【變頻驅(qū)動(dòng)】高壓變頻器故障跳閘異常分析

   日期：2020-03-17

高壓變頻器通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載出力，減少了調(diào)節(jié)門等的截流，達(dá)到節(jié)能的效果。

異常描述

近年來高壓變頻器異常停運(yùn)統(tǒng)計(jì)

(1) 引風(fēng)機(jī)變頻器

① 2013年08月06日，1B引風(fēng)機(jī)變頻器A6功率模塊過熱跳閘。

② 2013年09月14日，2B引風(fēng)機(jī)變頻器A6功率模塊過熱跳閘。

③ 2013年12月19日，1A引風(fēng)機(jī)變頻監(jiān)視器、接口板和控制器間通訊中斷，運(yùn)行中跳閘。

④ 2014年08月31日，2A引風(fēng)機(jī)變頻器變壓器溫控器誤動(dòng)跳閘。

⑤ 2014年10月28日，2B引風(fēng)機(jī)變頻器B5、C5功率模塊發(fā)驅(qū)動(dòng)故障，機(jī)組調(diào)試時(shí)開啟變頻器后跳閘，檢查散熱損壞造成多個(gè)元件損壞。

⑥ 2015年02月26日，2A引風(fēng)機(jī)變頻變壓器溫控器誤動(dòng)，運(yùn)行中跳閘。

⑦ 2015年03月15日，1A引風(fēng)機(jī)變頻器失去輔助電源后，運(yùn)行中跳閘。

⑧ 2015年10月15日，2B引風(fēng)機(jī)變頻器C3功率模塊輸出丟波引起引風(fēng)機(jī)電流晃動(dòng)。

⑨ 2015年10月份，1B引風(fēng)機(jī)變頻器C2功率模塊輸出丟波引風(fēng)機(jī)電流晃動(dòng)。

⑩ 2018年07月27日 ，1B引風(fēng)機(jī)變頻器2號(hào)變壓器燒損，1B引風(fēng)機(jī)變頻器C6功率單元電解電容炸裂。

? 2019年01月04日，2B引風(fēng)機(jī)變頻器B1模塊驅(qū)動(dòng)IGBT和控制板故障，運(yùn)行中跳閘。

? 2019年08月11日，2A/2B引風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行中控制電源和操作電源同時(shí)失去，運(yùn)行中跳閘。

? 2019年11月14日，2B引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)異常，運(yùn)行中停運(yùn)。

(2) 凝泵變頻器

① 2009年03月30日，1B凝泵變頻器A1、A2、A3功率模塊過熱跳閘。

② 2016年05月31日，1B凝泵變頻器過壓保護(hù)動(dòng)作跳閘。

③ 2017年07月18日，1B凝泵變頻器A4、B1功率驅(qū)動(dòng)故障跳閘。

④ 2019年08月22日，1B凝泵變頻器主板故障跳閘。

⑤ 2019年09月13日，2B凝泵變頻器C3、B3、B6功率模塊驅(qū)動(dòng)故障跳閘。

⑥ 2019年09月30日，2B凝泵變頻器B3功率模塊通訊故障跳閘。

⑦ 2019年11月15日，2B凝泵變頻器B2功率模塊驅(qū)動(dòng)故障跳閘。

⑧ 2019年12月20日，1B凝泵變頻器吹灰中發(fā)現(xiàn)A4功率模塊電容損壞。

2、原因分析 

通過1 的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn):
通過上述的統(tǒng)計(jì)，引風(fēng)機(jī)變頻器至今兩臺(tái)機(jī)組總計(jì)異常13起事件，功率模塊故障7次，控制系統(tǒng)異常2次，電源故障2次，誤動(dòng)2次。可見變頻器故障主要是功率模塊故障造成，占54%，而驅(qū)動(dòng)故障早期是由于冷卻方式不合理，造成過熱，元件損壞，改造成空水冷方式后主要是電容類故障造成變頻停運(yùn)。電源故障也通過整改增加電源的安全性。

凝泵變頻器故障類型主要是功率模塊故障，早期是過熱故障，后期是電容類故障。早期是由于冷卻效果不理想，增加空調(diào)數(shù)量后過熱類故障消失。

（1）高壓變頻器工作原理

高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，通過移相變壓器降壓提供整流電源，采用功率單元輸出串聯(lián)達(dá)到輸出可調(diào)6KV的電源。主電路如圖1所示。每相功率單元通過光纖接收信號(hào)，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形，6個(gè)功率單元串聯(lián)輸出疊加，形成6KV的可調(diào)頻率的電壓。如圖2所示。

