苗付杰 杨家勇 闫鹏

（盛隆化工有限公司 山东省滕州市 277519）

1 引言

高压交流电机变频调速是目前节约电能、改善电机运行环境的一种主要手段，具有优异的调速和启制动性能等诸多优点。基于高压变频器的优异调速及节电性能，高压变频器在化工厂高压交流电动机调速领域得到越来越广泛的应用。高压大功率变频器能否稳定运行，很大程度上决定着化工厂的安全和生产稳定。高压变频器是自动化、智能化高度综合的设备，对设备管理和维护人员提出了更高的要求。因此，设备管理和维护人员采取预防性维护措施降低高压变频器故障发生的可能性，并提高故障处理能力就显得尤为重要。

2 高压变频器的工作原理和重要部件作用

高压变频器的工作原理：根据电机学的基本原理，交流异步电动机的转速表达式为n=(1-s)60f/p,式中n 为电机转速，s 为滑差，f 为电机运行频率，p 为电机极对数。异步电动机在保证转差率和磁极对数不变时，转速随电源频率的增加而增加。因此，通过改变异步电动机的供电频率，可以改变异步电动机的转速，从而实现调速功能。变频器是利用半导体的通断作用将工频电源变换为电压可变、频率可变的适合交流异步电动机调速需求的电能控制装置。用于3kV、6kV、10kV 电压等级电机调速的变频器称为高压变频器。

高压变频器主要由旁路柜、移相隔离变压器柜、功率单元柜和控制柜组成。三相高压电进入高压开关柜，经输入降压和移相等处理后为功率柜中功率单元供电。功率单元主要由IGBT、单元驱动板等组成。IGBT 为功率开关器件，单元驱动板负责和主控通讯，从主控得到IGBT 的开关状态并把故障情况报告给主控。功率单元与控制部分采用光纤通讯，主控制柜中的控制单元经过光纤对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆变控制、检测等处理。主控部分与PLC 双向通讯，从PLC 接受信息，同时把信息反馈给PLC。控制柜中控制单元将控制信息发送至功率单元中进行整流、逆变等调整，输出满足负荷需求的电压等级。

旁路柜的作用：当高压变频器出现故障导致电机无法正常工作，旁路柜可以满足电机连续运转的要求，从而提高设备运行的可靠性。

移相变压器的作用：移相变压器主要是降压和移相，抑制变频器的谐波，避免对电网造成影响。移相变压器相当于增加了整流器的脉数。整流器脉数越多，输入电流谐波越小，对电网的谐波干扰越小。移相变压器可以将输入的高压工频电变成相互绝缘、电位独立的低压工频电输出。移相变压器将输出的低压工频电送到各个变频单元中，各变频单元将输入的低压交流电经整流滤波变成直流电。

移相变压器的工作原理：移相变压器将高压变换为副边的多组低压。每个功率单元由一个绕组供电，每个绕组采取延边三角形接法，这种多绕组隔离变压器的二次线圈互相存在相位差。采取这种多级移相叠加的整流方式可以有效消除各功率单元产生的谐波电流对电网的干扰，使变频器网侧电流为正弦波。

功率单元的作用：功率单元是高压变频器主回路的主要组成部分，在高压变频系统中能够起到整流、滤波、逆变的作用。在高压变频系统中每个功率单元相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。主要功率器件为整流桥、电解电容、IGBT、可控硅。整流桥的作用是整流，将交流变为直流。电解电容的作用是对整流桥整流后的直流进行滤波，并具有储能功能。IGBT 的作用：IGBT 是Insulated Gate Bipolar Transistor 的简称，中文名为绝缘栅双极晶体管。绝缘栅双极晶体管集合了大功率晶体管和功率场效应管二者的优点，具有工作速度快、驱动功率小、电流能力大、导通压降低的特点。绝缘栅双极晶体管是功率单元上的重要部件，作用是将直流转变为交流，也就是逆变。可控硅（Silicon Controlled Rectifier的简称）的作用：可控硅是可控硅整流器的简称，是一种可控整流电子元件。可控硅能在外部控制信号作用下由断开变为导通。一旦可控硅导通，外部控制信号就无法使其断开，只能靠去除负载或降低其两端电压的方法使其断开。可控硅一般应用在充电电路和旁通回路，相当于“电子开关”。

