耙吸式挖泥船穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器的原理及故障分析

彭冬

（中交上海航道局有限公司，上海 200000）

船舶電站是由船舶電源、船舶電力網(wǎng)絡(luò)、配電系統(tǒng)設(shè)備和電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備等組成。因船舶通導(dǎo)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)等設(shè)備對(duì)電源電壓和頻率的穩(wěn)定性有著特殊要求，船舶電站常配有穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器等裝置，完善的保護(hù)了負(fù)載運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，使船舶用電設(shè)備在不同工況下能夠連續(xù)、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)行。

穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器在大型自動(dòng)化耙吸式挖泥船上有著廣泛的應(yīng)用。

1 應(yīng)用背景

耙吸式挖泥船的主機(jī)一拖三設(shè)計(jì)在疏浚船舶中已是一種主流，即主機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)螺旋槳、發(fā)電機(jī)和疏浚泥泵，在疏浚施工過(guò)程中，疏浚泥泵的齒輪箱在嚙合和脫開(kāi)時(shí)，主機(jī)降速至額定轉(zhuǎn)速的85%，此時(shí)軸帶發(fā)電機(jī)供應(yīng)的船舶電網(wǎng)電壓和頻率會(huì)隨之降低，為了使通導(dǎo)、自動(dòng)化及照明等設(shè)備穩(wěn)定性運(yùn)行，穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器能夠使此類(lèi)設(shè)備用電網(wǎng)絡(luò)的電壓和頻率穩(wěn)定在額定需求數(shù)值，所以穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器對(duì)此類(lèi)設(shè)備起著至關(guān)重要的作用。

圖1 主機(jī)一拖三圖示

2 工作原理

輸入的三相交流電源來(lái)自軸發(fā)輸配電網(wǎng)，經(jīng)三相全控整流電路后得到相應(yīng)需求的直流電壓，該直流電壓一方面為直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷哪孀冸娐诽峁╇娫?，另一方面為蓄電池組提供充電電源。當(dāng)輸入的三相交流電源電壓和頻率下降時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換蓄電池組放電供應(yīng)直流母線，保證直流母線為逆變電路提供正常穩(wěn)定電源，蓄電池組的容量可根據(jù)當(dāng)備用切換使用時(shí)的時(shí)間來(lái)選定。直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷哪孀儾糠质欠€(wěn)壓穩(wěn)頻變換器的核心，其主電路是由三套獨(dú)立的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器，它們共用一條直流母線，三相逆變器輸出電壓Va、Vb、Vc大小相等，相位相差120°，構(gòu)成一個(gè)平衡且對(duì)稱(chēng)的三相交流電源。通常逆變變壓器副邊接成星形，以消除負(fù)載端的3倍數(shù)諧波。（原理框圖如圖2）

圖2 原理框圖

三相全控整流電路由3只晶閘管模塊組成，通過(guò)控制電路中的三相晶閘管數(shù)控器對(duì)其觸發(fā)脈沖控制，自動(dòng)調(diào)整脈沖的起點(diǎn)、終點(diǎn)、移相范圍、脈沖分配正反序，從而輸出需要的直流電源。3個(gè)獨(dú)立的單相逆變器采用單相全橋結(jié)構(gòu)，選用高性能的IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，利用IGBT開(kāi)關(guān)頻率較高的優(yōu)點(diǎn)，采用正弦脈寬調(diào)制方式（SPWM）對(duì)逆變器進(jìn)行控制，將平穩(wěn)的直流變換為脈寬調(diào)制輸出的交流，輸出的脈寬調(diào)制波幅值恒定，寬度按正弦規(guī)律變化，頻率為所需的電源頻率。逆變器輸出的脈寬調(diào)制波經(jīng)LC濾波電路濾波后，得到純正的正弦波交流電。

控制電路與主電路相適應(yīng)，逆變控制器針對(duì)單相電源來(lái)設(shè)計(jì)，電壓波形采用帶濾波電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制方案，電壓有效值采用PI調(diào)節(jié)器控制方案，控制電路含有3套獨(dú)立的PI調(diào)節(jié)器分別控制三相電壓，從而提高帶不平衡負(fù)載的能力。為了提高輸出電源控制的快速性、抗干擾性和可靠性，波形控制采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，有效值控制和電源參數(shù)監(jiān)控采用智能數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 故障實(shí)例分析

