淺析變頻器改造升級

伍華倫

摘 要：對西門子空冷卻無諧波變頻器主要部件結構構成及元器件主要功能進行闡述。對其投運以來出現的故障進行統計分析，結合同類變頻器運行出現的故障狀況和現場情況，解析變頻器工作環境基本要求。分析變頻器高溫故障原因危害及處理，變頻器其他故障及系統波動引起跳閘及處理。有針對性地提出改變原有變頻器輸出控制方式，抑制變頻器跳閘。結合變頻器電壓波動運行環境更改變頻器低電壓設定，并進行變頻器軟件升級和變頻器室換氣改造，節約一次投資成本，減少維護費用及運行成本。使變頻器長時間穩定運行，電動機輸出功率更穩定，調整范圍更加廣泛，經濟性更好，減少因高溫導致變頻器設備部件絕緣老化擊穿短路跳閘停運幾率，提高變頻器效率和效益。

關鍵詞：變頻器組成；高溫；故障分析；工作環境；換氣改造；軟件升級

中圖分類號：TN773? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）04-0058-03

0 引言

某公司使用的空氣冷卻中壓完美無諧波變頻器由西門子上海電氣傳動設備有限公司設計制造，通過調節脈寬改變電動機轉速的變頻器。這種脈寬調節變頻器優點明顯：①有隔離變壓器等濾波，使得輸入波形純正，輸入特征更加明顯，功率因數更高，輸出波形為無附加擾動的高低次諧波的正弦波。②當變頻器在運行時，若其輸入電壓電流乘積略小于變頻器額定容量，變頻器調節基本能保證其輸出工況運行。③變頻器回路載有電阻，產生的諧波對周圍設備的干擾很小，甚至沒有。④變頻器可有效地避免不同裝置調速系統之間發生串、協擾。⑤裝置本身輸入純凈，沒有防止諧波產生消除措施，省去了諧振、諧波過程分析，減少消除諧波的濾波器等設備元件及維護費用。

西門子空冷變頻器輸入電流電壓為無擾動的正弦波，功率因數高超過95%。高功率因數使得電動機在整個調速范圍內，不需要增加無功補償就能滿足調速范圍。滿足系統功率因數要求入，很容易就能實現低功率因數，還能改善電壓質量，不會無功功率使一次開關、變頻器組合柜內的變壓器，并列功率單元過載運行。在整個變頻器電動機的調速范圍內，即使使用標準的感應電動機，也能在可調速度范圍內保持高功率穩定運行。低速使用能實現更大的節能降耗，提升經濟效益。西門空冷變頻器只有極少量的失真電壓波形產生，對電機產生電磁振動和電磁噪聲很小，實現現場電動機的降噪。西門子空冷完美無諧波變頻器，消除了變頻器引發的使電機發熱的有害諧波，變頻器引發的轉矩脈動也被消除（即使在低速范圍），降低了機械設備的應力，共模電壓和電壓變化率產生的應力也減至最小[1]。節省使用諧波濾波器與散熱設備需要的費用，節約大量人工、設備和維護費用，具有電機噪聲小、發熱小、機械設備應力低的特點，增加了電動機的輸出動力和機械效力。

1 西門子空冷卻無諧波變頻器主要部件及其作用

1.1 隔離變壓器組合柜

空冷變頻器的變壓器組合柜由輸入隔離變壓器、進出線線高壓電纜、頂部冷卻排氣風機、進風濾網網門、控制電源、接口、端子排及接線等組成。

1.2 控制和監測柜

控制和檢測組合柜主要是變頻就地控制線、外接控制電源、冷卻排氣風扇、電機監測測儀表及電源儀表、各電源、監測連接端子排等組成。

1.3 控制單元組合柜

控制單元組合柜柜門可取下，組合柜內主要是總控器間隔、各分并列功率間隔及其組合柜頂部安裝的冷卻排氣風扇。每個功率單元具體由單元控制板、IGBT器件、二極管器件、散熱器、熔絲、均勻電阻、電解電容以及殼體等組成。并列各功率間隔的元器件電氣參數、機械參數完全一樣，具有互換性和可替代性。并列功率間隔的主控制IO版通過光纖電纜與總控器間隔的控制IO板相連，實現總分通訊與控制調節。其是并列功率間隔與總控間隔之間的唯一連接聯絡點，完全實現了總控間隔與各并列功率間隔電氣一次隔離，避免了相互影響、干擾。

1.4 控制旁路組合柜

控制旁路組合柜內是真空接觸器及一次回路。當主控變頻部分發生電氣故障、更換部件或主旁切換，變頻器控制回路會自動合上旁路真空接觸器接通電源一次回路，斷開變頻功率控制回路一次真空接觸器，使得故障變頻單元一次回路從電動機一次系統切除，電動機工作在旁路變頻回路。

1.5 低壓控制系統

西門子空冷變頻器各功率間隔之間都有統一的控制方式。各功率間隔之間的控制與驅動板都是通過連接光纖與總控制柜內的數字調制器通訊，總控制板控制與驅動開關電源為所有板提供控制電源。

