大功率变频调速器在供水行业的应用及其维修经验

大功率变频调速器在供水行业的应用及其维修经验1引言某水厂是日供水能力60万吨的自来水厂，送水泵房安装八套机组为sulzer的卧式离心泵配siemens的1000kw电动机，其中四套为调速机组，1993年由德国西门子公司引进的电压型pwm矢量控制型变频器。先进的变频装置在节约电能，减少维修，实现生产自动化方面显得非常优越，笔者就变频调速装置在实际运行中出现的问题进行了分析并提出了解决方案及对策，希望在此能起到抛砖引玉的作用。2变频控制系统主回路介绍某厂采用的变频装置，是德国西门子公司生产的6sc3713-“p”型变频器，属电压型pwm矢量控制型变频器，它采用交—直—交电压型脉宽调制（pwm），是一个能提供三相可变频可调压的系统，主回路如图1所示。图1变频系统主接线原理图2.1预充电回路在整流回路之前，采用了预充电回路，在变频器投入运行时，预充电接触器k2先合闸，给电容器限流充电，10s后，直流电压达到85％ud（额定直流电压），合主接触器k1，释放预充电接触器k2，方才允许逆变。这是由于大容量电解电容器被搁置、停止使用时，其漏电流将增加，如果急剧地施加电压，由于温度升高可能损坏。对于变频器停用六个月以上，则需进行缓慢充电“老化”（每停用一年老化约需1h），充电时直流电压阶梯升高，待漏电流减小后，才能投入使用。2.2十二相不可控整流器变压器多相运行，是抑制和减少谐波电流的有效措施；现将两组三相桥式整流电路，用整流变压器联系起来，其初级绕组接成三角形，次级绕组一组接成星形，另一组接成三角形，得到联结组标号为ｄ,y5,d0，变压器两组次级绕组的线电压相等，但两组三相桥的三相电源在相位上却相差30°，将其输出叠加可得到12个波头的整流波形，比6个波头的整流波形更加平滑；而且每组整流桥只承担一半电流，降低了对功率元件容量的要求。12脉波的效果则可减小低次谐波电流，起到了很好的谐波抑制作用。2.3大电容直流环节采用电容器滤波，使逆变器输入端的直流电压保持恒定，而不受负载变化的影响，起解耦作用；在直流环节和负载之间有无功功率的流动，电容作为贮能元件，以缓冲无功能量，为电机提供无功电流。2.4大功率gto逆变器由12个gto反并联12个反馈二极管（为滞后的负载电流提供反馈到电源的通路）构成双三相桥式逆变器，gto在性能方面兼有晶闸管和晶体管的优点，即可以高电压、大电流化。gto与其相连的二极管都是电子开关元件，gto的开关频率远远高于普通晶闸管，并由其控制极控制自行关断，摆脱了普通晶闸管换流的麻烦，特别适用于pwm控制。3变频系统故障特征变频器是由众多的半导体电子元件、电力电子元件和电器元件组成的复杂装置，结构多采用单元化或模块化形式。该系统具有综合诊断能力，贮存故障信息，便于查阅，此变频装置的故障检测电路，不但能及时准确地检测出故障的原因，而且能记忆并显示出故障的类型，同时还能自动地切断变频装置的电源。它由主回路、逻辑控制回路、电源回路、ipm驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。由于电路板多采用smt表面贴装技术，而用户的条件及掌握的资料有限，为缩短维修时间，对用户的要求一般只限于根据故障情况找出故障的单元或模块即可，即只作单元级或板级检查维修。尽管变频器相对过去已经采用了多种新型部件和优化结构，但从目前的元件技术水平和经济性考虑，仍不可避免地采用寿命相对较短的零部件。与此同时，还不排除零部件受到安装环境的影响，其寿命可能比预期的10年以上要短。笔者总结了变频器的故障情况后，发现变频器的故障率与使用时间有图2所示的关系。图2变频器故障特征图2中的初期故障是指变频器在安装调试和初期运行阶段由于零部件的某种缺陷或某种外部原因而发生的故障。零部件由于经过零件制造厂家出厂检测，变频器生产厂家进厂入库前的抽样检测，以及变频器出厂前经过严格的整机检测，能使变频器故障率降低到最低程度。个别零件存在隐患和现场安装及初期运行时的误操作，致使这一期间变频器故障率较高。