一種電壓源型高壓變頻器的檢測(cè)方法研究

趙曙偉

（神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東臺(tái)山529228）

面對(duì)現(xiàn)今社會(huì)日益緊迫的競(jìng)爭(zhēng)壓力，減少工業(yè)生產(chǎn)過程中的能耗變得尤為重要，急需充分開發(fā)并利用一切具有節(jié)能潛力的生產(chǎn)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。高壓變頻器的成功開發(fā)及推廣應(yīng)用對(duì)工業(yè)企業(yè)落實(shí)節(jié)能降耗具有重要的意義。

1 高壓變頻器節(jié)能原理

由電機(jī)學(xué)可知n=60f（1-s）/p，三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機(jī)極對(duì)數(shù)p有關(guān)。n與f之間為線性關(guān)系，變頻調(diào)速通過改變電源頻率f 來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬，不存在勵(lì)磁調(diào)節(jié)和節(jié)流作用帶來的功率損失。

對(duì)于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，由流體力學(xué)理論可知，流體流量Q與風(fēng)機(jī)或泵類的轉(zhuǎn)速一次方成正比，轉(zhuǎn)矩H與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，而其功率P則與轉(zhuǎn)速3次方成正比：

轉(zhuǎn)速減少時(shí)，電機(jī)的能耗將以其3 次方的比率下降，由此體現(xiàn)出節(jié)能效果。

2 高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以額定電壓6 kV，6 級(jí)級(jí)聯(lián)電壓源型國(guó)產(chǎn)高壓變頻器（H橋元件IGBT）為研究對(duì)象。

高壓變頻器的配置根據(jù)電壓等級(jí)、功率、型號(hào)以及其它因素的不同而有所不同，但主體結(jié)構(gòu)基本都包括工頻旁路、變壓器、功率單元、主控系統(tǒng)等，電壓源型高壓變頻器工作原理是將電網(wǎng)送來的三相6 kV/50 Hz 交流電，經(jīng)移相變壓器，供電給18個(gè)功率單元，每個(gè)功率單元的額定輸出電壓為577 V，相鄰功率單元的輸出聯(lián)接起來，每相6 個(gè)功率單元進(jìn)行疊加，使得高壓變頻器的額定輸出相電壓為3 464 V。三相共18 個(gè)功率單元，形成Y 聯(lián)接結(jié)構(gòu)，使得線電壓為6 000 V，直接供給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，典型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變頻器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 The converter circuit topology map

每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/6的相電壓和1/18的輸出功率。對(duì)于不同的輸出電壓等級(jí)，串聯(lián)的模塊數(shù)目是不同的，但其基本原理是一樣的。

3 高壓變頻器故障形式

高壓變頻器的故障分為“重故障”和“輕故障”兩種，其中“重故障”出現(xiàn)后會(huì)立即停機(jī)，并切斷高壓輸入電源；“輕故障”不會(huì)影響到變頻器的正常運(yùn)行，但是應(yīng)該及時(shí)處理，以免演變?yōu)橹毓收稀?/p>

當(dāng)故障出現(xiàn)后雖然變頻器自身會(huì)有相應(yīng)的故障信息提示，用于判斷故障元件之所在，但是實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明并不是所有的故障信息都可以準(zhǔn)確定位故障元件，并不是所有的故障元件都可以在報(bào)警信息中反映。對(duì)于重故障的情況，如果不能一次將所有故障都排除，就會(huì)造成高壓輸入電源開關(guān)的多次跳閘，對(duì)電源系統(tǒng)造成不利的影響。因此就需要盡可能一次性地將故障排除或者脫離電源系統(tǒng)進(jìn)行故障排查。

3.1 回路故障

有實(shí)際案例表明，如果不相鄰功率單元的輸入回路出現(xiàn)連接交叉錯(cuò)誤，變頻器啟動(dòng)后會(huì)導(dǎo)致輸出短路，此時(shí)變頻器無法正確判斷回路錯(cuò)誤的功率單元，會(huì)引起處于中間位置的無異常功率單元報(bào)故障，而處于后面的故障元件由于主控系統(tǒng)已關(guān)斷輸出而報(bào)不出故障。

3.2 通訊故障

變頻器的控制系統(tǒng)和功率單元的信號(hào)傳輸是通過光纖進(jìn)行，包括上行光纖和下行光纖，如果上行光纖、下行光纖或兩端的發(fā)送、接收部分有故障時(shí)，變頻器會(huì)報(bào)出哪個(gè)通道故障，但是無法區(qū)分是哪個(gè)元件的問題。

3.3 過載、過流

變頻器的輸入、輸出均有電流檢測(cè)，當(dāng)主控系統(tǒng)檢測(cè)到輸入或輸出電流達(dá)到過載、過流定值時(shí)會(huì)重故障停機(jī)，一般情況下是由于信號(hào)干擾、電流檢測(cè)元件故障、電機(jī)過載（流）引起保護(hù)元件動(dòng)作。但是還有一種情況就是其中有一個(gè)或多個(gè)功率單元輸出電壓較低或無輸出，對(duì)于這種情況變頻器是無法判斷出特性欠佳的功率單元的，并且也難以通過常規(guī)檢查手段查出。

