3-38 SIMODRIVE 611A电源模块烧坏原因的分析

余 纬

　　通过应用于旋压机床上的西门子SIMODRIVE 611A驱动系统发生的弧光放电现象，探讨了造成SIMODRIVE 611A电源模块烧坏的内在原因。此驱动系统由电源模块、各轴功率模块和控制模块等组成(见图1)。

故障现象为IGBT模块烧坏、4个轴的功率模块600VDC端保险熔断，证实在直流母线上确实有短路放电发生。引起短路的主要因素可能有：四轴伺服电机中存在瞬间相间短路或对地短路；四轴功率模块中至少有一块存在瞬间短路；四轴控制模块中至少有一块存在脉冲顺序紊乱；由电源模块自身故障造成短路。测得伺服电机及电机线的绝 　　缘电阻均大于200MW ，排除了电机及接线的绝缘不良。

　　因缺乏SIMODRIVE 611A功率模块和控制模块的内部详细资料，只能在更换电源模块后通电试验。第一次上电实验方法是将电源模块设定为方波方式，断开DC母线、设备总线的连接及减小保险，先单独给电源模块上电，然后依次与后级连接，给出驱动使能、脉冲使能等信号，从低到高调整进给率，试运行后再次发生驱动短路放电；第二次上电试验方法是更换功率模块及电源模块，电源模块设定为正弦波方式，对驱动系统进行去灰尘和干燥处理，对进线电抗器进行烘干处理，使其相间绝缘电阻从3MW 达到200MW ，对地绝缘电阻值从0.3 MW 达到0.7MW ，上电步骤与上次相同，长时间运行，未再次出现故障。

　　分析认为：更换新电源模块仍出现放电短路，可排除电源模块内部直流侧短路放电的原因，从控制模块和功率模块能够正常驱动各轴运动，电源模块直流侧保险完好，排除了电源模块整流桥到电机以下出现故障的可能性，焦点集中于电源模块IGBT整流桥以上到进线电抗器的区域，与进线电抗器的关联很大，分析发现SIMODRIVE 611A电源模块的工作过程很特殊，工作时序和电压提升分3段，阶段1是整流达到400VDC，阶段2是检测到400VDC后，继续使DC- LINK电容充电到570VDC，阶段3是等待脉冲使能信号出现，提升DC- LINK电压到600VDC。由于同时提供启动、驱动使能、脉冲使能信号，上述三步间隔时间极短，IGBT整流桥在使能条件刚满足就开始工作，当IGBT整流桥及脉冲分配电路由于鼠患、潮湿、积尘等原因发生大电流击穿或脉冲秩序紊乱时，浪涌电流通过DC母线冲击坐标轴功率模块的IGBT直流侧，这就是第一次发生电源模块短路烧毁的根本原因。另外，原电源模块与升级版电源模块不同，原模块只能用于方波PWM，升级版模块根据进线电抗器不同，选方波PWM和正弦波PWM，参照进线电抗器订货号，设正弦波PWM，而第二次试验沿用原模块设定，波形不匹配造成IGBT异常发热，直至击穿、烧毁，这就是发生短路放电的原因。当IGBT整流桥短路时，进线电抗器应起到一定的阻止电流上升过快的保护作用，绝缘能力下降造成电感量急剧减小，无法有效地起到保护作用，这也是电源模块烧毁的次要原因。

　　数控机床对恶劣工业环境的静电、干扰、温度、湿度、灰尘等因素很敏感，以及分布电容和不良接地的影响，都可能成为数控系统的故障隐患，进一步证实了良好的环境对数控机床稳定运行的重要作用。