某型傳動系統(tǒng)應(yīng)用故障分析及處置措施

應(yīng)明強

（攀鋼集團西昌鋼釩有限公司板材廠，四川 西昌 615000）

攀鋼集團西昌鋼釩公司板材廠2030mm 酸軋機組于2014年5 月正式投產(chǎn)，主要生產(chǎn)高檔汽車用板、高級家電用板和汽車用高強鋼，年設(shè)計產(chǎn)量210 萬噸。全線傳動系統(tǒng)采用技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定可靠、控制精度高的日立傳動系統(tǒng)，機組酸洗段設(shè)計有1 套日立中容量傳動系統(tǒng)、1 套日立小容量傳動系統(tǒng)，軋機段設(shè)計有6 套日立大容量傳動系統(tǒng)、1 套日立小容量傳動系統(tǒng)，為酸軋機組的穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)能提供了有力的保證。本文以攀鋼集團西昌鋼釩公司板材廠2030mm 酸軋機組為例，介紹了某型傳動系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 某型傳動系統(tǒng)

1.1 HIVECTOL 系列傳動系統(tǒng)簡介

板材廠酸軋機組裝機的HIVECTOL 系列傳動系統(tǒng)有三種型號：即HIVECTOL-VIS-H（大容量）傳動系統(tǒng)、HIVECTOLVIS-MS（中容量）傳動系統(tǒng)和HIVECTOL-VIS-S（小容量）傳動系統(tǒng)。酸軋機組軋機1#～5#主電機及卷取機電機的傳動采用的是HIVECTOL-VIS-H（大容量）傳動系統(tǒng)，其中1#主傳動系統(tǒng)的整流單元容量為10.2MVA，2#～5#主傳動系統(tǒng)整流單元的容量為15MVA，卷取機傳動系統(tǒng)整流單元的容量為5.4MVA，交流進(jìn)線電源電壓都為AC3400V，直流公共母排電壓為DC6000V，IGBT 等大功率元器件采用獨立的純水冷系統(tǒng)與傳動柜風(fēng)冷混合進(jìn)行冷卻；機組開卷機電機、活套電機、張力輥電機、夾送輥電機、轉(zhuǎn)向輥電機、鋼卷小車電機等設(shè)備的傳動系統(tǒng)采用的是日立HIVECTOL-VIS-MS（中容量）傳動系統(tǒng)和HIVECTOL-VIS-S（小容量）傳動系統(tǒng)。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

（1）某型傳動系統(tǒng)由整流單元、逆變單元、控制單元、DS 隔離開關(guān)柜、純水冷卻系統(tǒng)組成（如圖1 所示），整流單元和逆變單元每相IGBT 單元裝機數(shù)量是根據(jù)傳動系統(tǒng)的容量來決定的，5.4MVA 容量的傳動系統(tǒng)整流單元和逆變單元每相裝機數(shù)量為1 個IGBT 單元；10.2MVA 容量的傳動系統(tǒng)整流單元每相裝機數(shù)量為兩個IGBT 單元（這兩個IGBT 單元的rank 編號必須相同），逆變單元每相裝機數(shù)量為3 個IGBT單元；15MVA 容量的傳動系統(tǒng)整流單元和逆變單元每相裝機數(shù)量為3 個IGBT 單元。

圖1 日立HIVECTOL-VIS-H 傳動系統(tǒng)（15MVA）結(jié)構(gòu)圖

圖2 IGBT 單元外觀圖

（2）某型傳動系統(tǒng)的IGBT 單元的型號為IGH1200M8DP，每 個IGBT 單 元 由8 個IGBT 元 件、二 極管、保險、電容、電阻、層壓母線、門極驅(qū)動板、加熱槽等元器件組成，IGBT 單元的外觀圖如圖2 所示。整流單元和逆變單元每相使用3 個IGBT 單元，即為3 并2 串結(jié)構(gòu)的IGBT 單元，結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示，假如在運行中因15MVA 容量的傳動系統(tǒng)整流單元或逆變單元某相的1 個IGBT單元燒損，那么，此相沒有燒損的另外兩個IGBT 單元也要同時更換，所以在更換新的IGBT 單元時，必須是rank 編號相同的3 個IGBT 單元，因此，在申報備件時，也必須同時申報3 個IGBT 單元（并要注明1 相3 個單元的備件），保證3 個IGBT 單元的rank 編號相同，以確保傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在傳動系統(tǒng)主回路中設(shè)有預(yù)充電單元，預(yù)充電的作用是為了減小高壓斷路器閉合時大電流對IGBT 單元的沖擊，在SCADA 系統(tǒng)發(fā)出合閘指令后，傳動系統(tǒng)預(yù)先充電到主回路直流公共母排電壓（DC6000V）的70%時高壓斷路器閉合，以保證傳動系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定的運行，并且在電路中加入平波電容、電阻以消除浪涌。

