高壓變頻器在煉鐵行業(yè)的應(yīng)用及維護(hù)策略

李倩倩，李昕洋

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063000）

0 引言

國內(nèi)常見的高壓變頻器主要分為3 kV、6 kV以及10 kV等級(jí)，用于驅(qū)動(dòng)1 kV以上交流電機(jī)。煉鐵行業(yè)中10 kV高壓變頻器應(yīng)用較為廣泛。主要應(yīng)用在以下3種場合：①燃燒系統(tǒng)。例如高爐熱風(fēng)爐助燃風(fēng)機(jī)；②工藝系統(tǒng)。例如高爐水循環(huán)系統(tǒng)的變頻泵，球團(tuán)的主引、回?zé)岬裙に囷L(fēng)機(jī)，燒結(jié)的余熱、主抽、環(huán)冷等工藝風(fēng)機(jī)；③除塵系統(tǒng)。例如爐前系統(tǒng)的除塵風(fēng)機(jī)等。變頻器的廣泛應(yīng)用，不僅滿足了工藝需求，提升了各系統(tǒng)的控制精度，還起到了節(jié)能降耗的作用，為降低成本做出了巨大的貢獻(xiàn)。

1 高壓變頻器結(jié)構(gòu)

高壓變頻器結(jié)構(gòu)較為簡單，通常由變壓器柜、功率模塊柜和控制柜3部分組成，可實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)的正常啟停和調(diào)速。此外，對(duì)于2000 kW以下的變頻電機(jī)，若具備工頻直接啟動(dòng)的工藝條件，需要單獨(dú)配置旁路柜實(shí)現(xiàn)設(shè)備的直接啟動(dòng)。對(duì)于2000 kW以上的變頻電機(jī)，無法直接工頻啟動(dòng)，需要配置高壓軟啟動(dòng)柜實(shí)現(xiàn)應(yīng)急啟動(dòng)。而在多套大功率設(shè)備并行的工藝條件下，可以配置互拖柜和同期柜來實(shí)現(xiàn)變頻轉(zhuǎn)工頻的運(yùn)行。

1.1 變壓器柜

變壓器柜的主要設(shè)備是干式移相變壓器以及柜頂、柜底散熱風(fēng)機(jī)。通常變壓器運(yùn)行的溫度在50℃左右，并通過三相溫控儀精確顯示。溫控儀發(fā)出溫度高報(bào)警時(shí)，將跳機(jī)信號(hào)發(fā)送給控制器使系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)，但從實(shí)際運(yùn)行角度來看，變壓器在正常情況下溫度較為穩(wěn)定，而溫控器的誤報(bào)率更高，因此在實(shí)際的運(yùn)行過程中，維護(hù)人員常將報(bào)警值設(shè)置為多級(jí)報(bào)警，取消溫度連鎖停機(jī)，通過人為判斷確定現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，以提高主體設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.2 模塊柜

模塊柜主要用來安裝功率模塊，模塊柜外側(cè)設(shè)置防塵網(wǎng)，柜頂設(shè)置冷卻風(fēng)機(jī)，為功率模塊提供潔凈空氣用于散熱。功率模塊常見的配置是每相8個(gè)或9個(gè)，在模塊故障時(shí)其能夠通過轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行的方式保證變頻系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。每次旁路時(shí)，為保證三相處于平衡狀態(tài)，對(duì)應(yīng)每組3個(gè)功率模塊（分別在三相）同時(shí)退出運(yùn)行。正常情況下，每相最多旁路的功率模塊數(shù)量為2個(gè)，功率模塊旁路后，處于工作狀態(tài)的模塊其工作電壓升高，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)備需要降負(fù)荷運(yùn)行，即下調(diào)頻率。但有些廠家采用的N+1設(shè)計(jì)方式，即有1組功率模塊旁路時(shí)，系統(tǒng)仍然能夠保持原來的負(fù)荷不降頻率。

1.3 控制柜

控制柜是整個(gè)高壓變頻系統(tǒng)的大腦，既提供變頻器的控制策略，也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到監(jiān)視的作用。在處理器方面，各個(gè)廠商都設(shè)計(jì)了獨(dú)家的嵌入式處理器，通過輸入、輸出接口板，采集設(shè)備狀態(tài)以及下發(fā)系統(tǒng)命令。此外，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，普遍還配置了小型PLC，通過PLC與主系統(tǒng)進(jìn)行通信，完成變頻系統(tǒng)的啟?？刂?、參數(shù)調(diào)整以及運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳。

