Портфолио

Повреждение преобразователей частоты вращения электродвигателей

Суть проблемы

В процессе эксплуатации после 3 лет работы в течение 1,5 месяцев вышли из строя 12 IGBT-модулей преобразователей частоты хвостовых и пульпонасосов в одном из электропомещений промышленного предприятия. При этом в другом электропомещении с аналогичным назначением и идентичными преобразователями частоты, питающими хвостовые и пульпонасосы от тех же секций подстанции, подобной ситуации не наблюдалось. При отказах ПЧ кроме вышедших из строя IGBT-модулей не зафискировано повреждений другого оборудования.

Взорвавшийся IGBT-модуль преобразователя частоты


Поставленный на экспертизу вопрос

Определить причину выхода из строя преобразователей частоты: заводской брак/ нарушение условий эксплуатации или режимов работы/нарушение правил эксплуатации/ некачественная электрическая энергия/ действие непреодолимой силы/ или иное?

Назначение экспертизы

Несудебная, для внутреннего пользования в целях предотвращения последующих выходов из строя преобразователей частоты.

Методы исследования

Аналитические, органолептические (на основе анализа восприятий органов чувств), фотографические, рентгенографические, микроскопии, измерения.

Процесс исследования

I. Выполнен анализ документации от эксплуатирующей и сервисной компании, в том числе выгрузки профилей тока и частоты вращения электродвигателей, запитанных через ПЧ, предшествовавшие выходу из строя IGBT-модулей, коды ошибок, результаты измерения напряжения и др.
График нагрузки

II. Осуществлен выезд на предприятие, в ходе которого:
  • выполнено органолептическое обследование электропомещений в целом и преобразователей частоты в частности (выявлено наличие большого количества пыли в обоих электропомещениях, где эксплуатируются преобразователи частоты, и слабый химический запах в помещении, где ПЧ выходили из строя);

  • произведена фотофиксация преобразователей частоты в процессе эксплуатации, поврежденных IGBT-модулей, электропомещения в целом;

  • выполнены замеры качества электрической энергии с применением измерительного прибора PQP-A ENERGOTESTER (отклонений показателей качества не выявлено);

  • осуществлен забор двух поврежденных IGBT-модулей и воздушных фильтров преобразователей частоты из разных помещений для проведения лабораторных исследований;

  • составлен акт проведения обследования.

III. В лабораторных условиях осуществлено вскрытие IGBT-модулей.
Вскрытие IGBT-модуля
Поврежденный IGBT-модуль

IV. Для определения химического состава промышленной пыли образцы (воздушные фильтры ПЧ из разных электропомещений) были переданы в ОмЦКП СО Российской академии наук, где выполнено их исследование методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и методом энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) с использованием микроскопа JSM-6460LV “JEOL”, оснащённого спектрометром рентгеновского микроанализа INCA x-Act «Oxford Instruments».


V. На лабораторной установке выполнено измерение сопротивления образцов пыли из различных помещений.

VI. По план-схемам выполнен анализ взаимного расположения помещений промышленного предприятия и устройства системы вентиляции помещений.

