高壓變頻器的工作原理和常見(jiàn)故障分析

陳振鵬

摘 要：隨著我國(guó)高壓變頻器領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，大量高壓變頻器在許多發(fā)電企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。雖然高壓變頻器具有節(jié)約電力資源、保護(hù)功能完善、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致故障。文章結(jié)合我國(guó)高壓變頻器的工作原理，簡(jiǎn)要分析高壓變頻器的常見(jiàn)故障和解決故障的有效措施，希望能夠推動(dòng)高壓變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器;工作原理;常見(jiàn)故障;措施

中圖分類號(hào)：TM74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）06-013-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.06.006

在電力企業(yè)中使用高壓變頻器的目的是調(diào)整交流點(diǎn)源的頻率，因其具有組態(tài)靈活、可靠性和安全性較高的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)發(fā)電領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用，電力企業(yè)中的風(fēng)機(jī)和水泵等機(jī)械設(shè)備都與高壓變頻器實(shí)現(xiàn)了有效結(jié)合。但是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，高壓變頻器的故障類型和數(shù)量不斷增加，使得高壓變頻器的檢修工作難度不斷提升。

1 高壓變頻器的工作原理

高壓變頻器主要利用了半導(dǎo)體的性質(zhì)，電力半導(dǎo)體器在交流電的作用下會(huì)出現(xiàn)通斷作用，可以實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)變交流電頻率的效果。如果將高壓變頻器和高壓電源進(jìn)行正確連接，則功率電源模塊運(yùn)行之后，就可以輸出頻率在50Hz內(nèi)的可變電源。高壓變頻器上的對(duì)外接口可以幫助工作人員利用設(shè)備對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。與傳統(tǒng)的調(diào)整方式相比，高壓變頻器可以準(zhǔn)確地控制調(diào)速范圍、精度和節(jié)約電力資源，具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。

2 高壓變頻器的優(yōu)勢(shì)

2.1 有效節(jié)約電力資源

為了生產(chǎn)活動(dòng)能夠順利進(jìn)行，在設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備時(shí)會(huì)特意預(yù)留驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。如果機(jī)械設(shè)備不能在額定功率下正常運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致部分電力資源的浪費(fèi)。過(guò)去，工作人員會(huì)利用傳統(tǒng)調(diào)速方法，即對(duì)關(guān)鍵位置的擋板和閘門的開(kāi)度進(jìn)行合理控制，確保機(jī)械設(shè)備的風(fēng)量和供水量在合理范圍內(nèi)。但是，擋板和閘門的阻擋作用也會(huì)使部分電力資源無(wú)法得到合理使用。如果應(yīng)用高壓變頻器，在機(jī)械設(shè)備沒(méi)有滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，有效控制其頻率。因此，輸送流量的壓力做的都是有用功，不會(huì)因?yàn)樾枰朔醢搴烷l門的阻力而浪費(fèi)資源。高壓變頻器的使用，加快了液力耦合器等設(shè)備的淘汰，機(jī)械設(shè)備數(shù)量的減少也有利于資源節(jié)約。

2.2 延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間

高壓變頻器可以減小電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中受到的沖擊力，使得啟動(dòng)時(shí)的壓力和風(fēng)量得到有效控制，從而降低電機(jī)出現(xiàn)故障的概率。高壓變頻器還可以減少風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象，有效避免水泵的水錘效應(yīng)，在低負(fù)荷運(yùn)行情況下降低風(fēng)速，減少機(jī)械之間摩擦的次數(shù)。因此，高壓變頻器的應(yīng)用能夠延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用時(shí)間，降低其出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和發(fā)生故障的頻率，減少施工單位在維護(hù)和維修設(shè)備中花費(fèi)的成本[2]。

2.3 提高自動(dòng)化程度

變頻器輸出的功率在0～50Hz，該輸出頻率的可調(diào)范圍較廣，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的頻率調(diào)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)變頻過(guò)程的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化控制，不斷提高我國(guó)電力生產(chǎn)工藝水平。

