張棟成
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淺談ELIT穩(wěn)頻器的原理和維護(hù)
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(shí)際故障案例分析,得到日常維護(hù)管理啟示。
穩(wěn)頻穩(wěn)壓 不間斷電源 故障
眾所周知,船舶電源裝置的穩(wěn)定可靠運(yùn)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(jī)通過帶離合器的齒輪箱拖帶螺旋槳、軸帶發(fā)電機(jī)和泥泵機(jī)。泥泵機(jī)的拖帶屬于大慣性負(fù)荷,主機(jī)轉(zhuǎn)速越高意味著主機(jī)負(fù)荷突增越大同時(shí)帶來(lái)?yè)p壞輔助設(shè)備、合排失敗的隱患,因此需要主機(jī)降速到85%來(lái)避免。主機(jī)降速時(shí)軸帶發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速下降更大,發(fā)電機(jī)頻率和電壓會(huì)進(jìn)一步下降,倘若采用變壓器供電,勢(shì)必會(huì)影響到用電設(shè)備的安全運(yùn)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(guó)外ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器,保證在任何情況下,用來(lái)照明、助航、監(jiān)測(cè)報(bào)警和控制用的230 V電源穩(wěn)定在額定電壓和頻率。
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(chǔ)能環(huán)節(jié)C1-2,儲(chǔ)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(fēng)扇組成。
備用電池部分主要由32塊12V 65 Ah免維護(hù)鉛酸蓄電池構(gòu)成,在主電源故障的情況下投入使用,100%負(fù)荷情況下工作7 min[1]。
不間斷電源(UPS)是當(dāng)交流輸入電源發(fā)生異?;蛘邤嚯姇r(shí),還能繼續(xù)向負(fù)載供電,并能保證供電質(zhì)量,使負(fù)載供電不受影響的裝置。UPS是恒壓恒頻電源中的主要產(chǎn)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(dāng)市電正常時(shí),市電經(jīng)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(jīng)逆變器變換為恒頻恒壓交流電繼續(xù)向負(fù)載供電,因此從負(fù)載側(cè)看,供電不受市電影響。在市電正常時(shí),負(fù)載也可以由逆變器供電,此時(shí)負(fù)載得到的交流電壓比市電電壓質(zhì)量高,即使市電發(fā)生質(zhì)量問題(如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬時(shí)停電等)時(shí),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(jié)構(gòu)。
如圖3所示,A1-A2-A3由六個(gè)可控硅組成三相橋式全波整流電路,受A4觸發(fā)板控制,導(dǎo)通順序?yàn)椤?234561......”,通過導(dǎo)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(shí),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(jié)構(gòu)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
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(duì)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(dǎo)通時(shí)間和順序,實(shí)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(fù)載變化影響。最后通過隔離變壓器和輸出濾波電容轉(zhuǎn)換成純凈的230 V交流電壓供全船使用。
主控板SINCRO通過SMAU板獲得AC400 V和DC428 V雙路轉(zhuǎn)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(gòu)成整個(gè)穩(wěn)頻器控制系統(tǒng)。AICO板接受外部指令實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻器啟動(dòng)和安全停機(jī);CORE D板檢測(cè)輸出230 V電壓、電流,同時(shí)兼顧手動(dòng)設(shè)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(guān)斷電流設(shè)定、整流電壓設(shè)定、蓄電池充電電流設(shè)定;ALUP板供逆變觸發(fā)裝置電源。
1)馬來(lái)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(dòng)回復(fù),最后徹底癱瘓無(wú)法啟動(dòng),H1,H2燈同時(shí)亮起。
2)在配電模式由輔發(fā)帶全船轉(zhuǎn)移至應(yīng)發(fā)帶全船的時(shí)候,應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器會(huì)短暫停機(jī)而后恢復(fù)正常。
3)400 V配電板絕緣低報(bào)警,檢查發(fā)現(xiàn)應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器接地引起。
