BPJV1-2000(1400)/3.3礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器故障分析及處理

楊金樓

(神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司大柳塔煤礦,陜西 神木 719315)

0 引 言

隨著神東煤炭集團(tuán)公司打造億噸煤炭基地的發(fā)展大潮，重型綜合機(jī)械化回采工藝正在取代傳統(tǒng)采煤工藝[1]。由于神東礦區(qū)煤層地質(zhì)條件、煤層賦存情況以及國家對(duì)煤炭資源回采率要求的提高，傳統(tǒng)的放頂煤采煤方法在神東礦區(qū)已不適宜使用。因此增大采煤高度創(chuàng)建重型綜采工作面就成為神東礦區(qū)首選的采煤方法;傳統(tǒng)大功率刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)以調(diào)速型液力耦合器為主，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，但系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)工作量大，維護(hù)成本高，且不可以長時(shí)間工作在低速模式下[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨普及，變頻技術(shù)應(yīng)用于煤礦刮板輸送機(jī)也日益成熟。變頻技術(shù)的引入便于實(shí)現(xiàn)礦自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)斷鏈保護(hù)停機(jī)，電機(jī)功率平衡等，省去了調(diào)速型液力耦合器采用直接對(duì)輪聯(lián)接，提高設(shè)備的機(jī)械效率[3]。同時(shí)對(duì)于煤礦進(jìn)行實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理提供了便利的條件。

大柳塔煤礦52307工作面采用走向長壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化一次采全高的采煤方法。工作面采煤高度6.8 m，截深0.865 m，工作面傾斜長度301 m，采煤機(jī)割煤一刀落煤量約為3 000 t，屬重型綜采工作面。為滿足生產(chǎn)需要，52307工作面安裝一臺(tái)總功率為4 800 kW刮板運(yùn)輸機(jī)，該刮板運(yùn)輸機(jī)由三臺(tái)1 600 kW礦用隔爆水冷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用首二尾一的布置方式。由于啟動(dòng)刮板運(yùn)輸機(jī)時(shí)，三臺(tái)電機(jī)需要同時(shí)啟動(dòng)，大功率電機(jī)在全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)啟動(dòng)電流很大，三臺(tái)大功率電機(jī)同時(shí)全壓?jiǎn)?dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成較大的壓降，使其他設(shè)備無法正常運(yùn)行，甚至?xí)闺娋W(wǎng)的保護(hù)誤動(dòng)作跳閘。因此使用傳統(tǒng)的控制方式無法使整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)高效運(yùn)行。52307工作面現(xiàn)在使用三臺(tái)青島天信集團(tuán)的BPJV1-2000(1400)/3.3礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器(后簡(jiǎn)稱變頻器)分別為三臺(tái)電機(jī)供給電能，通過變頻啟動(dòng)降低啟動(dòng)電流減小系統(tǒng)壓降，從而保證整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

重型綜采工作面的設(shè)備具有容量大、集成性高、系統(tǒng)內(nèi)各部分聯(lián)系緊密的特點(diǎn)，因此在故障排查處理時(shí)與傳統(tǒng)設(shè)備的排查處理方法及思路略有不同。在排查處理故障時(shí)，需要考慮排查故障點(diǎn)以及與故障點(diǎn)有所聯(lián)系的設(shè)備和部件，這樣才能準(zhǔn)確快速的將故障排除。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

3 300 V電壓等級(jí)礦用隔爆高壓變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)分為主回路和控制回路2部分。

圖1 礦用隔爆高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1) 主回路。礦用10 kV高壓經(jīng)過移動(dòng)變電站變壓為2路1 903 V電壓，輸入至變頻器，變頻器對(duì)輸入電壓進(jìn)行變頻輸出控制，使電動(dòng)機(jī)的輸入電壓頻率為0～50 Hz，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。

2) 控制回路。低壓控制設(shè)備由地面監(jiān)控中心、集中顯示臺(tái)、TK200集中控制器以及信號(hào)采集終端組成。其中集中顯示臺(tái)主要有4方面的作用：①操作人員利用集中顯示臺(tái)設(shè)置刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度；②集中顯示臺(tái)能夠顯示3臺(tái)變頻器的輸出電流、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等主要參數(shù)曲線，并具備歷史記錄能力；③能夠?qū)⒆冾l系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控中心；④利用信號(hào)采集終端，采集并顯示電動(dòng)機(jī)減速箱油溫及液位信號(hào)。TK200集中控制器通過硬接線控制變頻器系統(tǒng)的啟動(dòng)、停機(jī)與急停，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)變頻器系統(tǒng)與工作面沿線閉鎖按鈕的啟?；ユi功能。

