鄭磊

隨著高壓變頻器技術(shù)的日益成熟，在水泥生產(chǎn)過程中，利用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以靈活調(diào)節(jié)設(shè)備運轉(zhuǎn)速度、隨時調(diào)整系統(tǒng)用風(fēng)、不斷滿足生產(chǎn)要求，還可以大幅改善功率因數(shù)，達(dá)到節(jié)能目的。同時，采用變頻調(diào)速技術(shù)可以實現(xiàn)風(fēng)機(jī)類重載負(fù)荷設(shè)備的軟啟動，大大降低對電網(wǎng)及機(jī)械負(fù)載的沖擊；對需要動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)類設(shè)備，變頻器啟動時可大幅降低電動機(jī)及其負(fù)載的機(jī)械磨損，振動和噪聲也顯著降低，可有效延長設(shè)備的使用壽命。

1 設(shè)備系統(tǒng)配置情況

我公司有一臺?3.8m×13m 球磨機(jī)，配套輥壓機(jī)型號為CLF150100-D-SD；循環(huán)風(fēng)機(jī)型號為Y5-51No22D，左45°，風(fēng)機(jī)電動機(jī)型號為YPKK5002-8，功率280kW，電壓10kV，額定電流22.9A；變頻控制器型號為ZINVERT A8H400/108，設(shè)備運行至今已有8年時間。

該變頻器為直接高壓輸出電壓源型高壓變頻器，每相有8個功率單元，共有24個功率單元，功率單元型號為ZINVU-25/17D1-69C-B3-WP，正常運行時頻率為24~35Hz。該變頻器無需升壓即可啟動普通異步電動機(jī)，具有過流、短路、過壓、溫升等保護(hù)功能，能夠更精確地保護(hù)電動機(jī)；同時，該變頻器具有人機(jī)交互系統(tǒng)，界面采用液晶顯示，操作方便，功能豐富。

2 設(shè)備故障基本情況

2021 年 11 月 2 日 0：55 時，崗位工人用精密儀器對運轉(zhuǎn)設(shè)備點檢時發(fā)現(xiàn)，循環(huán)風(fēng)機(jī)電動機(jī)、風(fēng)機(jī)軸承座振動值由正常的0.7mm/s 左右上升至2.0mm/s左右，振動值存在明顯上升情況，聯(lián)軸器處有輕微異響；風(fēng)機(jī)前后軸承溫度、電動機(jī)自由端和負(fù)荷端軸承溫度、主電動機(jī)定子繞組溫度等關(guān)鍵運行參數(shù)沒有明顯變化。之后，繼續(xù)保持設(shè)備運行并加大巡檢頻次，重點關(guān)注風(fēng)機(jī)振動情況。白班接班后，專職點檢人員發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)振動值有進(jìn)一步上升的趨勢，尤其是軸向振動上升明顯，異響連續(xù)且聲音增大。立即組織停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)軸承正常，風(fēng)機(jī)軸承座潤滑油油量充足，無異常；對電動機(jī)和風(fēng)機(jī)作對中校正，清理風(fēng)機(jī)葉輪積灰，檢修后開機(jī)，風(fēng)機(jī)振動略有減輕。12h后，聯(lián)軸器處異響聲音較大、電動機(jī)內(nèi)部異響聲音變大，再次停機(jī)檢查。

結(jié)合前期排查情況，懷疑該懸臂結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)存在軸彎曲或軸裂紋。排查過程中，用百分表對風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器圓周跳動值進(jìn)行測定，其最大數(shù)值為0.03mm，屬于正常范圍，判定對輪側(cè)主軸不存在彎曲情況；利用超聲波探傷儀對風(fēng)機(jī)主軸進(jìn)行探傷，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)主軸在距軸斷面272~276mm 處有裂紋，立即組織搶修工作。因風(fēng)機(jī)位置較高，檢修不便，搶修共用時26h，更換了風(fēng)機(jī)主軸和風(fēng)機(jī)兩盤軸承（軸承型號：22328CCK/C3），搶修后風(fēng)機(jī)最大振動值由6.9mm/s降低至3.7mm/s，振動值雖明顯降低但仍未恢復(fù)到正常水平。再次檢查電動機(jī)和風(fēng)機(jī)對中情況，其垂直和水平偏差<0.04mm，采用硬連接方式現(xiàn)場固定電動機(jī)、風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器后試車，異響消失，風(fēng)機(jī)振動值接近正常運行狀態(tài)，初步判斷是電動機(jī)、風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器運行不同步導(dǎo)致的本次故障。