2 高壓變頻器的工作原理

高壓變頻器的主要功能是對(duì)交流異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式如下：

式中 n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

s——轉(zhuǎn)差率

P——電機(jī)極對(duì)數(shù)

f——電機(jī)運(yùn)行頻率，Hz

由式（1）可知，想要平滑地調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就需要對(duì)加到異步電機(jī)定子繞組的交流電頻率f進(jìn)行控制。通過調(diào)節(jié)脈沖寬度和各脈沖的“占空比”來調(diào)節(jié)頻率和電壓，得到PWM波形。利用PWM技術(shù)，通過脈沖調(diào)制波按順序?qū)?、關(guān)斷高壓變頻器逆變電路中的IGBT，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變其輸出頻率，變頻原理如圖1所示。

圖1 變頻原理

變頻器常見的控制策略有兩種，一是壓頻比控制，另外一種是矢量控制。壓頻比控制是根據(jù)電機(jī)的電磁特性V=4.44FΦ，實(shí)現(xiàn)頻率和電壓變化的控制方式。通過簡單調(diào)試即可實(shí)現(xiàn)一帶多運(yùn)行，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，一般適用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載設(shè)備。而矢量控制是指采用矢量變換的方法實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦。其控制模型較為復(fù)雜，但調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。

3 變頻器常見故障及維護(hù)策略

變頻器的故障類型可歸類為輕故障及重故障，其中輕故障一般不影響變頻器的正常運(yùn)行，但若輕故障不及時(shí)處理，有可能發(fā)展成為重故障，必須馬上處理。常見的輕故障包括1組功率模塊旁路運(yùn)行、UPS故障、變頻器輕度過熱、電機(jī)過載120%保持1 min、電機(jī)150%過載保持3 s、PLC模擬量給定斷線、運(yùn)行中柜門打開等。重故障是指出現(xiàn)后變頻器立即停機(jī)，并切斷輸入側(cè)高壓斷路器。重故障發(fā)生后，只有徹底排除，并且用“系統(tǒng)復(fù)位”按鈕將系統(tǒng)復(fù)位后才能重新開機(jī)。常見的重故障包括變頻器溫度高報(bào)警，2組以上功率模塊旁路，電機(jī)200%過流；系統(tǒng)故障例如高壓失電、旁路級(jí)數(shù)超過設(shè)定值、功率單元光纖故障等。

3.1 驅(qū)動(dòng)故障的原因分析及維護(hù)策略

驅(qū)動(dòng)故障是指系統(tǒng)的檢測模塊將IGBT的實(shí)際狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際與預(yù)期狀態(tài)有較大偏差時(shí)報(bào)出的故障。

此故障一般分為3種情況：

（1）在系統(tǒng)上電待機(jī)時(shí)，系統(tǒng)自檢報(bào)驅(qū)動(dòng)故障，此時(shí)功率模塊實(shí)際處于靜態(tài)，因此驅(qū)動(dòng)板故障可能性較低，而負(fù)責(zé)給驅(qū)動(dòng)板供電以及檢測單元狀態(tài)的單元控制板故障的可能性較大。若通過萬用表測量，其他器件均正常，則需要更換單元控制板。

（2）系統(tǒng)啟動(dòng)過程中報(bào)驅(qū)動(dòng)故障，此時(shí)功率模塊處于工作狀態(tài)，應(yīng)首先對(duì)IGBT、旁路半橋等器件進(jìn)行測量，此類器件在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)損壞的可能性較大，其次對(duì)檢測電路進(jìn)行排查，檢查單元控制板和驅(qū)動(dòng)板。

（3）系統(tǒng)多個(gè)模塊同時(shí)報(bào)驅(qū)動(dòng)故障，此時(shí)考慮設(shè)備絕緣不足或整體承載能力不足。首先排查絕緣問題，通過搖表檢查導(dǎo)軌與柜體、功率模塊之間是否存在放電現(xiàn)象，其次是考慮其他故障導(dǎo)致的相鄰模塊絕緣下降，當(dāng)發(fā)生切旁路的模塊較多時(shí)，部分模塊分壓過大保護(hù)動(dòng)作。通過故障記錄檢查哪些模塊是反復(fù)出現(xiàn)問題，需要一次性更換多次報(bào)驅(qū)動(dòng)故障的模塊。

