高壓變頻器在百萬機組凝結水泵的應用與故障分析

摘 要：本文主要介紹了百萬機組凝結水泵高壓變頻器的工作原理及實際應用中存在的一些問題，并詳細分析了問題產生的原因，解決的方法，并根據變頻器實際運行情況總結了日常維護及檢修中的注意事項。

關鍵詞：高壓變頻器；功率模塊；驅動故障；輸出過流；頻率波動

中圖分類號： TM344.6 文獻標識碼：A

1概述

臺電二期單臺百萬機組配置三臺50%容量的凝結水泵（額定功率1600kW，額定電壓6kV，額定電流173.6A），其中A、B凝結水泵采用變頻運行方式，C凝結水泵作為工頻備用。

A、B凝結水泵采用的是廣東明陽龍源電力電子有限公司生產的MLVERT-D06/2100.B串聯多電平電壓型高壓變頻器，額定容量2100kVA，額定電壓6kV，額定電流200A，冷卻方式為空水冷與立柜式空調共同冷卻。凝結水泵高壓變頻器是采用新型高壓大功率電力電子器件構造的直接“高-高”型高壓變頻器，通過直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，在很寬的轉速范圍內進行高效率的轉速調節，降低能源消耗。機組正常運行方式下保持A、B泵變頻運行，C泵工頻備用，當其中一臺變頻泵故障跳閘時，另一臺變頻泵升速至50Hz，并聯啟工頻C泵。

2高壓變頻器的工作原理

凝結水泵高壓變頻器是由多個功率模塊串聯而成，通過將多個低壓功率模塊的輸出疊加起來得到高壓輸出。圖1為高壓變頻器的電路拓撲圖。

電網送來的三相6kV/50Hz交流電，經移相變壓器，供電給18個功率模塊，每個功率模塊的額定輸出電壓為580V，相鄰功率模塊的輸出聯接起來，每相6個功率模塊進行疊加，使得高壓變頻器的額定輸出相電壓為3480V。三相共18個功率模塊，形成Y聯結結構，使得線電壓為6000V，直接供給感應電動機。

每個功率模塊承受全部的輸出電流，但只提供1/6的相電壓和1/18的輸出功率。由于此種結構采用的是整個功率模塊串聯，而不是傳統的功率器件串聯，故不存在元器件串聯所帶來的均壓等問題。

3凝結水泵高壓變頻器運行以來出現的主要問題

3.1模塊驅動故障導致高壓變頻器跳閘

故障信息記錄如下：

13：29：59B4模塊驅動故障

13：29：59系統判斷重故障

其中驅動故障是指模塊內的功率器件、功率器件驅動部分有故障或者流過功率器件上的瞬時電流過大， 當發生的是驅動故障時，變頻器立即自動旁通運行，但以上所指故障旁通運行是有條件的，整個功率模塊有四個IGBT，共組成兩個橋臂，每個橋臂有兩個IGBT構成，只有當每個橋臂至少有一個完好的IGBT時才可以旁通運行，否則將發重故障信號去跳閘。功率模塊結構圖見圖2

后經檢測發現電源板的R25限流電阻已燒爛，電感L4外皮已燒毀。為直流接觸器起動線圈在起動后，不能被頂開，以致過大電流將電源板R25和L4燒壞，電源板不能正常工作，從而不能向控制板和驅動板正常供電。驅動板在其電源欠壓的情況下向控制板發送ERR信號，控制板捕獲該ERR信號后報出驅動故障，但驅動板已在失電狀態，已無力驅動IGBT動作進行旁通運行，故發重故障信號跳閘。更換直流接觸器和電源板后，重新上電檢測，模塊輸出正常。

3.2輸出過流動作導致高壓變頻器跳閘

故障信息記錄如下：

13：55：46輸出過流

13：55：46系統判斷主板重故障

其中變頻器的輸出過流保護定值由廠家根據產品的特點設置為額定電流的2倍，用戶無法進行修改，當輸出電流有效值超過過流保護定值時，變頻器向DCS報出重故障信號，在觸摸屏上有相應的故障內容顯示，同時給出跳高壓開關信號，系統停止運行。經查看故障前的電流趨勢圖無明顯突變現象，一直保持在133A左右，說明凝結水泵運行時實際并沒有發生過流，后經檢測發現由于主控箱的模擬量采樣通道故障，使電流發生突變，使得電流數值超過輸出過流保護定值，導致主板判斷輸出過流動作。更換主控箱后，測試輸出過流保護功能的采樣正確、動作可靠。

