張棟成

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淺談ELIT穩(wěn)頻器的原理和維護

張棟成

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

本文主要介紹了新海鳳輪ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器，包括穩(wěn)頻器系統(tǒng)組成、系統(tǒng)原理及在耙吸式挖泥船電力系統(tǒng)中的主要作用，由實際故障案例分析，得到日常維護管理啟示。

穩(wěn)頻穩(wěn)壓 不間斷電源 故障

0 引言

眾所周知，船舶電源裝置的穩(wěn)定可靠運行，直接影響船舶的航行安全和人員人身安全。

我們公司耙吸式挖泥船采用“一拖三”模式，即主機通過帶離合器的齒輪箱拖帶螺旋槳、軸帶發(fā)電機和泥泵機。泥泵機的拖帶屬于大慣性負荷，主機轉速越高意味著主機負荷突增越大同時帶來損壞輔助設備、合排失敗的隱患，因此需要主機降速到85%來避免。主機降速時軸帶發(fā)電機的電壓和頻率都降至85%，泥泵合排（尤其“高高模式吹填”）的瞬間主機轉速下降更大，發(fā)電機頻率和電壓會進一步下降，倘若采用變壓器供電，勢必會影響到用電設備的安全運行。為保持230 V電源的穩(wěn)定電壓和穩(wěn)定頻率，我公司一拖三船舶均采用了75 kVA的穩(wěn)壓穩(wěn)頻器。新海鳳輪采用國外ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器，保證在任何情況下，用來照明、助航、監(jiān)測報警和控制用的230 V電源穩(wěn)定在額定電壓和頻率。

1 ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器組成

ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器主要由兩大部分組成：穩(wěn)頻器主體部分和備用蓄電池部分。

穩(wěn)頻器主體部分主要包括：六脈沖整流單元A3，逆變單元A6，輔助控制板SFRA/ CORE/ AICO/ALUP/SMAU，輸出隔離變壓器T1，輸入、輸出濾波L1-3、C4-6，中間儲能環(huán)節(jié)C1-2，儲能環(huán)節(jié)充電電流緩沖裝置R1-3/K1，輔助顯示儀表和冷卻風扇組成。

備用電池部分主要由32塊12V 65 Ah免維護鉛酸蓄電池構成，在主電源故障的情況下投入使用，100%負荷情況下工作7 min[1]。

2 系統(tǒng)原理

不間斷電源（UPS）是當交流輸入電源發(fā)生異?；蛘邤嚯姇r，還能繼續(xù)向負載供電，并能保證供電質量，使負載供電不受影響的裝置。UPS是恒壓恒頻電源中的主要產品，其原理也是依據(jù)交-直-交變頻器。UPS的基本原理圖如圖1所示。

UPS的基本工作原理是，當市電正常時，市電經過整流器整流為直流給蓄電池充電，可保證蓄電池的電量充足。一旦市電異常乃至停電，即由蓄電池向逆變器供電，蓄電池的直流電經逆變器變換為恒頻恒壓交流電繼續(xù)向負載供電，因此從負載側看，供電不受市電影響。在市電正常時，負載也可以由逆變器供電，此時負載得到的交流電壓比市電電壓質量高，即使市電發(fā)生質量問題（如電壓波動、頻率波動、波形畸變和瞬時停電等）時，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的性能，因此也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源[2]。

ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器的單線原理圖如圖2所示。

依據(jù)原理圖2，可以看出ELIT穩(wěn)頻器完全符合UPS的基本結構。

2.1 整流單元

如圖3所示，A1-A2-A3由六個可控硅組成三相橋式全波整流電路，受A4觸發(fā)板控制，導通順序為“1234561......”，通過導通角的大小和寬度的改變，使得在輸入電壓從315~440 V變化時，保證整流輸出電壓為DC428 V左右[2]。整流輸出的直流電壓（A-03）一方面為逆變單元提供直流電源，另一方面為備用蓄電池浮充電(D-01)[1]。

圖1 UPS基本結構原理圖

圖2 穩(wěn)頻器系統(tǒng)單線圖

圖3 整流環(huán)節(jié)原理圖

2.2 逆變單元

如圖4所示逆變單元IGBT由電源板A10、A11和觸發(fā)板A4、A5、A6共同控制，通過對逆變角β的良好控制例如PMW、SPWM、SVPWM控制，控制觸發(fā)逆變橋各橋臂電力器件導通時間和順序，實現(xiàn)將直流428 V電壓逆變?yōu)榻涣?00 V的近似正弦波電壓，不受外接負載變化影響。最后通過隔離變壓器和輸出濾波電容轉換成純凈的230 V交流電壓供全船使用。

