國產大功率變頻器常見故障及解決對策研究

丁 凌

（國家管網集團西部管道有限責任公司，烏魯木齊 830013）

由于大功率變頻器技術已趨于成熟，電動機驅動在天然氣長輸管道項目技術經濟比選中占據優勢，已經成為主要的驅動形式。同時，隨著國產化戰略的實施，國產大功率變頻器開始在西氣東輸三線工程中應用。西氣東輸三線工程永昌站項目設有3 套電驅壓縮機組，其變頻調速系統均采用榮信電力電子股份有限公司生產的25 000 kVA 大功率變頻器。從總體運行情況來看，國產大功率變頻器的工業性能已達到用戶要求，但其在投產運行初期的故障率比其他同類型的進口設備高，給天然氣管道的平穩運行造成了不利影響。為降低變頻器故障對管道生產運行的影響，需要深入分析國產大功率變頻器的常見故障，采取必要措施，以提升設備可靠性。

1 榮信變頻器基本信息

變頻器是應用變頻技術與電力電子技術，通過改變電機工作電源頻率來控制交流電動機的電力控制設備，主要由整流單元、逆變單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等組成。西氣東輸三線永昌壓氣站項目使用榮信SuperHVC-S10-SM10/25-OT-W-H 型變頻器。該變頻器采用目前國際上先進的柵極注入增強型晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）功率單元，串聯綜合運用多電平技術、數字控制技術、正弦脈寬調制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM）技術及超導熱管散熱技術的系列高壓電機節能調速產品。該產品采用交-直-交電壓源型技術方案，先將10 kV 母線電源接入隔離變壓器，經隔離變壓器多組副邊繞組降壓移相后，經整流模塊整流成直流電，再通過高壓變頻器IEGT 逆變相模塊，將直流電轉換成頻率可調的交流電并輸出，以驅動高壓電機。

2 典型故障分析及解決對策

2.1 整流單元故障

2017 年5 月，1#機組發生停機故障，上報A2單元欠壓，B3、B4、C1、C2 單元過壓，設備連鎖跳閘。經現場檢查發現，A2 單元整流直流母排出現熔融現象，整流單元交流母排上被噴濺有金屬顆粒。

2.1.1 故障原因分析

通過檢查分析發現，A2 單元的整流模塊直流輸出母排與柜體直流母排的連接處在運行時過熱，出現燒毀、飛弧現象，飛弧噴濺的銅屑破壞了設備絕緣，導致設備內部出現短路[1]。出現故障的位置采用一種觸橋形式的彈性連接。觸橋形式連接優點是易于現場拆裝、維護，當設備出現故障時維修速度較快，缺點是其對裝配的要求較高，需要由專業人員進行裝配。

該故障點的觸橋是整個設備內部電流負荷最大的觸橋。根據故障錄波記錄數據，故障發生時負荷電流的有效值為610 A、峰值為1 200 A；產品滿負荷運行時的電流有效值為906 A、峰值為1 780 A。該觸橋的設計容量為電流有效值1 600 A、峰值2 300 A。故障發生時實際運行電流小于設計容量。進一分析故障原因，發現個別位置的工藝控制較差，整流模塊直流正母排與觸橋之間裝配配合不佳，設備長期運行時，一側的觸橋因接觸不良發生過熱變形，最終導致該類故障的發生。

2.1.2 解決對策

更換新的整流模塊，按裝配要求精準安裝。觸橋安裝時公板應插入母板的中間位置，公板兩側與母板的間隙誤差不應大于0.5 mm。觸橋在公板插入后壓縮，標準壓縮量應該為1.65 ～1.95 mm。為從根本上解決此類故障，應將原來的直流母排觸橋彈性連接方案改為銅排直連方案，提升連接的可靠性。將直流輸出正負母排改為U 形包覆母排，并將母排一端固定在模塊內部的散熱器上，另一端設置腰型孔留做外部連接接口，正負母排之間使用絕緣件固定。連接方式優化前后結構對比如圖1 所示。

圖1 連接方式優化前后結構對比

東芝三菱TMEIC XL75 系列大功率變頻器的整流單元、IEGT 功率單元的進出線均采用銅排直連的方式連接，能夠保證連接處在長時間運行、大電流通過時具有良好的導電性。從近10 年的運行情況來看，相較于彈簧式觸橋結構，銅排螺栓直連方式的穩定性和可靠性更高。

2.2 功率單元過壓故障

2021 年，變頻器多次出現單元過壓、設備閉鎖跳閘的現象。2021 年7 月6 日，A4 級單元上報IEGT故障，同時該級閉鎖旁路，設備繼續運行。在A4 級閉鎖107 s 后，上報“單元過壓”，設備閉鎖跳閘。經計算，A4 級閉鎖后至整機閉鎖的107 s 內，直流電壓提高了185 V，平均上升速率為1.73 V·s-1，最大上升速率為15 V·s-1。

