淺析變頻器改造升級(jí)

伍華倫

摘 要：對(duì)西門(mén)子空冷卻無(wú)諧波變頻器主要部件結(jié)構(gòu)構(gòu)成及元器件主要功能進(jìn)行闡述。對(duì)其投運(yùn)以來(lái)出現(xiàn)的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合同類變頻器運(yùn)行出現(xiàn)的故障狀況和現(xiàn)場(chǎng)情況，解析變頻器工作環(huán)境基本要求。分析變頻器高溫故障原因危害及處理，變頻器其他故障及系統(tǒng)波動(dòng)引起跳閘及處理。有針對(duì)性地提出改變?cè)凶冾l器輸出控制方式，抑制變頻器跳閘。結(jié)合變頻器電壓波動(dòng)運(yùn)行環(huán)境更改變頻器低電壓設(shè)定，并進(jìn)行變頻器軟件升級(jí)和變頻器室換氣改造，節(jié)約一次投資成本，減少維護(hù)費(fèi)用及運(yùn)行成本。使變頻器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)輸出功率更穩(wěn)定，調(diào)整范圍更加廣泛，經(jīng)濟(jì)性更好，減少因高溫導(dǎo)致變頻器設(shè)備部件絕緣老化擊穿短路跳閘停運(yùn)幾率，提高變頻器效率和效益。

關(guān)鍵詞：變頻器組成；高溫；故障分析；工作環(huán)境；換氣改造；軟件升級(jí)

中圖分類號(hào)：TN773? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）04-0058-03

0 引言

某公司使用的空氣冷卻中壓完美無(wú)諧波變頻器由西門(mén)子上海電氣傳動(dòng)設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)制造，通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器。這種脈寬調(diào)節(jié)變頻器優(yōu)點(diǎn)明顯：①有隔離變壓器等濾波，使得輸入波形純正，輸入特征更加明顯，功率因數(shù)更高，輸出波形為無(wú)附加擾動(dòng)的高低次諧波的正弦波。②當(dāng)變頻器在運(yùn)行時(shí)，若其輸入電壓電流乘積略小于變頻器額定容量，變頻器調(diào)節(jié)基本能保證其輸出工況運(yùn)行。③變頻器回路載有電阻，產(chǎn)生的諧波對(duì)周圍設(shè)備的干擾很小，甚至沒(méi)有。④變頻器可有效地避免不同裝置調(diào)速系統(tǒng)之間發(fā)生串、協(xié)擾。⑤裝置本身輸入純凈，沒(méi)有防止諧波產(chǎn)生消除措施，省去了諧振、諧波過(guò)程分析，減少消除諧波的濾波器等設(shè)備元件及維護(hù)費(fèi)用。

西門(mén)子空冷變頻器輸入電流電壓為無(wú)擾動(dòng)的正弦波，功率因數(shù)高超過(guò)95%。高功率因數(shù)使得電動(dòng)機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，不需要增加無(wú)功補(bǔ)償就能滿足調(diào)速范圍。滿足系統(tǒng)功率因數(shù)要求入，很容易就能實(shí)現(xiàn)低功率因數(shù)，還能改善電壓質(zhì)量，不會(huì)無(wú)功功率使一次開(kāi)關(guān)、變頻器組合柜內(nèi)的變壓器，并列功率單元過(guò)載運(yùn)行。在整個(gè)變頻器電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍內(nèi)，即使使用標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，也能在可調(diào)速度范圍內(nèi)保持高功率穩(wěn)定運(yùn)行。低速使用能實(shí)現(xiàn)更大的節(jié)能降耗，提升經(jīng)濟(jì)效益。西門(mén)空冷變頻器只有極少量的失真電壓波形產(chǎn)生，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生電磁振動(dòng)和電磁噪聲很小，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)的降噪。西門(mén)子空冷完美無(wú)諧波變頻器，消除了變頻器引發(fā)的使電機(jī)發(fā)熱的有害諧波，變頻器引發(fā)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也被消除（即使在低速范圍），降低了機(jī)械設(shè)備的應(yīng)力，共模電壓和電壓變化率產(chǎn)生的應(yīng)力也減至最小[1]。節(jié)省使用諧波濾波器與散熱設(shè)備需要的費(fèi)用，節(jié)約大量人工、設(shè)備和維護(hù)費(fèi)用，具有電機(jī)噪聲小、發(fā)熱小、機(jī)械設(shè)備應(yīng)力低的特點(diǎn)，增加了電動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力和機(jī)械效力。

