趙曙偉

（神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東臺山529228）

面對現(xiàn)今社會日益緊迫的競爭壓力，減少工業(yè)生產(chǎn)過程中的能耗變得尤為重要，急需充分開發(fā)并利用一切具有節(jié)能潛力的生產(chǎn)環(huán)節(jié)來實現(xiàn)節(jié)能降耗。高壓變頻器的成功開發(fā)及推廣應(yīng)用對工業(yè)企業(yè)落實節(jié)能降耗具有重要的意義。

1 高壓變頻器節(jié)能原理

由電機學可知n=60f（1-s）/p，三相異步電動機的轉(zhuǎn)速n 與電源頻率f、轉(zhuǎn)差率s、電機極對數(shù)p有關(guān)。n與f之間為線性關(guān)系，變頻調(diào)速通過改變電源頻率f 來實現(xiàn)調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬，不存在勵磁調(diào)節(jié)和節(jié)流作用帶來的功率損失。

對于風機和泵類負載，由流體力學理論可知，流體流量Q與風機或泵類的轉(zhuǎn)速一次方成正比，轉(zhuǎn)矩H與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，而其功率P則與轉(zhuǎn)速3次方成正比：

轉(zhuǎn)速減少時，電機的能耗將以其3 次方的比率下降，由此體現(xiàn)出節(jié)能效果。

2 高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以額定電壓6 kV，6 級級聯(lián)電壓源型國產(chǎn)高壓變頻器（H橋元件IGBT）為研究對象。

高壓變頻器的配置根據(jù)電壓等級、功率、型號以及其它因素的不同而有所不同，但主體結(jié)構(gòu)基本都包括工頻旁路、變壓器、功率單元、主控系統(tǒng)等，電壓源型高壓變頻器工作原理是將電網(wǎng)送來的三相6 kV/50 Hz 交流電，經(jīng)移相變壓器，供電給18個功率單元，每個功率單元的額定輸出電壓為577 V，相鄰功率單元的輸出聯(lián)接起來，每相6 個功率單元進行疊加，使得高壓變頻器的額定輸出相電壓為3 464 V。三相共18 個功率單元，形成Y 聯(lián)接結(jié)構(gòu)，使得線電壓為6 000 V，直接供給感應(yīng)電動機，典型電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變頻器電路拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The converter circuit topology map

每個功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/6的相電壓和1/18的輸出功率。對于不同的輸出電壓等級，串聯(lián)的模塊數(shù)目是不同的，但其基本原理是一樣的。

3 高壓變頻器故障形式

高壓變頻器的故障分為“重故障”和“輕故障”兩種，其中“重故障”出現(xiàn)后會立即停機，并切斷高壓輸入電源；“輕故障”不會影響到變頻器的正常運行，但是應(yīng)該及時處理，以免演變?yōu)橹毓收稀?/p>

當故障出現(xiàn)后雖然變頻器自身會有相應(yīng)的故障信息提示，用于判斷故障元件之所在，但是實際應(yīng)用經(jīng)驗證明并不是所有的故障信息都可以準確定位故障元件，并不是所有的故障元件都可以在報警信息中反映。對于重故障的情況，如果不能一次將所有故障都排除，就會造成高壓輸入電源開關(guān)的多次跳閘，對電源系統(tǒng)造成不利的影響。因此就需要盡可能一次性地將故障排除或者脫離電源系統(tǒng)進行故障排查。

3.1 回路故障

有實際案例表明，如果不相鄰功率單元的輸入回路出現(xiàn)連接交叉錯誤，變頻器啟動后會導致輸出短路，此時變頻器無法正確判斷回路錯誤的功率單元，會引起處于中間位置的無異常功率單元報故障，而處于后面的故障元件由于主控系統(tǒng)已關(guān)斷輸出而報不出故障。

3.2 通訊故障

變頻器的控制系統(tǒng)和功率單元的信號傳輸是通過光纖進行，包括上行光纖和下行光纖，如果上行光纖、下行光纖或兩端的發(fā)送、接收部分有故障時，變頻器會報出哪個通道故障，但是無法區(qū)分是哪個元件的問題。