Результаты исследования

1. Выход IGBT-модулей на различных преобразователях ПЧ хвостовых насосов и пульпонасосах, отсутствие повреждений двигателей и др. оборудования позволяют косвенно судить о том, что гипотеза о внешних воздействиях, связанных с повреждением электрооборудования трансформаторной подстанции предприятия или электродвигателей соответствующих насосов, не подтверждается.
2. Результаты замены IGBT-модулей, выполненные эксплуатирующей организацией путем перестановки IGBT-модулей из одного помещения в другое, для выявления причины выхода из строя, привели к аналогичному выходу из строя IGBT-модулей из первого помещения во втором помещении. Это косвенным образом позволяет установить, что аппаратура ПЧ и ее настройка не оказывала влияние на отказы IGBT-модулей.
3. Показатели качества электроэнергии кроме кратковременной дозы фликера, находятся в допустимых диапазонах. Колебания напряжения могли оказать влияние на работу ПЧ, но влияние фликера с максимальными значениями на уровне 3,59 % на повреждение IGBT-модулей представляется маловероятным.
4. При осмотре поврежденных IGBT-модулей выявлены как следы гари на платах и корпусе, так и следы загрязнений в виде пыли, носящей мелкодисперсный характер.
5. Результаты фиксации измерений ПЧ показывают, что внешние повреждения и выход уровня нагрузки за пределы допустимого диапазона отсутствовали. Напряжение ПЧ на момент измерений не выходило за пределы нормируемого диапазона.
6. Имеющаяся защита ПЧ (IP42) не предназначена для защиты от пыли, фактический размер частиц которой составляет 10 мкм и менее.
7. Анализ химических элементов показывает наличие металлов в пыли. Указанная пыль попадает через систему приточной вентиляции.
8. Результаты испытания сопротивления образцов пыли показали, что пыль не является электропроводящей.
9. Расположение цеха флотации в непосредственной близости от помещения, в котором происходили выходы из строя ПЧ, и смежное расположение систем приточной и вытяжной вентиляции указанных помещений создают риски для возникновения соответствующих загрязнений в окружающем воздухе электропомещения. Указанные загрязнения могут привести к изменению химического состава и влажности воздуха, поступающего из приточной вентиляции.
10. Постоянный фактор загрязнения, возможное изменение влажности воздуха, наличие меди и марганца в пробах пыли создает предпосылки для оседания и накопления пыли на драйверах IGBT-модулей. Критическое накопление пыли на поверхности драйверов обусловливает возможные сбои в управлении IGBT-транзисторами, некорректной работе и сквозных коротких замыканиях, приводящих к выходу IGBT-модулей из строя.
11. Результаты рассмотрения различных версий повреждений приведены ниже.
  • Версия заводского брака вышедших из строя IGBT-модулей представляется маловероятной.
  • Версия влияния некачественной электрической энергии на работу IGBT-модулей не имеет подтверждения.
  • Версия влияния обстоятельств непреодолимой силы, связанных с возможностью нарушения режимов работы, условий эксплуатации, каких-либо других повреждений и отклонения от нормального режима работы в период с момента запуска в работу до момента осмотра оборудования после выхода IGBT-модулей не подтверждается.

  • Установлено, что совокупность перечисленных факторов в части загрязнения окружающего воздуха, запыленности, наличия частиц металлов и изменяющейся влажности может приводить к появлению пыли с увеличенной электропроводностью, возникновению аппаратных сбоев драйверов IGBT-модулей. Таким образом, версия несоответствия фактических условий эксплуатации ПЧ  паспортным является наиболее вероятной.
12. Применительно к фактическим условиям эксплуатации проведение ежегодного технического обслуживания (рекомендованного производителем) для сложившихся условий является недостаточным.
13. Выход из строя преобразователей (IGBT-модулей) произошел не по причине невыполнения эксплуатационным персоналом требований по техническому обслуживанию, а по причине несоответствия условий эксплуатации преобразователей частоты фактическим условиям, степени защиты IP42 ПЧ и периодичности технического обслуживания в электропомещении. Указанное несоответствие является следствием недостаточной проработки вопроса на этапе проектирования.



Рекомендации.
Несоответствие степени защиты условиям эксплуатации преобразователей частоты обусловливает необходимость подготовки проекта, содержащего мероприятия по усилению пылезащищенности помещения, изменения степени защиты оборудования или координации степени защиты с условиями окружающей среды, а также разработку регламента технического обслуживания, соответствующего фактическим условиям эксплуатации оборудования.

Эксперты
Незевак В.Л., Ушаков С.Ю., Эрбес В.В.Маслов А.Ю.
Эксперт Ушаков С.Ю. Эксперт Маслов А.Ю. Эксперт Незевак В.Л. Эксперт Эрбес В.В. Прочее Несудебные Электродвигатели Избранное