化工廠高壓變頻器維護(hù)與常見(jiàn)故障處理

苗付杰 楊家勇 閆鵬

（盛隆化工有限公司 山東省滕州市 277519）

1 引言

高壓交流電機(jī)變頻調(diào)速是目前節(jié)約電能、改善電機(jī)運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段，具有優(yōu)異的調(diào)速和啟制動(dòng)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)?；诟邏鹤冾l器的優(yōu)異調(diào)速及節(jié)電性能，高壓變頻器在化工廠高壓交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。高壓大功率變頻器能否穩(wěn)定運(yùn)行，很大程度上決定著化工廠的安全和生產(chǎn)穩(wěn)定。高壓變頻器是自動(dòng)化、智能化高度綜合的設(shè)備，對(duì)設(shè)備管理和維護(hù)人員提出了更高的要求。因此，設(shè)備管理和維護(hù)人員采取預(yù)防性維護(hù)措施降低高壓變頻器故障發(fā)生的可能性，并提高故障處理能力就顯得尤為重要。

2 高壓變頻器的工作原理和重要部件作用

高壓變頻器的工作原理：根據(jù)電機(jī)學(xué)的基本原理，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為n=(1-s)60f/p,式中n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，s 為滑差，f 為電機(jī)運(yùn)行頻率，p 為電機(jī)極對(duì)數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)在保證轉(zhuǎn)差率和磁極對(duì)數(shù)不變時(shí)，轉(zhuǎn)速隨電源頻率的增加而增加。因此，通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，可以改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。變頻器是利用半導(dǎo)體的通斷作用將工頻電源變換為電壓可變、頻率可變的適合交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速需求的電能控制裝置。用于3kV、6kV、10kV 電壓等級(jí)電機(jī)調(diào)速的變頻器稱(chēng)為高壓變頻器。

高壓變頻器主要由旁路柜、移相隔離變壓器柜、功率單元柜和控制柜組成。三相高壓電進(jìn)入高壓開(kāi)關(guān)柜，經(jīng)輸入降壓和移相等處理后為功率柜中功率單元供電。功率單元主要由IGBT、單元驅(qū)動(dòng)板等組成。IGBT 為功率開(kāi)關(guān)器件，單元驅(qū)動(dòng)板負(fù)責(zé)和主控通訊，從主控得到IGBT 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)并把故障情況報(bào)告給主控。功率單元與控制部分采用光纖通訊，主控制柜中的控制單元經(jīng)過(guò)光纖對(duì)功率柜中的每一功率單元進(jìn)行整流、逆變控制、檢測(cè)等處理。主控部分與PLC 雙向通訊，從PLC 接受信息，同時(shí)把信息反饋給PLC。控制柜中控制單元將控制信息發(fā)送至功率單元中進(jìn)行整流、逆變等調(diào)整，輸出滿足負(fù)荷需求的電壓等級(jí)。

旁路柜的作用：當(dāng)高壓變頻器出現(xiàn)故障導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常工作，旁路柜可以滿足電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，從而提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

移相變壓器的作用：移相變壓器主要是降壓和移相，抑制變頻器的諧波，避免對(duì)電網(wǎng)造成影響。移相變壓器相當(dāng)于增加了整流器的脈數(shù)。整流器脈數(shù)越多，輸入電流諧波越小，對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾越小。移相變壓器可以將輸入的高壓工頻電變成相互絕緣、電位獨(dú)立的低壓工頻電輸出。移相變壓器將輸出的低壓工頻電送到各個(gè)變頻單元中，各變頻單元將輸入的低壓交流電經(jīng)整流濾波變成直流電。

移相變壓器的工作原理：移相變壓器將高壓變換為副邊的多組低壓。每個(gè)功率單元由一個(gè)繞組供電，每個(gè)繞組采取延邊三角形接法，這種多繞組隔離變壓器的二次線圈互相存在相位差。采取這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以有效消除各功率單元產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電網(wǎng)的干擾，使變頻器網(wǎng)側(cè)電流為正弦波。

