基于交流電網(wǎng)電壓畸變的晶閘管有源逆變失敗故障分析

葛建偉

(新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠)

背景

干熄焦提升機往返運行在提升井側(cè)及干熄爐側(cè)，將電機車上重焦罐提升上停止點并平移至干熄爐爐頂，與裝入裝置相配合，下降到放焦位，將紅熱焦炭裝入干熄爐內(nèi)，裝完紅焦后將空焦罐放回到電機車焦罐臺車上，完成一個工作周期。提升機在井側(cè)和爐側(cè)提升焦罐加速和勻速運行時，四象限變頻器驅(qū)動電動機處于電動狀態(tài)；提升機在井側(cè)和爐側(cè)牽引焦罐制動和下降時，四象限變頻器處于牽引電動機返回的再生能量通過整流/回饋單元回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中節(jié)約電能、快速制動等優(yōu)點。2021年3月9日-20日干熄焦提升機整流回饋單元、逆變器多次報故障，發(fā)生電路保險燒損、電網(wǎng)電壓下降，干熄焦提升機不能正常運行。

1 提升機傳動系統(tǒng)組成原理

傳動裝置選用西門子多機傳動變頻器。一臺由兩組反并聯(lián)晶閘管橋組成全控整流/回饋裝置、兩臺逆變器裝置、一臺自耦變壓器、接觸器組成，提升機傳動接線原理見圖1，各裝置規(guī)格型號和功能見表1。

圖1 提升機傳動接線原理

表1 提升機 各裝置參數(shù)和功能

2 故障簡述及原因分析

2021年3月9-20日故障情況見表2。

表2 提升機故障和處置

2.1 提升機逆變失敗原因分析

2.1.1 提升機整流/回饋單元工作過程

由圖2和整流回饋單元型號可知：整流/回饋電路采取兩組晶閘管橋反并聯(lián)構(gòu)成了電壓型不對稱可逆邏輯控制無環(huán)流結(jié)構(gòu)。

圖2 兩組晶閘管反并聯(lián)不對稱整流/回饋原理圖

圖3是整流回饋等效電路。電動機工作在電動狀態(tài)時,正組橋?qū)ǎ瑢?dǎo)通角0°<α<90°,Udf>E,輸出順時針方向直流電流平均值Id=(Udf-E)/R，且反組橋封鎖，向直流母線供電；

圖3 兩組晶閘管反并聯(lián)不對稱整流/回饋等效電路圖

電路工作在再生狀態(tài)時反組橋逆變回饋工作，反組橋?qū)ǎ瑢?dǎo)通角180°>α>90°，直流側(cè)電動勢極性改變，|E|>|Udr|，輸出逆時針方向直流電流平均值Id’=(|E|>|Udr|)/R且正組橋封鎖。工作時正、反兩組變流電路通過邏輯連鎖控制任意時刻允許一組工作，另一組封鎖。

整流/逆變橋由兩組電流調(diào)節(jié)器按邏輯順序觸發(fā)控制橋臂晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)中間回路電流(在限幅模塊輸出側(cè)上的中間回路電壓調(diào)節(jié)器的輸出)的給定值(帶符號)高于整理死區(qū)設(shè)置的值+0.05%時，則整流橋的觸發(fā)脈沖使能。此時正組橋處于整流工作狀態(tài)，反組橋封鎖停止工作。當(dāng)工作整流橋兩端承擔(dān)反向電壓、電流斷流，工作橋臂晶閘管經(jīng)過約10ms脈沖封鎖(當(dāng)中間回路電流的給定值低于死區(qū)設(shè)置的值時，則被封鎖。)和延時后關(guān)閉；正組橋封鎖停止工作。

當(dāng)中間回路電流(在限幅模塊輸出側(cè)上的中間回路電壓調(diào)節(jié)器的輸出)的給定值(帶符號)低于逆變死區(qū)設(shè)置的值-0.05%時，則回饋橋的觸發(fā)脈沖使能，脈沖再次觸發(fā)反組橋?qū)ㄌ幱谟性茨孀児ぷ鳡顟B(tài)，此時交流電網(wǎng)變成負(fù)載，當(dāng)中間回路電流的給定值高于逆變死區(qū)設(shè)置的值時，則被封鎖。

2.1.2 晶閘管發(fā)生有源逆變顛覆的原因

(1)觸發(fā)電路工作不可靠：觸發(fā)電路不能適時、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失，脈沖延遲等，致使晶閘管工作失常。

