高 瑩

(沈冶重型裝備(沈陽(yáng))有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110027)

0 引言

隨著自動(dòng)化及自動(dòng)控制行業(yè)的不斷發(fā)展,目前變頻器在鋁電解多功能機(jī)組上已經(jīng)普遍應(yīng)用,不同的設(shè)備制造商對(duì)變頻器的應(yīng)用品牌和功率的選擇略有不同,但在鋁電解多功能機(jī)組上,大小車行走、出鋁鉤升降等驅(qū)動(dòng)基本采用了變頻調(diào)速技術(shù)。和早期的設(shè)備中應(yīng)用到的切電阻調(diào)速相比,變頻調(diào)速設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn),設(shè)備加速和減速柔和,機(jī)械沖擊小。

鋁電解多功能機(jī)組屬于一種特殊的起重機(jī)械,由于電解車間電解工藝的要求,車間內(nèi)鋁電解多功能機(jī)組的滑線供電系統(tǒng)不允許引入地線,在鋁電解多功能機(jī)組的供電系統(tǒng)中,為了進(jìn)一步保證設(shè)備和檢修人員的安全,采用隔離變壓器對(duì)電源進(jìn)行二次隔離,不引入地線,所有的電氣設(shè)備都處于非接地運(yùn)行狀態(tài),電解機(jī)組大梁上的設(shè)備外殼都與大梁等電位,所以對(duì)于一些電氣設(shè)備來(lái)說(shuō),天車的大梁就是這些電氣設(shè)備的懸浮地,電解機(jī)組上應(yīng)用的變頻器無(wú)法接地。

自從變頻器應(yīng)用到鋁電解多功能機(jī)組上之后,有多家用戶反映設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中,突然操作某些動(dòng)作無(wú)反應(yīng),一般是變頻器驅(qū)動(dòng)的設(shè)備無(wú)法運(yùn)行。出現(xiàn)這種情況時(shí),經(jīng)過(guò)檢查會(huì)存在變頻電機(jī)損壞造成單相接地(懸浮地)或變頻器到電機(jī)之間的電纜出現(xiàn)問(wèn)題造成變頻器輸出側(cè)單相接地(懸浮地),大部分燒毀的變頻器都是整流環(huán)節(jié)損壞,這種情況一般燒毀變頻器不止一臺(tái),給設(shè)備使用企業(yè)帶來(lái)了較大經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí),用戶需要準(zhǔn)備備件并進(jìn)行變頻器更換,即使有備件,完成變頻器安裝和調(diào)試后,設(shè)備也需要4 小時(shí)以上能投入使用,如果沒(méi)有備件設(shè)備停用時(shí)間更長(zhǎng),給車間的生產(chǎn)工作帶來(lái)了巨大壓力。

變頻器集中燒毀,給用戶帶來(lái)的損失不僅僅局限于變頻器本身更換備件的費(fèi)用,影響生產(chǎn)工作可能會(huì)給用戶帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失,很多用戶對(duì)這一問(wèn)題都非常重視,必須采取相應(yīng)措施,避免這種情況的多臺(tái)變頻器集中燒毀,保證設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,滿足生產(chǎn)要求。

1 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

為了更好地分析現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的故障,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中同時(shí)出現(xiàn)工具車和出鋁車沒(méi)有動(dòng)作進(jìn)行實(shí)地檢查和數(shù)據(jù)檢測(cè)。

該設(shè)備大車依靠2 臺(tái)22 kW 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、2 臺(tái)電機(jī)由一臺(tái)90 kW 的變頻器拖動(dòng),工具車和出鋁車都依靠2 臺(tái)5.5 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)、2 臺(tái)電機(jī)由一臺(tái)18.5 kW 的變頻器拖動(dòng),在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中突然發(fā)現(xiàn)工具車、出鋁車均無(wú)法運(yùn)行,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn),工具車及出鋁車變頻器均已燒毀,內(nèi)部有較為嚴(yán)重的電路板燒毀痕跡,經(jīng)進(jìn)一步確認(rèn)均為整流板損壞,有些電容嚴(yán)重?fù)p毀,大車變頻器到電機(jī)的電纜無(wú)破損;為了進(jìn)一步了解具體情況,采用萬(wàn)用表和兆歐表等檢測(cè)工具進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè),在不操作大車行走時(shí),變壓器二次側(cè)電壓分別為385 V、386 V、385 V。操作大車行走時(shí),變壓器二次側(cè)電壓分別為535 V、538 V、536 V,電壓顯著升高,因該實(shí)驗(yàn)有一定破壞性,為了避免事故擴(kuò)大,只對(duì)大車行走操作時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)一次。之后對(duì)大車行走變頻器、大車變頻器到大車電機(jī)的電纜以及大車電機(jī)進(jìn)行詳細(xì)檢查,發(fā)現(xiàn)電機(jī)一組繞組與電機(jī)外殼無(wú)絕緣,單相與大梁短接,電阻為0 Ω,大梁與隔離變壓器中性點(diǎn)之間電阻為0 Ω。

