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        耙吸式挖泥船穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器的原理及故障分析

        2021-03-27 16:35:26彭冬
        中國(guó)設(shè)備工程 2021年5期
        關(guān)鍵詞:故障

        彭冬

        (中交上海航道局有限公司,上海 200000)

        船舶電站是由船舶電源、船舶電力網(wǎng)絡(luò)、配電系統(tǒng)設(shè)備和電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備等組成。因船舶通導(dǎo)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)等設(shè)備對(duì)電源電壓和頻率的穩(wěn)定性有著特殊要求,船舶電站常配有穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器等裝置,完善的保護(hù)了負(fù)載運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,使船舶用電設(shè)備在不同工況下能夠連續(xù)、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)行。

        穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器在大型自動(dòng)化耙吸式挖泥船上有著廣泛的應(yīng)用。

        1 應(yīng)用背景

        耙吸式挖泥船的主機(jī)一拖三設(shè)計(jì)在疏浚船舶中已是一種主流,即主機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)螺旋槳、發(fā)電機(jī)和疏浚泥泵,在疏浚施工過(guò)程中,疏浚泥泵的齒輪箱在嚙合和脫開時(shí),主機(jī)降速至額定轉(zhuǎn)速的85%,此時(shí)軸帶發(fā)電機(jī)供應(yīng)的船舶電網(wǎng)電壓和頻率會(huì)隨之降低,為了使通導(dǎo)、自動(dòng)化及照明等設(shè)備穩(wěn)定性運(yùn)行,穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器能夠使此類設(shè)備用電網(wǎng)絡(luò)的電壓和頻率穩(wěn)定在額定需求數(shù)值,所以穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器對(duì)此類設(shè)備起著至關(guān)重要的作用。

        圖1 主機(jī)一拖三圖示

        2 工作原理

        輸入的三相交流電源來(lái)自軸發(fā)輸配電網(wǎng),經(jīng)三相全控整流電路后得到相應(yīng)需求的直流電壓,該直流電壓一方面為直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷哪孀冸娐诽峁╇娫?,另一方面為蓄電池組提供充電電源。當(dāng)輸入的三相交流電源電壓和頻率下降時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換蓄電池組放電供應(yīng)直流母線,保證直流母線為逆變電路提供正常穩(wěn)定電源,蓄電池組的容量可根據(jù)當(dāng)備用切換使用時(shí)的時(shí)間來(lái)選定。直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷哪孀儾糠质欠€(wěn)壓穩(wěn)頻變換器的核心,其主電路是由三套獨(dú)立的單相逆變器組成一個(gè)三相逆變器,它們共用一條直流母線,三相逆變器輸出電壓Va、Vb、Vc大小相等,相位相差120°,構(gòu)成一個(gè)平衡且對(duì)稱的三相交流電源。通常逆變變壓器副邊接成星形,以消除負(fù)載端的3倍數(shù)諧波。(原理框圖如圖2)

        圖2 原理框圖

        三相全控整流電路由3只晶閘管模塊組成,通過(guò)控制電路中的三相晶閘管數(shù)控器對(duì)其觸發(fā)脈沖控制,自動(dòng)調(diào)整脈沖的起點(diǎn)、終點(diǎn)、移相范圍、脈沖分配正反序,從而輸出需要的直流電源。3個(gè)獨(dú)立的單相逆變器采用單相全橋結(jié)構(gòu),選用高性能的IGBT作為開關(guān)器件,利用IGBT開關(guān)頻率較高的優(yōu)點(diǎn),采用正弦脈寬調(diào)制方式(SPWM)對(duì)逆變器進(jìn)行控制,將平穩(wěn)的直流變換為脈寬調(diào)制輸出的交流,輸出的脈寬調(diào)制波幅值恒定,寬度按正弦規(guī)律變化,頻率為所需的電源頻率。逆變器輸出的脈寬調(diào)制波經(jīng)LC濾波電路濾波后,得到純正的正弦波交流電。

        控制電路與主電路相適應(yīng),逆變控制器針對(duì)單相電源來(lái)設(shè)計(jì),電壓波形采用帶濾波電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制方案,電壓有效值采用PI調(diào)節(jié)器控制方案,控制電路含有3套獨(dú)立的PI調(diào)節(jié)器分別控制三相電壓,從而提高帶不平衡負(fù)載的能力。為了提高輸出電源控制的快速性、抗干擾性和可靠性,波形控制采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn),有效值控制和電源參數(shù)監(jiān)控采用智能數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        3 故障實(shí)例分析