1 西門(mén)子空冷卻無(wú)諧波變頻器主要部件及其作用

1.1 隔離變壓器組合柜

空冷變頻器的變壓器組合柜由輸入隔離變壓器、進(jìn)出線線高壓電纜、頂部冷卻排氣風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)濾網(wǎng)網(wǎng)門(mén)、控制電源、接口、端子排及接線等組成。

1.2 控制和監(jiān)測(cè)柜

控制和檢測(cè)組合柜主要是變頻就地控制線、外接控制電源、冷卻排氣風(fēng)扇、電機(jī)監(jiān)測(cè)測(cè)儀表及電源儀表、各電源、監(jiān)測(cè)連接端子排等組成。

1.3 控制單元組合柜

控制單元組合柜柜門(mén)可取下，組合柜內(nèi)主要是總控器間隔、各分并列功率間隔及其組合柜頂部安裝的冷卻排氣風(fēng)扇。每個(gè)功率單元具體由單元控制板、IGBT器件、二極管器件、散熱器、熔絲、均勻電阻、電解電容以及殼體等組成。并列各功率間隔的元器件電氣參數(shù)、機(jī)械參數(shù)完全一樣，具有互換性和可替代性。并列功率間隔的主控制IO版通過(guò)光纖電纜與總控器間隔的控制IO板相連，實(shí)現(xiàn)總分通訊與控制調(diào)節(jié)。其是并列功率間隔與總控間隔之間的唯一連接聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，完全實(shí)現(xiàn)了總控間隔與各并列功率間隔電氣一次隔離，避免了相互影響、干擾。

1.4 控制旁路組合柜

控制旁路組合柜內(nèi)是真空接觸器及一次回路。當(dāng)主控變頻部分發(fā)生電氣故障、更換部件或主旁切換，變頻器控制回路會(huì)自動(dòng)合上旁路真空接觸器接通電源一次回路，斷開(kāi)變頻功率控制回路一次真空接觸器，使得故障變頻單元一次回路從電動(dòng)機(jī)一次系統(tǒng)切除，電動(dòng)機(jī)工作在旁路變頻回路。

1.5 低壓控制系統(tǒng)

西門(mén)子空冷變頻器各功率間隔之間都有統(tǒng)一的控制方式。各功率間隔之間的控制與驅(qū)動(dòng)板都是通過(guò)連接光纖與總控制柜內(nèi)的數(shù)字調(diào)制器通訊，總控制板控制與驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源為所有板提供控制電源。

1.6 總控制回路及系統(tǒng)

總控制回路系統(tǒng)由機(jī)架和控制板構(gòu)成，獨(dú)立電源供電。微機(jī)板為控制核心，控制總系統(tǒng)所有塊板的工作。總控系統(tǒng)接口板收集輸入、輸出及反饋信號(hào)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換板。模數(shù)轉(zhuǎn)換板將數(shù)字量值送到微機(jī)板，微機(jī)板計(jì)算要發(fā)送給數(shù)字調(diào)制器的數(shù)值并發(fā)送。數(shù)字調(diào)制器將開(kāi)關(guān)指令編譯成每個(gè)單元的指令信息，通過(guò)光纖接口板發(fā)送出去[1]。

1.7 主電路及輸入電源質(zhì)量監(jiān)測(cè)

功率間隔通過(guò)光纖接收調(diào)制信息輸出電機(jī)所需電壓和頻率。監(jiān)測(cè)隔離變壓器輸入電流和電壓。可靠提供在線功率因數(shù)、電機(jī)效率及諧波等參數(shù)信息。