2 電解機(jī)組變頻器單相對(duì)地分析

交流變頻調(diào)速技術(shù)原理是把工頻50 Hz 的交流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電,在改變頻率的同時(shí)也改變電壓,從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接相關(guān),即頻率越快、轉(zhuǎn)速越快。隨著設(shè)備工藝對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求的變化,變頻器可以調(diào)高或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速以滿足設(shè)備工藝對(duì)電機(jī)速度要求。

為了使變頻器輸出交流電壓的波形近似為正弦波,使電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),從而獲得良好的工作性能,目前變頻器都是采用脈寬調(diào)制控制完成。

一個(gè)連續(xù)函數(shù)可以用無(wú)線多個(gè)離散函數(shù)逼近或替代的,在通用變頻器采用的交-直-交變頻裝置中,前級(jí)整流器是不可控的,給逆變器供電的是直流電源,其幅值恒定,可以設(shè)想用多個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖波來(lái)替代正弦波,每一個(gè)矩形波的面積都與相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)正弦波的面積相等,則這一系列矩形波的合成面積就等于正弦波的面積,也即有等效作用,這就是變頻器的正弦脈寬調(diào)制。

將變頻器的某一相輸出電壓?jiǎn)螛O性正弦半波n等分,把每一份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)替代,矩形脈沖的幅值不變,各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合,同樣,正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法與一系列負(fù)脈沖波等效,這樣就形成了spwm 波形,以上是以變頻器單相上的電壓進(jìn)行分析的,實(shí)際上變頻器輸出電壓是經(jīng)正弦脈寬調(diào)制后的高頻脈沖系列,是一系列等高矩形脈沖波,振幅值等于直流電壓,脈沖的占空比按正弦規(guī)律分布,在一個(gè)周期內(nèi),脈沖的寬度和各脈沖之間的間隔是不相等的。由于電動(dòng)機(jī)的繞組具有電感性,因此,盡管電壓是由一系列的矩形脈沖構(gòu)成的,但通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流卻和正弦波十分接近。為了提高等效的精度,矩形波的個(gè)數(shù)越多,電壓波動(dòng)相對(duì)越小,調(diào)制出來(lái)的波形越接近于正弦波,變頻器的性能越好。

圖1 變頻器單相單極性正弦調(diào)制波

變頻器的輸出電壓的有效值隨頻率而變化,即:

式中fx—變頻器的輸出頻率,Hz;

Uc—比例常數(shù)。

變頻器各相之間的線電壓有效值相等,頻率相同,相位角不同,各相之間的相位差相等,與變壓器二次側(cè)的交流電壓類似,只是在有效值的大小、各相輸出電壓的周期及初相位不同,這也是二者在特定條件下形成疊加造成變壓器二次側(cè)電壓大幅升高的一個(gè)重要因素。

變頻器輸出電壓的有效值隨著頻率的升高而不斷升高,變頻器的輸出屬于等幅不等寬的脈寬調(diào)制波,是通過(guò)逆變環(huán)節(jié)以變頻器直流母線上的電壓為基礎(chǔ)通過(guò)脈寬調(diào)試完成的變頻器交流電的輸出,所以,在變頻器某相有電壓輸出的時(shí)刻,該電壓等于變頻器直流母線電壓,沒(méi)有電壓輸出時(shí),電壓為0 V,變頻器的輸出電壓就是在0 V 和與直流母線電壓相等的電壓值之間跳動(dòng)。交流380 V 變頻器直流母線電壓:

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,變頻器的輸出電壓在0 V和537.32 V 兩個(gè)數(shù)值之間不斷跳動(dòng),脈沖的占空比按正弦規(guī)律變化,在一個(gè)周期內(nèi),脈沖方波的寬度和時(shí)間間隔是不相等的。