(2)晶閘管發(fā)生故障：在應(yīng)該阻斷期間，元件失去阻斷能力；或在應(yīng)該導(dǎo)通時刻，元件不能導(dǎo)通。

(3)換相的裕量角不足：存在重疊角或給逆變工作帶來不利的后果。

(4)交流電源發(fā)生異常現(xiàn)象：在逆變運行時，可能出現(xiàn)交流電源突然斷電，缺相或電壓過低等現(xiàn)象。

2.2 電網(wǎng)交流電源斷電原因分析

故障發(fā)生時，提升機工作過程中存在提升機上電接觸器無規(guī)律吸持和釋放現(xiàn)象。提升機傳動輸入主接觸器型號CJ29-1000S系列接觸器，線圈采用直流電磁系統(tǒng)，內(nèi)設(shè)整流電路。直流線圈接觸器優(yōu)點：大電流吸合，小電流吸持。主接觸器線圈回路全波整流輸入側(cè)串聯(lián)降壓限流電容。接觸器線圈原電路圖見圖4。

圖4 接觸器線圈回路

對更換下來接觸器檢測，線圈串聯(lián)無極性電容容量從標(biāo)稱5uf降到1.5uf，阻抗(1/(2πfC))增加。

5uf電容阻抗為637Ω(功能正常電容阻抗)；1.5uf電容阻抗為2123Ω(功能異常電容阻抗)。

電容計算：C=εS∕(4πkd)

(1)

式中：ε—介電常數(shù)；

S—電容器兩極板的正對面積；

d—電容器兩極板之間的距離；

k—靜電力常量。

由式(1)可知電容長期使用，電容介質(zhì)會下降，介質(zhì)系數(shù)也會下降。所以電容C會下降。電容增加造成接觸器線圈交流側(cè)回路阻抗成倍增加，電容交流側(cè)分壓造成整流輸出直流側(cè)線圈電壓降低，此時電壓不足以保證接觸器電磁吸持，而發(fā)生接觸器工作中出現(xiàn)‘釋放-吸合-釋放’的抖動故障。

2.3 故障結(jié)論

結(jié)合提升機處于再生發(fā)電，分析反組橋逆變工作時直流回路電流計算公式Id’=(|E|-|Udr|)/R，電網(wǎng)斷電分析及整流回饋故障代碼等因素得知：本次事故是反并聯(lián)晶閘管橋在逆變時發(fā)生基于電網(wǎng)電壓畸變，直流回路電壓升高，直流回路中過電流(|Udr|=0，Id’=|E|/R)造成逆變顛覆的事故。

3 進一步完善設(shè)備維護措施

通過分析及現(xiàn)場處理，解決了干熄焦提升機逆變顛覆故障。為防止此類故障，進一步完善和固化提升機設(shè)備管理制度和設(shè)備維護措施。

3.1 梳理提升機系統(tǒng)設(shè)備資料 完善管理措施

梳理了提升機系統(tǒng)圖紙、技術(shù)資料、備品備件；完善提升機系統(tǒng)上電接觸器(觸頭、元器件和導(dǎo)線、接線端子等)點檢標(biāo)準(zhǔn)和點檢卡，確定按周期實施；完善接觸器維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和維修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，增加了電容容量測量內(nèi)容；完善與接觸器線圈回路相關(guān)設(shè)備(風(fēng)速開關(guān)、超重開關(guān)、偏載開關(guān)、急停開關(guān)等)設(shè)施和動力、控制電纜絕緣檢測、點檢、定修等管理制度。一系列措施實施后，降低了上電接觸器缺項發(fā)生頻次。

3.2 整流回饋單元升級改造，防止發(fā)生逆變顛覆

新增成套OCP(過電流保護裝置，IGBT開關(guān)器件)選件裝置，串接在直流母線。在直流母線過電流出現(xiàn)時快速阻斷短路電流回路，減少事故損失。裝備技術(shù)升級整流回饋采用AFE(Active Front End)換流技術(shù)。升級回饋裝置利用全控型功率器件的電路，實現(xiàn)“全控器件”換流方式。可以完全避免因電網(wǎng)異常引起的逆變失敗。

3.3 編制設(shè)備故障處置手順書

結(jié)合此次故障處理經(jīng)驗，編制設(shè)備故障處置手順書(表3)，縮短故障處置時間。

表3 設(shè)備故障處置手順書

4 結(jié)束語

出現(xiàn)故障的干熄焦提升機系統(tǒng)上線使用超過10年，在事故處置及評價過程中，發(fā)現(xiàn)用戶對各裝置認(rèn)知仍存在差距，往往通過以事故處理來提升維護技能，企業(yè)付出成本太高。

筆者認(rèn)為持續(xù)落實防范措施和主動提高關(guān)鍵設(shè)備認(rèn)知能力是設(shè)備維護的重點工作。