圖3 R 相IGBT 單元結(jié)構(gòu)圖

1.3 控制原理

某型傳動系統(tǒng)采用PWM（Pulse Width Modulation）進(jìn)行控制，PWM 脈寬調(diào)制是靠改變脈沖寬度控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可以通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實現(xiàn)，這樣使調(diào)壓和調(diào)頻兩個作用配合一致，且與中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動態(tài)性能，某型傳動系統(tǒng)CONVERTER/INVERTER 控制原理（如圖4 所示）。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流源供電，電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)較高。通過日立電氣的專有技術(shù)來控制調(diào)制波的相位，將多套變頻裝置的諧波互相疊加抵消，從而抑制或消除諧波，因此，日立電氣的IGBT 單元不需要單獨加裝諧波濾波器，且IGBT 元件的開關(guān)頻率較高，輸出波形非常接近正弦波（圖5）。

圖4 日立HIVECTOL-VIS-H 傳動系統(tǒng)整流單元/逆變單元控制原理圖

圖5 PWM 波形圖

2.4 維護要點及注意事項

（1）某型傳動系統(tǒng)為DC6000V 等級的大容量傳動系統(tǒng)，根據(jù)維護保養(yǎng)手冊的要求每年需要對母排進(jìn)行緊固和清灰工作，每五年對傳動系統(tǒng)的光通量和各控制板的電壓進(jìn)行檢測并做好記錄。

（2）傳動系統(tǒng)在線使用7 年后，需要對IGBT 單元主回路保險進(jìn)行檢測，視檢測實際情況進(jìn)行更換，IGBT 單元主回路保險設(shè)計使用壽命為7 年；傳動系統(tǒng)在線使用10 年后，需要對IGBT 單元冷卻水塑料軟管進(jìn)行檢查，視檢查實際情況進(jìn)行更換，冷卻水塑料軟管的設(shè)計使用壽命為10 ～15 年。

（3）因IGBT 單元燒損更換備件后，需使用M.TOOL 工具對新上機的IGBT 單元做低壓放電測試（使用DC24V 或DC48V 電源）、脈沖檢查試驗，以確保上機使用的IGBT 單元性能正常，避免造成二次設(shè)備事故。

2 故障分析及處理措施

2.1 故障分析

（1）在2014 年傳動系統(tǒng)安裝調(diào)試期間，軋機HIVECTOL-VIS-H 傳動系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)故障，造成傳動系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)丟失，引起傳動系統(tǒng)因通訊故障而停止運行，傳動系統(tǒng)DS（隔離開關(guān)）柜的動力線纜的為AC3300V，而傳動柜上的EB 接地與EBX 接地為同一要求的接地即接地電阻＜10Ω（如圖6 所示），于是，日立設(shè)計將它們連接在一起引入同一個預(yù)埋的接地銅板上，EB 接地為控制元器件及柜體接地，EBX 的接地為動力電纜屏蔽線接地。在機組正常運行的情況下，EBX 的感應(yīng)電壓最高可以達(dá)到上百伏，因此，EBX 的感應(yīng)電壓容易干擾EB 端子上連接的設(shè)備，最終引起傳動系統(tǒng)通訊故障停機以及燒損傳動系統(tǒng)的控制板造成機組停機。主傳動系統(tǒng)設(shè)備接地網(wǎng)絡(luò)圖，見圖7。

圖6 傳動系統(tǒng)DS 開關(guān)柜的接線圖

圖7 原設(shè)計的傳動系統(tǒng)接地網(wǎng)絡(luò)圖

（2）在2018 年的一次檢修期間，按照周期項目對酸軋機組3#主傳動系統(tǒng)的整流變壓器進(jìn)行絕緣保護試驗以及對變壓器進(jìn)行緊固清灰工作，停傳動系統(tǒng)高壓電源，未對室內(nèi)傳動柜開展任何維護保養(yǎng)工作，也未停傳動系統(tǒng)的控制電源。當(dāng)整流變壓器絕緣保護試驗和檢修作業(yè)完成后，在恢復(fù)送電的程中，可能是因為以下原因造成SCADA 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制發(fā)出高壓柜斷路器合閘指令后，真空斷路器一直執(zhí)行預(yù)充電，正常情況下斷路器收到閉合指令后，傳動系統(tǒng)主回路預(yù)充電到直流公共母排電壓（DC6000V）的70%時斷路器閉合，但傳動系統(tǒng)主回路一直預(yù)充電到98%并保持，斷路器始終不能閉合同時也分不開（為確保人員安全，未在就地設(shè)置高壓斷路器分合閘功能，只能通過SCADA 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制），狀態(tài)極其危險，一旦處置不當(dāng)將會引起人生傷害事故和設(shè)備燒損事故（圖8）：①高壓柜接線松動、脫落，元器件損壞，高壓斷路器控制線松動、控制芯片燒損或機構(gòu)卡阻；②傳動系統(tǒng)與高壓柜接口通訊線纜松動、脫落、元器件損壞或控制板燒損。