2.2.1 故障原因分析

為進一步排查故障原因，在變頻器工廠反復進行試驗測試。使變頻器進線電纜屏蔽層在變壓器二次側單端接地，在設備帶電機空載運行狀況下進行測試，啟動9 s 后A4 級單元上報“單元過壓”設備跳閘。在廠內測試電氣連接拓撲中，A1、B1 和C1 是設備中靠近封星點的位置，A4、B4 和C4 是與電機連接的饋出級。饋出級A4、B4 和C4 的電壓增長最快，靠近封星點的A1、B1 和C1 直流電壓基本維持恒定。經計算，上升速率最快單元的上升速率約9 V·s-1。使變頻器進線電纜屏蔽層在變壓器二次側及變頻器側雙端接地，在設備帶電機空載運行狀況下進行測試，啟動3s 后A4 級單元上報“單元過壓”設備跳閘。經計算上升速率最快單元的上升速率約20 V·s-1。

根據現場故障及廠內測試復現情況，綜合判定單元超壓的主要原因為功率器件開通關斷過程中產生的電壓突變引起共模電壓，經過單元對地以及交流電纜對地的耦合電容形成高頻共模電流，再經整流橋單向整流后，導致單元直流電壓持續升高，直至超過連鎖保護值2 950 V。

2.2.2 解決對策

設備停機后更換相應的故障單元，可對設備進行復位恢復備用。為規避此問題，短時間內可調整變頻器軟件內部參數設定，適當提高IEGT 單元過壓的保護閾值，建議從2 950 V 調至3 050 V。IEGT 單元在開關過程中會產生電流電壓變化，進而引起共模電流[2]。為徹底解決此干擾問題，在整流二極管兩端并聯1 個吸收電容，為高頻干擾信號提供1 個雙向通流路徑，從而避免干擾信號單向充電導致的電容器電壓持續上升，如圖2 所示。該方案的吸收電容器在工作過程中溫度正常，且安裝簡單，對現有結構影響較小，可解決直流單元電壓持續抬升引發的跳閘問題。

圖2 整流橋回路電路增加吸收電容

2.3 變頻器控制系統干擾故障

自投運以來，變頻器多次報出控制器內部通信錯誤、控制器局域網（Controller Area Network，CAN）通信錯誤、輸出過流等，造成設備停機。故障報出間隔時間具有不確定性，故障出現后都能復位。

2.3.1 故障原因分析

分析故障錄波文件與歷史數據可知，故障大多是干擾造成的控制器內部或外部的通信數據錯誤。測量現場發現，控制柜內保護接地（Protective Earthing，PE）線和E 線存在高頻壓差，峰值可達到±50 V，對信號線及其屏蔽存在很強的干擾，造成控制器內部數據檢測錯誤。進一步排查發現，發生故障的主要原因是380 V 供電電纜、部分控制信號電纜與10 kV 高壓電纜存在平行敷設的情況，使干擾信號通過空間耦合到信號電纜，導致干擾竄入變頻器控制系統，影響控制系統的穩定性。

2.3.2 解決對策

優化控制柜內的電磁屏蔽，加強其抗干擾能力，避免干擾信號通過電纜竄入變頻控制系統。干擾信號可以通過2 個方面進行隔離：一是控制系統的電源隔離，二是控制系統的信號隔離。增加外部供電電源回路，把原供電方式改為對外部信號、內部信號、控制器電源單獨隔離供電的方式，將3 個電源獨立設置，確保信號系統的有效隔離。對于控制系統信號部分，基于柜內已有的繼電器隔離變頻器控制器的數字輸出（Digital Output，DO）信號、數字輸入（Digital Output，DI）信號，通過在變頻器的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）柜內增加中間繼電器或信號隔離器，隔離DI 信號、模擬量輸入（Analog Input，AI）信號。在對控制系統的信號隔離改造中，對于增設的DI 轉換板，應單獨新增開關電源進行供電。

控制系統干擾問題具有偶發性、隨機性，現場排查較為復雜，但解決思路為分類隔離控制系統的各個控制器、信號，以保證所有與控制系統連接的電源信號、DO、DI、AI 等各類信號通道有效與外部系統隔離，進而消除外部因素對控制系統的干擾。

2.4 變頻器IEGT 驅動板故障

2018 年4 月，1#機組出現IEGT 相模塊故障。經檢查發現，IEGT2 驅動板故障，其上的隔離電源模塊異常發熱。

2.4.1 故障原因分析

通過分析故障錄波文件與歷史數據發現，IEGT驅動板工作異常，使其在對應的逆變橋臂中不受控制地異常導通，最終在H 橋中形成短路，導致IEGT 器件擊穿。IEGT 驅動板故障的主要原因為IEGT 驅動板存在設計缺陷，即主回路中有電磁干擾，以及雜散電流通過驅動板控制回路竄入，造成IEGT 驅動板工作異常[3-4]。

2.4.2 解決對策

整體優化IEGT 驅動板，主要是在驅動板的供電環節增加隔離電源模塊，以增強驅動板電源的抗干擾能力，規避IEGT 驅動板受干擾后誤報驅動故障的問題，使其能夠很好地適應大功率變頻器電磁干擾的運行環境[5]。

3 結語

國產大功率變頻器在運行過程中出現的各類故障較為復雜。但是，通過優化核心器件結構、整治系統、優化改造部件，即可從根本上解決故障問題，提升變頻器的整體可靠性和安全性。