功率單元經(jīng)過橋式整流電路將三相交流整流為500V直流，再經(jīng)過可控IGBT逆變成頻率為15-50HZ，電壓為150V-580V的可調(diào)交流電，電阻電容起到穩(wěn)壓消諧作用。若輸入電壓升高，則直流母線也相應(yīng)升高，造成過壓，其中凝泵變頻幾次由于斗輪機(jī)單項(xiàng)接地造成不接地6KV系統(tǒng)非接地相電壓升高，引起凝泵輸入電壓升高，造成過壓跳閘。
若電容損壞擊穿，則有可能造成直流母排絕緣下降，甚至造成直流短路爆炸，進(jìn)而破壞整流橋及逆變IGBT模塊。若某個(gè)電容損壞開路，則直流母線的間的總?cè)葜迪陆?，穩(wěn)壓效果下降，波形諧波大，直流中交流成分增加，則輸出的波形與給定將存在差異，若交流成分造成等效直流電壓升高，則有可能造成過壓故障；若交流成分造成等效直流電壓降低，也有可能使帶負(fù)載能力下降，即運(yùn)行電流波動(dòng)。

電容為電解電容，金屬箔為正極（鋁），與正極緊貼金屬的氧化膜（氧化鋁）是電介質(zhì)，陰極是導(dǎo)電材料、電解質(zhì)（電解質(zhì)可以是液體或固體），和其他材料共同組成。從之前爆炸的電容泄露出的液體可知，我廠變頻器電容里電解質(zhì)存在液體，液體受溫度影響較大。

電解電容壽命與環(huán)境溫度以及紋波電流的大小有關(guān)。溫度每上升10度，電容壽命降低一倍，以一個(gè)25度下能運(yùn)行100000小時(shí)的電容計(jì)算，正常能運(yùn)行12年左右，而溫度上升至35度，則壽命降低一半。紋波電流指流過電容的交流分量，交流分量越大，電容使用壽命越短。同時(shí)電容還受工作電壓影響，工作電壓越高，壽命越低。

早期變頻器小室由于冷卻效果差，環(huán)境運(yùn)行溫度高，大大降低了電容使用壽命，又由于凝泵變頻器已運(yùn)行10年，較引風(fēng)機(jī)變頻器時(shí)間長，電容已臨近壽命后期，故器功率單元故障率在今年顯著提高。

（2）UPS工作原理及對(duì)比

  UPS是將380V的三相交流電整流成220V直流，再逆變成220V額定頻率為50HZ單相交流電，如圖4。雖然總體原理相似，但UPS相對(duì)于高壓變頻器還有一些區(qū)別，造成二者故障率差別巨大，兩者對(duì)比表如表1。

表1：高壓變頻器與UPS對(duì)比表

綜上所述，引起高壓變頻器最近故障率高的原因有：

早期運(yùn)行溫度高，降低了變頻器電容的壽命，同時(shí)運(yùn)行時(shí)間長，已到電容使用壽命后期，功率單元電容異常造成故障，伴生的過壓、爆炸應(yīng)力等現(xiàn)象也影響功率柜其他元件的安全。

3.暴露問題

（1）、電解電容安全隱患高，壽命接近后期，穩(wěn)定性低。

（2）、大小修缺少對(duì)變頻器功率單元的定期維護(hù)檢測(cè)保養(yǎng)。

（3）、停機(jī)期間變頻器得不到良好的環(huán)境保護(hù)，易受潮。

（4）、班組人員對(duì)高壓變頻器內(nèi)部原理了解不深刻，故障定位能力不足。

4.應(yīng)對(duì)措施

（1）、加強(qiáng)變頻器日常的巡視檢查，保證其運(yùn)行環(huán)境保持良好，提高其運(yùn)行年限。

（2）、停機(jī)期間保持變頻器風(fēng)扇持續(xù)運(yùn)行，確保運(yùn)行環(huán)境干燥，封堵嚴(yán)密，減少驅(qū)動(dòng)模塊的熱腐蝕、潮氣、灰塵侵害，延長壽命。

（3）、機(jī)組大小修制定變頻器功率模塊的檢測(cè)維護(hù)計(jì)劃，對(duì)功率模塊內(nèi)部電容進(jìn)行電容測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)直流母線進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，測(cè)試IGBT的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性等，檢測(cè)模塊的老化程度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行輸入輸出檢測(cè)，保護(hù)邏輯驗(yàn)證，老化測(cè)試，對(duì)服役年限較長的可依據(jù)保護(hù)規(guī)定年限升級(jí)控制系統(tǒng)，更換功率模塊內(nèi)電解電容和升級(jí)成當(dāng)前最新模塊板件，確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（4）、加強(qiáng)班組人員對(duì)變頻器內(nèi)部原理的培訓(xùn)，故障分析方法的學(xué)習(xí)。

（5）、在變頻器的輸出端安裝電抗器

（6）、在變頻器的輸出端安裝dv/dt濾波器

（7）、在變頻器的輸出端安裝正弦波濾波器

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