計紅雷

“華吉”輪是一艘4 000噸的海洋油田供應(yīng)船，舵槳采用STEERPROP公司的SP25D全回轉(zhuǎn)Z型傳動系統(tǒng)，推進(jìn)變頻器為兩套ABB公司的STADT6-AC-2-0有源前端正弦波脈寬調(diào)制交-直-交變頻器，推進(jìn)電機(jī)為ABB三相異步鼠籠式電動機(jī)，額定功率2000千瓦，設(shè)備型號：STADT6-AC-2-0（SAC1518），生產(chǎn)廠家為 ABB。

電力推進(jìn)的海洋油田供應(yīng)船為新型、綠色船舶，推進(jìn)變頻器是電力推進(jìn)船的重要動力設(shè)備。本文結(jié)合一起典型的變頻器故障，分析其技術(shù)原理和故障原因，提出故障修復(fù)方法和維保管理的注意事項，供業(yè)界參考。

一、故障簡介

2019年7月“華吉”輪在油田待命期間，接到油田作業(yè)指令準(zhǔn)備備車，備車完成后，機(jī)艙與駕駛臺電話確認(rèn)可以啟動主推進(jìn)器，駕駛員確認(rèn)控制面板狀態(tài)正常，開始一鍵啟動，發(fā)現(xiàn)右車啟動成功，但左車沒有反應(yīng)，且駕駛臺舵槳控制面板無異常報警。此時機(jī)艙報告電站上1號主發(fā)電機(jī)過載跳電脫閘正在處理，發(fā)電機(jī)檢查正常，控制電腦主開關(guān)報警復(fù)位。重新啟動還是無反應(yīng)，機(jī)艙人員發(fā)現(xiàn)左車濾波器報警，立即到主推間檢查，發(fā)現(xiàn)左主推進(jìn)器控制箱變頻器的門被震開，左推進(jìn)器變頻器控制箱內(nèi)部有煙霧，該推進(jìn)變頻器一組Power Block模塊出現(xiàn)故障現(xiàn)象，里面的一個變頻器IGBT模塊完全燒壞，左主推進(jìn)器變頻器大部分板卡損壞，造成左主推進(jìn)器不能正常工作。

船上人員無法對故障的原因及損害情況作進(jìn)一步的檢查和恢復(fù)，報請公司后只能單車運行，回港等待專業(yè)服務(wù)人員上船檢查檢修。

二、現(xiàn)場檢查

（1）對變頻器進(jìn)行斷電處理，搖出690伏配電板主開關(guān)，斷開預(yù)勵磁開關(guān)，斷開風(fēng)機(jī)水泵開關(guān)并掛牌上鎖。

（2）連接電腦查看變頻器所有故障信息，并未發(fā)現(xiàn)任何異常報警。查看傳送到IAS的監(jiān)控報警的報警記錄顯示變頻器發(fā)生故障時的報警為FC1 common alarm 和FC1 LCL filter fuse brown以及AZ1 Drive SYS common alarm。

（3）斷開控制電源，然后檢查發(fā)現(xiàn)左邊整流側(cè)R相出現(xiàn)嚴(yán)重的故障痕跡，IGBT、CT和銅排等一并損毀。整流側(cè)S相也出現(xiàn)銅排凸出的痕跡，內(nèi)部IGBT受損。整流側(cè)T相未發(fā)現(xiàn)明顯故障痕跡。檢查MDC板，發(fā)現(xiàn)MDC板上兩個元器件C119和IC27明顯損壞。

（4）檢查變頻器另一組Power Block模塊，發(fā)現(xiàn)整個模塊外觀尚可，無明顯故障的痕跡，因受旁邊模塊爆炸影響，已經(jīng)不能確認(rèn)原來里面的清潔狀況。

