高壓變頻器的工作原理和常見故障分析

蔡應祥

（云南大唐國際紅河發(fā)電有限責任公司設備部，云南 開遠 661699）

0 前言

采用交流變頻器調(diào)速技術對交流電機進行調(diào)速，具有節(jié)電效果好、調(diào)速方便、保護功能完善、組態(tài)靈活、可靠性強等很多優(yōu)點。由于交流變頻調(diào)速技術的眾多優(yōu)越性，在火力發(fā)電領域也得到了非常廣泛的應用，對火電廠內(nèi)的風機、水泵等大功率耗能設備實現(xiàn)高壓變頻器調(diào)速改造，已成為公認的節(jié)能方案。隨著變頻器應用范圍的擴大，檢修維護工作中遇到的問題也越來越多。本方主要介紹了高壓變頻調(diào)速裝置基本原理，并對高壓變頻器常見的故障進行分析，提出預防和處理的方法。

1 變頻器概述

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換成各種頻率的交流電源，向電動機提供變頻電源，以實現(xiàn)改變電機速度的設備。 目前大部分高壓變頻器采用交直交功率單元多電平串聯(lián)技術。高壓電源直接連接高壓變頻器，通過功率單元模塊串聯(lián)輸出0HZ～50 HZ頻率可變的電源，無需增壓裝置直接驅(qū)動高壓電機。高壓變頻器具有對外接口，支持在線和遠程控制?？梢酝ㄟ^速度、壓力、溫度、流量等傳感器檢測可以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

與傳統(tǒng)的調(diào)整方式相比，變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動態(tài)響應、低速轉(zhuǎn)矩、通信功能、智能控制、功率因素、節(jié)約電能、工作效率、使用方便等方面的優(yōu)異性能，是其它的調(diào)速方式無法比擬的。

2 變頻器的優(yōu)點

2.1 節(jié)能效果顯著

為有效地確保生產(chǎn)過程中的可靠性，各類用于生產(chǎn)的機械設備在設計配套動力驅(qū)動裝置時，一般都會預留出一定的富余量。如果電動機未在滿負荷的條件下運行時，除提供給動力驅(qū)動裝置所需的動力外，一部分多余的力矩會造成有功功率消耗的增加，從而導致電能浪費。

傳統(tǒng)的調(diào)速方法，即通過對出入口位置處的擋板或閥門開度進行調(diào)節(jié)，來控制風量和供水量，這樣不僅輸入的功率較大，而且還有很大一部分的能源消耗在擋板及閥門的截流過程中。而采用變頻器進行調(diào)速時，若是在流量要求相對較小的情況下，便可通過降低風機或水泵的轉(zhuǎn)速來滿足正常的運行要求，變頻調(diào)速使流量降低時，輸送此流量的壓力也隨之降低，這是一種節(jié)能的調(diào)節(jié)，壓力全部用于有用的做功，大幅度減少了在擋板或閥門上的節(jié)流損失。從而達到了節(jié)能的目的。同時，采用變頻調(diào)速時，可以不使用液力耦合器，減少了機械設備，提高了使用效率，特別時低負荷運行時，變頻器的節(jié)能效果更加顯著。

2.2 延長設備使用壽命

采用變頻器啟動設備時，啟動過程中對電機沖擊小，降低絕緣損耗，啟動時壓力或風量更平穩(wěn)；減少風機喘振或水泵水錘效應；低負荷運行時，機械系統(tǒng)運行轉(zhuǎn)速降低，有效降低機械磨損；延長了設備的使用壽命，由于降低了對機械的沖擊和磨損，延長了設備的使用壽命，大幅度降低了設備維護成本。

2.3 提高自動化水平

變頻器輸出頻率可以在0～50 HZ間任意可調(diào)，頻率調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)精度高，真正實現(xiàn)無極調(diào)速，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡化、自動化控制，對改善生產(chǎn)工藝控制、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面具有較好的使用效果。

