一、SINAMICS GM150变频器介绍

变频器（Variable Frequency Drive，VFD） 是通过输出电压或频率可控的电源，实现对用电设备（电机）进行调速控制的电力设备。

变频器主要由电源输入模块、整流模块（交流变直流）、滤波模块、逆变模块（直流变交流）、控制系统等组成［1］。

变频器可以实现诸多保护功能，如：过流、过压、过载保护等。基于变频器的技术成熟，其在船舶动力控制设备上的应用十分广泛。

某电力推进船舶，由 SINAMICS GM150 变频器实现主推进电机调速控制。

该变频器为 24 脉冲2.2 kV 矢量控制，交 - 直 - 交中压变频器，主回路为中性点钳位（Neutral Point Clamp，NPC）三电平结构，其关键元器件为绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）， 该 变频器结构紧凑、谐波含量低、输出电压更高，非常适合船舶电力推进系统使用。该变频器的 24 脉冲整流部分由两组 12 脉冲整流输出并联组成。

其中，12 脉冲整流电路由一台三相变压器的两个二次绕组通过改变联接组号产生相位差，分别经过两个三相桥式整流电路串联输出一个周期内具有12 脉波的脉动直流电。

因此，24 脉冲整流模块需要使用两组移相变压器作为输入电源。

为了便于理解，仅取该变频器 24 脉冲整流模块的其中一组12 脉冲整流模块来进行介绍。

SINAMICS GM150变频器各模块组成见图 1。

图 1 SINAMICS GM150 变频器拓扑结构

图 3 故障时直流母线电压与时间曲线 

三、故障分析及排查

变频器故障分析及排查的前提是要熟悉变频器工作原理和各组成模块的具体功能，然后结合变频器故障现象进行故障分析和排查，才能准确地判断故障原因。

1、故障分析

变频器的故障分析方法一般遵循时间和空间分析原则［2］。

（1） 时间分析原则

时间分析原则是从故障的发生时间上分析。

1）突发性的故障。

变频器出现这种状况的原因可能是系统电路中某个元器件突然出现损坏，元件本身原因或外部影响，使得局部电路的电流过大，导致系统电路中的某些功能无法实现，整个变频器电路无法正常运行。

2）间歇性故障。

造成这样的原因可能是电路当中某个模块或者元器件的连接出现松动，使得系统运行中的某些功能表现出不稳定的现象。

3）老化性故障。

电路中的一些模块和元器件达到使用寿命极限，就会导致这种类型的故障。

老化性故障一般出现在设备运行维护周期的后期阶段。

一般为了不影响变频器的使用功能，避免因设备老化产生突发故障，生产厂商都会针对特定设备规定特定元件检修和更换周期。

（2）空间分析原则

空间分析原则是从故障发生的部位上分析。

1）内部故障

指的是变频器设备本身存在故障，内部故障主要分主电路故障和控制系统故障。

主电路故障包括整流模块、直流模块、逆变模块存在故障。内部接线故障指的是，在变频器的使用过程中其内部接线在长时间的使用后会出现断线、插头损坏等问题从而影响变频器的正常运行。

控制系统故障主要是主电路提供控制信号回路、驱动电路故障、反馈与检测电路故障，表现为频率失控、误报警、变频器参数显示混乱等。

2）负载故障

指的是变频器所驱动的电机故障，如：电机缺相、过载、过流等。

主要表现为电机运行速度或噪声异常，电机过热或运行速度失去控制等。

过载可能由加速时间过短、制动量过大或是电网电压过低等导致；

过流可能由电机负载突变引起较大的冲击、电机绝缘不良等导致。

3）电源故障

指的是变频器所接入的船舶电网存在异常，如：船舶电网本身过电压、欠电压、电压相序错误、三相不平衡、断路器功能不良或损坏等。

此类故障发生时，船舶电网一般会先发出故障报警。

当故障发生在移相变压器副边绕组和变频器的整流模块之间时，一般变频器报警监控系统难以给出故障是发生在移相变压器侧，还是变频器整流模块侧的提示，该情况下故障排查相对复杂。