1.8 人機(jī)接口

人機(jī)接口主要是鍵盤(pán)和液晶顯示器面板，安裝總控制組合柜的面板上。通過(guò)鍵盤(pán)和液晶顯示面板可實(shí)現(xiàn)對(duì)西門(mén)子空冷變頻器的參數(shù)修改和功能控制操作。

2 變頻器運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)分析處理

2.1 變頻器的故障統(tǒng)計(jì)

變頻器共計(jì)11臺(tái)（3臺(tái)給水泵、8臺(tái)引風(fēng)機(jī)、8臺(tái)送風(fēng)機(jī)），自投運(yùn)以來(lái)，變頻器各種原因跳閘次數(shù)多達(dá)50次。其中高溫?zé)龎陌庾?3次，通訊故障17次，其他原因故障10次。高溫相對(duì)來(lái)說(shuō)占總故障的46%左右。通訊故障高達(dá)34%左右。

2.2 變頻器周圍環(huán)境運(yùn)行條件

變頻器柜內(nèi)的集成大功率電子元件，運(yùn)行中容易受粉塵、溫度和濕度等運(yùn)行條件的影響，變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度要求在0～40℃范圍內(nèi)，為確保變頻器安全穩(wěn)定長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，正常運(yùn)行時(shí)都要考慮盡量控制在中間范圍內(nèi)，以免給特殊運(yùn)行工況情況時(shí)留有一定的富裕度和增長(zhǎng)空間時(shí)間，最佳控制溫度在25℃左右，濕度要求不超過(guò)95%，且無(wú)凝結(jié)或水霧出現(xiàn)。

變頻器運(yùn)行溫度跨度大時(shí)間短且環(huán)境溫度極低極高時(shí)，變頻器柜內(nèi)各元器件會(huì)因低溫凝結(jié)水珠或出現(xiàn)露水現(xiàn)象，使其部分元器件受潮，破壞絕緣性能降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生潮濕放電、絕緣擊穿引發(fā)短路火災(zāi)電氣事故。如若空氣中粉塵、腐蝕性氣體含量極高，將加大對(duì)元器件、引線及接頭、集成電路板、電容、電感、電阻及回路腐蝕等。灰塵由于電的作用聚集在元器件表面，散熱條件不良，使元器件高溫加速老化，迅速降低其絕緣性能，影響穩(wěn)定運(yùn)行，縮短其使用壽命。變頻器的控制柜受到機(jī)械振動(dòng)和沖擊時(shí)，會(huì)引起各元器件電氣接觸不良。運(yùn)行環(huán)境溫度高，會(huì)使電容的使用壽命下降，引起電解液變干造成功率單元故障。設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查和維護(hù)。

2.3 變頻器高溫原因分析

夏天環(huán)境溫度升高，各種設(shè)備運(yùn)行發(fā)熱散熱條件惡化，各設(shè)備受高溫的考驗(yàn)。變頻器運(yùn)行發(fā)熱，散熱條件不好（變頻器與6 kV 母線段在一個(gè)母線室，無(wú)單獨(dú)的變頻器室），長(zhǎng)時(shí)間溫度過(guò)高而使變頻器各部件絕緣老化，造成短路或元器件損壞。

具體原因分析如下：①功率元件是發(fā)熱量大的。功率元件主要是由整流二極管和逆變IGBT組成，二極管運(yùn)行較穩(wěn)定，通斷速率較低，自然換向，發(fā)熱量較小。IGBT，通斷速率高，發(fā)熱量與開(kāi)關(guān)損耗有關(guān)，通過(guò)電流越大，開(kāi)關(guān)速率越高，發(fā)熱量就越大。整流器和逆變器模塊化，通過(guò)導(dǎo)熱硅膠連接到散熱片上。散熱片裝有通風(fēng)管，通風(fēng)管下端裝風(fēng)扇，向上吹氣，風(fēng)冷卻散熱片[2]。②影響變頻器散熱的主要方面：功率元件二極管通斷速率。功率元件IGBT開(kāi)關(guān)速率。導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱性能。散熱片的接觸面與緊密度。風(fēng)扇安裝位置不正確。風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)不正常。逆變模塊過(guò)熱。制動(dòng)電阻過(guò)熱。冷卻風(fēng)道的入口和出口堵塞，環(huán)境溫度高于變頻器的允許值[3]。