当变频器投入正常使用后，在较长的一段时间内出现故障的情况明显减少，这时的故障从内因来说是某个零件发生突发性故障，从外因来说是变频器内部进水或金属屑以及灰尘潮湿引起的故障。由于偶然性强、较难预料，故称为偶发故障。一般来说，在开发设计阶段有针对性地增加零部件的额定余量，在使用阶段加强维护保养是解决偶发故障的主要手段。使用寿命发生的故障，主要特征是随着时间的推移故障率明显增加。为了延长变频器的使用寿命，需要对变频器进行定期的检查和保养，在估计零部件即将到达使用寿命时进行更换，做到有备无患。从近几年维修变频器的经验来看，与强电相关的器件、大功率器件，电源部分以及相应的驱动部分电路损坏频率较高，当然在以后的维修过程中会出现各种各样的故障现象，表现与其相应的电子电路有关。电子设备的维修过程就是寻找相应故障点的过程。在维修过程中，应该坚持以人为主，设备为辅的原则，充分发挥人的主观能动性，降低维修成本，从故障现象入手，分析电路原理、时序关系、工作过程，找出各种可能存在的故障点，然后借助一些维修检测设备，确定故障点，确定故障元器件，（包括定性与定量指标），然后寻找相应的器件进行替换，使设备恢复其固有的性能指标。3.1一般的维修过程（1）第一步，向值班人员询问变频器的故障现象，包括故障发生前后外部环境的变化。例如，电源的异常波动、负载的变化；（2）第二步，根据值班人员的故障描述，分析可能造成此类故障的原因；（3）第三步，打开被维修的设备，确认被损坏的程序，分析维修恢复的可行性；（4）第四步，根据被损坏器件的工作位置，通过阅读电路，分析电路工作原理，从中找出损坏器件的原因,以及一些相关的电子电路；（5）第五步，寻找相关的器件进行替换；（6）第六步，在确定所有可能造成故障，所有原因都排除的情况下，通电进行实验，在做这一步的时候，一般要求所有的外部条件都具备，并且不会引起故障的进一步扩大。（7）第七步，在设备工作正常的情况下，就可以进入下一个程序，系统测试。3.2一般维修中的注意事项（1）维修变频器前须将变频器放电，可用灯泡或大电阻等；（2）维修用示波器须与大地隔离，可用1∶1的隔离变压器；（3）在更换板子时，维修人员须做好防静电措施。4变频系统主要部件故障分析与处理4.1典型示例分析该系统由于是高压大功率变频，维修技术难度大，维修工艺要求高，设备造价高，备品备件价格昂贵，因此在维修过程中要倍加小心。笔者现就维修中出现的主要故障介绍如下：（1）故障现象之一变频器在加速、匀速和减速时出现过电流跳闸或逆变模块过流而跳闸。●故障分析：首先区分跳闸是由负载原因还是变频器的原因引起的。如果通过变频器的故障历史记录查询到跳闸时的电流超过了变频器的额定电流或者电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否过载或负载突变，如电机堵转等。在负载惯性较大的场合，可适当延长加速时间，此时变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流在变频器的额定电流或者电子热继电器的设定值范围内，可判定ipm模块或相关部分发生故障。●检查处理：首先可以通过测量变频器主回路端子输出三相u、v、w分别与直流侧的p、n端子之间的正、反向电阻来判断ipm模块是否损坏。如模块无损坏，则是驱动电路出了故障，一般这种情况比较少见。如果是减速时ipm模块过流或是变频器对地短路跳闸，一般是逆变桥的上半桥的模块或其驱动电路部分发生故障，而加速时ipm模块过流则是下半桥的模块或其驱动电路部分发生故障。发生这些故障的原因多是由于外部的金属屑或潮湿、粉尘进入变频器内部引起的。经过对控制电路板清洁除尘后，故障消失。（2）故障现象之二2004年2月13日上午约十点，某厂送水泵房3#变频器在正常运行的情况下，突然发出强烈的爆炸声，经查发现变频器两个进线柜均有一组主接触器拉弧触头损坏，整流柜六个快熔烧毁，电容柜上部直流正极母排变形后直接对地短路，整个电容柜上部在强烈的电弧作用下柜体上部及部分电容表面变黑，后部部分电容在强烈电弧作用后表面覆有铜粉，电容器两电极间的绝缘板出现明显拉弧，并出现渗油。