3.3頻率波動頻繁

通過對高壓變頻器的調節能力與泵本體的適應能力進行對比分析發現，在自動方式下變頻器的頻率調節在0.2HZ左右頻繁波動，雖然此波動屬于正常調節，對電氣影響較小，但是對于泵本體就有6轉/分的差距，如果長期波動可能導致泵本體振動偏大，軸承損壞甚至泵軸斷裂事故等不良影響，降低泵的使用壽命。為了解決頻率波動問題，對高壓變頻器的“給定頻率閾值”進行了優化，由0.2HZ提高到0.5HZ。但是經過運行觀察發現“給定頻率閾值”由0.2HZ優化為0.5HZ后雖然已解決高壓變頻器調節波動頻繁，但是降低了高壓變頻器的調節品質，使得A＼B凝結水泵的運行電流偏差在2-8A之間。后又對壓力死區范圍進行設置，在一定程度上可防止高壓變頻器調節波動頻繁，為了提高高壓變頻器的調節品質，經專業人員討論確定將高壓變頻器的“給定頻率閾值”由0.5HZ恢復至0.2HZ，截至目前高壓變頻器運行良好。

3.4啟動時間較長

變頻泵在并入系統時，由于中山明陽公司的變頻器不能實現工頻啟動后在線轉變頻運行，所以要想投入變頻運行就必須在啟動時就以變頻方式啟動，變頻器從0HZ增加至50HZ需3-5分鐘左右，變頻泵在變頻啟動的過程中出口壓力一直是低于額定壓力的，所以逆止門頂不開，使變頻泵一直處于打悶泵的狀態。對于打悶泵的狀態KSB泵說明書明確要求不能超過2分鐘，因為打悶泵時，葉輪高速旋轉與液體產生摩擦發熱，水被加熱氣化，易使葉輪汽蝕并產生劇烈振動，嚴重時還會使泵的密封爆裂。為了既能滿足凝結水泵變頻啟動至50HZ時間少于兩分鐘的要求，又要防止時間過短造成功率元件損壞和啟動過程中輸出過流跳閘，現已將變頻器由0HZ升至50HZ的上升速率由3分鐘提高到了2分鐘，并通過了試驗驗證。

4高壓變頻器日常維護及檢修注意事項

4.1高壓變頻器的運行環境溫度應保持在-5℃-30℃之間，模塊柜的溫度應保持在30-40℃之間，變壓器柜溫度不應超過120℃，比較利于高壓變頻器的運行，由于高壓變頻器的發熱量很大，要想保證此溫度需長期投入水冷器及空調，經過長期觀察發現空調溫度設定為16℃基本能保證此溫度。

4.2變頻器的濾網每月應更換一次，若工作環境灰塵較多，還應根據實際情況縮短濾網更換周期。

4.3檢查變頻器系統冷卻風機的運轉情況，一旦發現變頻器或輸入變壓器風扇停轉，應及時進行維修。

4.4在變頻器停運時若停運進、出風扇則容易導致凝露，現已要求運行人員在高壓變頻器停運期間停運空調，但要保持水冷器及進、出風扇正常運行，使變頻器處于良好環境當中。

4.5變頻器停機后檢查所有電氣連接的緊固性，查看各個回路是否有異常的放電痕跡，是否有異味、變色，裂紋、破損等現象。

4.6更換變頻器功率模塊必須在變頻器高壓停電超過3分鐘后才能進行。

結語

變頻器雖具有節能、環保、高效的特性，從發電廠來說提高了經濟效益，但變頻器運行過程中將會因經常出現故障而影響一次設備及熱力設備的正常運行，特別是影響工藝流程的安全穩定運行，給發電機組的安全穩定經濟運行帶來一定的不穩定因素，高壓變頻器發生的故障分類主要有：變頻器本體故障、變頻器保護誤動、與被控系統參數設置不匹配、冷卻系統設計問題等，除了保證變頻器本身設備元器件的質量之外，給其創造良好的運行環境尤其重要，同時需要不斷加強高壓變頻技術的了解和認識，不斷提高維護技能，最大限度地保證高壓變頻器的安全、穩定、可靠、經濟運行。

參考文獻

[1]朱軍峰. 高壓變頻器在鋼鐵企業中的應用. 2010.

[2]劉軍祥. 高壓變頻器應用環境的研究與分析 2010.