔融。對光纖防護設計進行分析，鑒于此次電容損壞將附近IGBT光纖熔融的故障現(xiàn)象，項目組對功率模塊內(nèi)光纖防護設計開展了分析。因功率模塊輔助風冷散熱需從各電容器間隙獲取風道，電容器與光纖線之間無法采取隔擋防護。為防止光纖線因彎折過大引起光信號傳輸減弱，需留出一定彎曲空間。另外光纖線熔融可作為被動保護措施使設備停機。因此，只能采取將光纖線盡量遠離電容器外殼走線來進行防護。經(jīng)上述機理分析，定位故障原因為功率模塊電容器內(nèi)部銅帶載流量設計余量不足，在流經(jīng)滿載電流（含10kHz及以上高頻成分，原技術要求中未明確）后熱量累積引起電容絕緣材料膨脹，導致電容附近光纖信號線熔融損壞，造成報警停機[1~2]。4、問題復現(xiàn)采用相同規(guī)格結構電容器，在第一個芯子連接銅帶處放置溫度傳感器，此時按照15kHz@70A，50℃的條件進行溫升測試。測試結果發(fā)現(xiàn)，銅帶處溫度明顯要高于其他位置，此條件下，電容芯子最熱點溫度為65.12℃，而銅帶處溫度為70.38℃，銅帶處的溫升要明顯高于其他部位，若電流頻率再增加，銅帶的發(fā)熱會更加嚴重，故障點復現(xiàn)成功，不滿足原技術要求中“柱芯溫度≤70℃”要求（原出廠試驗按照4kHz設定）。因此，可推斷電容器損壞原因為流經(jīng)電容器的電流頻率過高，高頻情況下銅帶發(fā)熱過大，最終導致電容器損壞。[1]5、措施及驗證情況在上述問題定位及機理分析基礎上，采取改進電容器內(nèi)部結構，降低電容器銅帶通入高頻電流的趨膚效應，對模塊電容進行改善，改進方案如下：①修改電容器內(nèi)部銅帶結構，增加銅帶個數(shù)，增大銅帶整體載流量。②銅帶厚度減小由0.5mm降低為0.2mm，降低電容器的趨膚效應。改進方案樣品在大功率逆變電源上進行多輪滿功率連續(xù)運行測試，運行4h（280min）穩(wěn)定后數(shù)據(jù)如下：圖3電容溫度變化圖試驗結果顯示，改進方案狀況良好。電容內(nèi)部最熱點溫度為75.7℃（＜內(nèi)部熱點85℃要求），相較于運行環(huán)境溫升20K。4個電容器外殼溫度均基本穩(wěn)定（＜65℃），相較于運行環(huán)境溫升15K，該溫度情況下電容器可以正常工作，滿足電容外殼溫度≤70℃技術要求[3]。二、故障二分析1、現(xiàn)象兩臺大功率逆變電源空載并聯(lián)運行時，其中一臺逆變電源直流電容過壓保護停機。2、問題定位大功率逆變電源在空載并聯(lián)工況下無負載阻抗，能量直接在設備之間進行功率交換形成功率環(huán)流，穩(wěn)定狀態(tài)下有功環(huán)流和無功環(huán)流可實現(xiàn)自動平衡。為排除軟件控制影響，在功率控制開環(huán)條件下再次進行兩機空載并聯(lián)試驗，依然發(fā)生過壓保護停機現(xiàn)象。說明其中一臺逆變電源在并聯(lián)投入后持續(xù)吸收有功功率，功率波動未恢復到平衡狀態(tài)，引起直流側電容電壓泵升。3、機理分析逆變電源空載并聯(lián)，其環(huán)流僅僅由各逆變單元的電壓輻值差、相位差和濾波阻抗決定?？蛰d工況下逆變電源輸出電壓幅值相當，各單機濾波阻抗基本一致，其有功功率環(huán)流大小與同步相位直接相關。而并聯(lián)相位是依靠逆變電源數(shù)字量板分布式硬件同步總線，外部同步信號總線采用帶隔離的線與邏輯總線來實現(xiàn)同步，為此將兩臺逆變電源數(shù)字量板拆下，單獨對同步信號進行測試發(fā)現(xiàn)兩者相差近3μs，對應基波周期內(nèi)的0.054°。因此相位滯后的逆變電源因持續(xù)吸收有功功率引起直流側電容電壓泵升，造成過壓保護停機。將兩臺逆變電源的同步信號進行一致化處理后，該兩臺逆變電源并聯(lián)空載穩(wěn)定運行，可以判斷該問題為逆變電源數(shù)字量板的同步延時信號不一致[4]。4、問題復現(xiàn)將兩臺逆變電源數(shù)字量板恢復到初始狀態(tài)后進行空載并聯(lián)試驗，仍然發(fā)生直流側電容過壓保護停機。5、措施及驗證情況在上述問題定位及機理分析基礎上，將兩臺逆變電源數(shù)字量板電容器件匹配控制延時差距在±0.5us后，多次進行兩機并聯(lián)空載運行驗證，系統(tǒng)均正常。所以要求生產(chǎn)廠家對數(shù)字量板中的濾波電容進行嚴格篩選，并在板子調(diào)試中增加同步信號延時測試項，保證延時差值控制在±0.5μs內(nèi)?？紤]到空載并聯(lián)對逆變電源輸出電壓幅值、相位及