3 高壓變頻器的常見(jiàn)故障和原因

3.1 故障直流母線欠電壓

一般情況下，直流母線欠電壓設(shè)置一個(gè)安全范圍，安全值為設(shè)備額定電壓的65%。一旦在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)直流母線欠電壓的故障，其主要原因可能是電網(wǎng)測(cè)電壓數(shù)值偏低、高壓開(kāi)關(guān)掉閘和電網(wǎng)的瞬時(shí)電壓變化幅度過(guò)大等。故障檢修人員要對(duì)整流變壓器的副邊、接線螺栓、功率模塊的三相進(jìn)線、三相進(jìn)線的熔斷器等進(jìn)行詳細(xì)檢查，對(duì)設(shè)備的正常狀態(tài)和各種細(xì)節(jié)了然于心，迅速發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)生故障的準(zhǔn)確原因并完成維修工作。

3.2 環(huán)境溫度問(wèn)題

高壓變頻器內(nèi)部的大頻率電子元件對(duì)周圍環(huán)境的要求十分嚴(yán)格，周圍環(huán)境的物理和電力條件如果無(wú)法滿足電子元器件的要求，可以大幅增加電子元器件發(fā)生故障的頻率。尤其是在炎炎夏日，高溫往往是導(dǎo)致高壓變頻器發(fā)生故障的直接因素，因?yàn)楦邏鹤冾l器的散熱速度比較慢，在其本身溫度超過(guò)報(bào)警溫度的情況下，變頻器會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的損壞。

3.3 參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤

高壓變頻器的重要參數(shù)包括了V/F曲線和PID控制等，參數(shù)設(shè)置直接影響高壓變頻器的正常運(yùn)行。因此，技術(shù)人員要根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)確設(shè)置。實(shí)際工作中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤的問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)備硬件跳線不正確的情況。參數(shù)錯(cuò)誤會(huì)引起設(shè)備跳閘、啟動(dòng)和保護(hù)失敗等一系列問(wèn)題，甚至直接導(dǎo)致設(shè)備器件的燒毀，對(duì)工程質(zhì)量和工程進(jìn)度都造成不良影響。

3.4 光纖故障

單元控制板和主控板之間會(huì)因?yàn)楦鞣N原因出現(xiàn)無(wú)法順利進(jìn)行通訊的問(wèn)題，相光板和主控箱電源板出現(xiàn)故障的情況也不少。為了更加有效地解決光纖故障，可以檢查功率模板與電源的連接、功率模板和光纖連接頭是否一切正常，觀察光纖是否存在折斷漏光或者蒙蔽灰塵的情況[3]。

3.5 驅(qū)動(dòng)故障

出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)故障的主要表現(xiàn)是電路中電流和管壓降顯著增加。對(duì)于這種故障，要詳細(xì)檢查內(nèi)部的線路和續(xù)流二極管，檢查電機(jī)、輸出電纜和輸出螺栓是否存在異常，確保電路不發(fā)生短路問(wèn)題。因?yàn)轵?qū)動(dòng)板和單元控制板都會(huì)影響到設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，因此可以將其二者進(jìn)行替換。

3.6 運(yùn)行頻率調(diào)整的故障

采用閉環(huán)或者開(kāi)環(huán)控制運(yùn)行頻率的方法，在實(shí)際操作中并不能有效改變其頻率，也就證明該機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)了無(wú)法調(diào)整運(yùn)行頻率的故障。因此，可以采取多種調(diào)整運(yùn)行頻率的方法，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)用的調(diào)整方法和機(jī)械設(shè)備的情況合理分析其原因。

3.7 電氣件出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題

控制芯片、晶體管、整流橋和電容等電氣件的正常運(yùn)行是高壓變頻器不發(fā)生故障的重要前提。但是，組成高頻變壓器的電氣件的使用時(shí)間會(huì)受到周圍環(huán)境的溫度、濕度等因素的影響，導(dǎo)致電氣件的嚴(yán)重老化[4]。