通過觀察變頻器人機(jī)交互界面，發(fā)現(xiàn)變頻器的B 相、C 相輸出電流分別為13.2A、13A，而A 相輸出電流為10.1A，輸出嚴(yán)重不平衡，認(rèn)為此次風(fēng)機(jī)振動異常是因變頻器逆變器觸發(fā)不到位，輸出電壓不平衡引起電流不平衡，致使電動機(jī)和風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器運行不同步造成。

結(jié)合以上故障情況分析，決定從機(jī)械故障和電氣故障兩方面展開排查。

3 設(shè)備故障原因排查

3.1 機(jī)械故障排查

排查電動機(jī)輸出端聯(lián)軸器和風(fēng)機(jī)輸入端聯(lián)軸器是否同步。我公司聯(lián)軸器使用時間較長，聯(lián)軸器孔之間可能存在不對稱情況，但沒有合適的聯(lián)軸器備件，無法進(jìn)行更換排查。在確保電動機(jī)和風(fēng)機(jī)對中準(zhǔn)確的前提下，決定利用3mm 厚的鐵片通過焊接方式硬性連接兩端聯(lián)軸器，鐵片重量接近，均布于聯(lián)軸器圓周方向。焊接完成后，風(fēng)機(jī)異響消失，其水平、垂直、軸向振動值恢復(fù)至0.7mm/s 左右，處于正常狀態(tài)。將連接鐵片增加至12 片，風(fēng)機(jī)振動恢復(fù)正常。通過以上排查，可排除機(jī)械故障引起的風(fēng)機(jī)振動。

3.2 電氣故障排查

排查變頻器輸出是否異常或電動機(jī)本身是否存在問題。

3.2.1 電動機(jī)電氣故障排查

為判斷電動機(jī)是否正常，對該設(shè)備的運行情況進(jìn)行了排查。

（1）檢測電動機(jī)電阻。使用2 500V 兆歐表對電動機(jī)進(jìn)行電阻測量，測得電動機(jī)定子三相對地阻值無窮大。

（2）觀察電動機(jī)工頻狀態(tài)下的運行情況。因變頻器配置了旁路柜，將高壓隔離開關(guān)手動切換到工頻啟動狀態(tài)，將電動機(jī)和風(fēng)機(jī)之間的聯(lián)軸器尼龍棒斷開，直接啟動電動機(jī)。經(jīng)檢測，在工頻狀態(tài)下，電動機(jī)正常啟動后，其三相電流穩(wěn)定，前后軸承垂直、水平、軸向振動值正常，內(nèi)部無雜音。運行半個小時后，電動機(jī)繞組溫度上升不明顯，軸承溫度溫升變化非常小。通過以上排查，可斷定電動機(jī)本身沒有故障。

3.2.2 變頻器電氣故障排查

排查變頻器各相電壓電流情況。圖1 為變頻器人機(jī)交互系統(tǒng)界面實時數(shù)據(jù)（25Hz），通過“主界面—數(shù)據(jù)監(jiān)控—實時電量”，查看變頻器各相電流和電壓運行參數(shù)可知，輸入電流和輸入電壓均正常，B 相、C 相輸出電壓略有升高，輸出電流分別為13.2A、13A，但A 相輸出電流僅為10.1A，輸出嚴(yán)重不平衡，且零序電壓偏高。