        3.1 故障現(xiàn)象

        圖3 三相全控整流單元原理圖

        穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器聲光報(bào)警,控制箱面板上的智能數(shù)字顯示屏顯示整流單元故障,控制箱內(nèi)三相晶閘管數(shù)控器自檢顯示02外部封鎖停止觸發(fā)脈沖故障代碼,蓄電池放電工作。

        3.2 故障分析及排查

        根據(jù)上述故障現(xiàn)象,在蓄電池放電工作的情況下,檢查穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器的輸入主電源和輸出負(fù)載用電電源,經(jīng)測(cè)量數(shù)值在額定,初步確認(rèn)蓄電池工作電路和逆變單元電路正常,整流環(huán)節(jié)電路故障。

        首先,將穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器停機(jī),斷開輸入至三相全控整流電路的主電源開關(guān),以及輸入至直流母排的蓄電池開關(guān),并將穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器輸出至負(fù)載的主開關(guān)一并斷開。拔掉三相全控整流電路的各熔斷器及控制板的接插頭,檢查和測(cè)量主電源輸入回路、對(duì)地絕緣、相間阻值和熔斷器均正常,測(cè)量主電源輸入回路上的壓敏電阻正反向阻值正常。

        其次,脫開與直流排相連的整流單元。全控整流單元中的3塊晶閘管模塊全部拆下進(jìn)行測(cè)量,萬(wàn)用表選電阻R*1Ω擋,選拿1塊,黑表筆接至陽(yáng)極1,紅表筆接至陰極K4,萬(wàn)用表指針沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn),用短線瞬間短接陽(yáng)極1和控制極G4,此時(shí)萬(wàn)用表電阻擋指針向右偏轉(zhuǎn),阻值讀數(shù)為10歐姆左右;當(dāng)黑表筆接至陽(yáng)極3,紅表筆接至陰極K1,萬(wàn)用表指針也沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn),用短線瞬間短接陽(yáng)極3和控制極G1,此時(shí)萬(wàn)用表電阻擋指針向右偏轉(zhuǎn),阻值讀數(shù)為10歐姆左右。拿取新的備件與其它兩塊一起測(cè)量,結(jié)果同上,確認(rèn)拆下的三塊晶閘管模塊完好,無(wú)擊穿。

        三相全控整流電路的主回路各器件檢查正常,唯有懷疑對(duì)三塊晶閘管模塊起觸發(fā)脈沖控制的數(shù)控器電路板,更換新的數(shù)控器備件,將拆下的三塊晶閘管模塊裝復(fù),再恢復(fù)輸入回路、整流單元的各線路連接。送電測(cè)試整流單元,直流排電壓緩升430V,穩(wěn)定正常。合上蓄電池供電開關(guān),蓄電池電壓充電至DC 430V,整流單元正常。進(jìn)入帶載測(cè)試,觀察輸入和輸出三相電壓、電流、頻率、絕緣都正常,恢復(fù)正常使用。

        3.3 故障原因分析

        三相晶閘管數(shù)控器對(duì)三相全控整流電路起到調(diào)整電壓反饋幅度,自動(dòng)調(diào)整脈沖的起點(diǎn)、終點(diǎn)、移相范圍和脈沖分配正反序的作用,另對(duì)整流電路中逆變電壓、逆變電流、充電電壓和充電電流有反饋?zhàn)詸z功能,當(dāng)三相晶閘管數(shù)控器觸發(fā)脈沖輸出故障,使3塊晶閘管模塊處于非需求工作狀態(tài),直流母排的電壓和電流發(fā)生變化,三相晶閘管數(shù)控器反饋?zhàn)詸z02外部封鎖故障,自動(dòng)停止觸發(fā)脈沖,從而引起上述故障現(xiàn)象發(fā)生。

        4 結(jié)語(yǔ)

        穩(wěn)壓穩(wěn)頻變換器在使用期間的維護(hù)保養(yǎng)極其重要,運(yùn)行期間應(yīng)注意檢測(cè)輸入和輸出電源的各項(xiàng)電氣參數(shù),觀察有無(wú)報(bào)警,檢查裝置內(nèi)部冷卻風(fēng)扇是否運(yùn)轉(zhuǎn),定期停機(jī)檢查內(nèi)部接線的松脫情況和對(duì)內(nèi)部各器件上灰塵、污垢進(jìn)行清潔,蓄電池組和電解電容根據(jù)使用周期應(yīng)及時(shí)更換。持續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)工作,可以延長(zhǎng)裝置內(nèi)部各器件的使用壽命,保證裝置能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行,從而提高負(fù)載運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,使船舶在任何工況下可以持續(xù)、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行。

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