2 BPJV1-2000(1400)/3.3礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器

2.1 BPJV1-2000(1400)/3.3礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器簡(jiǎn)介

BPJV1-2000(1400)/3.3礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器是三相變頻器用于鼠籠式感應(yīng)電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)。通過應(yīng)用微處理器控制技術(shù)對(duì)電機(jī)的電磁狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。這些數(shù)據(jù)搭配直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(DTC)可以使得無傳感器電機(jī)控制近乎完美。應(yīng)用外加脈沖編碼器反饋后，可以達(dá)到精確的速度控制，也可長期運(yùn)行于接近零速區(qū)域的應(yīng)用場(chǎng)合。變頻器的輸出電壓的波形接近于正弦波，它可以方便的用于現(xiàn)技術(shù)所使用的標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電機(jī)而不需要單獨(dú)降容，因此是現(xiàn)階段很多項(xiàng)目的不二選擇。變頻器采用一種無熔斷器保護(hù)技術(shù)的中壓變頻器。這種設(shè)計(jì)使用新型的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件IGCT作為回路的保護(hù)。IGCT置于直流回路和整流橋之間這種IGCT不同于傳統(tǒng)的熔斷器，它可以在25 μs內(nèi)直接將逆變部分和整流部分快速隔離開，其速度是普通熔斷器的1 000倍。變頻器的硬件和軟件保護(hù)特性可以有效的保護(hù)變頻器，使變頻器免受非正常操作和設(shè)備誤動(dòng)作所造成的故障和損壞。變頻器具有先進(jìn)的本地控制和遠(yuǎn)程控制特性功能，變頻器的控制設(shè)備集成在變頻器內(nèi)部，可提供基于過程控制、保護(hù)和監(jiān)控功能的全數(shù)字和微處理器技術(shù)，可提供硬件保護(hù)電路的備份。CDP312 控制盤是基本的用戶接口，使用者可以通過它監(jiān)控，修改參數(shù)和控制變頻器的運(yùn)行[4]。

2.2 BPJV1-2000(1400)/3.3礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器工作原理

工頻三相交流電源通過一臺(tái)三繞組變壓器變壓后對(duì)整流橋供電，如圖2所示。為了能夠得到12脈波整流，這臺(tái)三繞組變壓器的兩個(gè)二次側(cè)繞組之間必須存在30°的相位差。二次側(cè)一個(gè)繞組為星形接法，另一個(gè)二次側(cè)繞組為角形接法。兩個(gè)無熔斷器的整流橋串聯(lián)連接，因此直流電壓為兩整流橋輸出電壓的疊加。兩個(gè)整流橋均流過全部的直流電流。為能夠進(jìn)行三電平切換運(yùn)行,三相逆變器的每個(gè)橋臂都由4個(gè)IGCT組成， IGCT的輸出電壓在正直流電壓、中性點(diǎn)(NP)和負(fù)直流電壓之間切換。因此，采用DTC控制技術(shù)，就可以對(duì)輸出的電壓和頻率在 0到最大值之間進(jìn)行連續(xù)的變化控制[5]。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1) 整流單元。變頻器內(nèi)部配置12脈波整流器，可降低變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。變頻器整流電壓為2個(gè)整流器直流電源的疊加。在變頻器處于故障狀態(tài)時(shí)，不允許合閘充電。

2) 主回路可恢復(fù)的快速短路保護(hù)技術(shù)。變頻系統(tǒng)使用最新的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件IGCT作為主電路保護(hù)器件，位于整流器和直流回路之間的IGCT可以直接把逆變器和主電源隔離，且分?jǐn)鄷r(shí)間為25 μs，比傳統(tǒng)的熔斷器快1 000倍。不同于傳統(tǒng)的熔斷器，逆變回路上同樣采用IGCT。與傳統(tǒng)的相比保護(hù)機(jī)理發(fā)生了很大變化，傳統(tǒng)的保護(hù)當(dāng)后端發(fā)生短路時(shí)，會(huì)將功率器件關(guān)斷，不再讓變頻器輸出，該變頻器的保護(hù)是讓IGCT導(dǎo)通，讓直流正和直流負(fù)短路，外部短路內(nèi)部也短路；同時(shí)位于整流器和直流回路之間的IGCT快速將逆變器和主電源隔離，保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)在于：后面短路點(diǎn)除了電動(dòng)機(jī)電感，還有電纜的分布電容儲(chǔ)能，當(dāng)外面有故障，讓內(nèi)部短路，外面儲(chǔ)能的能量全存回變頻器內(nèi)部，使外面故障點(diǎn)的能量降至最低，這需要滿足2個(gè)條件，一是功率器件容量足夠大，外面短路的能量、電感、電容儲(chǔ)存的能量能夠瞬間吸收掉；二是在極短時(shí)間內(nèi)切斷前面的直流供電。使用IGCT 作為傳動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備，使得傳動(dòng)系統(tǒng)的元器件數(shù)量更少，從而使變頻器具有更高的可靠性。

