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（東北特鋼集團(tuán)大連特殊鋼有限公司，遼寧大連 116000）

1 設(shè)備情況

2011年東北特鋼新上一座1050初軋機(jī)，電氣主傳動采用交交變頻拖動同步電動機(jī)方式，這種方案也是低轉(zhuǎn)速大功率拖動系統(tǒng)的經(jīng)典方案。由于功率較大，為了抑制諧波，此套交交變頻采用的12脈動的整流方式，主電路結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 交交變頻主電路圖Fig.1 Cycloconverter system drawing

交交變頻的原理比較復(fù)雜，具體原理本文不再贅述。設(shè)備投產(chǎn)半年后，為提高設(shè)備產(chǎn)能，生產(chǎn)工藝發(fā)生了變化，原料由原來的5 t鋼錠改為8 t鋼錠，同時軋機(jī)的壓下量和軋制速度上也都有所提高，使得軋機(jī)的負(fù)載大幅增加。隨著工藝的改變，變頻器開始頻繁出現(xiàn)故障跳閘，變頻器的診斷系統(tǒng)給出的信息是“AC/DC Currents Unbalanced”，其手冊解釋是變頻器的差動保護(hù)啟動，即交流進(jìn)線側(cè)的交流電流與直流輸出側(cè)的電流不相符，一旦其差值超過設(shè)定的閾值，變頻器啟動故障保護(hù)，此故障說明變頻器內(nèi)部發(fā)生了短路。

2 故障分析

為了進(jìn)一步分析故障原因，通過變頻器本身自帶的診斷示波器對交流進(jìn)線側(cè)和直流輸出側(cè)的電流電壓等值進(jìn)行了跟蹤記錄，通過這些波形記錄，可以了解故障發(fā)生時各變量值，為分析故障原因提供了有力的證據(jù)。變頻器提供的故障信息是“AC/DC Currents Unbalanced-Master（Phase S）”，此信息說明，故障發(fā)生的位置是S相的主相上（因為是12脈沖整流，主電路由2個6脈沖整流串聯(lián)組成，一個為主電路，另一個為從電路），因此我們只截取了S相的主電路圖及其電壓和電流波形情況，如圖2～圖4所示。

圖2 S相主電路圖Fig.2 Main circuit of S phase

圖3 S主相電壓電流曲線Fig.3 Voltage and current of S phase（master）

圖4 S主相交流進(jìn)線電流與直流輸出電流圖Fig.4 AC input current and DC output current of S phase（master）

從圖2可知，S相的主電路結(jié)構(gòu)是帶逆變的橋式整流電路，回路由12個晶閘管組成，其中11AR—16AR是正橋，11FR—16FR是反橋。進(jìn)線側(cè)有2臺CT，分別是CT01測量2S1相，CT02測量2T1相，出線側(cè)有一臺CT03測量直流輸出電流。這3臺CT分別對應(yīng)圖4中的3條電流曲線，其中CT01對應(yīng)的電流是SFAS_Meas_SM_IAC_S曲線，CT02對應(yīng)的電流是SFAS_Meas_SM_IAC_T曲線，CT03對應(yīng)的電流是SFAS_Meas_S_IDC曲線。圖3是S相的電壓電流曲線。

從圖3可知，電壓曲線的最后一個半個周期為負(fù)半波，電流在此半個周期中從負(fù)變?yōu)檎f明在最后這半個周期內(nèi)，電路從整流狀態(tài)轉(zhuǎn)移到了逆變狀態(tài)。這半個周期的前半部分，電流和電壓方向一致，同時為負(fù)，所以主電路應(yīng)該是反橋處于整流狀態(tài)，這半個周期的后半部分，電壓和電流反向，此時應(yīng)該是正橋處于逆變狀態(tài)。變頻器的故障就是發(fā)生在這個逆變的過程中。

圖4是正橋逆變過程圖，從圖4可以看到交流進(jìn)線側(cè)2S1和2T1相的電流和直流輸出側(cè)的電流變化情況。無環(huán)流整流電路是同時有2個晶閘管工作，以此電路為例，一個周期的順序是：11AR/12 AR—12 AR/13 AR—13 AR/14AR—14 AR/15 AR—15 AR/16 AR—16 AR/11AR，從圖4中可以看出實(shí)際的整流過程是從12AR/13AR開始的，由于進(jìn)線側(cè)只有2個電流互感器，所以進(jìn)線的2R1相電流無法測量，所以圖4中沒有2R1相的進(jìn)線電流，但可以在圖形中虛擬其存在，實(shí)際整流電流在圖4中的換相順序如下：12AR/13AR—13AR/14AR—14AR/15 AR—15AR/16AR—16AR/11AR—11AR/12AR。從圖4中可以明顯的看出，當(dāng)換相在16AR/11AR和11AR/12 AR之間出現(xiàn)了問題，在這個過程中16AR號晶閘管應(yīng)該關(guān)斷，12AR晶閘管導(dǎo)通，從CT01的電流可以看出，實(shí)際上16AR號晶閘管并沒有關(guān)斷，而12AR晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通，根據(jù)換相順序11AR/12AR后是12AR/13AR導(dǎo)通。當(dāng)13AR晶閘管導(dǎo)通的時候，16AR晶閘管仍舊沒有關(guān)斷，13AR和16AR晶閘管同時導(dǎo)通，從圖2可知，這2個晶閘管實(shí)際上導(dǎo)致了直流輸出側(cè)的正負(fù)輸出端直接短路。