3.2 光纖故障的原因分析及維護(hù)策略

光纖故障是指單元控制板與主控板之間的通信發(fā)生中斷。

此故障一般分為2類：①光纖本身故障，包括功率模塊與通信板之間的光纖連接頭脫落或者接觸不良，光纖因彎折半徑不合理或受力過大而導(dǎo)致折斷，以及光纖座腐蝕導(dǎo)致連接失效；②控制板卡故障，對(duì)于安裝在控制器側(cè)的光纖板，當(dāng)元器件、晶振等異常時(shí)，模塊與控制器無法建立通信；對(duì)于安裝在功率模塊的單元控制板，當(dāng)其工作電源輸出異常時(shí)，會(huì)造成供電故障無法通信。

處理此類故障時(shí)，首先是對(duì)光纖頭使用酒精進(jìn)行擦洗后重新連接，或是更換控制器的光纖板以及功率模塊的單元控制板。需要注意的是，光纖的連接必須注意施工規(guī)范，避免因過度彎折和受力過大而損壞。

3.3 直流母線過壓的原因分析及維護(hù)策略

直流母線過壓的定義是直流母線電壓超出保護(hù)定值的15%。

此類故障的原因主要有以下3個(gè)：①直流母線在減速過程中出現(xiàn)過電壓，這是由于變頻器在減速停車時(shí)，定子頻率下降過快，而轉(zhuǎn)子速度下降偏緩，導(dǎo)致出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)差，此時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)化的電能無法回饋至電網(wǎng)，導(dǎo)致變頻器的直流母線電壓升高而產(chǎn)生過壓保護(hù)，此時(shí)通過適當(dāng)加大變頻器的減速時(shí)間設(shè)定值，可以降低過電壓發(fā)生的可能性；②功率模塊內(nèi)部發(fā)生器件損壞，包括出現(xiàn)打火痕跡、整流橋擊穿、電解電容爆裂、熔斷器斷裂等問題，此時(shí)應(yīng)立即更換功率模塊；③相鄰功率模塊故障導(dǎo)致此模塊報(bào)過壓故障。當(dāng)同一相上某個(gè)模塊的IGBT炸毀的瞬間，會(huì)發(fā)生拉弧，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，通過U、V銅排的輸出連接，將能量串入到相鄰模塊，使其端電壓升高，進(jìn)而報(bào)出過壓故障。通過更換故障模塊，能夠解決相鄰模塊報(bào)過壓的問題。

3.4 過熱故障的原因分析及維護(hù)策略

過熱故障是指某功率模塊散熱片上熱敏電阻達(dá)到80℃，熱敏電阻保護(hù)電路如圖2所示。

圖2 熱敏電阻

此類故障發(fā)生的原因有以下2種：①功率模塊實(shí)際溫度超過80℃，此時(shí)應(yīng)檢查環(huán)境溫度是否超標(biāo)、柜內(nèi)風(fēng)機(jī)是否正常、除塵濾網(wǎng)等是否堵塞。通過對(duì)以上問題一一解決，能夠在溫度下降后，重新啟動(dòng)設(shè)備；②功率模塊的熱敏電阻故障或單元控制板故障，若現(xiàn)場確認(rèn)實(shí)際溫度低于80℃，可以將該功率模塊上的溫度繼電器檢測點(diǎn)在單元控制板上短接，使其退出保護(hù)，等備件到貨后，對(duì)其進(jìn)行返廠修復(fù)。

變頻器的常見故障還有很多，僅列舉4種常見的問題及維護(hù)策略，對(duì)于變頻器的使用和維護(hù)，需要在具體的實(shí)踐中不斷分析和總結(jié)。

4 結(jié)束語

如今高壓變頻器已經(jīng)成為煉鐵生產(chǎn)系統(tǒng)主要的傳動(dòng)設(shè)備，在實(shí)際的使用過程中，其控制的精確性和運(yùn)行的穩(wěn)定性越來越重要。特別是隨著精細(xì)化控制要求和環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，如何減少高壓變頻設(shè)備故障發(fā)生次數(shù)、縮短故障處理時(shí)間，成為設(shè)備維護(hù)人員主要思考的問題和方向。