2.4 減小對電網(wǎng)的啟動沖擊

變頻器的使用，電機實現(xiàn)了軟啟動，啟動電流小，限制在額定電流以下，對電網(wǎng)沖擊小，對電機的啟動次數(shù)沒有限制，能夠滿足需頻繁啟停的設備的要求，變頻器投運后諧波小，減少對電網(wǎng)的污染。

2.5 減少電源的功率儲備

如果全電壓啟動設備，要保證不使電源電壓維持在正常水平，就需要提高電源的功率儲備，采用變頻技術后，由于啟動電流小，對電源電壓的影響大幅降低，可大幅小電源的功率儲備。

3 高壓變頻器的基本工作原理

高壓變頻器一般采用目前國際流行的功率單元串聯(lián)多電平技術，系統(tǒng)為高-高結(jié)構(gòu)。高壓電直接輸入變頻器,經(jīng)過變頻器內(nèi)部功率系統(tǒng)整流、逆變后，變頻器直接高壓輸出至電機，不需要升壓變壓器等部件。

每個功率單元都是一臺三相輸入、單相輸出的脈寬調(diào)制型低壓變頻器，技術可靠，結(jié)構(gòu)和性能完全一致，極大的提高了高壓變頻器的可靠性與維護性；采用疊波技術，最大限度的消除了高壓變頻器輸出電壓中的諧波含量，電壓波形接近于標準的正弦波，大大改善了變頻器的輸出性能，是真正的“完美無諧波”高壓變頻器。

變頻器一般由以下幾個部分組成：制動單元、微處理單元、濾波、整流、逆變、檢測單元以及驅(qū)動單元等等。它能夠按照電動機的具體需求為其提供所需的電源電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速和節(jié)能。此外，大部分變頻器都具備多種保護功能，如過載保護、過電壓保護以及過電流保護等，如下圖所示。

圖1 高壓變頻器的主電路

對于不同電壓等級的高壓變頻系統(tǒng)，一般采用每相5～8個功率單元串聯(lián)方案。通過主電路圖，可以更加直觀的了解變壓器的副邊繞組與功率單元以及各功率單元之間的電路連接方式：具有相同標號的3組副邊繞組，分別向同一功率柜（同一級）內(nèi)的三個功率單元供電。

第一級內(nèi)每個功率單元的一個輸出端連接在一起形成星型連接點，另一個輸出端則與下一級功率單元的輸出端相連，依此方式，將同一相的所有功率單元串聯(lián)在一起，便形成了一個星型連接的三相高壓電源，驅(qū)動電動機運行。

當電網(wǎng)電壓為6kV時，變壓器的副邊輸出電壓即功率單元的輸入電壓為690V，每個功率單元的最高輸出電壓也為690V，同一相的五個單元串聯(lián)后，相電壓為690V×5=3450V，由于三相連接成星型，那么線電壓便等于1.732×3450V≈6000V，達到電網(wǎng)電壓的水平。

功率單元串聯(lián)后得到的是階梯正弦的PWM波形，PWM控制，脈沖寬度調(diào)制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要形狀和幅值的波形，這種波形正弦度好，du/dt小，可減少對電機和電纜的絕緣損壞，無需輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電動機也不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗也大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和傳動部分的機械應力。

圖2 高壓輸出（線電壓）

通過本相上的5（8）個功率單元輸出的SPWM波相疊加后，可得到正弦波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，即使在低速下也能保持很好的波形。電機的諧波損耗大大減小，避免了由于輸出諧波電流引起的電機發(fā)熱，和轉(zhuǎn)矩脈動引起的電機振動。

4 影響變頻器正常運行的因素

由于導致變頻器故障的原因較為復雜，并且影響因素也相對較多，從而增大了預防的難度，為有效降低或避免變頻器故障的發(fā)生，應針對主要的影響因素采取相應的預防措施。

