變頻器輸出異常引起風機振動停機的故障分析

鄭磊

隨著高壓變頻器技術的日益成熟，在水泥生產過程中，利用變頻調速技術，不僅可以靈活調節設備運轉速度、隨時調整系統用風、不斷滿足生產要求，還可以大幅改善功率因數，達到節能目的。同時，采用變頻調速技術可以實現風機類重載負荷設備的軟啟動，大大降低對電網及機械負載的沖擊；對需要動態調節風量的風機類設備，變頻器啟動時可大幅降低電動機及其負載的機械磨損，振動和噪聲也顯著降低，可有效延長設備的使用壽命。

1 設備系統配置情況

我公司有一臺?3.8m×13m 球磨機，配套輥壓機型號為CLF150100-D-SD；循環風機型號為Y5-51No22D，左45°，風機電動機型號為YPKK5002-8，功率280kW，電壓10kV，額定電流22.9A；變頻控制器型號為ZINVERT A8H400/108，設備運行至今已有8年時間。

該變頻器為直接高壓輸出電壓源型高壓變頻器，每相有8個功率單元，共有24個功率單元，功率單元型號為ZINVU-25/17D1-69C-B3-WP，正常運行時頻率為24~35Hz。該變頻器無需升壓即可啟動普通異步電動機，具有過流、短路、過壓、溫升等保護功能，能夠更精確地保護電動機；同時，該變頻器具有人機交互系統，界面采用液晶顯示，操作方便，功能豐富。

2 設備故障基本情況

2021 年 11 月 2 日 0：55 時，崗位工人用精密儀器對運轉設備點檢時發現，循環風機電動機、風機軸承座振動值由正常的0.7mm/s 左右上升至2.0mm/s左右，振動值存在明顯上升情況，聯軸器處有輕微異響；風機前后軸承溫度、電動機自由端和負荷端軸承溫度、主電動機定子繞組溫度等關鍵運行參數沒有明顯變化。之后，繼續保持設備運行并加大巡檢頻次，重點關注風機振動情況。白班接班后，專職點檢人員發現風機振動值有進一步上升的趨勢，尤其是軸向振動上升明顯，異響連續且聲音增大。立即組織停機檢查，發現電動機軸承正常，風機軸承座潤滑油油量充足，無異常；對電動機和風機作對中校正，清理風機葉輪積灰，檢修后開機，風機振動略有減輕。12h后，聯軸器處異響聲音較大、電動機內部異響聲音變大，再次停機檢查。

結合前期排查情況，懷疑該懸臂結構的風機存在軸彎曲或軸裂紋。排查過程中，用百分表對風機聯軸器圓周跳動值進行測定，其最大數值為0.03mm，屬于正常范圍，判定對輪側主軸不存在彎曲情況；利用超聲波探傷儀對風機主軸進行探傷，發現風機主軸在距軸斷面272~276mm 處有裂紋，立即組織搶修工作。因風機位置較高，檢修不便，搶修共用時26h，更換了風機主軸和風機兩盤軸承（軸承型號：22328CCK/C3），搶修后風機最大振動值由6.9mm/s降低至3.7mm/s，振動值雖明顯降低但仍未恢復到正常水平。再次檢查電動機和風機對中情況，其垂直和水平偏差<0.04mm，采用硬連接方式現場固定電動機、風機聯軸器后試車，異響消失，風機振動值接近正常運行狀態，初步判斷是電動機、風機聯軸器運行不同步導致的本次故障。

通過觀察變頻器人機交互界面，發現變頻器的B 相、C 相輸出電流分別為13.2A、13A，而A 相輸出電流為10.1A，輸出嚴重不平衡，認為此次風機振動異常是因變頻器逆變器觸發不到位，輸出電壓不平衡引起電流不平衡，致使電動機和風機聯軸器運行不同步造成。

結合以上故障情況分析，決定從機械故障和電氣故障兩方面展開排查。

3 設備故障原因排查

3.1 機械故障排查

排查電動機輸出端聯軸器和風機輸入端聯軸器是否同步。我公司聯軸器使用時間較長，聯軸器孔之間可能存在不對稱情況，但沒有合適的聯軸器備件，無法進行更換排查。在確保電動機和風機對中準確的前提下，決定利用3mm 厚的鐵片通過焊接方式硬性連接兩端聯軸器，鐵片重量接近，均布于聯軸器圓周方向。焊接完成后，風機異響消失，其水平、垂直、軸向振動值恢復至0.7mm/s 左右，處于正常狀態。將連接鐵片增加至12 片，風機振動恢復正常。通過以上排查，可排除機械故障引起的風機振動。

