淺談ELIT穩(wěn)頻器的原理和維護(hù)

張棟成

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淺談ELIT穩(wěn)頻器的原理和維護(hù)

張棟成

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

本文主要介紹了新海鳳輪ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器，包括穩(wěn)頻器系統(tǒng)組成、系統(tǒng)原理及在耙吸式挖泥船電力系統(tǒng)中的主要作用，由實(shí)際故障案例分析，得到日常維護(hù)管理啟示。

穩(wěn)頻穩(wěn)壓 不間斷電源 故障

0 引言

眾所周知，船舶電源裝置的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，直接影響船舶的航行安全和人員人身安全。

我們公司耙吸式挖泥船采用“一拖三”模式，即主機(jī)通過(guò)帶離合器的齒輪箱拖帶螺旋槳、軸帶發(fā)電機(jī)和泥泵機(jī)。泥泵機(jī)的拖帶屬于大慣性負(fù)荷，主機(jī)轉(zhuǎn)速越高意味著主機(jī)負(fù)荷突增越大同時(shí)帶來(lái)?yè)p壞輔助設(shè)備、合排失敗的隱患，因此需要主機(jī)降速到85%來(lái)避免。主機(jī)降速時(shí)軸帶發(fā)電機(jī)的電壓和頻率都降至85%，泥泵合排（尤其“高高模式吹填”）的瞬間主機(jī)轉(zhuǎn)速下降更大，發(fā)電機(jī)頻率和電壓會(huì)進(jìn)一步下降，倘若采用變壓器供電，勢(shì)必會(huì)影響到用電設(shè)備的安全運(yùn)行。為保持230 V電源的穩(wěn)定電壓和穩(wěn)定頻率，我公司一拖三船舶均采用了75 kVA的穩(wěn)壓穩(wěn)頻器。新海鳳輪采用國(guó)外ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器，保證在任何情況下，用來(lái)照明、助航、監(jiān)測(cè)報(bào)警和控制用的230 V電源穩(wěn)定在額定電壓和頻率。

1 ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器組成

ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器主要由兩大部分組成：穩(wěn)頻器主體部分和備用蓄電池部分。

穩(wěn)頻器主體部分主要包括：六脈沖整流單元A3，逆變單元A6，輔助控制板SFRA/ CORE/ AICO/ALUP/SMAU，輸出隔離變壓器T1，輸入、輸出濾波L1-3、C4-6，中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)C1-2，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)充電電流緩沖裝置R1-3/K1，輔助顯示儀表和冷卻風(fēng)扇組成。

備用電池部分主要由32塊12V 65 Ah免維護(hù)鉛酸蓄電池構(gòu)成，在主電源故障的情況下投入使用，100%負(fù)荷情況下工作7 min[1]。

2 系統(tǒng)原理

不間斷電源（UPS）是當(dāng)交流輸入電源發(fā)生異?；蛘邤嚯姇r(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置。UPS是恒壓恒頻電源中的主要產(chǎn)品，其原理也是依據(jù)交-直-交變頻器。UPS的基本原理圖如圖1所示。

UPS的基本工作原理是，當(dāng)市電正常時(shí)，市電經(jīng)過(guò)整流器整流為直流給蓄電池充電，可保證蓄電池的電量充足。一旦市電異常乃至停電，即由蓄電池向逆變器供電，蓄電池的直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻恒壓交流電繼續(xù)向負(fù)載供電，因此從負(fù)載側(cè)看，供電不受市電影響。在市電正常時(shí)，負(fù)載也可以由逆變器供電，此時(shí)負(fù)載得到的交流電壓比市電電壓質(zhì)量高，即使市電發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題（如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬時(shí)停電等）時(shí)，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的性能，因此也稱(chēng)為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源[2]。

ELIT穩(wěn)壓穩(wěn)頻器的單線(xiàn)原理圖如圖2所示。

依據(jù)原理圖2，可以看出ELIT穩(wěn)頻器完全符合UPS的基本結(jié)構(gòu)。

2.1 整流單元

如圖3所示，A1-A2-A3由六個(gè)可控硅組成三相橋式全波整流電路，受A4觸發(fā)板控制，導(dǎo)通順序?yàn)椤?234561......”，通過(guò)導(dǎo)通角的大小和寬度的改變，使得在輸入電壓從315~440 V變化時(shí)，保證整流輸出電壓為DC428 V左右[2]。整流輸出的直流電壓（A-03）一方面為逆變單元提供直流電源，另一方面為備用蓄電池浮充電(D-01)[1]。

圖1 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 穩(wěn)頻器系統(tǒng)單線(xiàn)圖

圖3 整流環(huán)節(jié)原理圖

2.2 逆變單元

如圖4所示逆變單元IGBT由電源板A10、A11和觸發(fā)板A4、A5、A6共同控制，通過(guò)對(duì)逆變角β的良好控制例如PMW、SPWM、SVPWM控制，控制觸發(fā)逆變橋各橋臂電力器件導(dǎo)通時(shí)間和順序，實(shí)現(xiàn)將直流428 V電壓逆變?yōu)榻涣?00 V的近似正弦波電壓，不受外接負(fù)載變化影響。最后通過(guò)隔離變壓器和輸出濾波電容轉(zhuǎn)換成純凈的230 V交流電壓供全船使用。