2.3 輔助板簡介

主控板SINCRO通過SMAU板獲得AC400 V和DC428 V雙路轉變的工作電源，SINCRO板連接輔助控制板AICO、逆變電源監(jiān)視板CORE D、主電源和蓄電池電源監(jiān)視板SFRA，構成整個穩(wěn)頻器控制系統(tǒng)。AICO板接受外部指令實現(xiàn)穩(wěn)頻器啟動和安全停機；CORE D板檢測輸出230 V電壓、電流，同時兼顧手動設定輸出電壓和頻率；SFRA板監(jiān)視主電源相序和缺相、蓄電池關斷電流設定、整流電壓設定、蓄電池充電電流設定；ALUP板供逆變觸發(fā)裝置電源。

3 實例故障現(xiàn)象及分析

3.1 本船遇到的三次故障現(xiàn)象：

1）馬來西亞吹沙工程，高高吹填過程中，主230V穩(wěn)頻器突然故障后自動回復，最后徹底癱瘓無法啟動，H1，H2燈同時亮起。

2）在配電模式由輔發(fā)帶全船轉移至應發(fā)帶全船的時候，應急230 V穩(wěn)頻器會短暫停機而后恢復正常。

3）400 V配電板絕緣低報警，檢查發(fā)現(xiàn)應急230 V穩(wěn)頻器接地引起。

3.2 故障分析及解決

故障1：根據(jù)現(xiàn)象，量取輸入電壓正常，中間直流環(huán)節(jié)電壓13 V，輸出為0 V，啟動手柄SC來回扳動直流環(huán)節(jié)均不起壓，首先將問題鎖定在安保環(huán)節(jié)、整流環(huán)節(jié)及其邏輯控制電路板。整流器件外觀均正常，暫時排除整流環(huán)節(jié)故障。在啟動手柄SC操作啟動時，量取圖3中A4板控制整流環(huán)節(jié)的觸發(fā)電壓全部為0，而它的兩路電源電壓均正常，插接件FCR連接可靠。因此將問題鎖定在安保環(huán)節(jié)和整流環(huán)節(jié)的邏輯控制電路板。

圖4 逆變環(huán)節(jié)原理圖

圖5 AICO板控制原理圖

如圖5所示，結合故障現(xiàn)象，觀察AICO板上關于啟動手柄SC控制回路，安全連鎖回路上各個連鎖點一一予以檢查測量，得出結論控制電壓和外圍連鎖均屬正常。結合說明書關于AICO板上V51、V52、V55、V56、V57、V58、V59、V60各個LED燈的點亮說明：在啟動手柄SC操作啟動前，V51、V52點亮，其他熄滅；當SC操作啟動時，V56、V57點亮，V60延時幾秒點亮，最后全部點亮[1]。然而實際V57并未點亮，結合原理圖分析，外圍啟動連鎖信號均正常，然而K1未動作導致K5不動作或K5損壞，導致啟動失敗。K1、K5為AICO板上的固態(tài)繼電器，考慮AICO板出現(xiàn)問題。由于廠家將其更新升級停產該型號產品，新舊產品器件構造差異較大，備件無法替代亦無法訂購，船存無備件。于是將應急230 V穩(wěn)頻器停機改用應急230 V變壓器替代（5#配電模式可保證穩(wěn)定電壓和頻率），將應急穩(wěn)頻器的AICO板拆下，替代主穩(wěn)頻器的AICO板，啟動成功。

故障2：因應急配電板取電開關K和應急發(fā)電機主開關I存在連鎖，所以配電模式由6#到7#的過程中，先斷開K后合上I，應急配電板會短暫失電，此時應急230 V穩(wěn)頻器的蓄電池應投入工作，維持正常使用。由圖2看出，在輸入電源正常情況下穩(wěn)頻器正常工作否則停止工作，那么K2、蓄電池及熔斷器F23等構成蓄電池充放電回路是問題所在。

