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

高壓交流電機變頻調(diào)速是目前節(jié)約電能、改善電機運行環(huán)境的一種主要手段，具有優(yōu)異的調(diào)速和啟制動性能等諸多優(yōu)點。基于高壓變頻器的優(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機調(diào)速領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。高壓大功率變頻器能否穩(wěn)定運行，很大程度上決定著化工廠的安全和生產(chǎn)穩(wěn)定。高壓變頻器是自動化、智能化高度綜合的設(shè)備，對設(shè)備管理和維護人員提出了更高的要求。因此，設(shè)備管理和維護人員采取預防性維護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)電機學的基本原理，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為n=(1-s)60f/p,式中n 為電機轉(zhuǎn)速，s 為滑差，f 為電機運行頻率，p 為電機極對數(shù)。異步電動機在保證轉(zhuǎn)差率和磁極對數(shù)不變時，轉(zhuǎn)速隨電源頻率的增加而增加。因此，通過改變異步電動機的供電頻率，可以改變異步電動機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)調(diào)速功能。變頻器是利用半導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機調(diào)速需求的電能控制裝置。用于3kV、6kV、10kV 電壓等級電機調(diào)速的變頻器稱為高壓變頻器。

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。三相高壓電進入高壓開關(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)動板等組成。IGBT 為功率開關(guān)器件，單元驅(qū)動板負責和主控通訊，從主控得到IGBT 的開關(guān)狀態(tài)并把故障情況報告給主控。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)過光纖對功率柜中的每一功率單元進行整流、逆變控制、檢測等處理。主控部分與PLC 雙向通訊，從PLC 接受信息，同時把信息反饋給PLC?？刂乒裰锌刂茊卧獙⒖刂菩畔l(fā)送至功率單元中進行整流、逆變等調(diào)整，輸出滿足負荷需求的電壓等級。

旁路柜的作用：當高壓變頻器出現(xiàn)故障導致電機無法正常工作，旁路柜可以滿足電機連續(xù)運轉(zhuǎn)的要求，從而提高設(shè)備運行的可靠性。

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，避免對電網(wǎng)造成影響。移相變壓器相當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。每個功率單元由一個繞組供電，每個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)中每個功率單元相當于一臺交-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?。電解電容的作用是對整流橋整流后的直流進行濾波，并具有儲能功能。IGBT 的作用：IGBT 是Insulated Gate Bipolar Transistor 的簡稱，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效應(yīng)管二者的優(yōu)點，具有工作速度快、驅(qū)動功率小、電流能力大、導通壓降低的特點。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的簡稱）的作用：可控硅是可控硅整流器的簡稱，是一種可控整流電子元件。可控硅能在外部控制信號作用下由斷開變?yōu)閷?。一旦可控硅導通，外部控制信號就無法使其斷開，只能靠去除負載或降低其兩端電壓的方法使其斷開。可控硅一般應(yīng)用在充電電路和旁通回路，相當于“電子開關(guān)”。

3 高壓變頻器的維護和預防性檢修

3.1 高壓變頻器的維護

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導致高壓變頻器發(fā)生故障，因此必須對高壓變頻器進行日常和定期的維護和保養(yǎng)。

高壓變頻器日常維護方法：

（1）每天檢查記錄高壓變頻器觸摸屏報警信息、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異響、高溫、異味。高壓變頻器正常運行期間變壓器的線圈溫升不能超過75℃。檢查變頻器內(nèi)部有無異常聲音，電機是否有異常振動。

（4）由于環(huán)境溫度高很容易導致變頻器模塊過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風口濾網(wǎng)，每月清洗一次變頻器室進風口濾網(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或脫落，絕緣體有無變形、破損或因過熱造成的老化變色。

（7）定期檢查功率單元柜、變壓器柜風機運行情況。

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

3.2 高壓變頻器預防性檢修措施

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

（1）高壓變頻器停機檢修時必須在高壓停電15 分鐘后才能打開高壓柜門。停機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，查看各個回路有無異常的放電痕跡，有無變色、破損現(xiàn)象。功率單元和進線貴接線端子、變壓器接線柱有無氧化、腐蝕現(xiàn)象，連接處螺母有無松脫。接線端子和絕緣柱若存在老化開裂和變形，必須及時更換。各接線端子若有松動現(xiàn)象，必須進行緊固。

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

（3）定期對功率單元快熔進行仔細檢查，發(fā)現(xiàn)熔斷必須及時更換。

4 高壓變頻器常見故障及處理方法

高壓變頻器的故障一般分為輕故障和重故障兩類。一般將不影響變頻器運行的故障稱為輕故障，如電機輕度過載、單元柜風機故障、變壓器輕度過熱等。高壓變頻器重故障指的是故障出現(xiàn)后變頻器立即停機并切斷輸入側(cè)高壓。當發(fā)生輕故障時，變頻器發(fā)出間歇的音響報警和故障指示。在報警時，若發(fā)出報警解除指令，則變頻器會取消報警。輕故障雖然不會導致變頻器立即停機，但也要引起高度重視，及時采取處理措施。當發(fā)生重故障時，變頻器會連續(xù)報警并自動跳閘停機，故障原因會被系統(tǒng)記錄。只有重故障徹底排除后，用復位按鈕將系統(tǒng)復位后才能重新開機。

高壓變頻器的常見故障類型主要有過電流、過電壓、熔斷器故障、功率模塊故障、光纖故障等。出現(xiàn)這些故障時，一般情況下高壓變頻器會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，需要從多方面進行分析，逐一排除才能找到故障點。

4.1 變頻器過電流

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

處理方法：可通過高壓變頻器監(jiān)控界面顯示的故障定位查詢定位找到對應(yīng)的模塊，對模塊進行拆檢。如模塊未損壞，則是驅(qū)動電路出了故障。

4.2 變頻器過電壓

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

處理方法：

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

4.3 熔斷器故障

高壓變頻器出現(xiàn)熔斷器故障時一般會在變頻器人機界面上顯示，維護人員可以根據(jù)人機界面上顯示的單元號碼進行查找。用萬用表將對應(yīng)單元的兩個熔斷器進行檢查，發(fā)現(xiàn)熔斷時應(yīng)及時更換熔斷器。更換熔斷器后進行送電和故障復位，高壓變頻器一般可恢復正常運行。若高壓變頻器不能恢復正常運行，就必須更換功率單元。

熔斷器在高壓變頻器運行過程中故障率較高，在做好日常檢查維護的同時應(yīng)做好備件的儲備。

4.4 功率模塊故障

故障產(chǎn)生的原因：

（1）功率模塊過熱。一般是由于周圍環(huán)境溫度高造成的。

（2）化工廠內(nèi)高壓變頻器控制室周圍氣體腐蝕性較強，對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，進行系統(tǒng)重新上電投入運行。

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導致光纖故障。

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。高壓變頻斷電后對功率單元進行放電，然后檢查光纖頭是否松動或折斷，檢查光纖收發(fā)器是否進灰。故障位置難以判斷時，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^對調(diào)光纖的方法進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

化工廠高壓變頻器能否可靠穩(wěn)定運行的關(guān)鍵在于事故的預防和維護管理。根據(jù)高壓變頻器配置情況制定科學、合理的維護方案，做到日常維護和預防性維護緊密配合，對高壓變頻器進行全面、有計劃的維護，是高壓變頻器能長期穩(wěn)定運行的重要措施。