2.4 變頻器出現(xiàn)過(guò)溫故障處理方法

具體有以下10種：①檢查環(huán)境溫度是否在變頻器工作范圍內(nèi)。②檢查變頻器是否過(guò)載運(yùn)行，否則需要降容運(yùn)行。③降低大型通風(fēng)機(jī)或工業(yè)空調(diào)風(fēng)溫，降低環(huán)境溫度。④檢查柜內(nèi)安裝空間是否足夠，檢查柜內(nèi)風(fēng)扇是否正常，檢查通風(fēng)量能否滿足變頻器的要求。變頻器通風(fēng)量越大超好。⑤檢查參數(shù)設(shè)置，盡可能降低IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，即脈沖頻率。⑥限制變頻器輸出電流，或者降低電流。減小電機(jī)負(fù)載以減小電流。⑦除塵。變頻器長(zhǎng)期使用后，內(nèi)部如果灰塵太多，會(huì)降低散熱效果。在斷電情況下，吹出灰塵。⑧檢查變頻器風(fēng)扇運(yùn)行是否正常及濾網(wǎng)是否堵塞。⑨檢查變頻器內(nèi)部溫度傳感器是否正常。⑩檢查變頻器CPU及其它模塊運(yùn)行是否正常。

3 變頻器及母線室換氣改造與軟件升級(jí)

3.1 變頻器及母線室加裝換氣扇

結(jié)合分析和變頻器實(shí)際運(yùn)行情況，由于變頻器室和6 kv母線室連接到一起，室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)安裝完成，運(yùn)行平穩(wěn)。夏天由于環(huán)境溫度高，散熱條件惡化，室內(nèi)空調(diào)容量嚴(yán)重不足，變頻器室內(nèi)溫度高。

若更換空調(diào)，根據(jù)空調(diào)功率選擇公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

P空調(diào)=P變頻器×3.5%/2.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P空調(diào)表示空調(diào)的功率，單位kW；P變頻器表示變頻器的功率，單位kW。

經(jīng)研究和實(shí)地勘測(cè)，即用變頻器各元器件發(fā)熱量及頂部排氣扇的排熱量，根據(jù)換氣扇功率公式（2）可得：

Q=（P總/T）×3.1=Pe×3%? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Q表示風(fēng)量，單位m3/h；P總表示控制柜內(nèi)各元件總功率數(shù)，單位kW；T表示控制柜內(nèi)各元器件允許的最大升溫，單位℃；3.1表示海平面空氣熱度；Pe表示變頻器額定功率，單位kW。

結(jié)合裝置和本地季節(jié)氣候特點(diǎn)，根據(jù)測(cè)算可在變頻器及母線室加裝排氣扇，增加變頻器及母線室換氣量和速度，以降低室內(nèi)溫度。產(chǎn)生的人工和設(shè)備費(fèi)用低廉，節(jié)約很大部分投資，經(jīng)濟(jì)適用，且操作方便，運(yùn)行靈活，冬節(jié)環(huán)境溫度低時(shí)，可根據(jù)變頻器及母線室內(nèi)溫度停運(yùn)部分換氣扇。

根據(jù)要求由設(shè)計(jì)公司進(jìn)行換氣設(shè)計(jì)，并進(jìn)行設(shè)備購(gòu)置和設(shè)備安裝，現(xiàn)在已改造完成。在實(shí)際的運(yùn)行中效果十分理想，準(zhǔn)夏天最惡劣天氣環(huán)境最高42℃降到了28℃，降溫達(dá)14℃。冬季可根據(jù)變頻器及母線室溫度隨時(shí)啟動(dòng)或停止部分換氣扇，運(yùn)行方式靈活。既保證了變頻器正常散熱、低溫穩(wěn)定運(yùn)行，又節(jié)約運(yùn)行成本，減少變頻器各元件絕緣老化，變頻器故障率。