變頻器問(wèn)世以來(lái)發(fā)生了很多變化,變頻技術(shù)也隨著電力電子及電子元件的性能變化而不斷變化,應(yīng)用電子器件性能不斷提高,也使變頻器性能越來(lái)越好,穩(wěn)定性也越來(lái)越高,自從變頻器應(yīng)用到國(guó)產(chǎn)鋁電解多功能機(jī)組上之后,已經(jīng)進(jìn)行了多代更新,與最開(kāi)始的變頻器相比,功率越做越大,體積越來(lái)越小,穩(wěn)定性越來(lái)越好,保護(hù)功能越來(lái)越全面,操作越來(lái)越簡(jiǎn)單,抗干擾能力也越來(lái)越強(qiáng)。目前應(yīng)用到工業(yè)上的變頻器電壓輸出波形基本近似多脈動(dòng)正弦波,因電機(jī)繞組的感性存在,電機(jī)內(nèi)的電流更趨近于正弦波。圖2 為典型的變頻器輸出電壓的等效波形。

圖2 變頻器輸出電壓等效波形

在電解機(jī)組的供電系統(tǒng)中,采用隔離變壓器對(duì)電解機(jī)組的供電系統(tǒng)與供電電源進(jìn)行了有效隔離。變壓器的二次側(cè)相電壓瞬時(shí)值:

式中ω—角頻率;

Φ—初相位。

任意兩相電壓之間的相位角都是相差120 度。

變壓器二次側(cè)電壓波形如圖3 所示。

圖3 電解機(jī)組隔離變壓器二次側(cè)電壓波形圖

因電解機(jī)組的工藝要求,電解機(jī)組標(biāo)配漏電保護(hù)功能,該功能通過(guò)一個(gè)微型斷路器檢測(cè)特殊位置電機(jī)外殼和隔離變壓器中性點(diǎn)之間的電流來(lái)完成電機(jī)的漏電保護(hù)功能。

正常情況下,電機(jī)的外殼與電機(jī)的繞組之間是絕緣的,電阻值是無(wú)窮大的,電機(jī)外殼與隔離變壓器中性點(diǎn)之間沒(méi)有電壓,就不會(huì)產(chǎn)生電流,微型斷路器中沒(méi)有電流流過(guò),一直處于合閘狀態(tài),不會(huì)跳閘;一旦電機(jī)發(fā)生漏電時(shí),電機(jī)外殼相當(dāng)于某一相火線,因電機(jī)外殼和變壓器中性點(diǎn)之間是等電位的,火線和零線之間存在電壓,自然會(huì)產(chǎn)生電流,使得微型斷路器跳閘,微型斷路器通過(guò)控制系統(tǒng)停止設(shè)備供電,完成電解機(jī)組特殊位置電機(jī)的漏電保護(hù)功能。

圖4 電解機(jī)組漏電保護(hù)原理圖

鋁電解多功能機(jī)組的這一漏電保護(hù)功能,造成了變壓器的中性點(diǎn)與電解機(jī)組的大梁等電位,變壓器中性點(diǎn)連接于電解機(jī)組大梁這個(gè)懸浮地上。一旦發(fā)生變頻器電機(jī)絕緣破壞或變頻器到電機(jī)的電纜破皮單相連接到大梁,則變頻器的輸出電壓將回到隔離變壓器的中性點(diǎn)。

當(dāng)大車變頻電機(jī)一相繞組絕緣損壞單相對(duì)地(懸浮地)后,操作大車行走動(dòng)作時(shí),變頻器開(kāi)始運(yùn)行,大車行走變頻器輸出的三相交流低頻電壓中的一相就會(huì)通過(guò)動(dòng)力電纜、電機(jī)鐵心、漏電保護(hù)電機(jī)保護(hù)線路、隔離變壓器中性線疊加到供電變壓器二次側(cè)三相電源上。

圖5 的波形是施加到變壓器中性點(diǎn)的變頻電機(jī)故障相的電壓波形,圖6 是變壓器二次測(cè)三相交流電的電壓波形,由于電解機(jī)組大車行走變頻器是將變壓器二次側(cè)三相交流電壓整流、逆變成不同頻率的三相交流電壓,大車行走變頻器相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的電源,其輸出的電壓波形初相位、頻率與隔離變壓器二次側(cè)供電不同。根據(jù)電源疊加原理,施加到變壓器中性點(diǎn)的變頻電機(jī)故障相的電壓與隔離變壓器二次側(cè)的三相交流電壓都將出現(xiàn)疊加現(xiàn)象,雖然變壓器二次側(cè)三相電的初相位不同,但是三相電壓的幅值和頻率是相等的,所以疊加后三相電壓的最大值要比原來(lái)大得多,且三相電壓的有效值基本相等。變頻器容量越大,啟動(dòng)時(shí)負(fù)載電流越大,則疊加后的電壓越高,其危害程度也越嚴(yán)重。因此當(dāng)容量最大的大車行走電機(jī)單相繞組對(duì)電機(jī)外殼擊穿后,電機(jī)繞組的一相和大梁等電位,造成隔離變壓器繞組、變頻器、電機(jī)、漏電保護(hù)回路等導(dǎo)體構(gòu)成電流通路,大車行走變頻器啟動(dòng)時(shí),逆變器輸出的電壓頻率從0 Hz 緩慢地增加,變頻器輸出0～50 Hz 交流電壓與供電系統(tǒng)50 Hz 交流電壓相互疊加,導(dǎo)致隔離變壓器二次側(cè)三相電壓大幅升高,工具車變頻器和出鋁車變頻器相對(duì)容量較小,抗電壓波動(dòng)的能力相對(duì)較小,所以工具車行走變頻器、出鋁車行走變頻器整流單元同時(shí)燒毀。