3 高压变频器的维护和预防性检修

3.1 高压变频器的维护

由于环境的温度、粉尘、谐波及变频器内部器件老化等因素都会导致高压变频器发生故障，因此必须对高压变频器进行日常和定期的维护和保养。

高压变频器日常维护方法：

（1）每天检查记录高压变频器触摸屏报警信息、故障信息。

（2）每天检查记录变频器触摸屏输出频率、输出三相电压和电流。

（3）每天检查移相变压器有无异响、高温、异味。高压变频器正常运行期间变压器的线圈温升不能超过75℃。检查变频器内部有无异常声音，电机是否有异常振动。

（4）由于环境温度高很容易导致变频器模块过热甚至模块烧毁等故障的发生因此应将高压变频器运行环境温度控制在10 ～40℃。

（5）由于化工厂内腐蚀性气体和粉尘较多，对高压变频器内的电气元件腐蚀性较大，因此，应每周清洗一次变频器进风口滤网，每月清洗一次变频器室进风口滤网。

（6）定期巡查高压变频器内部螺栓、模块插件是否有松动或脱落，绝缘体有无变形、破损或因过热造成的老化变色。

（7）定期检查功率单元柜、变压器柜风机运行情况。

（8）定期检查变频器室内通风管路是否存在雨水进入风道内的情况，避免雨水通过风道进入变频器导致短路事故。通风管路要保证变频器端高于穿墙端，通风管路穿墙处户外要安装防雨棚。

3.2 高压变频器预防性检修措施

定期检查接线端子是否紧固，保证各个电气回路的正确可靠连接，及时采取预防性检修措施，能够大大减少高压变频器故障的产生。

（1）高压变频器停机检修时必须在高压停电15 分钟后才能打开高压柜门。停机后要全面检查一次变频器内部所有电气连接的紧固性，检查控制柜内部的卡件是否松动，查看各个回路有无异常的放电痕迹，有无变色、破损现象。功率单元和进线贵接线端子、变压器接线柱有无氧化、腐蚀现象，连接处螺母有无松脱。接线端子和绝缘柱若存在老化开裂和变形，必须及时更换。各接线端子若有松动现象，必须进行紧固。

（2）变频器柜内积尘潮湿易引起放电现象，会造成模块故障。高压变频器散热要求通风量大，运行期间积尘较严重，因此必须认真做好高压变频器功率单元柜和变压器柜的除尘工作。每运行三个月，应用吸尘器对控制柜内部、功率单元、变压器一次、二次线圈进行一次全面除尘。

（3）定期对功率单元快熔进行仔细检查，发现熔断必须及时更换。

4 高压变频器常见故障及处理方法

高压变频器的故障一般分为轻故障和重故障两类。一般将不影响变频器运行的故障称为轻故障，如电机轻度过载、单元柜风机故障、变压器轻度过热等。高压变频器重故障指的是故障出现后变频器立即停机并切断输入侧高压。当发生轻故障时，变频器发出间歇的音响报警和故障指示。在报警时，若发出报警解除指令，则变频器会取消报警。轻故障虽然不会导致变频器立即停机，但也要引起高度重视，及时采取处理措施。当发生重故障时，变频器会连续报警并自动跳闸停机，故障原因会被系统记录。只有重故障彻底排除后，用复位按钮将系统复位后才能重新开机。

高压变频器的常见故障类型主要有过电流、过电压、熔断器故障、功率模块故障、光纤故障等。出现这些故障时，一般情况下高压变频器会显示故障代码便于排除故障，但有些故障用常规手段难以检测，需要从多方面进行分析，逐一排除才能找到故障点。