1.6 總控制回路及系統

總控制回路系統由機架和控制板構成，獨立電源供電。微機板為控制核心，控制總系統所有塊板的工作。總控系統接口板收集輸入、輸出及反饋信號送到模數轉換板。模數轉換板將數字量值送到微機板，微機板計算要發送給數字調制器的數值并發送。數字調制器將開關指令編譯成每個單元的指令信息，通過光纖接口板發送出去[1]。

1.7 主電路及輸入電源質量監測

功率間隔通過光纖接收調制信息輸出電機所需電壓和頻率。監測隔離變壓器輸入電流和電壓。可靠提供在線功率因數、電機效率及諧波等參數信息。

1.8 人機接口

人機接口主要是鍵盤和液晶顯示器面板，安裝總控制組合柜的面板上。通過鍵盤和液晶顯示面板可實現對西門子空冷變頻器的參數修改和功能控制操作。

2 變頻器運行故障統計分析處理

2.1 變頻器的故障統計

變頻器共計11臺（3臺給水泵、8臺引風機、8臺送風機），自投運以來，變頻器各種原因跳閘次數多達50次。其中高溫燒壞扳子23次，通訊故障17次，其他原因故障10次。高溫相對來說占總故障的46%左右。通訊故障高達34%左右。

2.2 變頻器周圍環境運行條件

變頻器柜內的集成大功率電子元件，運行中容易受粉塵、溫度和濕度等運行條件的影響，變頻器運行環境溫度要求在0～40℃范圍內，為確保變頻器安全穩定長期可靠運行，正常運行時都要考慮盡量控制在中間范圍內，以免給特殊運行工況情況時留有一定的富裕度和增長空間時間，最佳控制溫度在25℃左右，濕度要求不超過95%，且無凝結或水霧出現。

變頻器運行溫度跨度大時間短且環境溫度極低極高時，變頻器柜內各元器件會因低溫凝結水珠或出現露水現象，使其部分元器件受潮，破壞絕緣性能降低，嚴重時還會發生潮濕放電、絕緣擊穿引發短路火災電氣事故。如若空氣中粉塵、腐蝕性氣體含量極高，將加大對元器件、引線及接頭、集成電路板、電容、電感、電阻及回路腐蝕等。灰塵由于電的作用聚集在元器件表面，散熱條件不良，使元器件高溫加速老化，迅速降低其絕緣性能，影響穩定運行，縮短其使用壽命。變頻器的控制柜受到機械振動和沖擊時，會引起各元器件電氣接觸不良。運行環境溫度高，會使電容的使用壽命下降，引起電解液變干造成功率單元故障。設備運行一段時間后，應對其進行檢查和維護。

2.3 變頻器高溫原因分析

夏天環境溫度升高，各種設備運行發熱散熱條件惡化，各設備受高溫的考驗。變頻器運行發熱，散熱條件不好（變頻器與6 kV 母線段在一個母線室，無單獨的變頻器室），長時間溫度過高而使變頻器各部件絕緣老化，造成短路或元器件損壞。

具體原因分析如下：①功率元件是發熱量大的。功率元件主要是由整流二極管和逆變IGBT組成，二極管運行較穩定，通斷速率較低，自然換向，發熱量較小。IGBT，通斷速率高，發熱量與開關損耗有關，通過電流越大，開關速率越高，發熱量就越大。整流器和逆變器模塊化，通過導熱硅膠連接到散熱片上。散熱片裝有通風管，通風管下端裝風扇，向上吹氣，風冷卻散熱片[2]。②影響變頻器散熱的主要方面：功率元件二極管通斷速率。功率元件IGBT開關速率。導熱硅膠的導熱性能。散熱片的接觸面與緊密度。風扇安裝位置不正確。風扇運轉不正常。逆變模塊過熱。制動電阻過熱。冷卻風道的入口和出口堵塞，環境溫度高于變頻器的允許值[3]。

2.4 變頻器出現過溫故障處理方法

具體有以下10種：①檢查環境溫度是否在變頻器工作范圍內。②檢查變頻器是否過載運行，否則需要降容運行。③降低大型通風機或工業空調風溫，降低環境溫度。④檢查柜內安裝空間是否足夠，檢查柜內風扇是否正常，檢查通風量能否滿足變頻器的要求。變頻器通風量越大超好。⑤檢查參數設置，盡可能降低IGBT的開關頻率，即脈沖頻率。⑥限制變頻器輸出電流，或者降低電流。減小電機負載以減小電流。⑦除塵。變頻器長期使用后，內部如果灰塵太多，會降低散熱效果。在斷電情況下，吹出灰塵。⑧檢查變頻器風扇運行是否正常及濾網是否堵塞。⑨檢查變頻器內部溫度傳感器是否正常。⑩檢查變頻器CPU及其它模塊運行是否正常。