3.2 變頻器軟件故障與軟件升級(jí)

第一，變頻器通訊故障，與軟件設(shè)置和軟件Bug有關(guān)，有以下4種情況：①單一模塊不通信（接插不好、模塊故障、組態(tài)不對(duì)）。②從站不通信（分支通訊電纜故障、通信處理器松動(dòng)、通信處理器地址開(kāi)關(guān)錯(cuò)誤、通信處理器故障）。③主站不通信（通信電纜故障、調(diào)制條街器故障、通信處理器故障）。④通信正常，通信故障燈亮。

第二，變頻器的控制都是通過(guò)光纖傳輸?shù)胶笈_(tái)DCS系統(tǒng)，運(yùn)行中當(dāng)通訊中斷、故障、信號(hào)消失。變頻器CPU接收不到后臺(tái)DCS系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)時(shí)，變頻器會(huì)自動(dòng)跳閘，保護(hù)轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備。但在實(shí)際運(yùn)行中，多次出現(xiàn)通訊信號(hào)原因即出現(xiàn)DCS信號(hào)丟失情況下引起變頻器無(wú)故障跳閘。通訊故障的幾率大，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)機(jī)的正常運(yùn)行[3]。嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。在借鑒其他公司變頻器運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與西門(mén)子廠家溝通，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，提出將變頻器在出現(xiàn)DCS信號(hào)丟失情況下，變頻器停機(jī)改為維持原轉(zhuǎn)速運(yùn)行。并要求西門(mén)子廠家人員進(jìn)行變頻器軟件升級(jí)，滿足提出的要求，并保證升級(jí)后能穩(wěn)定運(yùn)行。

第三，在其他故障中系統(tǒng)晃電也有變頻器跳閘現(xiàn)象。在此次升級(jí)中還將部分變頻器低壓跳閘設(shè)置為低電壓在3 s內(nèi)掉電（含低電壓）變頻器不跳閘，并進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，滿足更改要求。結(jié)果均達(dá)到軟件設(shè)計(jì)要求。為了保證變頻器安全，根據(jù)變頻器多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將變頻器掉電3 s以上（含低電壓）變頻器不跳閘改為跳閘。根據(jù)變頻器實(shí)際運(yùn)行工作電壓情況將部分變頻器低電壓設(shè)定在1 s內(nèi)掉電（含低電壓）變頻器不跳閘，1 s后仍低電壓則變頻器跳閘。變頻器軟件升級(jí)改造完成后，做試驗(yàn)均符合要求。

第四，此外還將變頻器軟件升級(jí)到最新可用版本，變頻器軟件升級(jí)完成后，試運(yùn)行達(dá)到預(yù)期的效果。滿足了生產(chǎn)的實(shí)際需求，保證了變頻器長(zhǎng)期、可靠、穩(wěn)定、效率運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)西門(mén)子完美無(wú)諧波變頻器各部件分析，變頻器的故障分析，變頻器受周圍環(huán)境溫度的影響導(dǎo)致電路板散熱不太好，引起的故障所占比例較大。再加上煉化行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)含硫化氫等腐蝕性氣體，電氣配電室為了減少腐蝕性氣體的侵入采用封閉式的，因通風(fēng)效果不好，導(dǎo)致變頻室內(nèi)溫度升高，變頻器電路板小功率器件損壞。

為了徹底解決以上問(wèn)題，改善冷卻條件，在變頻室增加換氣扇。經(jīng)過(guò)改造和軟件升級(jí)，不僅能改善工作環(huán)境溫度，有效地降低了變頻器的故障率，還提高了使用效率，不失為解決變頻器眾多故障因數(shù)的好方法。對(duì)具有同類型變頻器因地制宜改造升級(jí)起到很好的指導(dǎo)作用，大大節(jié)約成本，提高變頻器運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1] SIEMENS.西門(mén)子空冷型完美無(wú)諧波系列新一代控制NBH高壓變頻器[K].上海：上海出版社，2006.

[2] 周志敏.變頻器維修入門(mén)與故障檢修238例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3] 張選正，史步海.變頻器故障診斷與維修[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2008.