高壓變頻器在煉鐵行業的應用及維護策略

李倩倩，李昕洋

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063000）

0 引言

國內常見的高壓變頻器主要分為3 kV、6 kV以及10 kV等級，用于驅動1 kV以上交流電機。煉鐵行業中10 kV高壓變頻器應用較為廣泛。主要應用在以下3種場合：①燃燒系統。例如高爐熱風爐助燃風機；②工藝系統。例如高爐水循環系統的變頻泵，球團的主引、回熱等工藝風機，燒結的余熱、主抽、環冷等工藝風機；③除塵系統。例如爐前系統的除塵風機等。變頻器的廣泛應用，不僅滿足了工藝需求，提升了各系統的控制精度，還起到了節能降耗的作用，為降低成本做出了巨大的貢獻。

1 高壓變頻器結構

高壓變頻器結構較為簡單，通常由變壓器柜、功率模塊柜和控制柜3部分組成，可實現變頻電機的正常啟停和調速。此外，對于2000 kW以下的變頻電機，若具備工頻直接啟動的工藝條件，需要單獨配置旁路柜實現設備的直接啟動。對于2000 kW以上的變頻電機，無法直接工頻啟動，需要配置高壓軟啟動柜實現應急啟動。而在多套大功率設備并行的工藝條件下，可以配置互拖柜和同期柜來實現變頻轉工頻的運行。

1.1 變壓器柜

變壓器柜的主要設備是干式移相變壓器以及柜頂、柜底散熱風機。通常變壓器運行的溫度在50℃左右，并通過三相溫控儀精確顯示。溫控儀發出溫度高報警時，將跳機信號發送給控制器使系統保護停機，但從實際運行角度來看，變壓器在正常情況下溫度較為穩定，而溫控器的誤報率更高，因此在實際的運行過程中，維護人員常將報警值設置為多級報警，取消溫度連鎖停機，通過人為判斷確定現場設備的實際狀態，以提高主體設備運行的穩定性。

1.2 模塊柜

模塊柜主要用來安裝功率模塊，模塊柜外側設置防塵網，柜頂設置冷卻風機，為功率模塊提供潔凈空氣用于散熱。功率模塊常見的配置是每相8個或9個，在模塊故障時其能夠通過轉旁路運行的方式保證變頻系統持續運行。每次旁路時，為保證三相處于平衡狀態，對應每組3個功率模塊（分別在三相）同時退出運行。正常情況下，每相最多旁路的功率模塊數量為2個，功率模塊旁路后，處于工作狀態的模塊其工作電壓升高，為保證系統穩定運行，設備需要降負荷運行，即下調頻率。但有些廠家采用的N+1設計方式，即有1組功率模塊旁路時，系統仍然能夠保持原來的負荷不降頻率。

1.3 控制柜

控制柜是整個高壓變頻系統的大腦，既提供變頻器的控制策略，也對整個系統起到監視的作用。在處理器方面，各個廠商都設計了獨家的嵌入式處理器，通過輸入、輸出接口板，采集設備狀態以及下發系統命令。此外，根據現場實際需求，普遍還配置了小型PLC，通過PLC與主系統進行通信，完成變頻系統的啟停控制、參數調整以及運行數據上傳。

2 高壓變頻器的工作原理

高壓變頻器的主要功能是對交流異步電機進行調速控制，交流異步電機的轉速表達式如下：

式中 n——電機轉速，r/min

s——轉差率

P——電機極對數

f——電機運行頻率，Hz

由式（1）可知，想要平滑地調節異步電機的轉速，就需要對加到異步電機定子繞組的交流電頻率f進行控制。通過調節脈沖寬度和各脈沖的“占空比”來調節頻率和電壓，得到PWM波形。利用PWM技術，通過脈沖調制波按順序導通、關斷高壓變頻器逆變電路中的IGBT，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變其輸出頻率，變頻原理如圖1所示。

圖1 變頻原理

變頻器常見的控制策略有兩種，一是壓頻比控制，另外一種是矢量控制。壓頻比控制是根據電機的電磁特性V=4.44FΦ，實現頻率和電壓變化的控制方式。通過簡單調試即可實現一帶多運行，但動態響應比較慢，一般適用于風機、水泵類負載設備。而矢量控制是指采用矢量變換的方法實現交流電機的轉速和磁鏈控制的完全解耦。其控制模型較為復雜，但調速精度高，動態響應快，可實現電機的四象限運行。

3 變頻器常見故障及維護策略

變頻器的故障類型可歸類為輕故障及重故障，其中輕故障一般不影響變頻器的正常運行，但若輕故障不及時處理，有可能發展成為重故障，必須馬上處理。常見的輕故障包括1組功率模塊旁路運行、UPS故障、變頻器輕度過熱、電機過載120%保持1 min、電機150%過載保持3 s、PLC模擬量給定斷線、運行中柜門打開等。重故障是指出現后變頻器立即停機，并切斷輸入側高壓斷路器。重故障發生后，只有徹底排除，并且用“系統復位”按鈕將系統復位后才能重新開機。常見的重故障包括變頻器溫度高報警，2組以上功率模塊旁路，電機200%過流；系統故障例如高壓失電、旁路級數超過設定值、功率單元光纖故障等。