3.3 過載、過流

變頻器的輸入、輸出均有電流檢測，當主控系統(tǒng)檢測到輸入或輸出電流達到過載、過流定值時會重故障停機，一般情況下是由于信號干擾、電流檢測元件故障、電機過載（流）引起保護元件動作。但是還有一種情況就是其中有一個或多個功率單元輸出電壓較低或無輸出，對于這種情況變頻器是無法判斷出特性欠佳的功率單元的，并且也難以通過常規(guī)檢查手段查出。

4 高壓變頻器檢測方法

高壓變頻系統(tǒng)使用靈活，根據(jù)實際需求有多種連接方式，圖2為典型的一拖一手動旁路系統(tǒng)。

圖2 一拖一變頻系統(tǒng)圖Fig.2 Drag a variable frequency system diagram

其中移相變壓器為Y/△/Yn 接線方式，低壓側(cè)△采用延邊三角形聯(lián)接，每相分為6 個不同的相位組，互差10°（電角度）；低壓側(cè)Yn 額定輸出電壓380 V，并為主控系統(tǒng)提供輸入電源電壓信號。

對變頻器檢測之前首先要甩開高壓變頻器的輸入（移相變壓器的輸入）電纜和輸出（功率單元的輸出）電纜，即將變頻器從6 kV 電源系統(tǒng)完全隔離出來，變頻器置變頻方式狀態(tài)。采取從低壓側(cè)Yn繞組加入380 V工頻電源的方法，模擬為變頻器提供輸入電源來進行檢測，而全部的檢測工作需要的僅僅是1 臺調(diào)壓器和1 個380 V 電源。檢測接線原理如圖3所示。

圖3 檢測接線原理圖Fig.3 Detection of wiring diagram

4.1 單體檢測

將A，B，C 三相所有功率單元的輸出串聯(lián)母排和中性點母線拆開，使用380 V 電壓輸入的調(diào)壓器作為移相變壓器的輸入電源，變頻器的容量越大要求調(diào)壓器的容量越大（建議2 000 kV·A以上的變頻器使用9 kV·A 以上的調(diào)壓器）。緩慢升高調(diào)壓器輸出電壓至380 V（移相變壓器高壓側(cè)為額定電壓6 000 V），測量每個功率單元的輸入線電壓應(yīng)為（實際工程應(yīng)用中，對于大容量電動機和變頻器，滿載運行情況下電壓會有一定的下降，移相變壓器選型時UΦΦ可能會略高于計算值，故UΦΦ應(yīng)以變壓器實際變比為準）。在不具備遠程操作條件的情況下，可選擇切換至就地方式啟動變頻器并進行頻率調(diào)節(jié)。

用示波器觀察各功率單元的輸出PWM 波形，脈沖數(shù)m 與IGBT 開關(guān)頻率F、變頻器運行頻率f 有關(guān)，其關(guān)系是：m=F/f（上下半波各一半）。當頻率升至50 Hz（IGBT 開關(guān)頻率為1 200 Hz）時，每個功率單元輸出PWM 波形，如圖4 所示（每個周期內(nèi)上下半波均為12 脈沖）。因模塊內(nèi)部的銅排存在電感，輸出電壓值U0略高于輸入電壓，約為1.1×UΦΦ。

圖4 功率單元50 Hz輸出波形Fig.4 The power unit of the 50 Hz output waveform

當實際測量的輸入線電壓較UΦΦ有明顯的偏差時，應(yīng)全面檢查各功率單元輸入回路接線是否存在錯誤。

4.2 整組檢測

因為移相變壓器每組輸出繞組都是獨立的，功率單元的輸出也是相互獨立的，因此單體檢測的成功只能驗證各功率單元是完好的，并不意味著整個變頻系統(tǒng)是正常的。當級聯(lián)數(shù)較多且相鄰功率單元輸入接線交叉錯誤連接時，輸入線電壓不會有太大的偏差，單體檢測時由于各功率單元是相互獨立的，變頻器不會有故障報警，而功率單元串聯(lián)運行時會造成變頻器的輸出短路故障，所以還需要恢復所有功率單元的輸出串聯(lián)母排和中性點母線連接進行整組檢測，驗證包括外部回路在內(nèi)的整個變頻系統(tǒng)是否正常。檢測方法和單體檢測相同，變頻器輸出電壓為每相6 個功率單元輸出電壓的串聯(lián)疊加，線電壓為6 000 V（見圖5）。