4.1 变频器过电流

故障产生的原因：过电流故障主要发生在IGBT 器件。IGBT是高压变频器的关键器件，容易发生过流故障。在高压变频器运行过程中发生的IGBT 过流故障主要是由IGBT 被击穿、变频器输出短路、驱动检测电路损坏导致。如果外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿也容易引起过电流故障。

处理方法：可通过高压变频器监控界面显示的故障定位查询定位找到对应的模块，对模块进行拆检。如模块未损坏，则是驱动电路出了故障。

4.2 变频器过电压

故障产生的原因：高压变频器过电压主要发生在高压变频器的中间直流回路。中间直流回路过电压严重时会使电解电容器发生爆裂、击穿功率单元控制板。中间直流回路过电压主要是由电源输入侧电压超过保护值和负载侧电压超过直流回路的电解电容器保护值引起的。电源输入侧电压超过保护值一般是由外电网电压波动或是雷电形成的冲击电压导致。负载侧过电压一般是由负载侧回馈的电能电压超过直流回路的电解电容器保护值导致。

处理方法：

对于电源输入侧过电压可采用在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法进行处理。可利用变频器中可设定的参数（减速时间参数和减速过电压自处理功能）采取分段减速方式使负载动能逐渐释放，可以避免过电压。在中间直流回路上适当增加电容，可以提高回路承受过电压的能力。在功率单元内增加与负载相匹配的泄放电阻，释放中间直流回路上的多余能量，是避免负载侧过电压的有效方法。

4.3 熔断器故障

高压变频器出现熔断器故障时一般会在变频器人机界面上显示，维护人员可以根据人机界面上显示的单元号码进行查找。用万用表将对应单元的两个熔断器进行检查，发现熔断时应及时更换熔断器。更换熔断器后进行送电和故障复位，高压变频器一般可恢复正常运行。若高压变频器不能恢复正常运行，就必须更换功率单元。

熔断器在高压变频器运行过程中故障率较高，在做好日常检查维护的同时应做好备件的储备。

4.4 功率模块故障

故障产生的原因：

（1）功率模块过热。一般是由于周围环境温度高造成的。

（2）化工厂内高压变频器控制室周围气体腐蚀性较强，对功率模块电子元件易造成侵蚀，易造成功率模块故障。

处理方法：如果功率模块损坏，必须及时更换新模块。更换高压变频器功率模块必须在变频器高压停电15 分钟后才能进行。待所有功率单元的指示灯熄灭后才能拔掉故障单元的光纤头。卸下故障单元的输入电源接线盒输出连接铜排。拆下故障单元与轨道的固定螺钉，将故障单元沿轨道拔出。按拆卸相反的顺序将备用单元装上并接线。最后，进行系统重新上电投入运行。

4.5 光纤故障

故障产生的原因：光纤故障通常由于功率单元与控制器之间接触不良造成的。光纤通信控制板损坏、光纤头脱落和光纤连接部位接触不良也会导致光纤故障。

处理方法：先检查是功率单元侧故障还是控制器侧出现故障。高压变频断电后对功率单元进行放电，然后检查光纤头是否松动或折断，检查光纤收发器是否进灰。故障位置难以判断时，可将高压变频器断电，然后根据故障记录用备用功率单元替换可疑功率单元。给高压变频器通电后，如果故障消失则确定为功率单元故障，反之，则是控制器故障。可以通过对调光纤的方法进行判断是功率单元故障还是控制器出现了故障。

5 结束语

化工厂高压变频器能否可靠稳定运行的关键在于事故的预防和维护管理。根据高压变频器配置情况制定科学、合理的维护方案，做到日常维护和预防性维护紧密配合，对高压变频器进行全面、有计划的维护，是高压变频器能长期稳定运行的重要措施。