功率單元的作用：功率單元是高壓變頻器主回路的主要組成部分，在高壓變頻系統(tǒng)中能夠起到整流、濾波、逆變的作用。在高壓變頻系統(tǒng)中每個(gè)功率單元相當(dāng)于一臺(tái)交-直-交電壓型單相低壓變頻器。主要功率器件為整流橋、電解電容、IGBT、可控硅。整流橋的作用是整流，將交流變?yōu)橹绷鳌ｋ娊怆娙莸淖饔檬菍?duì)整流橋整流后的直流進(jìn)行濾波，并具有儲(chǔ)能功能。IGBT 的作用：IGBT 是Insulated Gate Bipolar Transistor 的簡(jiǎn)稱(chēng)，中文名為絕緣柵雙極晶體管。絕緣柵雙極晶體管集合了大功率晶體管和功率場(chǎng)效應(yīng)管二者的優(yōu)點(diǎn)，具有工作速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、電流能力大、導(dǎo)通壓降低的特點(diǎn)。絕緣柵雙極晶體管是功率單元上的重要部件，作用是將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣?，也就是逆變?？煽毓瑁⊿ilicon Controlled Rectifier的簡(jiǎn)稱(chēng)）的作用：可控硅是可控硅整流器的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種可控整流電子元件?？煽毓枘茉谕獠靠刂菩盘?hào)作用下由斷開(kāi)變?yōu)閷?dǎo)通。一旦可控硅導(dǎo)通，外部控制信號(hào)就無(wú)法使其斷開(kāi)，只能靠去除負(fù)載或降低其兩端電壓的方法使其斷開(kāi)?？煽毓枰话銘?yīng)用在充電電路和旁通回路，相當(dāng)于“電子開(kāi)關(guān)”。

3 高壓變頻器的維護(hù)和預(yù)防性檢修

3.1 高壓變頻器的維護(hù)

由于環(huán)境的溫度、粉塵、諧波及變頻器內(nèi)部器件老化等因素都會(huì)導(dǎo)致高壓變頻器發(fā)生故障，因此必須對(duì)高壓變頻器進(jìn)行日常和定期的維護(hù)和保養(yǎng)。

高壓變頻器日常維護(hù)方法：

（1）每天檢查記錄高壓變頻器觸摸屏報(bào)警信息、故障信息。

（2）每天檢查記錄變頻器觸摸屏輸出頻率、輸出三相電壓和電流。

（3）每天檢查移相變壓器有無(wú)異響、高溫、異味。高壓變頻器正常運(yùn)行期間變壓器的線圈溫升不能超過(guò)75℃。檢查變頻器內(nèi)部有無(wú)異常聲音，電機(jī)是否有異常振動(dòng)。

（4）由于環(huán)境溫度高很容易導(dǎo)致變頻器模塊過(guò)熱甚至模塊燒毀等故障的發(fā)生因此應(yīng)將高壓變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度控制在10 ～40℃。

（5）由于化工廠內(nèi)腐蝕性氣體和粉塵較多，對(duì)高壓變頻器內(nèi)的電氣元件腐蝕性較大，因此，應(yīng)每周清洗一次變頻器進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)，每月清洗一次變頻器室進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)。

（6）定期巡查高壓變頻器內(nèi)部螺栓、模塊插件是否有松動(dòng)或脫落，絕緣體有無(wú)變形、破損或因過(guò)熱造成的老化變色。

（7）定期檢查功率單元柜、變壓器柜風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況。

（8）定期檢查變頻器室內(nèi)通風(fēng)管路是否存在雨水進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)的情況，避免雨水通過(guò)風(fēng)道進(jìn)入變頻器導(dǎo)致短路事故。通風(fēng)管路要保證變頻器端高于穿墻端，通風(fēng)管路穿墻處戶(hù)外要安裝防雨棚。

3.2 高壓變頻器預(yù)防性檢修措施

定期檢查接線端子是否緊固，保證各個(gè)電氣回路的正確可靠連接，及時(shí)采取預(yù)防性檢修措施，能夠大大減少高壓變頻器故障的產(chǎn)生。

（1）高壓變頻器停機(jī)檢修時(shí)必須在高壓停電15 分鐘后才能打開(kāi)高壓柜門(mén)。停機(jī)后要全面檢查一次變頻器內(nèi)部所有電氣連接的緊固性，檢查控制柜內(nèi)部的卡件是否松動(dòng)，查看各個(gè)回路有無(wú)異常的放電痕跡，有無(wú)變色、破損現(xiàn)象。功率單元和進(jìn)線貴接線端子、變壓器接線柱有無(wú)氧化、腐蝕現(xiàn)象，連接處螺母有無(wú)松脫。接線端子和絕緣柱若存在老化開(kāi)裂和變形，必須及時(shí)更換。各接線端子若有松動(dòng)現(xiàn)象，必須進(jìn)行緊固。