3) 三電平逆變單元。逆變器采用三電平控制技術(shù)，采用IGCT作為開關(guān)元器件，加上LC低通濾波器可以降低逆變器開關(guān)時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出的高次諧波[6]。

4) 輸出正弦波濾波器。變頻器標(biāo)配的低通LC濾波器，可以減小輸出電壓中的諧波含量。采用LC濾波器之后，使得輸出端到電動(dòng)機(jī)的允許電纜長度可達(dá)3 000 m[7]。

2.3 變頻系統(tǒng)工作流程

變頻系統(tǒng)操作流程如圖3所示，流程主要分為以下4個(gè)步驟。

圖3 系統(tǒng)工作流程

1) 控制系統(tǒng)380 V上電，變頻系統(tǒng)完成自檢，檢查是否存在故障，若存在則顯示故障代碼。否則進(jìn)入合閘充電過程。

2) 操作人員通過變頻器自帶鍵盤進(jìn)行移動(dòng)變電站主回路MCB合閘，合閘過程若存在故障，則跳閘并報(bào)警。若合閘順利，完成變頻器充電，則進(jìn)入啟動(dòng)準(zhǔn)備階段。

3) 操作人員通過中央控制臺(tái)設(shè)置刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度，利用TK200控制器進(jìn)行先導(dǎo)啟動(dòng)。變頻器按照設(shè)定啟動(dòng)曲線完成軟啟動(dòng)。

4) 系統(tǒng)運(yùn)行期間，若出現(xiàn)工作面閉鎖或故障停機(jī)現(xiàn)象，變頻器會(huì)立即停止輸出，并顯示故障代碼，重新啟動(dòng)需要進(jìn)入第3步；若出現(xiàn)急停跳閘故障，變頻器會(huì)立即切斷主回路輸入電源，并顯示故障代碼。重新啟動(dòng)需要進(jìn)入第2步。

3 故障分析及處理過程

3.1 故障描述

某日生產(chǎn)一班正常開機(jī)生產(chǎn)突然運(yùn)輸機(jī)停機(jī)，控制臺(tái)司機(jī)查看故障發(fā)現(xiàn)刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾電機(jī)變頻器報(bào)輸出短路故障停機(jī)，變頻器強(qiáng)制分?jǐn)嗲凹?jí)移變MCB。復(fù)位后故障指示消失，再次吸合前級(jí)移變斷路器恢復(fù)變頻器高壓供電。再次啟動(dòng)刮板運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾電機(jī)變頻器再次報(bào)輸出短路故障，停機(jī)并且分?jǐn)嗲凹?jí)移變MCB?，F(xiàn)場(chǎng)人員判斷確實(shí)發(fā)生輸出短路故障開始現(xiàn)場(chǎng)排查。

3.2 故障排查及分析

當(dāng)變頻器檢測(cè)到較大的輸出電流時(shí)變頻器的控制單元會(huì)停止變頻器運(yùn)行報(bào)輸出短路故障。排查輸出短路故障可將系統(tǒng)分為兩部分進(jìn)行排查：①電機(jī)及供電電纜部分；②變頻器內(nèi)部三電平逆變部分。

3.2.1 電機(jī)以及電機(jī)電纜有故障部分

當(dāng)電機(jī)或者電纜發(fā)生相間短路時(shí)在變頻器的輸出端會(huì)出現(xiàn)較大的短路電流，由此引發(fā)變頻器輸出短路。但是只考慮電機(jī)及電纜發(fā)生了相間短路故障是不全面的，由于變頻器輸出側(cè)為PWM波，電機(jī)電纜與大地之間有長電纜的電容效應(yīng)，使用帶屏蔽層的電纜時(shí)電容效應(yīng)更加明顯。在變頻器工作時(shí)電容在充放電，有電流通過電容流入大地，并從進(jìn)線側(cè)的接地線在流回到變頻器，形成電流回路。而漏電保護(hù)器的原理是，檢測(cè)零序電流為零。而使用變頻器時(shí)零序電流不可能為零。因此使用變頻器時(shí)無法使用漏電保護(hù)器。而當(dāng)電機(jī)或電纜發(fā)生接地故障時(shí)會(huì)形成較大的接地電流。因此當(dāng)電機(jī)或電纜發(fā)生接地故障時(shí)變頻器也會(huì)報(bào)輸出短路故障。