3.2 電氣故障排查

排查變頻器輸出是否異常或電動機本身是否存在問題。

3.2.1 電動機電氣故障排查

為判斷電動機是否正常，對該設備的運行情況進行了排查。

（1）檢測電動機電阻。使用2 500V 兆歐表對電動機進行電阻測量，測得電動機定子三相對地阻值無窮大。

（2）觀察電動機工頻狀態下的運行情況。因變頻器配置了旁路柜，將高壓隔離開關手動切換到工頻啟動狀態，將電動機和風機之間的聯軸器尼龍棒斷開，直接啟動電動機。經檢測，在工頻狀態下，電動機正常啟動后，其三相電流穩定，前后軸承垂直、水平、軸向振動值正常，內部無雜音。運行半個小時后，電動機繞組溫度上升不明顯，軸承溫度溫升變化非常小。通過以上排查，可斷定電動機本身沒有故障。

3.2.2 變頻器電氣故障排查

排查變頻器各相電壓電流情況。圖1 為變頻器人機交互系統界面實時數據（25Hz），通過“主界面—數據監控—實時電量”，查看變頻器各相電流和電壓運行參數可知，輸入電流和輸入電壓均正常，B 相、C 相輸出電壓略有升高，輸出電流分別為13.2A、13A，但A 相輸出電流僅為10.1A，輸出嚴重不平衡，且零序電壓偏高。

圖1 人機交互系統界面實時數據（25Hz）

根據變頻器電壓電流排查情況，分析認為，變頻器A相中某個功率單元的逆變器觸發不到位，導致A項電流偏低，A相的相電壓偏低，中心點漂移。由于變頻器A 相功率單元輸出電壓未達到故障報警輸出設定，系統無法顯示出是哪個單元出現問題，需進一步排查。

檢測變頻器在25Hz 運行時，每個功率單元直流電壓情況，檢測結果見表1。由表1 可知，A1 單元的直流電壓相對較低，存在問題的可能性較大。但自聯軸器直連后風機振動正常，為保證水泥正常生產，保持風機連續運行，需在停機時再進行排查和更換。

表1 變頻器在25Hz運行時，每個功率單元的直流電壓情況

回顧功率單元修復情況，可知A1 功率單元由廠家修復（出廠時測試功率單元輸出電壓、波形均正常），10 月 28 日更換后運行正常，11 月2 日出現問題，正常運行一周。11 月 6 日 17：00 左右，風機振動值突然從0.7mm/s上升至4.0mm/s，立即停機檢查。發現聯軸器處連接片斷裂，同時聯系電氣維修人員更換功率單元A1。更換功率單元后，變頻器輸出電流三相平衡，振動值下降至0.2mm/s，運行正常。對更換下來的變頻器A1 功率單元進行拆解，發現其內部逆變器觸發不到位，導致變頻器輸出側電壓不平衡，引起電流不平衡，輸出中性點產生偏移，波形混亂，不同單元之間出現相位角偏差，造成電動機磁場紊亂，輸出速度不穩定。

4 改進措施

高壓變頻系統由大量電力、電子器件及精密控制元件組成，電器元件經長期運行后，受磁場、溫度、濕度，特別是灰塵的影響，其特性參數會產生變化，功能也會老化。正常生產運行中，若某個元器件出現異常，將會引起整個設備故障停機，從而影響整條生產線的運行，對企業經濟效益產生較大影響。在今后的工作中，為及時發現變頻器隱患，建議采取以下防范措施。

4.1 利用變頻器人機交互系統及WINCC 歸檔功能監測變頻器運行狀態

（1）在日常巡檢或故障處理過程中，可通過變頻器人機交互系統的“主界面—數據監控—實時電量”，觀察變頻器輸出電流和電壓是否存在異常，如三相電流輸出是否平衡、電壓是否平衡、零序電壓是否過高等，以及時發現變頻器功率單元是否存在隱患。

（2）將變頻器三相輸出電流信號全部引至中控室并實時顯示，利用WINCC歸檔功能，制作電流趨勢圖，以便及時發現變頻器異常運行情況。

4.2 利用大修時機維護改造高壓變頻器系統

（1）利用大修時機，對變頻器進行徹底維護，重點是檢查更換電容，檢測驅動板觸發功能，用示波器測量輸出波形，檢查更換通信光纖等。

（2）利用大修時機，對變頻器進行改造，使其具有功率單元旁路功能，當某功率單元出現故障時，系統可對故障單元進行切除，利用每相其余7個單元進行工作，風機輸出負荷不大，可滿足運行需要，降低電氣故障率。同時，若某功率單元出現故障，可利用變頻器手動旁路功能，對功率單元進行逐個切除檢驗，大大縮短了變頻器故障處理時間，提高了工作效率。