圖8 合閘異常后整流單元的狀態(tài)

2.2 處理措施

（1）經(jīng)過詳細(xì)的討論和研究后，對傳動系統(tǒng)EBX 和EB端子的連接電纜進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將傳動柜系統(tǒng)柜內(nèi)的EBX 和EB 端子的接地電纜分開連接，且在接地系統(tǒng)中新預(yù)埋一塊銅板與EBX 端子進(jìn)行連接（如圖9 所示）。對傳動系統(tǒng)EBX 和EB 端子的連接電纜進(jìn)行優(yōu)化改造后，有效地減小了感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓的干擾，傳動系統(tǒng)運行至今，從未出現(xiàn)因本地網(wǎng)絡(luò)故障和控制板燒損故障導(dǎo)致系統(tǒng)報警停止運行，確保了傳動系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

圖9 現(xiàn)設(shè)計的傳動系統(tǒng)接地網(wǎng)絡(luò)圖

（2）現(xiàn)場確認(rèn)傳動系統(tǒng)和高壓柜及SCADA 系統(tǒng)無任何報警信息，查閱故障手冊及相關(guān)資料也沒有任何關(guān)于此故障的說明和處理方法。通過查閱設(shè)備調(diào)試期間用于檢查傳動系統(tǒng)和高壓柜接口確認(rèn)的筆記，使用M.TOOL 工具輸入MW OVPL命令，可以使傳動系統(tǒng)產(chǎn)生故障跳閘。將M.TOOL 工具與3#主傳動系統(tǒng)整流（CONVERTER）控制面板進(jìn)行連接，輸入MW OVPL 命令將FFFF1ABA 的值由12000 改為0，傳動系統(tǒng)因過載故障高壓跳閘掉電（如圖10 所示）。

①根據(jù)圖紙檢查確認(rèn)傳動系統(tǒng)與高壓柜的通訊接線、元器件的安裝狀態(tài)、控制板的信號指示狀態(tài)燈以及高壓柜、高壓斷路器、SCADA 系統(tǒng)均無異常，且高壓斷路器手動合閘測試正常，傳動系統(tǒng)放電20 分鐘后，通過SCADA 控制系統(tǒng)再次閉合高壓斷路器仍然閉合不上。根據(jù)傳動系統(tǒng)原理圖（3302677-4/TH3CV18）檢查繼電器RY1（主回路投入指令信號）是否在吸合狀態(tài)，接觸器3-52S（主回路投入指令信號）和86S（整流單元正常信號）是否在吸合狀態(tài)，如未在吸合狀態(tài)則需根據(jù)圖紙對設(shè)備進(jìn)行一一查找問題，如全部在吸合狀態(tài)則高壓柜及其SCADA 系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)的通訊正常，經(jīng)檢查確認(rèn)以上設(shè)備在吸合狀態(tài)。

②通過翻閱調(diào)試筆記及聯(lián)系上海日立技術(shù)人員，檢查傳動系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)狀態(tài)，以判斷傳動系統(tǒng)控制板、元器件及接線是否正常，在M.TOOL 工具中輸入指令MB VDCHOK（預(yù)充電檢查電壓成立信號）查看FFFF1F2A 的狀態(tài)是否為1，輸入指令MB PCHOK（預(yù)充電準(zhǔn)備完成信號）查看FFFF1F31 的狀態(tài)是否為1，輸入指令MB MASTR（主回路投入信號）查看FFFF1F32 的狀態(tài)是否為1，輸入指令MB VDOK（預(yù)充電電壓建立信號）查看FFFF1F29 的狀態(tài)是否為1，如果不為1 則要檢查控制板、元器件及接線，如果全部為1 則傳動系統(tǒng)控制板及線路正常。經(jīng)確認(rèn)，以上指令狀態(tài)全為1（如圖11 所示）。綜上所述確認(rèn)傳動系統(tǒng)、高壓柜及SCADA 系統(tǒng)狀態(tài)正常，更換使用備用斷路器重新合閘后，3#主傳動系統(tǒng)高壓送電成功。

圖10 輸入指令后傳動系整流單元下電

3 結(jié)語

攀鋼集團西昌鋼釩公司板材廠2030mm 酸軋機組自2014 年5 月正式投產(chǎn)以來，設(shè)備已運行近6 年，期間日立傳動系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定。某型傳動系統(tǒng)在板材廠2030mm 酸軋機組的應(yīng)用，提高了傳動設(shè)備的先進(jìn)性、可靠性和穩(wěn)定性，為酸軋機組的穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)能提供了有力的保證。本文對某型傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理進(jìn)行了重點闡述，并針傳動系統(tǒng)在日常應(yīng)用中存在的各種問題及故障，進(jìn)行了詳細(xì)的分析、研究，并制定出有效的處理措施，對某型傳動系統(tǒng)設(shè)備的日常維護和應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用。

圖11 輸入指令檢查傳動系統(tǒng)狀態(tài)