4.1 工作溫度

溫度是造成變頻器故障的主要因素之一，變頻器多是由一些大功率的電子元器件構(gòu)成，它們非常容易受到工作溫度的影響，溫度過高或過低都會引起變頻器不能正常工作，嚴重時造成元器的損壞，一般的變頻器電路板的溫度應控制在0℃～40℃這一范圍內(nèi)，ΙGBT功率元件的溫度控制40℃以下。變頻器必須嚴格按照說明書的要求進行安裝，容易發(fā)熱的元器件必須與柜體保持足夠的距離，并且不允許緊貼地面進行安裝。

4.2 環(huán)境溫度

首先，應確保變頻器所在工作地點的溫度恒定，而且該溫度應控制在要求的范圍以內(nèi)；其次，若是變頻器工作環(huán)境的溫度較高且溫度變化較大，則其內(nèi)部很容易出現(xiàn)結(jié)露的情況，這樣會導致設備的絕緣下降，嚴重時還有可能造成短路，為防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，可在變頻器柜體內(nèi)加適量的干燥劑。同時配備空調(diào)、空水冷裝置等冷卻設施。

4.3 腐蝕性氣體

如果在變頻器的工作環(huán)境中存在濃度較大的腐蝕性氣體，那么不僅會對元器件的引線、電路板等造成腐蝕，而且還會加劇絕緣材料的老化速度，從而導致絕緣性能下降。變頻器柜體的布置應盡量遠離有腐蝕性氣體環(huán)境，提高變頻器柜體的防護等級，有條件的建設房屋進行隔離。

4.4 潮氣

潮氣對變頻器也會造成影響，變頻器內(nèi)有很多電路板，如果變頻器環(huán)境周圍的濕度過大，潮氣凝結(jié)在電路板上，就會使電路板的絕緣降低，嚴重時造成短路，損壞電路板，從而影響到變頻器的正常工作。

4.5 粉塵

粉塵對電路板的影響也是致命的，由于靜電和冷卻裝置負壓的作用，變頻器工作一段時間后，變頻器內(nèi)元器件都會聚積一定量的粉塵，如果不及時進行清理，有可能造成短路，損壞電路。

5 變頻器的日常維護

5.1 通風要求

為保證變頻器的冷卻，應經(jīng)常對變頻器內(nèi)部通風情況進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)通風不暢，應立即更換濾網(wǎng)，以此來確保其內(nèi)部空氣流通，熱量也能夠及時散發(fā)。

5.2 對溫度的要求

變頻室內(nèi)溫度應保持在0～40℃之間，變壓器溫度應不超過110℃，而且三線顯示應平衡；若使用空水冷系統(tǒng)的進水溫度應低于35度。

5.3 對濕度的要求

陰雨天氣應及時檢查防止雨水進入變頻器內(nèi)部，環(huán)境濕度過高應在變頻器室內(nèi)加裝濕度干燥機，長時間不使用變頻器時一個月內(nèi)應對變頻器充一次電，每次充電時間大于24小時，以防電解電容發(fā)生漏電增加、耐壓降低的劣化現(xiàn)象。

5.4 防塵要求

變頻室應保證密封良好，避免灰塵進入變頻器室，每個月對變頻器濾網(wǎng)清掃一次，每運行半年，用帶塑料吸嘴的吸塵器對控制機內(nèi)部、高壓變頻調(diào)速裝置的功率單元、變壓器一次、二次線圈進行一次全面的除塵處理。

5.5 電氣元器件的檢查

每次檢修時，應檢查功率單元的固定螺絲是否緊固，是否發(fā)生松動或變色，底座環(huán)氧絕緣板是否有放電痕跡；電纜接頭接觸是否良好，有無變色，裂紋、破損放電痕跡等現(xiàn)象；測量電纜和功率單元的底座環(huán)氧絕緣板絕緣良好；檢查變壓器各部絕緣是否良好，絕緣有無過熱變形、鐵芯單點接地是否良好，并按試驗要求進行各項電氣試驗正常等。