圖5 變頻器串聯(lián)疊加結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Inverter series overlay structure diagram

4.3 檢測結(jié)果

順利通過單體和整組檢測的變頻器可以認為一切正常，可以帶載試運；如果在檢測的過程中有故障報警，就需要進行相應(yīng)的故障排查，重新進行檢測，直至全部檢測都通過。

4.4 注意事項

由于使用該方法進行的變頻器檢測是空載試驗，且輸入電源是從移相變壓器低壓側(cè)施加的，屬于非正常運行方式，因此需要強調(diào)幾點注意事項：

1）此種檢測方法僅適用于有變壓器的電壓源型高壓變頻器，并不適用于無變壓器電壓源型和電流源型；

2）必須保證變頻器主控系統(tǒng)檢測輸入電源的回路是正常的，因為主控系統(tǒng)只有在檢測到輸入電源正常的情況下才可給功率單元發(fā)出觸發(fā)脈沖；

3）在給移相變壓器低壓側(cè)Yn繞組施加電源之前，應(yīng)確保Yn繞組不帶有任何負載（例如散熱風機等），以防調(diào)壓器副邊繞組電流過大，燒壞調(diào)壓器；

4）為了保證變頻器和系統(tǒng)的安全，當變頻器重故障時會通過外部回路直接跳開輸入電源開關(guān)，使得變頻器脫離電源系統(tǒng)，因此在檢測過程中要做好預防措施，當重故障時要立刻斷開調(diào)壓器輸入空氣開關(guān)，避免出現(xiàn)意外，特別是在啟動變頻器的時候；

5）當變頻器處于工頻方式下且電動機在運行中，需要采用此種方法進行檢測時，要將變頻器重故障跳輸入電源開關(guān)的回路甩開，防止變頻器有故障時將運行中的電源開關(guān)誤分閘，造成不必要的損失；

6）移相變壓器正常運行時為降壓變壓器，從Yn 繞組施加檢測電源時變壓器會以升壓變壓器的方式使高壓側(cè)輸出電壓，因此調(diào)壓器輸出需緩慢升壓至380 V，并實時監(jiān)測變頻器的輸入電壓和電流（即調(diào)壓器輸出電壓和電流），當輸入電流隨著輸入電壓的增大而快速增大時，說明調(diào)壓器升壓太快，應(yīng)停止升壓，待電流回落穩(wěn)定后方可繼續(xù)。輸入電流的大小與變頻器容量有關(guān)，容量越大電流越大。

5 技術(shù)特點

常規(guī)的檢測方法是直接將高壓變頻器接入高壓電源系統(tǒng)為移相變壓器提供電源，只需將變頻器輸出接線甩開即可。當變頻器發(fā)生重故障時會將高壓側(cè)開關(guān)跳開，其最大的缺陷是倘若未能一次性將所有故障都排除，則會造成高壓側(cè)開關(guān)的多次跳閘，對高壓電源系統(tǒng)造成沖擊影響；另外當電動機已切換至工頻運行時，則無法對變頻器進行檢測。

而采用本文的方法進行高壓變頻器的檢測，與高壓電源系統(tǒng)毫無關(guān)系，操作簡單，特別適用于變頻器故障檢修而電動機又需要運行的情況，此時只需將電動機切換為工頻運行，再將變頻器隔離就可以完成多次、全面的檢測工作；同樣也適用于變頻器修后的檢測，在自行檢測變頻器功能正常后再投入高壓電源系統(tǒng)，對變頻器的順利投運是非常有利的。

實際工程案例表明，當處于濕度較大環(huán)境中的變頻器長時間停運時，功率單元等電子元器件可能由于受潮而不能正常啟動運行，反復使用其中的單體檢測方法能使受損的功率單元等逐步恢復正常性能。

6 結(jié)論

對于國內(nèi)市場應(yīng)用的電壓源型高壓變頻器，結(jié)構(gòu)原理基本相同，這種特殊的檢測方法可以參考借鑒，在管理嚴格的現(xiàn)代企業(yè)中是有一定利用價值的。

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