3.1 驅動故障的原因分析及維護策略

驅動故障是指系統的檢測模塊將IGBT的實際狀態與預期狀態進行比較，當實際與預期狀態有較大偏差時報出的故障。

此故障一般分為3種情況：

（1）在系統上電待機時，系統自檢報驅動故障，此時功率模塊實際處于靜態，因此驅動板故障可能性較低，而負責給驅動板供電以及檢測單元狀態的單元控制板故障的可能性較大。若通過萬用表測量，其他器件均正常，則需要更換單元控制板。

（2）系統啟動過程中報驅動故障，此時功率模塊處于工作狀態，應首先對IGBT、旁路半橋等器件進行測量，此類器件在啟動時出現損壞的可能性較大，其次對檢測電路進行排查，檢查單元控制板和驅動板。

（3）系統多個模塊同時報驅動故障，此時考慮設備絕緣不足或整體承載能力不足。首先排查絕緣問題，通過搖表檢查導軌與柜體、功率模塊之間是否存在放電現象，其次是考慮其他故障導致的相鄰模塊絕緣下降，當發生切旁路的模塊較多時，部分模塊分壓過大保護動作。通過故障記錄檢查哪些模塊是反復出現問題，需要一次性更換多次報驅動故障的模塊。

3.2 光纖故障的原因分析及維護策略

光纖故障是指單元控制板與主控板之間的通信發生中斷。

此故障一般分為2類：①光纖本身故障，包括功率模塊與通信板之間的光纖連接頭脫落或者接觸不良，光纖因彎折半徑不合理或受力過大而導致折斷，以及光纖座腐蝕導致連接失效；②控制板卡故障，對于安裝在控制器側的光纖板，當元器件、晶振等異常時，模塊與控制器無法建立通信；對于安裝在功率模塊的單元控制板，當其工作電源輸出異常時，會造成供電故障無法通信。

處理此類故障時，首先是對光纖頭使用酒精進行擦洗后重新連接，或是更換控制器的光纖板以及功率模塊的單元控制板。需要注意的是，光纖的連接必須注意施工規范，避免因過度彎折和受力過大而損壞。

3.3 直流母線過壓的原因分析及維護策略

直流母線過壓的定義是直流母線電壓超出保護定值的15%。

此類故障的原因主要有以下3個：①直流母線在減速過程中出現過電壓，這是由于變頻器在減速停車時，定子頻率下降過快，而轉子速度下降偏緩，導致出現負轉差，此時機械能轉化的電能無法回饋至電網，導致變頻器的直流母線電壓升高而產生過壓保護，此時通過適當加大變頻器的減速時間設定值，可以降低過電壓發生的可能性；②功率模塊內部發生器件損壞，包括出現打火痕跡、整流橋擊穿、電解電容爆裂、熔斷器斷裂等問題，此時應立即更換功率模塊；③相鄰功率模塊故障導致此模塊報過壓故障。當同一相上某個模塊的IGBT炸毀的瞬間，會發生拉弧，產生感應電動勢，通過U、V銅排的輸出連接，將能量串入到相鄰模塊，使其端電壓升高，進而報出過壓故障。通過更換故障模塊，能夠解決相鄰模塊報過壓的問題。

3.4 過熱故障的原因分析及維護策略

過熱故障是指某功率模塊散熱片上熱敏電阻達到80℃，熱敏電阻保護電路如圖2所示。

圖2 熱敏電阻

此類故障發生的原因有以下2種：①功率模塊實際溫度超過80℃，此時應檢查環境溫度是否超標、柜內風機是否正常、除塵濾網等是否堵塞。通過對以上問題一一解決，能夠在溫度下降后，重新啟動設備；②功率模塊的熱敏電阻故障或單元控制板故障，若現場確認實際溫度低于80℃，可以將該功率模塊上的溫度繼電器檢測點在單元控制板上短接，使其退出保護，等備件到貨后，對其進行返廠修復。

變頻器的常見故障還有很多，僅列舉4種常見的問題及維護策略，對于變頻器的使用和維護，需要在具體的實踐中不斷分析和總結。

4 結束語

如今高壓變頻器已經成為煉鐵生產系統主要的傳動設備，在實際的使用過程中，其控制的精確性和運行的穩定性越來越重要。特別是隨著精細化控制要求和環保要求的進一步提高，如何減少高壓變頻設備故障發生次數、縮短故障處理時間，成為設備維護人員主要思考的問題和方向。