高壓變頻器的工作原理和常見故障分析

蔡應(yīng)祥

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

0 前言

采用交流變頻器調(diào)速技術(shù)對交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，具有節(jié)電效果好、調(diào)速方便、保護(hù)功能完善、組態(tài)靈活、可靠性強(qiáng)等很多優(yōu)點(diǎn)。隨著變頻器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，檢修維護(hù)工作中遇到的問題也越來越多。以下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(jìn)行分析，提出預(yù)防和處理的方法。

1 變頻器概述

變頻器是利用電力半導(dǎo)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(dòng)機(jī)提供變頻電源，以實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)速度的設(shè)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(shù)。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(dòng)高壓電機(jī)。高壓變頻器具有對外接口，支持在線和遠(yuǎn)程控制。可以通過速度、壓力、溫度、流量等傳感器檢測可以實(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)、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(diǎn)

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(jī)械設(shè)備在設(shè)計(jì)配套動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，一般都會(huì)預(yù)留出一定的富余量。如果電動(dòng)機(jī)未在滿負(fù)荷的條件下運(yùn)行時(shí)，除提供給動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置所需的動(dòng)力外，一部分多余的力矩會(huì)造成有功功率消耗的增加，從而導(dǎo)致電能浪費(fèi)。

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(jìn)行調(diào)節(jié)，來控制風(fēng)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(jìn)行調(diào)速時(shí)，若是在流量要求相對較小的情況下，便可通過降低風(fēng)機(jī)或水泵的轉(zhuǎn)速來滿足正常的運(yùn)行要求，變頻調(diào)速使流量降低時(shí)，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(dá)到了節(jié)能的目的。同時(shí)，采用變頻調(diào)速時(shí)，可以不使用液力耦合器，減少了機(jī)械設(shè)備，提高了使用效率，特別時(shí)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變頻器的節(jié)能效果更加顯著。

2.2 延長設(shè)備使用壽命

采用變頻器啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，啟動(dòng)過程中對電機(jī)沖擊小，降低絕緣損耗，啟動(dòng)時(shí)壓力或風(fēng)量更平穩(wěn)；減少風(fēng)機(jī)喘振或水泵水錘效應(yīng)；低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低，有效降低機(jī)械磨損；延長了設(shè)備的使用壽命，由于降低了對機(jī)械的沖擊和磨損，延長了設(shè)備的使用壽命，大幅度降低了設(shè)備維護(hù)成本。

2.3 提高自動(dòng)化水平

變頻器輸出頻率可以在0～50HZ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(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)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(dòng)沖擊

變頻器的使用，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小，限制在額定電流以下，對電網(wǎng)沖擊小，對電機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)沒有限制，能夠滿足需頻繁啟停的設(shè)備的要求，變頻器投運(yùn)后諧波小，減少對電網(wǎng)的污染。

2.5 減少電源的功率儲(chǔ)備

如果全電壓啟動(dòng)設(shè)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(chǔ)備，采用變頻技術(shù)后，由于啟動(dòng)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(chǔ)備。

3 高壓變頻器工作原理

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(shù)，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(jī)，不需要升壓變壓器等部件。

每個(gè)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(shù)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(hù)性；采用疊波技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)的正弦波，大大改善了變頻器的輸出性能，是真正的“無諧波”高壓變頻器。

變頻器一般由以下幾個(gè)部分組成：制動(dòng)單元、微處理單元、濾波、整流、逆變、檢測單元以及驅(qū)動(dòng)單元等等。它能夠按照電動(dòng)機(jī)的具體需求為其提供所需的電源電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速和節(jié)能。此外，大部分變頻器都具備多種保護(hù)功能，如過載保護(hù)、過電壓保護(hù)以及過電流保護(hù)等。

圖1 高壓變頻器的主電路圖

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(gè)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(biāo)號的3組副邊繞組，分別向同一功率柜（同一級）內(nèi)的三個(gè)功率單元供電。

第一級內(nèi)每個(gè)功率單元的一個(gè)輸出端連接在一起形成星型連接點(diǎn)，另一個(gè)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(gè)星型連接的三相高壓電源，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