圖1 人機(jī)交互系統(tǒng)界面實時數(shù)據(jù)（25Hz）

根據(jù)變頻器電壓電流排查情況，分析認(rèn)為，變頻器A相中某個功率單元的逆變器觸發(fā)不到位，導(dǎo)致A項電流偏低，A相的相電壓偏低，中心點漂移。由于變頻器A 相功率單元輸出電壓未達(dá)到故障報警輸出設(shè)定，系統(tǒng)無法顯示出是哪個單元出現(xiàn)問題，需進(jìn)一步排查。

檢測變頻器在25Hz 運行時，每個功率單元直流電壓情況，檢測結(jié)果見表1。由表1 可知，A1 單元的直流電壓相對較低，存在問題的可能性較大。但自聯(lián)軸器直連后風(fēng)機(jī)振動正常，為保證水泥正常生產(chǎn)，保持風(fēng)機(jī)連續(xù)運行，需在停機(jī)時再進(jìn)行排查和更換。

表1 變頻器在25Hz運行時，每個功率單元的直流電壓情況

回顧功率單元修復(fù)情況，可知A1 功率單元由廠家修復(fù)（出廠時測試功率單元輸出電壓、波形均正常），10 月 28 日更換后運行正常，11 月2 日出現(xiàn)問題，正常運行一周。11 月 6 日 17：00 左右，風(fēng)機(jī)振動值突然從0.7mm/s上升至4.0mm/s，立即停機(jī)檢查。發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器處連接片斷裂，同時聯(lián)系電氣維修人員更換功率單元A1。更換功率單元后，變頻器輸出電流三相平衡，振動值下降至0.2mm/s，運行正常。對更換下來的變頻器A1 功率單元進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部逆變器觸發(fā)不到位，導(dǎo)致變頻器輸出側(cè)電壓不平衡，引起電流不平衡，輸出中性點產(chǎn)生偏移，波形混亂，不同單元之間出現(xiàn)相位角偏差，造成電動機(jī)磁場紊亂，輸出速度不穩(wěn)定。

4 改進(jìn)措施

高壓變頻系統(tǒng)由大量電力、電子器件及精密控制元件組成，電器元件經(jīng)長期運行后，受磁場、溫度、濕度，特別是灰塵的影響，其特性參數(shù)會產(chǎn)生變化，功能也會老化。正常生產(chǎn)運行中，若某個元器件出現(xiàn)異常，將會引起整個設(shè)備故障停機(jī)，從而影響整條生產(chǎn)線的運行，對企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生較大影響。在今后的工作中，為及時發(fā)現(xiàn)變頻器隱患，建議采取以下防范措施。

4.1 利用變頻器人機(jī)交互系統(tǒng)及WINCC 歸檔功能監(jiān)測變頻器運行狀態(tài)

（1）在日常巡檢或故障處理過程中，可通過變頻器人機(jī)交互系統(tǒng)的“主界面—數(shù)據(jù)監(jiān)控—實時電量”，觀察變頻器輸出電流和電壓是否存在異常，如三相電流輸出是否平衡、電壓是否平衡、零序電壓是否過高等，以及時發(fā)現(xiàn)變頻器功率單元是否存在隱患。

（2）將變頻器三相輸出電流信號全部引至中控室并實時顯示，利用WINCC歸檔功能，制作電流趨勢圖，以便及時發(fā)現(xiàn)變頻器異常運行情況。

4.2 利用大修時機(jī)維護(hù)改造高壓變頻器系統(tǒng)

（1）利用大修時機(jī)，對變頻器進(jìn)行徹底維護(hù)，重點是檢查更換電容，檢測驅(qū)動板觸發(fā)功能，用示波器測量輸出波形，檢查更換通信光纖等。

（2）利用大修時機(jī)，對變頻器進(jìn)行改造，使其具有功率單元旁路功能，當(dāng)某功率單元出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可對故障單元進(jìn)行切除，利用每相其余7個單元進(jìn)行工作，風(fēng)機(jī)輸出負(fù)荷不大，可滿足運行需要，降低電氣故障率。同時，若某功率單元出現(xiàn)故障，可利用變頻器手動旁路功能，對功率單元進(jìn)行逐個切除檢驗，大大縮短了變頻器故障處理時間，提高了工作效率。