4 解決常見(jiàn)故障的有效措施

4.1 減少環(huán)境因素的影響的措施

為了迅速有效地解決高壓變頻器運(yùn)行過(guò)程中的各種類型故障，檢修人員需要根據(jù)專業(yè)知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確找出引起故障的原因，采取針對(duì)性措施。通過(guò)輸入高壓或者低壓的電流可以檢測(cè)電纜是否出現(xiàn)中斷和短路等問(wèn)題，一般情況下，電纜的熱老化和碳化外緣都向檢修人員傳遞了有效的信息，暗示著該部分可能是發(fā)生的故障的準(zhǔn)確位置。高壓變頻器對(duì)周圍環(huán)境的要求比較高，因此在其內(nèi)部一般都會(huì)安裝多種類型的傳感器，目的是使機(jī)械設(shè)備能夠檢測(cè)到周圍環(huán)境濕度、溫度等方面的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。為了有效降低高頻變壓器發(fā)生故障的概率，工作人員要將周圍環(huán)境的條件控制在合理范圍之內(nèi)。高頻變壓器周圍一般也會(huì)安裝許多輔助機(jī)械設(shè)備，因此，當(dāng)所以設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比較多的灰塵，如果高壓變頻器的變頻柜內(nèi)聚積了大量的灰塵，將會(huì)使得其絕緣性大幅度降低，而且很有可能發(fā)生電子元器件被擊穿的嚴(yán)重故障。為了避免灰塵對(duì)設(shè)備的不良作用，設(shè)備會(huì)安裝一定的空氣堵塞濾網(wǎng)，但是如果工作人員沒(méi)有對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行及時(shí)地清理，過(guò)多的灰塵聚積會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的散熱受到影響，功率柜內(nèi)的溫度過(guò)高將導(dǎo)致功率模塊的損害。電力企業(yè)在選擇機(jī)械設(shè)備的性能、類型的過(guò)程中，需要參考當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓椭饕卣鞯刃畔?，確保機(jī)械設(shè)備能夠在當(dāng)?shù)氐牡湫铜h(huán)境中正常運(yùn)行。

4.2 系統(tǒng)控制電源性能

高壓變頻器的主控制系統(tǒng)能夠?qū)θ嚯妷喊l(fā)出一系列指令，主要是通過(guò)數(shù)字變頻信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)的控制作用。信號(hào)板能夠準(zhǔn)確收集和處理逆變器電壓和電流輸出信號(hào)等方面的信號(hào)，十組變頻器可以對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行處理。一旦高壓變頻器的主控板或者信號(hào)板電氣件出現(xiàn)質(zhì)量故障，則將會(huì)導(dǎo)致輸出電流波動(dòng)幅度過(guò)大的問(wèn)題，檢修人員可以通過(guò)該現(xiàn)象確定出故障位置。當(dāng)高壓變頻器處于過(guò)載狀態(tài)時(shí)，許多敏感的電氣件就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的損害問(wèn)題，因此工作人員一定要嚴(yán)格控制電源的安全性。確定出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的電氣件后，檢修人員可以對(duì)其進(jìn)行維修或者更換的措施，根據(jù)工程要求更換成安全度更高的電氣件。

5 結(jié)語(yǔ)

高頻變壓器的智能化程度比較高，如果組成該設(shè)備的任何一個(gè)電氣件發(fā)生故障，都有可能導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。在高頻變壓器投入使用的過(guò)程中，出現(xiàn)了光纖故障、驅(qū)動(dòng)故障等各種類型的故障問(wèn)題，檢修人員需要基于高頻變壓器的工作原理，通過(guò)不斷的實(shí)踐操作積累檢修經(jīng)驗(yàn)，確保電力企業(yè)的高頻變壓器得以正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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[3] 鄧珺.關(guān)于高壓變頻器在運(yùn)行中常見(jiàn)的故障及相應(yīng)對(duì)策研究[J].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2019（46）：34.

[4] 胡偉.高壓變頻器常見(jiàn)故障分析及處理[J].電子世界，2020（23）：168-169.