（5）IAS故障顯示LCL進(jìn)線屏有1個保險絲損壞，檢查發(fā)現(xiàn)LCL進(jìn)線L3相保險絲燒壞，R、S兩項熔絲正常。

（6）檢查了所有安裝銅排和連接螺絲以及接地電纜，銅牌未發(fā)現(xiàn)有明顯松動現(xiàn)象，多個變頻器模塊連接緊固不足，存在著接觸不良的可能。

（7）檢查了變頻器的水質(zhì)，肉眼查看無任何異常。沒有可見的顆粒或者鐵銹情況。

（8）了解出現(xiàn)故障前的操作情況：船員對變頻器備車完畢，啟動操作前未發(fā)現(xiàn)異常，第一次啟動沒有成功，船員檢查發(fā)電機(jī)組的電力供應(yīng)，未發(fā)現(xiàn)有故障，直接進(jìn)行了第二次啟動，沒有成功，到機(jī)旁檢查發(fā)現(xiàn)變頻器IGBT模塊已經(jīng)炸毀。

三、電力推進(jìn)配置與有源前端變頻原理

長期以來，民用船舶主推進(jìn)系統(tǒng)都是由柴油機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)船舶。隨著技術(shù)的進(jìn)步，大功率電力電子器件及其構(gòu)成的變頻器技術(shù)不斷成熟與完善，電力變頻推進(jìn)技術(shù)被更多使用在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，未來有普及推廣的趨勢。與傳統(tǒng)推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)布置安裝靈活，省去了大量機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，燃油經(jīng)濟(jì)性好，正倒車反應(yīng)速度快，低速特性極佳，操縱靈活機(jī)動性強(qiáng)，并且具有堵轉(zhuǎn)性能，大大降低了螺旋槳繞異物時對設(shè)備造成的損害，非常適合平臺作業(yè)船舶。

目前船舶電力推進(jìn)應(yīng)用中常見有整流器、交-交循環(huán)、交-直-交電流源型、交-直-交電壓源型四種變頻器，其中交-直-交電壓源型最為常用。脈寬調(diào)制（pulse width modulation，簡稱PWM）是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需的電壓或電流信號。

“華吉”輪電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)組、電站及管理系統(tǒng)、變頻器推進(jìn)電機(jī)及舵槳系統(tǒng)構(gòu)成，見圖1。

圖1 “華吉”輪電力推進(jìn)系統(tǒng)

四套主發(fā)電機(jī)組G1～G4，每套由一臺卡特彼勒3512C四沖程電噴柴油機(jī)與一臺ABB永磁無刷發(fā)電機(jī)組成，單機(jī)功率1 360千瓦，總?cè)萘? 440千瓦，電制三相690伏/60赫茲。電站采用康世博K-chief-600自動管理系統(tǒng)，推進(jìn)變頻器為兩套ABB公司的STADT6-AC-2-0有源前端正弦波脈寬調(diào)制交-直-交變頻器，推進(jìn)電機(jī)為ABB三相異步鼠籠式電動機(jī)，額定功率2 000千瓦，舵槳采用STEERPROP公司的SP25D全回轉(zhuǎn)Z型傳動系統(tǒng)。主發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能送至自動電站，電站按照負(fù)荷將電源合理分配至主推進(jìn)裝置，推進(jìn)電動機(jī)帶動定距螺旋槳單向旋轉(zhuǎn)，船舶加減速靠變頻器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)，轉(zhuǎn)向通過舵槳系統(tǒng)360度旋轉(zhuǎn)改變推進(jìn)水流方向獲得。

“華吉輪”配置了先進(jìn)的變頻技術(shù)AFE（Active front end）前端有源型（也可譯為“主動前端型”“可控前端型”）變頻器。它采用全控式開關(guān)元件IGBT取代了功率二極管、晶閘管等傳統(tǒng)器件。作為其核心部件的IGBT是絕緣柵雙極型晶體管的縮寫，是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場效應(yīng)管 （MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小；基于其同時具備了兩個元器件的優(yōu)良功能，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600伏及以上的變流系統(tǒng)。IGBT就是一個開關(guān)，非通即斷，如何控制其通或斷，靠的就是柵源極的電壓，其工作原理結(jié)合圖2所示的等效電路圖作如下簡述：