从故障现象的描述可以分析得出，此次故障为变频器突发性内部直流环节过流故障。

2、故障排查

因为变频器故障内部关联性交错复杂，故障可能性范围广，必须对变频器各模块系统逐一排查各种引起该直流环节过流故障的可能性。

经查看直流母排电压波形记录可以分析得出，第二次变频器送电时控制系统没有发出任何报警，充电电路功能和系统放电功能均可以实现，由此可以判断控制系统和滤波模块（包含预充电电路和平衡电阻电路）均功能正常。

对电源输入模块、整流模块、逆变模块和负载进行隔离并分别进行测量。

1）电源输入模块。

根据故障现象分析，在变频器第二次合闸时，变压器主开关并没有立即跳闸，而是在完成了充电后才跳闸。

测量故障侧变压器的原边、副边相别电阻，见表 1；

绕组相间对地绝缘数值见表 2，经分析均未发现异常，由此排除电源输入模块故障。

2）整流模块。

拆除整流单元后，发现 RC 吸收电路中的一个缓冲电阻炸裂。

测量故障侧各整流桥和缓冲电路，其他 RC 吸收电路及整流桥功能正常，只发现其中一组模块参数异常，见表 3。

测量发现一组整流桥中的三只整流二极管击穿导通，分析其电阻与电容组成阻容吸收回路保护整流桥，此处出现问题，推断整流桥遇到比较大的尖峰冲击，缓冲电阻 R1 未能够起到保护作用或者已经超出电阻的保护范围，致使整流二极管 VD1、VD2和 VD3 击穿。

在监控的曲线中发现：

第一次跳机时直流母线电压降低曲线是线性的，很短时间内直流母线电压全部被放完；

第二次跳机时，直流母线电压降低曲线是抛物线的，这是比较正常的放电过程。

所以怀疑第一次跳机的时候，整流模块就已经出现问题。

3）逆变模块。

故障时变频器未输出功率，逆变模块未工作，由 IGBT 相组功能故障导致过流的可能性极小。

经测量三条电平母线间绝缘及对地绝缘无穷大，各 IGBT 相组模块的 IGBT 耐压值均大于 600 MΩ，由此可排除逆变模块故障。

4）负载。

故障发生时变频器虽处于上电状态，但并没有带负载运行，故障关联性极小。

经测量分析推进电机绕组电阻和对地绝缘均正常，可以排除负载故障。

推进电机各相电阻测量数据见表 4；

绕组相间对地绝缘测量数据见表 5。

结合故障分析与排查，判断该次故障性质为第一次船舶电网失电，由于船舶电网电压波动，整流模块中的 RC 吸收电路遇到尖峰电压冲击，缓冲电阻炸裂，RC 吸收电路保护作用失效，整流桥中二极管被击穿，导致直流汇流排过流的变频器突发性内部故障。

四、故障解决

首先，根据故障描述的内容，通过阅读变频器电路图来分析电路工作原理，结合时间和空间分析方法，判断可能造成此类故障的范围。

由此可得出本次故障：

在时间分析上为变频器突发性故障；

在空间分析上为变频器内部故障，且内部故障在直流环节。

然后，对可能的故障范围内各种原因所涉及模块的部分，对变频器分部分进行隔离，结合故障排查过程中对各模块测量的参数分析，最终确定故障点。

根据各功能模块测量的数据以及经上述分析，确定本次故障的原因是直流环节中整流模块的 RC 吸收电路故障。

最后，对损坏的整流模块（包含整流桥和缓冲电路）进行更换。

确定所有可能故障原因都排除的情况下，进行通电试验，在进行这一步检查时，一般要求变频器工作的所有外部条件都具备，并且不会引起故障的进一步扩大，在检修设备工作正常的情况下，就可以进入系统测试［3］。

更换故障元件和模块后，对变频器进行使用前检查和系统测试。

经系统测试，变频器起停程序均正常，直流模块电压波形正常。在泊位进行低速测试运行，并确认变频器功能一切正常，随后船舶离港。

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