一种电压源型高压变频器的检测方法研究

2015-07-11赵曙伟

电气传动 2015年9期

关键词：调压器变频器变压器

赵曙伟

（神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东台山529228）

面对现今社会日益紧迫的竞争压力，减少工业生产过程中的能耗变得尤为重要，急需充分开发并利用一切具有节能潜力的生产环节来实现节能降耗。高压变频器的成功开发及推广应用对工业企业落实节能降耗具有重要的意义。

1 高压变频器节能原理

由电机学可知n=60f（1-s）/p，三相异步电动机的转速n 与电源频率f、转差率s、电机极对数p有关。n与f之间为线性关系，变频调速通过改变电源频率f 来实现调节电动机转速，转速调节范围宽，不存在励磁调节和节流作用带来的功率损失。

对于风机和泵类负载，由流体力学理论可知，流体流量Q与风机或泵类的转速一次方成正比，转矩H与转速的二次方成正比，而其功率P则与转速3次方成正比：

转速减少时，电机的能耗将以其3 次方的比率下降，由此体现出节能效果。

2 高压变频器系统结构

以额定电压6 kV，6 级级联电压源型国产高压变频器（H桥元件IGBT）为研究对象。

高压变频器的配置根据电压等级、功率、型号以及其它因素的不同而有所不同，但主体结构基本都包括工频旁路、变压器、功率单元、主控系统等，电压源型高压变频器工作原理是将电网送来的三相6 kV/50 Hz 交流电，经移相变压器，供电给18个功率单元，每个功率单元的额定输出电压为577 V，相邻功率单元的输出联接起来，每相6 个功率单元进行叠加，使得高压变频器的额定输出相电压为3 464 V。三相共18 个功率单元，形成Y 联接结构，使得线电压为6 000 V，直接供给感应电动机，典型电路拓扑结构如图1所示。

图1 变频器电路拓扑结构图Fig.1 The converter circuit topology map

每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/6的相电压和1/18的输出功率。对于不同的输出电压等级，串联的模块数目是不同的，但其基本原理是一样的。

3 高压变频器故障形式

高压变频器的故障分为“重故障”和“轻故障”两种，其中“重故障”出现后会立即停机，并切断高压输入电源；“轻故障”不会影响到变频器的正常运行，但是应该及时处理，以免演变为重故障。

当故障出现后虽然变频器自身会有相应的故障信息提示，用于判断故障元件之所在，但是实际应用经验证明并不是所有的故障信息都可以准确定位故障元件，并不是所有的故障元件都可以在报警信息中反映。对于重故障的情况，如果不能一次将所有故障都排除，就会造成高压输入电源开关的多次跳闸，对电源系统造成不利的影响。因此就需要尽可能一次性地将故障排除或者脱离电源系统进行故障排查。

3.1 回路故障

有实际案例表明，如果不相邻功率单元的输入回路出现连接交叉错误，变频器启动后会导致输出短路，此时变频器无法正确判断回路错误的功率单元，会引起处于中间位置的无异常功率单元报故障，而处于后面的故障元件由于主控系统已关断输出而报不出故障。

3.2 通讯故障

变频器的控制系统和功率单元的信号传输是通过光纤进行，包括上行光纤和下行光纤，如果上行光纤、下行光纤或两端的发送、接收部分有故障时，变频器会报出哪个通道故障，但是无法区分是哪个元件的问题。

3.3 过载、过流

变频器的输入、输出均有电流检测，当主控系统检测到输入或输出电流达到过载、过流定值时会重故障停机，一般情况下是由于信号干扰、电流检测元件故障、电机过载（流）引起保护元件动作。但是还有一种情况就是其中有一个或多个功率单元输出电压较低或无输出，对于这种情况变频器是无法判断出特性欠佳的功率单元的，并且也难以通过常规检查手段查出。

4 高压变频器检测方法

高压变频系统使用灵活，根据实际需求有多种连接方式，图2为典型的一拖一手动旁路系统。

图2 一拖一变频系统图Fig.2 Drag a variable frequency system diagram

其中移相变压器为Y/△/Yn 接线方式，低压侧△采用延边三角形联接，每相分为6 个不同的相位组，互差10°（电角度）；低压侧Yn 额定输出电压380 V，并为主控系统提供输入电源电压信号。

对变频器检测之前首先要甩开高压变频器的输入（移相变压器的输入）电缆和输出（功率单元的输出）电缆，即将变频器从6 kV 电源系统完全隔离出来，变频器置变频方式状态。采取从低压侧Yn绕组加入380 V工频电源的方法，模拟为变频器提供输入电源来进行检测，而全部的检测工作需要的仅仅是1 台调压器和1 个380 V 电源。检测接线原理如图3所示。