（2）變頻器柜內(nèi)積塵潮濕易引起放電現(xiàn)象，會(huì)造成模塊故障。高壓變頻器散熱要求通風(fēng)量大，運(yùn)行期間積塵較嚴(yán)重，因此必須認(rèn)真做好高壓變頻器功率單元柜和變壓器柜的除塵工作。每運(yùn)行三個(gè)月，應(yīng)用吸塵器對(duì)控制柜內(nèi)部、功率單元、變壓器一次、二次線圈進(jìn)行一次全面除塵。

（3）定期對(duì)功率單元快熔進(jìn)行仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)熔斷必須及時(shí)更換。

4 高壓變頻器常見(jiàn)故障及處理方法

高壓變頻器的故障一般分為輕故障和重故障兩類(lèi)。一般將不影響變頻器運(yùn)行的故障稱(chēng)為輕故障，如電機(jī)輕度過(guò)載、單元柜風(fēng)機(jī)故障、變壓器輕度過(guò)熱等。高壓變頻器重故障指的是故障出現(xiàn)后變頻器立即停機(jī)并切斷輸入側(cè)高壓。當(dāng)發(fā)生輕故障時(shí)，變頻器發(fā)出間歇的音響報(bào)警和故障指示。在報(bào)警時(shí)，若發(fā)出報(bào)警解除指令，則變頻器會(huì)取消報(bào)警。輕故障雖然不會(huì)導(dǎo)致變頻器立即停機(jī)，但也要引起高度重視，及時(shí)采取處理措施。當(dāng)發(fā)生重故障時(shí)，變頻器會(huì)連續(xù)報(bào)警并自動(dòng)跳閘停機(jī)，故障原因會(huì)被系統(tǒng)記錄。只有重故障徹底排除后，用復(fù)位按鈕將系統(tǒng)復(fù)位后才能重新開(kāi)機(jī)。

高壓變頻器的常見(jiàn)故障類(lèi)型主要有過(guò)電流、過(guò)電壓、熔斷器故障、功率模塊故障、光纖故障等。出現(xiàn)這些故障時(shí)，一般情況下高壓變頻器會(huì)顯示故障代碼便于排除故障，但有些故障用常規(guī)手段難以檢測(cè)，需要從多方面進(jìn)行分析，逐一排除才能找到故障點(diǎn)。

4.1 變頻器過(guò)電流

故障產(chǎn)生的原因：過(guò)電流故障主要發(fā)生在IGBT 器件。IGBT是高壓變頻器的關(guān)鍵器件，容易發(fā)生過(guò)流故障。在高壓變頻器運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的IGBT 過(guò)流故障主要是由IGBT 被擊穿、變頻器輸出短路、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電路損壞導(dǎo)致。如果外部灰塵進(jìn)入變頻器內(nèi)部或環(huán)境潮濕也容易引起過(guò)電流故障。

處理方法：可通過(guò)高壓變頻器監(jiān)控界面顯示的故障定位查詢(xún)定位找到對(duì)應(yīng)的模塊，對(duì)模塊進(jìn)行拆檢。如模塊未損壞，則是驅(qū)動(dòng)電路出了故障。

4.2 變頻器過(guò)電壓

故障產(chǎn)生的原因：高壓變頻器過(guò)電壓主要發(fā)生在高壓變頻器的中間直流回路。中間直流回路過(guò)電壓嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電解電容器發(fā)生爆裂、擊穿功率單元控制板。中間直流回路過(guò)電壓主要是由電源輸入側(cè)電壓超過(guò)保護(hù)值和負(fù)載側(cè)電壓超過(guò)直流回路的電解電容器保護(hù)值引起的。電源輸入側(cè)電壓超過(guò)保護(hù)值一般是由外電網(wǎng)電壓波動(dòng)或是雷電形成的沖擊電壓導(dǎo)致。負(fù)載側(cè)過(guò)電壓一般是由負(fù)載側(cè)回饋的電能電壓超過(guò)直流回路的電解電容器保護(hù)值導(dǎo)致。

