高压变频器故障处理及功率模块维护

高压变频器故障处理及功率模块维护

李万果,张凭,宇鹏,李红霞,吴秋楠

（内蒙古京宁热电有限责任公 内蒙古乌兰察布 012000）

［摘 要］近年来火电机组逐步将大功率重要辅机设备，如送风机、引风机、凝结水泵、给水泵等改造为高压变频驱动，以达到节能目的。为了保障机组的安全稳定运行，要求高压变频器具有更高的可靠性。因此，本文介绍了变频器控制功能的要求，提出了发电厂高压变频器控制回路优化整改方案和功率单元模块的检查及常见故障， 对提高变频器运行可靠性具有一定的参考借鉴意义，以供相关专业技术人员参考。

［关键词］变频器；控制回路；功率单元；故障

［Keywords］frequency converter; power unit; fault

引言：我厂使用的多种厂家的高压变频器，一般通过多个功率单元经过移相串联实现高压波形输出，无需升压即可直接拖动普通异步电动机，改变输出频率和输出电压控制交流高压电动机转速。变频器整体结构上一般由整流变压器、功率逆变柜及控制柜组成，根据实际需求配套工频旁路切换柜。

1 变频器调接线和原理

1.1 变频器启动接线方式

目前，我厂的变频器启动接线方式有以下几种：一拖二接线(见图1)、一拖一旁路接线和(见图2)和一拖一刀闸接线(见图3)。

图1：一拖二接线  图2：一拖一旁路接线  图3：一拖一刀闸接线

1.2 工作原理

移相整流变压器通过副边绕组相互隔离，并采用移相延边三角形接法，连接高压变频器的整流电路，组成多相整流系统，减小电源输入侧谐波，为各个功率单元提供交流输入电压，保证系统工作在20%负载以上时电网侧功率因数保持在0.96以上。功率单元主要由三相桥式整流器、滤波电容器组、IGBT模块、单元控制板、驱动板组成。多个功率单元串联的逆变主回路结构，通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形，实现变频的高压输出，同时还对功率器件驱动、保护、信号采集，由光纤通信传输至可编程控制（PLC）实现系统控制。

2、常见故障分析与处理

2.1 控制电源故障

我厂1号机组12凝泵变频器采用上述一接线方式，在运行状态中跳闸停机，检查1号机组A凝泵保护装置无记录，1号机组12凝泵变频器发“外部故障信号停机”故障信号，变频器有“控制电源故障”报警信号。结合变频器报警记录与故障记录的时间，分析此次变频器故障跳闸应与变频器自带UPS电源有关，随即对变频器电源回路进行检查，通过示波器监视变频器控制回路电源切换接触器KA71出现瞬间失磁后立即恢复现象。确认控制电源电压输出存在间歇波动现象。此次故障过程判断为自带UPS容量小，输出电压消失（内部蓄电池已失效），导致电源切换继电器瞬间抖动，变频器控制回路供电不稳定，变频器控制器发“控制电源故障”信号，变频器跳闸停机。变频器自带UPS电源装置可靠性低，我厂改造引自主机UPS电源，提高供电可靠性。

图5：改造前自带UPS电源                        图6：改造后UPS电源

2.2 控制板卡故障

我厂供热机组2号机21一次风机采用上述一拖一旁路接线方式，在运行中跳闸停机。检查2号锅炉21一次风机变频器画面、DCS运行画面、变频器模块信息画面、6kV高压开关保护装置画面均无任何故障告警记录，检查变频器人机界面运行记录发现变频器频率消失，变频器停止运行，未能自动切到工频。

在正常运行时，主控板通过串行口、接口板接收和处理来自工控机及PLC的控制命令，同时向外发送自身的状态信息。主控板同时产生每相各级功率单元的触发脉冲，采集和处理所有功率单元反馈回来的故障信息，通知人机界面进行故障记录，通知PLC实施系统的报警和保护。现场查看变频器运行记录，变频器无重故障报警，输出电流和频率直线到零，人机界面显示PLC急停指令，判断为主控制器板件部分元件工作异常，无法向信号板件和整流模块发工作脉冲，导致无任何报警记录情况下变频器异常停机且未切换至旁路工频运行。

2.3 功率模块故障

2.3.1故障现象：我厂四台引风机出现故障频次较高，经统计故障类型出现最多的是单元驱动故障。每次发生模块故障后，切到旁路开关工频运行。对单元模块进行解体检查，发现模块内部有明显的元器件损坏痕迹，内部IGBT元器件烧损、熔断器全部断开。

2.3.2原因分析：(1)功率单元模块内原始设计直流母排无绝缘防护，导致IGBT吸收板组件与负极铜牌放电，致使吸收电阻炸裂。(2)室内呈负压状态，有漏灰现象，灰尘积入功率单元模块内部，致使IGBT吸收板组件与负极铜牌放电，出现炸裂现象。

2.3.3防范措施：(1)对全厂四台引风机变频器共计60块功率单元进行开盖解体，将所有直流母排进行绝缘塑封。(2)对引风机变频器室进行了漏灰治理，完善室内环境，减少导电灰尘的影响，加强对设备的巡检、日常维护工作，保证设备在良好的环境下运行，减小环境温度、湿度、粉尘等因素对设备运行的影响。