6 高壓變頻器故障分析

高壓變頻調(diào)速裝置一般都有完善的保護功能，能夠檢測故障和報警信息，可對內(nèi)部發(fā)生的故障進行保護。并將它們保存在記錄中。高壓變頻調(diào)速裝置處于故障狀態(tài)時，封鎖所有ΙGBT，使電機失電自由停車保存并顯示故障記錄；處于報警狀態(tài)時，繼續(xù)運行，保存并顯示報警記錄，待排除問題后，報警消失。高壓變頻屬于高壓電子設備，內(nèi)部由微電子元件、大功率開關器件、變壓器等主要器件構(gòu)成，一旦某個器件出現(xiàn)質(zhì)量問題都會造成變頻器故障。另變頻器受負載、環(huán)境、操作失誤等多方面影響變頻器都會出現(xiàn)故障。高壓變頻器根據(jù)實際現(xiàn)場應用情況故障可以分為以下幾類：

6.1 電網(wǎng)波動故障

高壓變頻器是串聯(lián)在控制系統(tǒng)中，上級聯(lián)接高壓電源電源，下級聯(lián)接電機負載。由于電網(wǎng)的供電電源發(fā)生故障、供電電源電壓升高或者降低、三相供電不平衡、單項電網(wǎng)接地、雷擊都會造成變頻器故障。供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題輕變頻器會保護動作，電源波動嚴重會直接導致器件損壞。

6.2 負載故障

電機負載突變引起的沖擊過大、電機絕緣破壞造成匝間或相間對地短路電機電流忽然增加、工藝的改變產(chǎn)量增加導致負載發(fā)生變化、輔助設備及高壓電纜絕緣降低等問題都會發(fā)生變頻器故障保護動作。此類故障在處理時比較繁瑣要結(jié)合整個系統(tǒng)分析。

6.3 環(huán)境溫度問題

由于高壓變頻器內(nèi)部是大功率的電子元器件，因此對其工作的物理環(huán)境和電氣環(huán)境具有很高的要求，若物理環(huán)境和電氣環(huán)境達不到其要求，變頻器常常會以故障的方式反饋出來。在炎熱的夏季過溫是變頻器經(jīng)常發(fā)生的故障，引起故障可能的原因是變頻器工作的環(huán)境溫度過高，導致變頻器的散熱器溫度超過報警溫度嚴重會導致器件損壞。

6.4 電氣件質(zhì)量問題

變頻器內(nèi)由控制芯片、集成電路、晶體管、電容、整流橋、ΙGBT、控制類電器等元氣件組成。受現(xiàn)場環(huán)境、溫度、老化等因素影響會出現(xiàn)質(zhì)量問題。當變頻器內(nèi)的某個器件出現(xiàn)問題都會造成變頻器故障。

6.5 設置錯誤

高壓變頻器的參數(shù)設定十分重要的。由于參數(shù)設定不當，硬件跳線設置不正確，不能滿足生產(chǎn)的需要，導致啟動和保護的失敗，或工作時常跳閘，嚴重時還會燒毀功率模塊ΙGBT或整流橋等器件。V/F曲線參數(shù)、矢量控制參數(shù)、PΙD控制等主要參數(shù)在變頻控制主要作用，設置不當會使變頻器出現(xiàn)故障。

6.6 通訊故障

功率單元板持續(xù)3個開關周期（約6ms）未接收到同步信號則系統(tǒng)報出對應單元的下行光纖故障。

7 結(jié)束語

變頻器作為一種智能設備，整體結(jié)構(gòu)比較復雜，任何一個元器件發(fā)生故障會使其不能正常工作，檢修維護人員只有掌握變頻裝置的工作原理，了解其工作要求，熟悉變頻器的結(jié)構(gòu)和各部份的主要作用，在工作中不斷總結(jié)經(jīng)驗，提高維護及檢修水平，才能確保其能長期穩(wěn)定運行，發(fā)揮其應有的性能。