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(dòng)手柄SC來(lái)回扳動(dòng)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(shí)排除整流環(huán)節(jié)故障。在啟動(dòng)手柄SC操作啟動(dòng)時(shí),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(jié)合故障現(xiàn)象,觀察AICO板上關(guān)于啟動(dòng)手柄SC控制回路,安全連鎖回路上各個(gè)連鎖點(diǎn)一一予以檢查測(cè)量,得出結(jié)論控制電壓和外圍連鎖均屬正常。結(jié)合說(shuō)明書關(guān)于AICO板上V51、V52、V55、V56、V57、V58、V59、V60各個(gè)LED燈的點(diǎn)亮說(shuō)明:在啟動(dòng)手柄SC操作啟動(dòng)前,V51、V52點(diǎn)亮,其他熄滅;當(dāng)SC操作啟動(dòng)時(shí),V56、V57點(diǎn)亮,V60延時(shí)幾秒點(diǎn)亮,最后全部點(diǎn)亮[1]。然而實(shí)際V57并未點(diǎn)亮,結(jié)合原理圖分析,外圍啟動(dòng)連鎖信號(hào)均正常,然而K1未動(dòng)作導(dǎo)致K5不動(dòng)作或K5損壞,導(dǎo)致啟動(dòng)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(jí)停產(chǎn)該型號(hào)產(chǎn)品,新舊產(chǎn)品器件構(gòu)造差異較大,備件無(wú)法替代亦無(wú)法訂購(gòu),船存無(wú)備件。于是將應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器停機(jī)改用應(yīng)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(yīng)急穩(wěn)頻器的AICO板拆下,替代主穩(wěn)頻器的AICO板,啟動(dòng)成功。
故障2:因應(yīng)急配電板取電開關(guān)K和應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開關(guān)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(yīng)急配電板會(huì)短暫失電,此時(shí)應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器的蓄電池應(yīng)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(gòu)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(jī)情況下,將F23處外加230 V電源,合斷SB時(shí),K2動(dòng)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(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后,切斷400 V交流電源,穩(wěn)頻器直接停機(jī),同時(shí)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(fù)到420 V。因此懷疑蓄電池存在虛電壓,已經(jīng)損壞。與此同時(shí),將主230 V穩(wěn)頻器蓄電池通過切斷F23進(jìn)而接線引至應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器,試驗(yàn)穩(wěn)頻器切斷主電源時(shí)可正常運(yùn)行,斷定蓄電池?fù)p壞。
故障3:斷開穩(wěn)頻器輸入開關(guān)Q1和輸出開關(guān)S1,量取Q1開關(guān)前和S1開關(guān)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(chǎng)查看,決定從圖2中紅色圈標(biāo)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(shí)際操作如圖7所示,中間大的紅色方框標(biāo)記即為圖2的紅圈標(biāo)記:
圖7 穩(wěn)頻器原件實(shí)際排布圖
通過測(cè)量各部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比,著重點(diǎn)放在IGBT直流匯流排及其附件部分。進(jìn)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(chǔ)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(dǎo)線部分,拆除后匯流排IGBT匯流排絕緣恢復(fù)正常,問題便出現(xiàn)在儲(chǔ)能電容和緩沖環(huán)節(jié)。通過進(jìn)一步排查兩部分,發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)當(dāng)中一個(gè)電容(此電容三個(gè)端子,兩個(gè)負(fù)極一個(gè)正極,兩個(gè)負(fù)極其中一個(gè)用來(lái)固定用)負(fù)極端螺絲松動(dòng)碰到柜子鐵殼引起。
根據(jù)故障實(shí)例,總結(jié)日后管理維護(hù)的方法和重點(diǎn)。上述提到的幾個(gè)故障主要跟電子器件老化、備件不到位,重大器件質(zhì)量不佳、維護(hù)更換周期記錄不良,日常維護(hù)工作欠缺有關(guān)。
備件問題是重大問題,要考慮到以下幾點(diǎn):
1)要仔細(xì)總結(jié),哪些是無(wú)可替代的備件,著重記錄申請(qǐng)。例如上述提到的AICO板。
2)對(duì)備件申請(qǐng)不到或停產(chǎn),及時(shí)從其他船舶調(diào)配或找到升級(jí)可用產(chǎn)品,或者綜合利弊將設(shè)備整體升級(jí)。
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(rèn)責(zé)任人。
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(diǎn):
1)在廠修更換蓄電池時(shí),嚴(yán)格控制好每一個(gè)環(huán)節(jié),大到蓄電池本身質(zhì)量問題,小到接線螺絲松緊。定時(shí)做好數(shù)據(jù)記錄,確定正常后投入使用。
2)日常拋錨補(bǔ)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。
電氣設(shè)備應(yīng)注重日常的維護(hù)保養(yǎng)。例如:
1)保證蓄電池處所的通風(fēng)良好,因?yàn)闇囟让刻岣?0°,蓄電池壽命將減半。
2)保證控制柜內(nèi)各電子線路板表面清潔干凈,定時(shí)吹灰。
3)定期進(jìn)行線路緊固,尤其是重要器件。
4)保障設(shè)備良好散熱,及時(shí)檢查散熱風(fēng)扇工作狀況,進(jìn)風(fēng)口適當(dāng)添加濾網(wǎng)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(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)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(shè)備管理與維護(hù)工作。Email:dlmu_zdc_electro@126.com