3.1 故障現(xiàn)象

圖3 三相全控整流單元原理圖

穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器聲光報(bào)警，控制箱面板上的智能數(shù)字顯示屏顯示整流單元故障，控制箱內(nèi)三相晶閘管數(shù)控器自檢顯示02外部封鎖停止觸發(fā)脈沖故障代碼，蓄電池放電工作。

3.2 故障分析及排查

根據(jù)上述故障現(xiàn)象，在蓄電池放電工作的情況下，檢查穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器的輸入主電源和輸出負(fù)載用電電源，經(jīng)測(cè)量數(shù)值在額定，初步確認(rèn)蓄電池工作電路和逆變單元電路正常，整流環(huán)節(jié)電路故障。

首先，將穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器停機(jī)，斷開(kāi)輸入至三相全控整流電路的主電源開(kāi)關(guān)，以及輸入至直流母排的蓄電池開(kāi)關(guān)，并將穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器輸出至負(fù)載的主開(kāi)關(guān)一并斷開(kāi)。拔掉三相全控整流電路的各熔斷器及控制板的接插頭，檢查和測(cè)量主電源輸入回路、對(duì)地絕緣、相間阻值和熔斷器均正常，測(cè)量主電源輸入回路上的壓敏電阻正反向阻值正常。

其次，脫開(kāi)與直流排相連的整流單元。全控整流單元中的3塊晶閘管模塊全部拆下進(jìn)行測(cè)量，萬(wàn)用表選電阻R*1Ω擋，選拿1塊，黑表筆接至陽(yáng)極1，紅表筆接至陰極K4，萬(wàn)用表指針沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，用短線瞬間短接陽(yáng)極1和控制極G4，此時(shí)萬(wàn)用表電阻擋指針向右偏轉(zhuǎn)，阻值讀數(shù)為10歐姆左右；當(dāng)黑表筆接至陽(yáng)極3，紅表筆接至陰極K1，萬(wàn)用表指針也沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，用短線瞬間短接陽(yáng)極3和控制極G1，此時(shí)萬(wàn)用表電阻擋指針向右偏轉(zhuǎn)，阻值讀數(shù)為10歐姆左右。拿取新的備件與其它兩塊一起測(cè)量，結(jié)果同上，確認(rèn)拆下的三塊晶閘管模塊完好，無(wú)擊穿。

三相全控整流電路的主回路各器件檢查正常，唯有懷疑對(duì)三塊晶閘管模塊起觸發(fā)脈沖控制的數(shù)控器電路板，更換新的數(shù)控器備件，將拆下的三塊晶閘管模塊裝復(fù)，再恢復(fù)輸入回路、整流單元的各線路連接。送電測(cè)試整流單元，直流排電壓緩升430V，穩(wěn)定正常。合上蓄電池供電開(kāi)關(guān)，蓄電池電壓充電至DC 430V，整流單元正常。進(jìn)入帶載測(cè)試，觀察輸入和輸出三相電壓、電流、頻率、絕緣都正常，恢復(fù)正常使用。

3.3 故障原因分析

三相晶閘管數(shù)控器對(duì)三相全控整流電路起到調(diào)整電壓反饋幅度，自動(dòng)調(diào)整脈沖的起點(diǎn)、終點(diǎn)、移相范圍和脈沖分配正反序的作用，另對(duì)整流電路中逆變電壓、逆變電流、充電電壓和充電電流有反饋?zhàn)詸z功能，當(dāng)三相晶閘管數(shù)控器觸發(fā)脈沖輸出故障，使3塊晶閘管模塊處于非需求工作狀態(tài)，直流母排的電壓和電流發(fā)生變化，三相晶閘管數(shù)控器反饋?zhàn)詸z02外部封鎖故障，自動(dòng)停止觸發(fā)脈沖，從而引起上述故障現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器在使用期間的維護(hù)保養(yǎng)極其重要，運(yùn)行期間應(yīng)注意檢測(cè)輸入和輸出電源的各項(xiàng)電氣參數(shù)，觀察有無(wú)報(bào)警，檢查裝置內(nèi)部冷卻風(fēng)扇是否運(yùn)轉(zhuǎn)，定期停機(jī)檢查內(nèi)部接線的松脫情況和對(duì)內(nèi)部各器件上灰塵、污垢進(jìn)行清潔，蓄電池組和電解電容根據(jù)使用周期應(yīng)及時(shí)更換。持續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)工作，可以延長(zhǎng)裝置內(nèi)部各器件的使用壽命，保證裝置能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行，從而提高負(fù)載運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，使船舶在任何工況下可以持續(xù)、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行。