●故障分析：某厂变频器自安装至今已经使用10年了，按照厂商规定电解电容器一般使用寿命为5年左右须更换，但是更换一组电容器的费用也是非常昂贵的（约80万元人民币）。所以，从经济角度考虑，如何延长变频器的使用寿命，是大家多年来一直关注的问题，而且实践证明大家的努力是有一定价值的。根据现场情况看，除个别电解电容器产生极间短路外，其余电容均未发现开裂、鼓泡、漏油等现象。故判断造成母排对地短路的原因是：电解电容器极间绝缘板老化，绝缘强度降低，造成极间击穿短路后所产生的电动力使母排固定支架脱落，造成母排位移，形成对地短路。强大的短路电流所产生的巨大的电动力使母排严重变形。●检查处理：对已损坏的主接触器触头、快熔全部更换，将电容柜左侧上部第一组及右侧所有电容组拆下，将右侧直流母排松开，拆下已变形的直流正极母排，校正后重新进行安装，并对整流柜中的整流二极管进行检查，对电容柜全部电容器进行外观检查，测量静电容量、tgδ值和测量漏电流等，其检测数据见附表，对电容柜全部电容清洁除尘并对直流母排绝缘进行检查（绝缘电阻在500m以上），更换已损坏的右侧第一组电容组。并将放置4年的备用电容器进行4个小时的老化。一般新的电解电容器的漏电流比较大（约7～8ma左右）应进行老化，降低漏电流（约1.5ma左右）方可使用。更换时将该组15个新电容分散安装，使每组有2个新电容。这样每组状况基本相同。经全面检查后进行空投试机，检测直流ud回路电压（ud约为1000v）比较稳定，三相输出电流显示正常，状态良好，然后投入运行。附表电容器的静电容量、tgδ值和漏电流的测量值（3）故障现象之三2004年4月26日（星期一）下午3∶50分，某厂送水泵房4#变频器在正常开机的情况下，突然听到一声沉闷的爆炸声，当时变频器仍能运行，值班人员闻声后迅速停机。经过检查发现直流滤波环节1个铝质电解电容器发生爆炸，另有2个铝质壳体发生局部膨胀。故障分析：首先从电容器的结构上看，电容鼓泡漏液的最终原因都是因为过热。电解电容因为其结构特性，内部装有电解液，在使用过程中如果出现过压现象或内部老化，这时电容的漏电流增大，电容会在短时间内迅速发热，导致电容的温度升高，电容内部的电解液会因高温变成气体致使电容内部的压力增大。当然对于大容量电解电容来说，每个电容器都有专门的安全阀（排气孔），但是，当这个安全阀出现故障后，压力无法释放，电容就会发生爆炸。检查处理：对该组电解电容器进行逐个检测，结果表明，2个铝质壳体发生局部膨胀的电容器漏电流较大（约8ma），爆裂的电解电容排气孔堵塞，其余电容器良好。将故障电容进行更换后，使用正常。4.2由变频器的静态测试结果来判断故障对变频器做一个静态的测试，一般通用型变频器大致包括整流电路；直流中间电路；逆变电路；控制电路等。静态测试主要是对整流电路，直流中间电路和逆变电路部分的大功率晶体管（功率模块）的一个测试，测试工具主要是万用表。整流电路主要是对整流二极管的进行正反向的测试来判断它的好坏，当然还可以用示波器来观察测试直流环节的输出波形（注意：simovert“p”型变频器，直流环节ud的电压约1000v，而一般示波器的耐压为250v，所以在测量时必须接入大功率电阻进行衰减，将电压降为250v以下方可进行测量，并注意安全）。直流中间回路主要是对滤波电容的容量、tgδ值、漏电流及耐压的测量，我们一般使用便携式电容测量仪表测量电容器的容量、tgδ值。用th2686型电解电容器漏电流测试仪进行漏电流及耐压的测量。也可以观察电容上的安全阀是否爆开，有否漏液现象等来判断它的好坏。功率模块的好坏判断主要是对功率模块内的续流二极管的判断。对于igbt模块我们还需判断在有触发电压的情况下能否导通和关断。5结束语在众多的检查项目中，重点要检查的是主回路的平滑电容器、逻辑控制回路、电源回路、逆变驱动保护回路中的电解电容器、冷却系统中的风扇等。除主回路的电容器外，其他电容器的测定比较困难，因此主要以外观变化和运行时间为判断的基准。总之，保证变频器在