圖6 蓄電池充放電控制原理圖

如圖6所示，穩(wěn)頻器停機情況下，將F23處外加230 V電源，合斷SB時，K2動作正常，量得K2前后和430 V直流匯流排直流電壓正常。而后將穩(wěn)頻器正常開機穩(wěn)定運行后，切斷400 V交流電源，穩(wěn)頻器直接停機，同時量得K2前后和直流排電壓瞬間下降到89 V，斷開SB，量取蓄電池電壓又恢復到420 V。因此懷疑蓄電池存在虛電壓，已經損壞。與此同時，將主230 V穩(wěn)頻器蓄電池通過切斷F23進而接線引至應急230 V穩(wěn)頻器，試驗穩(wěn)頻器切斷主電源時可正常運行，斷定蓄電池損壞。

故障3：斷開穩(wěn)頻器輸入開關Q1和輸出開關S1，量取Q1開關前和S1開關后絕緣均正常，因此問題就是穩(wěn)頻器本身。通過分析圖2和現(xiàn)場查看，決定從圖2中紅色圈標記部分拆開分段排查，以確定是蓄電池問題、整流環(huán)節(jié)問題、逆變環(huán)節(jié)問題還是中間直流匯流排及附件問題。實際操作如圖7所示，中間大的紅色方框標記即為圖2的紅圈標記：

圖7 穩(wěn)頻器原件實際排布圖

通過測量各部分數(shù)據(jù)對比，著重點放在IGBT直流匯流排及其附件部分。進一步拆除IGBT和匯流排連接螺絲，發(fā)現(xiàn)為匯流排接地。IGBT的匯流排和IGBT之間接入了儲能環(huán)節(jié)C1-2和新改造后的充電電流緩沖環(huán)節(jié)，即圖7看到接在IGBT匯流排上的黑色導線部分，拆除后匯流排IGBT匯流排絕緣恢復正常，問題便出現(xiàn)在儲能電容和緩沖環(huán)節(jié)。通過進一步排查兩部分，發(fā)現(xiàn)儲能環(huán)節(jié)當中一個電容（此電容三個端子，兩個負極一個正極，兩個負極其中一個用來固定用）負極端螺絲松動碰到柜子鐵殼引起。

4 日常維護中得到的啟示

根據(jù)故障實例，總結日后管理維護的方法和重點。上述提到的幾個故障主要跟電子器件老化、備件不到位，重大器件質量不佳、維護更換周期記錄不良，日常維護工作欠缺有關。

4.1 備件

備件問題是重大問題，要考慮到以下幾點：

1）要仔細總結，哪些是無可替代的備件，著重記錄申請。例如上述提到的AICO板。

2）對備件申請不到或停產，及時從其他船舶調配或找到升級可用產品，或者綜合利弊將設備整體升級。

3）備件要妥善保存，并做好記錄，存放位置要熟知。并形成備件管理制度，確認責任人。

4.2 廠修維護工作把關

蓄電池作為穩(wěn)頻器的第二路電源，必須保證它的工況良好。因此要考慮到以下幾點：

1）在廠修更換蓄電池時，嚴格控制好每一個環(huán)節(jié)，大到蓄電池本身質量問題，小到接線螺絲松緊。定時做好數(shù)據(jù)記錄，確定正常后投入使用。

2）日常拋錨補給、停工有條件情況下，做到定期蓄電池完全充放電，并做好記錄。

4.3 日常維護

電氣設備應注重日常的維護保養(yǎng)。例如：

1）保證蓄電池處所的通風良好，因為溫度每提高10°，蓄電池壽命將減半。

2）保證控制柜內各電子線路板表面清潔干凈，定時吹灰。

3）定期進行線路緊固，尤其是重要器件。

4）保障設備良好散熱，及時檢查散熱風扇工作狀況，進風口適當添加濾網防塵。

[1] ELIT. User’s manual Frequency Converter 75KVA 3×230V 50Hz. [S.I.]: [s.n.]: 2015: 4-23.

[2] 王兆安, 劉進軍. 電力電子技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社: 2009: 56-60, 214-216, 218-220.

Principle and Maintenance of ELIT Frequency Stabilizer

Zhang Dongcheng

(CHEC Dredging Co., Ltd., Shanghai 200136, China)

TM44

A

1003-4862（2018）06-0048-04

2017-12-22

張棟成（1988-），男，助理電氣工程師，主要從事船舶電氣設備管理與維護工作。Email：dlmu_zdc_electro@126.com