3、变频器解体检查与试验

3.1 模块拆除清理

变频器停机后，不要触摸主电路和电机，因为功率逆变部分的直流电压依旧存在。交流进线断开后，至少30分钟后直流电压才会降到安全值。并确认各单元逆变箱上的放电完毕指示灯点亮后（直流无压），才能对变频调速系统进行维护检查。按照以下步骤进行：1、单元模块拆除做好记录，只需要拧下模块外壳上的白色小螺丝，就可打开单元模块外壳。2、拆除单元模块时光纤接线，注意光纤不要弯折，做好拆除标记，拆除输入电流线时，注意绝缘子是否破损。3、检查元器件没有烧灼痕迹，元器件接线无破损。4、电路板使用99%酒精（大于95%的酒精）与纱布（不掉毛的布子）清理，清理后涂抹三防漆。

3.2 电容检查

1、单体电容为6800uF，数量为15个，总体电容为6800/3*5=11333uF。总体电容测量不需要拆开外壳，用电容表从电容模块外两连接总排测量。测量时正负级不影响，测量时存在数值变化缓慢，需等数值5秒无变化后记录测量值。

2、每个电容模块测量3次，做好测量记录，总体亏损超过9%不合格，即电容测量值小于10313uF，总体检查完毕后，如不存在总体不合格电容模块，对总体数值最低的2组电容模块进行单体模块测量，需拆除单元模块内所有螺丝后测量，分别测量并记录，需等数值5秒无变化后记录测量值，亏损超过9%即为不合格。

3.3 逆变器模块检查

1、进行IGBT转接板卡阻值测量，需将逆变器模块外壳拆除，将IGBT控制板排线拨开，测量四个接线口电阻值并记录，一般为9.7Ω。如果发生IGBT击穿后，阻值会变的非常小。

2、测量IGBT的电压降，IGBT通态正向压降为大约0-3v。将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT的集电极（C），红表笔接IGBT的发射极（E），此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。

3.4 整流桥检查

1、将万用表打至二极管档位，黑色表笔在RST（ABC三相输入侧）侧，红色表笔在正侧（+侧），此测量为RST→+正向导通测量，记录数值，并反向测量应不导通。黑色表笔在负侧（-侧），红色表笔在RST（ABC三相输入侧），此测量为-→RST正向导通测量，记录数值，并反向测量应不导通。

2、使用万用表在二极管档位，测的压降0.451V, 电阻为72 KΩ； 反相时电压为无穷大，电阻为3MΩ左右，即可判断为可控硅正常无损坏。

3.5 小电压检查

1、将全部模块安装完毕，接线恢复，确认所有螺丝及联排紧固，控制回路元器件具备运行条件。上电顺序应遵循：启动时，先开控制电源再接通高压电源；停机时，先停稳电机，再断开高压电源，然后断控制电源。电源模块通流试验需进行外部供电，可从风机电源空开下口取电，将380V外部供电，分别加至变压器三相电源上口。

2、变频器控制回路具备送电条件，同时与高压侧处于断开状态（K1），与电机侧处于断开状态（K2），确保启动单元模块不会造成电机送电或反送电现象。送电启动时，人员远离后柜门模块处，送电启动后检查控制回路元器件及单元模块无异常或报警，模块接线无错误报警。设置为待机模式方式，，调试参数设定：0改为1，柜门待机灯亮。按下启动按钮设备启动，启动后检查装置及电压模块无异常报警后，进行升降频率值测试，试验频率从0Hz是否可顺利升频至50Hz，再降频至0Hz。

3、测量单元模块输入电压，并与装置检测电压对比。一般变频器有15个功率模块，一次输入电压与单元模块输入电压关系为:一次输入÷15*1.732=单元模块输入电压。例运行频率到达50HZ，测量单元模块输出电压值406÷15*1.732=46.8V，并记录。

3.6 模块解体总结：

高压变频器功率单元的维修是一项低成本高效益的维修工作，购置电子元件进行现场维修，能够现场解决设备故障的同时，每年可节约数万元返厂维修费用。常见的模块检查数据将下表一：

表一：模块检查数据汇总表

4 结束语

高压变频器已经越来越广泛的应用于火力发电厂用系统中，运行中一旦发生故障，对于机组安全稳定运行带来严重的影响。高压变频器功率单元故障率较高，采购备品成本较高，因此要加强对高压变频器的日常维护，分析常见故障原因并制定防范措施，提高运维人员技能水平，逐步增强变频器运行可靠性。

参考文献

[1] 广州智光电气技术有限公司．高压变频调速系统ZINVERT系列技术手册［Ｋ］，2016.

[2] 火电厂用高压变频器运行与维护规范，DL/T1195-2012[S].

[3] 火电厂用高压变频器功率单元试验方法，DL/T2033-2019[S].

[4]李利生，林红波，郭金星，等 . 高压变频器在 300MW 火力发电厂中的应用[J].电力，2016（1）：74-78.