图3 检测接线原理图Fig.3 Detection of wiring diagram

4.1 单体检测

将A，B，C 三相所有功率单元的输出串联母排和中性点母线拆开，使用380 V 电压输入的调压器作为移相变压器的输入电源，变频器的容量越大要求调压器的容量越大（建议2 000 kV·A以上的变频器使用9 kV·A 以上的调压器）。缓慢升高调压器输出电压至380 V（移相变压器高压侧为额定电压6 000 V），测量每个功率单元的输入线电压应为（实际工程应用中，对于大容量电动机和变频器，满载运行情况下电压会有一定的下降，移相变压器选型时UΦΦ可能会略高于计算值，故UΦΦ应以变压器实际变比为准）。在不具备远程操作条件的情况下，可选择切换至就地方式启动变频器并进行频率调节。

用示波器观察各功率单元的输出PWM 波形，脉冲数m 与IGBT 开关频率F、变频器运行频率f 有关，其关系是：m=F/f（上下半波各一半）。当频率升至50 Hz（IGBT 开关频率为1 200 Hz）时，每个功率单元输出PWM 波形，如图4 所示（每个周期内上下半波均为12 脉冲）。因模块内部的铜排存在电感，输出电压值U0略高于输入电压，约为1.1×UΦΦ。

图4 功率单元50 Hz输出波形Fig.4 The power unit of the 50 Hz output waveform

当实际测量的输入线电压较UΦΦ有明显的偏差时，应全面检查各功率单元输入回路接线是否存在错误。

4.2 整组检测

因为移相变压器每组输出绕组都是独立的，功率单元的输出也是相互独立的，因此单体检测的成功只能验证各功率单元是完好的，并不意味着整个变频系统是正常的。当级联数较多且相邻功率单元输入接线交叉错误连接时，输入线电压不会有太大的偏差，单体检测时由于各功率单元是相互独立的，变频器不会有故障报警，而功率单元串联运行时会造成变频器的输出短路故障，所以还需要恢复所有功率单元的输出串联母排和中性点母线连接进行整组检测，验证包括外部回路在内的整个变频系统是否正常。检测方法和单体检测相同，变频器输出电压为每相6 个功率单元输出电压的串联叠加，线电压为6 000 V（见图5）。

图5 变频器串联叠加结构图Fig.5 Inverter series overlay structure diagram

4.3 检测结果

顺利通过单体和整组检测的变频器可以认为一切正常，可以带载试运；如果在检测的过程中有故障报警，就需要进行相应的故障排查，重新进行检测，直至全部检测都通过。

4.4 注意事项

由于使用该方法进行的变频器检测是空载试验，且输入电源是从移相变压器低压侧施加的，属于非正常运行方式，因此需要强调几点注意事项：

1）此种检测方法仅适用于有变压器的电压源型高压变频器，并不适用于无变压器电压源型和电流源型；

2）必须保证变频器主控系统检测输入电源的回路是正常的，因为主控系统只有在检测到输入电源正常的情况下才可给功率单元发出触发脉冲；

3）在给移相变压器低压侧Yn绕组施加电源之前，应确保Yn绕组不带有任何负载（例如散热风机等），以防调压器副边绕组电流过大，烧坏调压器；

4）为了保证变频器和系统的安全，当变频器重故障时会通过外部回路直接跳开输入电源开关，使得变频器脱离电源系统，因此在检测过程中要做好预防措施，当重故障时要立刻断开调压器输入空气开关，避免出现意外，特别是在启动变频器的时候；

5）当变频器处于工频方式下且电动机在运行中，需要采用此种方法进行检测时，要将变频器重故障跳输入电源开关的回路甩开，防止变频器有故障时将运行中的电源开关误分闸，造成不必要的损失；

6）移相变压器正常运行时为降压变压器，从Yn 绕组施加检测电源时变压器会以升压变压器的方式使高压侧输出电压，因此调压器输出需缓慢升压至380 V，并实时监测变频器的输入电压和电流（即调压器输出电压和电流），当输入电流随着输入电压的增大而快速增大时，说明调压器升压太快，应停止升压，待电流回落稳定后方可继续。输入电流的大小与变频器容量有关，容量越大电流越大。

5 技术特点

常规的检测方法是直接将高压变频器接入高压电源系统为移相变压器提供电源，只需将变频器输出接线甩开即可。当变频器发生重故障时会将高压侧开关跳开，其最大的缺陷是倘若未能一次性将所有故障都排除，则会造成高压侧开关的多次跳闸，对高压电源系统造成冲击影响；另外当电动机已切换至工频运行时，则无法对变频器进行检测。

而采用本文的方法进行高压变频器的检测，与高压电源系统毫无关系，操作简单，特别适用于变频器故障检修而电动机又需要运行的情况，此时只需将电动机切换为工频运行，再将变频器隔离就可以完成多次、全面的检测工作；同样也适用于变频器修后的检测，在自行检测变频器功能正常后再投入高压电源系统，对变频器的顺利投运是非常有利的。

实际工程案例表明，当处于湿度较大环境中的变频器长时间停运时，功率单元等电子元器件可能由于受潮而不能正常启动运行，反复使用其中的单体检测方法能使受损的功率单元等逐步恢复正常性能。