圖4中雖然交流電流已經(jīng)不存在了，但是直流側(cè)電流還存在，這也證明了短路的存在，所以變頻器差動保護(hù)動作。圖4后面的波形是處在故障狀態(tài)下的波形，這里就不再一一分析。

故障原因：根據(jù)以上分析，故障發(fā)生的關(guān)鍵是16AR晶閘管沒有關(guān)斷，眾所周知晶閘管靠反向電壓關(guān)斷，在此設(shè)備中，反向電壓是電源提供的，如果直流側(cè)的電壓高于交流側(cè)電壓的波峰值，那么晶閘管兩端就不會存在反向電壓，也就會出現(xiàn)晶閘管無法關(guān)斷的現(xiàn)象。實(shí)際上故障多發(fā)生在軋機(jī)拋鋼后的瞬間，在拋鋼時鋼錠從軋機(jī)中拋出，軋機(jī)的負(fù)荷突然減小，軋機(jī)的速度會出現(xiàn)超調(diào)，控制系統(tǒng)采取能量回饋剎車，此時電動機(jī)變成發(fā)電機(jī)，如果此時從電動機(jī)端來的反電勢過高，就會造成逆變失敗。通過記錄電機(jī)的設(shè)定速度和實(shí)際速度的曲線（見圖5）也可以證明這一點(diǎn)，由圖5中曲線上可以看出，速度出現(xiàn)了較大的超調(diào)，經(jīng)過計算超調(diào)量達(dá)到了14.2%。

圖5 設(shè)定速度與實(shí)際速度曲線Fig.5 Reference speed and actual speed curves

根據(jù)凸極同步電機(jī)的電勢平衡方程：

式中：EФ勵磁電動勢；Ead，Eaq分別為電樞反映產(chǎn)生的交直軸電動勢；Eδd，Eδq分別為漏磁產(chǎn)生的交直軸電動勢；I為電樞電流；R為電樞電阻。

在此電勢平衡方程的左側(cè)，其主要用的是EФ，電動機(jī)的端電壓U主要取決于EФ，根據(jù)勵磁電動勢公式EФ=4.44fNkФ，影響勵磁電動勢的主要因素有頻率f和磁通Ф，因為速度超調(diào)量最大是14.2%，由此可以認(rèn)為電動勢增加14.2%，但是要想達(dá)到導(dǎo)致逆變失敗的電壓，至少要達(dá)到原來的1.4倍以上。由此可見速度的超調(diào)還不是唯一的原因，那么另一個原因有可能是勵磁產(chǎn)生的。此變頻器的另一個特點(diǎn)是在過載的情況下，是電樞和勵磁雙變量控制，即電樞電流和勵磁電流都同時增加，以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)輸出大轉(zhuǎn)矩的目的。如果在過載的情況下，勵磁電流增加過大，在拋鋼后的瞬間，勵磁電流又不能迅速回收，那么就有可能造成很高的電動勢。

3 故障處理及結(jié)論

通過以上的分析，我們采取了2個措施，首先通過調(diào)節(jié)主回路速度環(huán)和電流環(huán)的PID參數(shù)，將速度環(huán)中參數(shù)從原來的10降低到7，將原來的積分時間由原來的8 ms降低到6 ms，將電流環(huán)的比例參數(shù)由原來的8.7增大到10，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，將原來的14.2%的超調(diào)降低到了10%以下。其次降低超載狀態(tài)下的勵磁電流的大小，原勵磁曲線在電機(jī)超載的情況下，勵磁電流增加是同電樞電流同比例的增加，即如果過載2倍，那么電樞轉(zhuǎn)矩電流增加到2倍，同時勵磁電流也要增加到原來的2倍，但是當(dāng)軋機(jī)拋鋼的瞬間，負(fù)載突然減輕，這時需要勵磁電流迅速減小，但是由于勵磁本身具有一定的滯后性，勵磁電流的反應(yīng)略慢，那么就會造成EФ過高，針對這種情況，我們修改了變頻器中設(shè)置的勵磁曲線的曲度，使曲線的后半部分斜度降低，即人為地減小了大過載情況下勵磁電流的大小，最大處減小10%，雖然這種調(diào)節(jié)犧牲了電動機(jī)的過載能力，但是考慮到實(shí)際的負(fù)荷情況和電機(jī)的能力，調(diào)整后電機(jī)的能力完全滿足生產(chǎn)的需要。通過這些手段成功解決了這個問題。

此故障是由于反電勢過高造成，在實(shí)際應(yīng)用中，如果電源電壓不穩(wěn)也可以造成這樣的問題，在本故障中，通過對電源電壓的監(jiān)控，排除了電源電壓不穩(wěn)造成故障的可能性。另外現(xiàn)在變頻系統(tǒng)中，經(jīng)常采用的公共直流母線的形式，回饋電路中通常采用自耦變壓器將電壓提高，也有這方面的因素。

［1］黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)［M］.第3版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1996.