4 高壓變頻器檢測(cè)方法

高壓變頻系統(tǒng)使用靈活，根據(jù)實(shí)際需求有多種連接方式，圖2為典型的一拖一手動(dòng)旁路系統(tǒng)。

圖2 一拖一變頻系統(tǒng)圖Fig.2 Drag a variable frequency system diagram

其中移相變壓器為Y/△/Yn 接線方式，低壓側(cè)△采用延邊三角形聯(lián)接，每相分為6 個(gè)不同的相位組，互差10°（電角度）；低壓側(cè)Yn 額定輸出電壓380 V，并為主控系統(tǒng)提供輸入電源電壓信號(hào)。

對(duì)變頻器檢測(cè)之前首先要甩開高壓變頻器的輸入（移相變壓器的輸入）電纜和輸出（功率單元的輸出）電纜，即將變頻器從6 kV 電源系統(tǒng)完全隔離出來，變頻器置變頻方式狀態(tài)。采取從低壓側(cè)Yn繞組加入380 V工頻電源的方法，模擬為變頻器提供輸入電源來進(jìn)行檢測(cè)，而全部的檢測(cè)工作需要的僅僅是1 臺(tái)調(diào)壓器和1 個(gè)380 V 電源。檢測(cè)接線原理如圖3所示。

圖3 檢測(cè)接線原理圖Fig.3 Detection of wiring diagram

4.1 單體檢測(cè)

將A，B，C 三相所有功率單元的輸出串聯(lián)母排和中性點(diǎn)母線拆開，使用380 V 電壓輸入的調(diào)壓器作為移相變壓器的輸入電源，變頻器的容量越大要求調(diào)壓器的容量越大（建議2 000 kV·A以上的變頻器使用9 kV·A 以上的調(diào)壓器）。緩慢升高調(diào)壓器輸出電壓至380 V（移相變壓器高壓側(cè)為額定電壓6 000 V），測(cè)量每個(gè)功率單元的輸入線電壓應(yīng)為（實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)和變頻器，滿載運(yùn)行情況下電壓會(huì)有一定的下降，移相變壓器選型時(shí)UΦΦ可能會(huì)略高于計(jì)算值，故UΦΦ應(yīng)以變壓器實(shí)際變比為準(zhǔn)）。在不具備遠(yuǎn)程操作條件的情況下，可選擇切換至就地方式啟動(dòng)變頻器并進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。

用示波器觀察各功率單元的輸出PWM 波形，脈沖數(shù)m 與IGBT 開關(guān)頻率F、變頻器運(yùn)行頻率f 有關(guān)，其關(guān)系是：m=F/f（上下半波各一半）。當(dāng)頻率升至50 Hz（IGBT 開關(guān)頻率為1 200 Hz）時(shí)，每個(gè)功率單元輸出PWM 波形，如圖4 所示（每個(gè)周期內(nèi)上下半波均為12 脈沖）。因模塊內(nèi)部的銅排存在電感，輸出電壓值U0略高于輸入電壓，約為1.1×UΦΦ。

圖4 功率單元50 Hz輸出波形Fig.4 The power unit of the 50 Hz output waveform

當(dāng)實(shí)際測(cè)量的輸入線電壓較UΦΦ有明顯的偏差時(shí)，應(yīng)全面檢查各功率單元輸入回路接線是否存在錯(cuò)誤。

4.2 整組檢測(cè)

因?yàn)橐葡嘧儔浩髅拷M輸出繞組都是獨(dú)立的，功率單元的輸出也是相互獨(dú)立的，因此單體檢測(cè)的成功只能驗(yàn)證各功率單元是完好的，并不意味著整個(gè)變頻系統(tǒng)是正常的。當(dāng)級(jí)聯(lián)數(shù)較多且相鄰功率單元輸入接線交叉錯(cuò)誤連接時(shí)，輸入線電壓不會(huì)有太大的偏差，單體檢測(cè)時(shí)由于各功率單元是相互獨(dú)立的，變頻器不會(huì)有故障報(bào)警，而功率單元串聯(lián)運(yùn)行時(shí)會(huì)造成變頻器的輸出短路故障，所以還需要恢復(fù)所有功率單元的輸出串聯(lián)母排和中性點(diǎn)母線連接進(jìn)行整組檢測(cè)，驗(yàn)證包括外部回路在內(nèi)的整個(gè)變頻系統(tǒng)是否正常。檢測(cè)方法和單體檢測(cè)相同，變頻器輸出電壓為每相6 個(gè)功率單元輸出電壓的串聯(lián)疊加，線電壓為6 000 V（見圖5）。