圖2 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等效電路圖

IGBT是以GTR為主導(dǎo)元件、MOSFET為驅(qū)動元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。其外部有三個電極，分別為G（柵極）、C（集電極）、E（發(fā)射極）。在IGBT使用過程中，可以通過控制其集電極電壓UCE和柵極電壓UGE的大小，從而實現(xiàn)對IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷、阻斷狀態(tài)的選擇性控制。

（1）當(dāng)IGBT柵極加上加0或負(fù)電壓時，MOSFET內(nèi)溝道消失，IGBT呈關(guān)斷狀態(tài)。

（2）當(dāng)集電極電壓UCE＜0時，J3的PN結(jié)處于反偏，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。

（3）當(dāng)集電極電壓UCE＞0時，分兩種情況：

a.若柵極電壓UGE＜Uth，溝道不能形成，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。

b.若柵極電壓UGE＞Uth，柵極溝道形成，IGBT呈導(dǎo)通狀態(tài)即為其正常工作。

此時，空穴從P+區(qū)注入到N基區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N基區(qū)電阻RN的值，使IGBT通態(tài)壓降降低。

IGBT的安全可靠與否主要決定因素有：①IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓；②IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；③流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流；④IGBT的溫度。如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極-發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極-發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流超過集電極-發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞。

有源前端交-直-交變頻推進(jìn)作為目前較為先進(jìn)的推進(jìn)用設(shè)備，集諸多優(yōu)點于一身，非常適合對機(jī)動性要求高的平臺作業(yè)船使用，兩者結(jié)合可以將該系統(tǒng)的優(yōu)點完美體現(xiàn)出來。但凡事總有它的兩面性，該設(shè)備比較復(fù)雜，日常維護(hù)保養(yǎng)不易，需要專業(yè)人員完成，設(shè)備某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障會導(dǎo)致整個推進(jìn)系統(tǒng)停用，在高功率運行階段燃油經(jīng)濟(jì)性低于傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)，對輪機(jī)人員管理及技術(shù)水平要求較高。

四、故障原因分析

此次左車推進(jìn)變頻器故障，為突發(fā)性電氣元件故障。因電器電子元件的故障導(dǎo)致模塊損壞的可能原因如下：

（1）船員操作失誤。上船了解到船員在第一次啟動沒有成功時，僅對發(fā)電機(jī)組的電力供應(yīng)情況做了檢查，沒有核查控制板的故障報警情況，未有及時對故障報警作原因分析，在情況不明的情況下進(jìn)行了二次啟動，存在著明顯的操作失誤。

（2）電子板灰塵入侵。如果功率電子元件有灰塵侵入，可能會導(dǎo)致控制板上電子元件故障造成模塊短路。詢船方出廠至今未作專項清潔工作，我司要求定期（視情，一般每年）用防靜電設(shè)備清潔或請專業(yè)人員服務(wù)，特別是出廠運行三個月內(nèi)。

（3）冷卻水路腐蝕。變頻器內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)水垢較多，會直接影響IGBT元件的腐蝕及水路高溫，造成模塊短路。現(xiàn)場檢查船方使用廠家推薦冷卻液，冷卻系統(tǒng)狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)冷卻水路腐蝕現(xiàn)象。

（4）控制元件的部件老化。 電子元件的老化會導(dǎo)致控制信號的紊亂，并可能導(dǎo)致IGBT甚至是整個功率單元的損壞。該船交船使用僅為2年，檢查中也沒有發(fā)現(xiàn)元器件有老化現(xiàn)象。