3 變頻器及母線室換氣改造與軟件升級

3.1 變頻器及母線室加裝換氣扇

結合分析和變頻器實際運行情況，由于變頻器室和6 kv母線室連接到一起，室內空調設計安裝完成，運行平穩。夏天由于環境溫度高，散熱條件惡化，室內空調容量嚴重不足，變頻器室內溫度高。

若更換空調，根據空調功率選擇公式（1）進行計算：

P空調=P變頻器×3.5%/2.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P空調表示空調的功率，單位kW；P變頻器表示變頻器的功率，單位kW。

經研究和實地勘測，即用變頻器各元器件發熱量及頂部排氣扇的排熱量，根據換氣扇功率公式（2）可得：

Q=（P總/T）×3.1=Pe×3%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Q表示風量，單位m3/h；P總表示控制柜內各元件總功率數，單位kW；T表示控制柜內各元器件允許的最大升溫，單位℃；3.1表示海平面空氣熱度；Pe表示變頻器額定功率，單位kW。

結合裝置和本地季節氣候特點，根據測算可在變頻器及母線室加裝排氣扇，增加變頻器及母線室換氣量和速度，以降低室內溫度。產生的人工和設備費用低廉，節約很大部分投資，經濟適用，且操作方便，運行靈活，冬節環境溫度低時，可根據變頻器及母線室內溫度停運部分換氣扇。

根據要求由設計公司進行換氣設計，并進行設備購置和設備安裝，現在已改造完成。在實際的運行中效果十分理想，準夏天最惡劣天氣環境最高42℃降到了28℃，降溫達14℃。冬季可根據變頻器及母線室溫度隨時啟動或停止部分換氣扇，運行方式靈活。既保證了變頻器正常散熱、低溫穩定運行，又節約運行成本，減少變頻器各元件絕緣老化，變頻器故障率。

3.2 變頻器軟件故障與軟件升級

第一，變頻器通訊故障，與軟件設置和軟件Bug有關，有以下4種情況：①單一模塊不通信（接插不好、模塊故障、組態不對）。②從站不通信（分支通訊電纜故障、通信處理器松動、通信處理器地址開關錯誤、通信處理器故障）。③主站不通信（通信電纜故障、調制條街器故障、通信處理器故障）。④通信正常，通信故障燈亮。

第二，變頻器的控制都是通過光纖傳輸到后臺DCS系統，運行中當通訊中斷、故障、信號消失。變頻器CPU接收不到后臺DCS系統狀態信號時，變頻器會自動跳閘，保護轉機設備。但在實際運行中，多次出現通訊信號原因即出現DCS信號丟失情況下引起變頻器無故障跳閘。通訊故障的幾率大，嚴重影響轉機的正常運行[3]。嚴重影響安全生產。在借鑒其他公司變頻器運行經驗與西門子廠家溝通，結合實際運行情況，提出將變頻器在出現DCS信號丟失情況下，變頻器停機改為維持原轉速運行。并要求西門子廠家人員進行變頻器軟件升級，滿足提出的要求，并保證升級后能穩定運行。

第三，在其他故障中系統晃電也有變頻器跳閘現象。在此次升級中還將部分變頻器低壓跳閘設置為低電壓在3 s內掉電（含低電壓）變頻器不跳閘，并進行相應試驗，滿足更改要求。結果均達到軟件設計要求。為了保證變頻器安全，根據變頻器多年運行經驗，將變頻器掉電3 s以上（含低電壓）變頻器不跳閘改為跳閘。根據變頻器實際運行工作電壓情況將部分變頻器低電壓設定在1 s內掉電（含低電壓）變頻器不跳閘，1 s后仍低電壓則變頻器跳閘。變頻器軟件升級改造完成后，做試驗均符合要求。

第四，此外還將變頻器軟件升級到最新可用版本，變頻器軟件升級完成后，試運行達到預期的效果。滿足了生產的實際需求，保證了變頻器長期、可靠、穩定、效率運行。

4 結語

通過對西門子完美無諧波變頻器各部件分析，變頻器的故障分析，變頻器受周圍環境溫度的影響導致電路板散熱不太好，引起的故障所占比例較大。再加上煉化行業生產現場含硫化氫等腐蝕性氣體，電氣配電室為了減少腐蝕性氣體的侵入采用封閉式的，因通風效果不好，導致變頻室內溫度升高，變頻器電路板小功率器件損壞。

為了徹底解決以上問題，改善冷卻條件，在變頻室增加換氣扇。經過改造和軟件升級，不僅能改善工作環境溫度，有效地降低了變頻器的故障率，還提高了使用效率，不失為解決變頻器眾多故障因數的好方法。對具有同類型變頻器因地制宜改造升級起到很好的指導作用，大大節約成本，提高變頻器運行經濟性。

參考文獻

[1] SIEMENS.西門子空冷型完美無諧波系列新一代控制NBH高壓變頻器[K].上海：上海出版社，2006.

[2] 周志敏.變頻器維修入門與故障檢修238例[M].北京：化學工業出版社，2013.

[3] 張選正，史步海.變頻器故障診斷與維修[M].北京：電子工業出版社， 2008.