圖5 變頻器串聯(lián)疊加結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Inverter series overlay structure diagram

4.3 檢測(cè)結(jié)果

順利通過單體和整組檢測(cè)的變頻器可以認(rèn)為一切正常，可以帶載試運(yùn)；如果在檢測(cè)的過程中有故障報(bào)警，就需要進(jìn)行相應(yīng)的故障排查，重新進(jìn)行檢測(cè)，直至全部檢測(cè)都通過。

4.4 注意事項(xiàng)

由于使用該方法進(jìn)行的變頻器檢測(cè)是空載試驗(yàn)，且輸入電源是從移相變壓器低壓側(cè)施加的，屬于非正常運(yùn)行方式，因此需要強(qiáng)調(diào)幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

1）此種檢測(cè)方法僅適用于有變壓器的電壓源型高壓變頻器，并不適用于無變壓器電壓源型和電流源型；

2）必須保證變頻器主控系統(tǒng)檢測(cè)輸入電源的回路是正常的，因?yàn)橹骺叵到y(tǒng)只有在檢測(cè)到輸入電源正常的情況下才可給功率單元發(fā)出觸發(fā)脈沖；

3）在給移相變壓器低壓側(cè)Yn繞組施加電源之前，應(yīng)確保Yn繞組不帶有任何負(fù)載（例如散熱風(fēng)機(jī)等），以防調(diào)壓器副邊繞組電流過大，燒壞調(diào)壓器；

4）為了保證變頻器和系統(tǒng)的安全，當(dāng)變頻器重故障時(shí)會(huì)通過外部回路直接跳開輸入電源開關(guān)，使得變頻器脫離電源系統(tǒng)，因此在檢測(cè)過程中要做好預(yù)防措施，當(dāng)重故障時(shí)要立刻斷開調(diào)壓器輸入空氣開關(guān)，避免出現(xiàn)意外，特別是在啟動(dòng)變頻器的時(shí)候；

5）當(dāng)變頻器處于工頻方式下且電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，需要采用此種方法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要將變頻器重故障跳輸入電源開關(guān)的回路甩開，防止變頻器有故障時(shí)將運(yùn)行中的電源開關(guān)誤分閘，造成不必要的損失；

6）移相變壓器正常運(yùn)行時(shí)為降壓變壓器，從Yn 繞組施加檢測(cè)電源時(shí)變壓器會(huì)以升壓變壓器的方式使高壓側(cè)輸出電壓，因此調(diào)壓器輸出需緩慢升壓至380 V，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器的輸入電壓和電流（即調(diào)壓器輸出電壓和電流），當(dāng)輸入電流隨著輸入電壓的增大而快速增大時(shí)，說明調(diào)壓器升壓太快，應(yīng)停止升壓，待電流回落穩(wěn)定后方可繼續(xù)。輸入電流的大小與變頻器容量有關(guān)，容量越大電流越大。

5 技術(shù)特點(diǎn)

常規(guī)的檢測(cè)方法是直接將高壓變頻器接入高壓電源系統(tǒng)為移相變壓器提供電源，只需將變頻器輸出接線甩開即可。當(dāng)變頻器發(fā)生重故障時(shí)會(huì)將高壓側(cè)開關(guān)跳開，其最大的缺陷是倘若未能一次性將所有故障都排除，則會(huì)造成高壓側(cè)開關(guān)的多次跳閘，對(duì)高壓電源系統(tǒng)造成沖擊影響；另外當(dāng)電動(dòng)機(jī)已切換至工頻運(yùn)行時(shí)，則無法對(duì)變頻器進(jìn)行檢測(cè)。

而采用本文的方法進(jìn)行高壓變頻器的檢測(cè)，與高壓電源系統(tǒng)毫無關(guān)系，操作簡(jiǎn)單，特別適用于變頻器故障檢修而電動(dòng)機(jī)又需要運(yùn)行的情況，此時(shí)只需將電動(dòng)機(jī)切換為工頻運(yùn)行，再將變頻器隔離就可以完成多次、全面的檢測(cè)工作；同樣也適用于變頻器修后的檢測(cè)，在自行檢測(cè)變頻器功能正常后再投入高壓電源系統(tǒng)，對(duì)變頻器的順利投運(yùn)是非常有利的。

實(shí)際工程案例表明，當(dāng)處于濕度較大環(huán)境中的變頻器長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)時(shí)，功率單元等電子元器件可能由于受潮而不能正常啟動(dòng)運(yùn)行，反復(fù)使用其中的單體檢測(cè)方法能使受損的功率單元等逐步恢復(fù)正常性能。

6 結(jié)論

對(duì)于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用的電壓源型高壓變頻器，結(jié)構(gòu)原理基本相同，這種特殊的檢測(cè)方法可以參考借鑒，在管理嚴(yán)格的現(xiàn)代企業(yè)中是有一定利用價(jià)值的。

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