（5）功率元件松動。變頻器模塊的IGBT模塊或者直流銅排安裝松動，會造成調(diào)制電流不穩(wěn)定和觸發(fā)信號紊亂并可能導(dǎo)致IGBT瞬間發(fā)生短路故障?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)模塊的緊固情況不足，船舶出廠運行至今未作全面的檢查緊固工作，維保要求中對所需緊固檢查的部位沒有明確標(biāo)注，沒有對變頻器模塊的安裝緊固情況進(jìn)行有效檢查跟蹤。

（6）主控制板故障。變頻器模塊的IGBT模塊、GateDriver等驅(qū)動板通過光纖連接其主控板并實施調(diào)制控制，其控制板需要定期檢查其安裝和連接狀態(tài)，避免某些隱患問題長時間不解決導(dǎo)致控制信號紊亂并最終導(dǎo)致故障。

結(jié)合船方檢查和現(xiàn)場勘察認(rèn)為本次故障產(chǎn)生的直接原因是IGBT短路故障。由于故障模塊炸毀，船員在故障后按了復(fù)位鍵，造成一些記錄缺失，無法確認(rèn)第一次啟動失敗時的原因與狀況。

五、故障修復(fù)

（1）根據(jù)現(xiàn)場檢查情況分析，認(rèn)為損壞件的現(xiàn)場修復(fù)難度非常大，因此緊急訂購新的Power Block模塊到場進(jìn)行修復(fù)。重新更換防凍液和冷卻水，檢查了變頻器和電機(jī)絕緣，檢查了所有動力電纜連接。

（2）上控制電后檢查變頻器，將690伏主開關(guān)搖到測試位，只通過預(yù)充電給直流母排充電3次，激活電容后將690伏主開關(guān)搖到工作位。

（3）檢查變頻器參數(shù)，顯示數(shù)據(jù)正常后消掉啟動連鎖點，準(zhǔn)備起機(jī)測試。

（4）變頻器啟動后在最低轉(zhuǎn)速下運行半個小時，然后逐漸加負(fù)載，測試變頻器在0～100%負(fù)荷下的狀態(tài)，在不同負(fù)荷下進(jìn)行電流校正。

（5）在考慮船舶安全的前提下盡量大負(fù)荷測試，100%負(fù)荷運行大于1個小時，變頻器工作穩(wěn)定正常，達(dá)到正常工作條件，修理更換工作圓滿完成。

六、維保和管理注意事項

針對IGBT模塊存在過電壓、過電流及短路故障的可能，與ABB設(shè)計公司一起探討設(shè)備技術(shù)改進(jìn)的可能。在日常使用維護(hù)中采取必要的措施以確保電力推進(jìn)系統(tǒng)的良好運作。

（1）提高船舶管理人員的電力推進(jìn)理論認(rèn)知水平，邀請專業(yè)人員對設(shè)備的原理與使用進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)，采用理論知識學(xué)習(xí)與上船現(xiàn)場指導(dǎo)相結(jié)合，提升船員的業(yè)務(wù)能力。

（2）制訂電力推進(jìn)裝置等設(shè)備啟動操作程序，避免操作不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備損壞；明確規(guī)定舵槳變頻器在啟動及使用過程中發(fā)現(xiàn)異常情況、啟動不成功或報警，應(yīng)及時與ABB工程師聯(lián)系獲得技術(shù)支持，不得在情況不明時采取復(fù)位等操作后企圖再次啟動或使用，以避免造成故障證據(jù)的丟失。

（3）根據(jù)說明書維保建議與規(guī)定，結(jié)合船舶推進(jìn)設(shè)備的實際使用周期及狀況，制訂科學(xué)合理的維保程序，督促船員認(rèn)真執(zhí)行，確保設(shè)備始終處于良好的狀態(tài)。

（4）邀請ABB工程師定期對設(shè)備進(jìn)行檢查、維護(hù)，并在檢查維護(hù)的過程中對船員的操作、維護(hù)進(jìn)行現(xiàn)場培訓(xùn)與指導(dǎo)。