處理方法：

對(duì)于電源輸入側(cè)過(guò)電壓可采用在輸入側(cè)并聯(lián)浪涌吸收裝置或串聯(lián)電抗器等方法進(jìn)行處理。可利用變頻器中可設(shè)定的參數(shù)（減速時(shí)間參數(shù)和減速過(guò)電壓自處理功能）采取分段減速方式使負(fù)載動(dòng)能逐漸釋放，可以避免過(guò)電壓。在中間直流回路上適當(dāng)增加電容，可以提高回路承受過(guò)電壓的能力。在功率單元內(nèi)增加與負(fù)載相匹配的泄放電阻，釋放中間直流回路上的多余能量，是避免負(fù)載側(cè)過(guò)電壓的有效方法。

4.3 熔斷器故障

高壓變頻器出現(xiàn)熔斷器故障時(shí)一般會(huì)在變頻器人機(jī)界面上顯示，維護(hù)人員可以根據(jù)人機(jī)界面上顯示的單元號(hào)碼進(jìn)行查找。用萬(wàn)用表將對(duì)應(yīng)單元的兩個(gè)熔斷器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)熔斷時(shí)應(yīng)及時(shí)更換熔斷器。更換熔斷器后進(jìn)行送電和故障復(fù)位，高壓變頻器一般可恢復(fù)正常運(yùn)行。若高壓變頻器不能恢復(fù)正常運(yùn)行，就必須更換功率單元。

熔斷器在高壓變頻器運(yùn)行過(guò)程中故障率較高，在做好日常檢查維護(hù)的同時(shí)應(yīng)做好備件的儲(chǔ)備。

4.4 功率模塊故障

故障產(chǎn)生的原因：

（1）功率模塊過(guò)熱。一般是由于周?chē)h(huán)境溫度高造成的。

（2）化工廠內(nèi)高壓變頻器控制室周?chē)鷼怏w腐蝕性較強(qiáng)，對(duì)功率模塊電子元件易造成侵蝕，易造成功率模塊故障。

處理方法：如果功率模塊損壞，必須及時(shí)更換新模塊。更換高壓變頻器功率模塊必須在變頻器高壓停電15 分鐘后才能進(jìn)行。待所有功率單元的指示燈熄滅后才能拔掉故障單元的光纖頭。卸下故障單元的輸入電源接線盒輸出連接銅排。拆下故障單元與軌道的固定螺釘，將故障單元沿軌道拔出。按拆卸相反的順序?qū)溆脝卧b上并接線。最后，進(jìn)行系統(tǒng)重新上電投入運(yùn)行。

4.5 光纖故障

故障產(chǎn)生的原因：光纖故障通常由于功率單元與控制器之間接觸不良造成的。光纖通信控制板損壞、光纖頭脫落和光纖連接部位接觸不良也會(huì)導(dǎo)致光纖故障。

處理方法：先檢查是功率單元側(cè)故障還是控制器側(cè)出現(xiàn)故障。高壓變頻斷電后對(duì)功率單元進(jìn)行放電，然后檢查光纖頭是否松動(dòng)或折斷，檢查光纖收發(fā)器是否進(jìn)灰。故障位置難以判斷時(shí)，可將高壓變頻器斷電，然后根據(jù)故障記錄用備用功率單元替換可疑功率單元。給高壓變頻器通電后，如果故障消失則確定為功率單元故障，反之，則是控制器故障?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)調(diào)光纖的方法進(jìn)行判斷是功率單元故障還是控制器出現(xiàn)了故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

化工廠高壓變頻器能否可靠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵在于事故的預(yù)防和維護(hù)管理。根據(jù)高壓變頻器配置情況制定科學(xué)、合理的維護(hù)方案，做到日常維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)緊密配合，對(duì)高壓變頻器進(jìn)行全面、有計(jì)劃的維護(hù)，是高壓變頻器能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施。