當(dāng)電網(wǎng)電壓為6 kV時(shí)，變壓器的副邊輸出電壓即功率單元的輸入電壓為690 V，每個(gè)功率單元的最高輸出電壓也為690 V，同一相的五個(gè)單元串聯(lián)后，相電壓為690 V×5=3 450 V，由于三相連接成星型，那么線電壓便等于1.732×3 450 V≈6 000 V，達(dá)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(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)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(jī)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(dòng)機(jī)也不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗也大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和傳動(dòng)部分的機(jī)械應(yīng)力。

圖2 高壓輸出（線電壓）圖

通過本相上的5（8）個(gè)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(jī)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(jī)發(fā)熱，和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的電機(jī)振動(dòng)。

4 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(hù)功能，能夠檢測故障和報(bào)警信息，可對內(nèi)部發(fā)生的故障進(jìn)行保護(hù)。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(shí)，封鎖所有IGBT，使電機(jī)失電自由停車保存并顯示故障記錄；處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，繼續(xù)運(yùn)行，保存并顯示報(bào)警記錄，待排除問題后，報(bào)警消失。用戶可以在人機(jī)界面上進(jìn)行自查，詳細(xì)記錄故障現(xiàn)象來確定其故障原因，這樣不僅能夠縮小故障查找的范圍，并且開可以節(jié)省查找故障的時(shí)間，有利于及時(shí)對故障進(jìn)行維修。高壓變頻屬于高壓電子設(shè)備，內(nèi)部由微電子元件、大功率開關(guān)器件、變壓器等主要器件構(gòu)成，一旦某個(gè)器件出現(xiàn)質(zhì)量問題都會(huì)造成變頻器故障。另變頻器受負(fù)載、環(huán)境、操作失誤等多方面影響變頻器都會(huì)出現(xiàn)故障。高壓變頻器根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用情況故障可以分為以下幾類：

4.1 電網(wǎng)波動(dòng)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(jī)負(fù)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(xiàng)電網(wǎng)接地、雷擊都會(huì)造成變頻器故障。供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題輕變頻器會(huì)保護(hù)動(dòng)作，電源波動(dòng)嚴(yán)重會(huì)直接導(dǎo)致器件損壞。

4.2 負(fù)載故障

電機(jī)負(fù)載突變引起的沖擊過大、電機(jī)絕緣破壞造成匝間或相間對地短路電機(jī)電流忽然增加、工藝的改變產(chǎn)量增加導(dǎo)致負(fù)載發(fā)生變化、輔助設(shè)備及高壓電纜絕緣降低等問題都會(huì)發(fā)生變頻器故障保護(hù)動(dòng)作。此類故障在處理時(shí)比較繁瑣要結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)分析。

4.3 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(dá)不到其要求，變頻器常常會(huì)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(dǎo)致變頻器的散熱器溫度超過報(bào)警溫度嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致器件損壞。

4.4 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、IGBT、控制類電器等元?dú)饧M成。受現(xiàn)場環(huán)境、溫度、老化等因素影響會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問題。當(dāng)變頻器內(nèi)的某個(gè)器件出現(xiàn)問題都會(huì)造成變頻器故障。

4.5 設(shè)置錯(cuò)誤

高壓變頻器的參數(shù)設(shè)定十分重要的。由于參數(shù)設(shè)定不當(dāng)，硬件跳線設(shè)置不正確，不能滿足生產(chǎn)的需要，導(dǎo)致啟動(dòng)和保護(hù)的失敗，或工作時(shí)常跳閘，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒毀功率模塊IGBT或整流橋等器件。V/F曲線參數(shù)、矢量控制參數(shù)、PID控制等主要參數(shù)在變頻控制主要作用，設(shè)置不當(dāng)會(huì)使變頻器出現(xiàn)故障。

4.6 通訊故障

功率單元板持續(xù)3個(gè)開關(guān)周期（約6ms）未接收到同步信號則系統(tǒng)報(bào)出對應(yīng)單元的下行光纖故障。

5 結(jié)束語

變頻器作為一種智能設(shè)備，整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，任何一個(gè)元器件發(fā)生故障會(huì)使其不能正常工作，檢修維護(hù)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(yàn)，提高維護(hù)及檢修水平，才能確保其能長期穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮其應(yīng)有的性能。