圖5 變頻器輸出的漏電相電壓波形圖

圖6 三相電源波形圖

3 解決方案

更換大車行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)、工具車行走變頻器、出鋁車行走變頻器,變頻器上電后調(diào)整參數(shù)后,設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行,在大車行走變頻器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),多次測(cè)量電解機(jī)組隔離變壓器二次側(cè)電壓,沒(méi)有明顯過(guò)高的情況。設(shè)備恢復(fù)了正常運(yùn)行,但并沒(méi)有真正解決問(wèn)題,應(yīng)該找到解決變頻電機(jī)絕緣擊穿或變頻器到電機(jī)之間的電纜破損造成單相接地(懸浮地)燒毀變頻器的辦法。

從以上的分析可以看出,在出現(xiàn)變頻電機(jī)絕緣故障或變頻器到電機(jī)之間的電纜破損造成單相接地的情況時(shí),隔離變壓器的二次側(cè)電壓會(huì)有明顯升高,可以考慮通過(guò)一種瞬時(shí)反應(yīng)的過(guò)壓保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隔離變壓器二次側(cè)電壓。在鋁電解多功能機(jī)組的控制系統(tǒng)中,在隔離變壓器二次側(cè)增設(shè)超壓保護(hù)裝置和變頻器供電控制接觸器,超壓保護(hù)裝置檢測(cè)到過(guò)電壓的情況,立即向控制系統(tǒng)發(fā)出過(guò)電壓信號(hào),控制系統(tǒng)PLC 執(zhí)行之前設(shè)定好的程序,斷開(kāi)變頻器供電控制接觸器,變頻器供電電源斷開(kāi)停止故障電機(jī)回路中變頻器的輸出,避免造成其他變頻器及該變頻器本身的燒毀問(wèn)題。同時(shí),在控制系統(tǒng)的觸摸屏上給出報(bào)警畫(huà)面彈出對(duì)話框,提示故障原因及處理方案。其電氣原理圖如圖7 所示:

圖7 過(guò)壓保護(hù)電氣原理圖

GY01 時(shí)刻監(jiān)測(cè)著T1 二次側(cè)的電壓,一旦出現(xiàn)變頻器輸出電纜單相對(duì)地造成T1 二次側(cè)電壓升高,則GY01 立即動(dòng)作,并將控制信號(hào)發(fā)送到PLC,PLC根據(jù)內(nèi)部程序,立即將KM1 斷開(kāi),KM1 下面的變頻器立即斷電,同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警,避免造成損失。

為了保證該保護(hù)功能的穩(wěn)定可靠,選用瞬斷型超壓保護(hù)裝置,避免動(dòng)作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)起不到對(duì)變頻器的保護(hù)作用,這一點(diǎn)是解決方案的關(guān)鍵所在,為了確認(rèn)方案的可行性,控制系統(tǒng)增設(shè)過(guò)壓保護(hù)器及變頻器電源控制接觸器后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn),模擬電解機(jī)組大車行走變頻器輸出電纜單相接地,過(guò)壓保護(hù)立刻動(dòng)作,在變頻器沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題的情況下,控制系統(tǒng)及時(shí)斷開(kāi)了變頻器供電控制接觸器,觸摸屏彈出故障報(bào)警對(duì)話框,給出了故障原因和處理方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電解機(jī)組變頻器發(fā)生單相接地故障造成變頻器集中燒毀的分析,闡明了變頻器集中燒毀的具體原因,并根據(jù)分析結(jié)果提出了具體的措施和解決方案。該技術(shù)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行,有效保護(hù)了變頻器,性能穩(wěn)定、判斷準(zhǔn)確、得到了良好的使用效果。