針對(duì)這兩點(diǎn)可能性首先甩掉電機(jī)以及電機(jī)電纜，分別遙測(cè)電機(jī)以及電纜的對(duì)地絕緣，均無異常；用搖表遙測(cè)電纜相間阻值，也無異常；用萬用表分別測(cè)量電機(jī)相間阻值，A-B、B-C、C-A，結(jié)果均正常且三個(gè)測(cè)量值相等，符合使用要求。由此可以排除電機(jī)或者電纜發(fā)生短路或者接地故障。

3.2.2 變頻器內(nèi)部三電平逆變部分有故障部分

排除了電機(jī)或電纜故障后造成這次故障的原因便鎖定在變頻器內(nèi)部。變頻器內(nèi)部造成斷路故障的部分可以鎖定在三電平逆變橋上的IGCT，但是不能單純的只對(duì)IGCT進(jìn)行檢查。還要對(duì)與IGCT相關(guān)聯(lián)的部分進(jìn)行分析排查，尋找有沒有其他元件損壞，這樣才能徹底的排除故障。

要在變頻器內(nèi)部查找故障點(diǎn)就要對(duì)變頻器內(nèi)部元件及工作原理有一定的認(rèn)識(shí)才可以查找到故障點(diǎn)。變頻器逆變部分元器件主要有三部分，一是逆變橋上作為開關(guān)元件的IGCT，如圖4所示的V4021～V4024、V4031～V4034、V4041～V4044。IGCT集成門極換流晶閘管是1997年ABB公司提出的，它是MOSET和GTO的復(fù)合，集成了兩元件開通與關(guān)斷全可控切速度快驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)可用于開關(guān)頻率較高的電路。二是逆變橋上的鉗位二極管，如圖4中的V4025、v4026、v4035、v4036、v4045、v4046。三是逆變橋上的平衡電阻，如圖4中的R4021、R4031、R4041[8]。

三電平逆變橋在工作時(shí)每一電平逆變橋輸出一個(gè)周期有四種狀態(tài)，以其中一電平逆變橋?yàn)槔f明。狀態(tài)一:V4021與V4022導(dǎo)通，電流Iu由DC+經(jīng)過V4021、V4022流向負(fù)載U端輸出電平為+Uu0；狀態(tài)二：V4021關(guān)斷，V4022、V4023導(dǎo)通，電流Iu由NP端經(jīng)過V4025、V4022流向負(fù)載U端，輸出電平為0；狀態(tài)三：V4021與V4022關(guān)斷，V4023與V4024導(dǎo)通電流Iu由DC-經(jīng)過V4023、V4024流向負(fù)載U端輸出電平為-Uu0；狀態(tài)四：V4024關(guān)斷，V4022、V4023導(dǎo)通，電流Iu由NP端經(jīng)過V4026、V4023流向負(fù)載U端，輸出電平為0。平衡電阻的作用是當(dāng)一個(gè)橋臂上有兩個(gè) IGCT導(dǎo)通時(shí)，為其他兩個(gè)IGCT均分母線電壓比如：V4021、V4022導(dǎo)通時(shí)，需要V4023、V4024承受母線電壓，這時(shí)通過R4021可以把NP點(diǎn)拉到V4023、V4024中間，這樣就可以實(shí)現(xiàn)均分電壓。

通過三電平逆變電路工作原理的分析可以得出造成短路故障有可能有三種：一是逆變橋上的IGCT損壞造成的短路故障；二是逆變橋上鏈接直流母線的IGCT與鉗位二極管損壞造成的斷路故障； 三是逆變橋上鏈接直流母線的IGCT、鉗位二極管與平衡電阻損壞造成的斷路故障。針對(duì)這三種情況應(yīng)檢查三電平逆變橋上IGCT、鉗位二極管、平衡電阻。U相4個(gè)IGCT(V4021/V4022/V4023/V4024),正向壓降均為0.271 V，反向截止，結(jié)果正常；測(cè)量鉗位二極管V4025/V4026，正向壓降均為0.270 V，反向截止，結(jié)果正常；測(cè)量鉗位電阻R4021，結(jié)果為100 kΩ，結(jié)果正常。測(cè)量V相的結(jié)果與U相相同。測(cè)量W相，發(fā)現(xiàn)V4041的IGCT和鉗位二極管V4045擊穿導(dǎo)通，其它W相回路器件測(cè)量值正常。更換損壞的IGCT與鉗位二極管后變頻器正常運(yùn)行故障排除開機(jī)生產(chǎn)。

圖4 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié) 語

在發(fā)生故障后應(yīng)將發(fā)生故障的設(shè)備系統(tǒng)分成不同的部分，并結(jié)合設(shè)備原理分別考慮不同部分可能造成故障的原因由容易檢查和損壞概率高的部分開始進(jìn)行逐一檢查，并且要對(duì)與有可能發(fā)生故障的部分相關(guān)聯(lián)的器件進(jìn)行檢查，這樣才能徹底的排除故障消除隱患。

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