2.3 輔助板簡(jiǎn)介

主控板SINCRO通過(guò)SMAU板獲得AC400 V和DC428 V雙路轉(zhuǎn)變的工作電源，SINCRO板連接輔助控制板AICO、逆變電源監(jiān)視板CORE D、主電源和蓄電池電源監(jiān)視板SFRA，構(gòu)成整個(gè)穩(wěn)頻器控制系統(tǒng)。AICO板接受外部指令實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻器啟動(dòng)和安全停機(jī)；CORE D板檢測(cè)輸出230 V電壓、電流，同時(shí)兼顧手動(dòng)設(shè)定輸出電壓和頻率；SFRA板監(jiān)視主電源相序和缺相、蓄電池關(guān)斷電流設(shè)定、整流電壓設(shè)定、蓄電池充電電流設(shè)定；ALUP板供逆變觸發(fā)裝置電源。

3 實(shí)例故障現(xiàn)象及分析

3.1 本船遇到的三次故障現(xiàn)象：

1）馬來(lái)西亞吹沙工程，高高吹填過(guò)程中，主230V穩(wěn)頻器突然故障后自動(dòng)回復(fù)，最后徹底癱瘓無(wú)法啟動(dòng)，H1，H2燈同時(shí)亮起。

2）在配電模式由輔發(fā)帶全船轉(zhuǎn)移至應(yīng)發(fā)帶全船的時(shí)候，應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器會(huì)短暫停機(jī)而后恢復(fù)正常。

3）400 V配電板絕緣低報(bào)警，檢查發(fā)現(xiàn)應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器接地引起。

3.2 故障分析及解決

故障1：根據(jù)現(xiàn)象，量取輸入電壓正常，中間直流環(huán)節(jié)電壓13 V，輸出為0 V，啟動(dòng)手柄SC來(lái)回扳動(dòng)直流環(huán)節(jié)均不起壓，首先將問(wèn)題鎖定在安保環(huán)節(jié)、整流環(huán)節(jié)及其邏輯控制電路板。整流器件外觀均正常，暫時(shí)排除整流環(huán)節(jié)故障。在啟動(dòng)手柄SC操作啟動(dòng)時(shí)，量取圖3中A4板控制整流環(huán)節(jié)的觸發(fā)電壓全部為0，而它的兩路電源電壓均正常，插接件FCR連接可靠。因此將問(wèn)題鎖定在安保環(huán)節(jié)和整流環(huán)節(jié)的邏輯控制電路板。

圖4 逆變環(huán)節(jié)原理圖

圖5 AICO板控制原理圖

如圖5所示，結(jié)合故障現(xiàn)象，觀察AICO板上關(guān)于啟動(dòng)手柄SC控制回路，安全連鎖回路上各個(gè)連鎖點(diǎn)一一予以檢查測(cè)量，得出結(jié)論控制電壓和外圍連鎖均屬正常。結(jié)合說(shuō)明書(shū)關(guān)于AICO板上V51、V52、V55、V56、V57、V58、V59、V60各個(gè)LED燈的點(diǎn)亮說(shuō)明：在啟動(dòng)手柄SC操作啟動(dòng)前，V51、V52點(diǎn)亮，其他熄滅；當(dāng)SC操作啟動(dòng)時(shí)，V56、V57點(diǎn)亮，V60延時(shí)幾秒點(diǎn)亮，最后全部點(diǎn)亮[1]。然而實(shí)際V57并未點(diǎn)亮，結(jié)合原理圖分析，外圍啟動(dòng)連鎖信號(hào)均正常，然而K1未動(dòng)作導(dǎo)致K5不動(dòng)作或K5損壞，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。K1、K5為AICO板上的固態(tài)繼電器，考慮AICO板出現(xiàn)問(wèn)題。由于廠(chǎng)家將其更新升級(jí)停產(chǎn)該型號(hào)產(chǎn)品，新舊產(chǎn)品器件構(gòu)造差異較大，備件無(wú)法替代亦無(wú)法訂購(gòu)，船存無(wú)備件。于是將應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器停機(jī)改用應(yīng)急230 V變壓器替代（5#配電模式可保證穩(wěn)定電壓和頻率），將應(yīng)急穩(wěn)頻器的AICO板拆下，替代主穩(wěn)頻器的AICO板，啟動(dòng)成功。

故障2：因應(yīng)急配電板取電開(kāi)關(guān)K和應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)I存在連鎖，所以配電模式由6#到7#的過(guò)程中，先斷開(kāi)K后合上I，應(yīng)急配電板會(huì)短暫失電，此時(shí)應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器的蓄電池應(yīng)投入工作，維持正常使用。由圖2看出，在輸入電源正常情況下穩(wěn)頻器正常工作否則停止工作，那么K2、蓄電池及熔斷器F23等構(gòu)成蓄電池充放電回路是問(wèn)題所在。

圖6 蓄電池充放電控制原理圖

如圖6所示，穩(wěn)頻器停機(jī)情況下，將F23處外加230 V電源，合斷SB時(shí)，K2動(dòng)作正常，量得K2前后和430 V直流匯流排直流電壓正常。而后將穩(wěn)頻器正常開(kāi)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，切斷400 V交流電源，穩(wěn)頻器直接停機(jī)，同時(shí)量得K2前后和直流排電壓瞬間下降到89 V，斷開(kāi)SB，量取蓄電池電壓又恢復(fù)到420 V。因此懷疑蓄電池存在虛電壓，已經(jīng)損壞。與此同時(shí)，將主230 V穩(wěn)頻器蓄電池通過(guò)切斷F23進(jìn)而接線(xiàn)引至應(yīng)急230 V穩(wěn)頻器，試驗(yàn)穩(wěn)頻器切斷主電源時(shí)可正常運(yùn)行，斷定蓄電池?fù)p壞。

故障3：斷開(kāi)穩(wěn)頻器輸入開(kāi)關(guān)Q1和輸出開(kāi)關(guān)S1，量取Q1開(kāi)關(guān)前和S1開(kāi)關(guān)后絕緣均正常，因此問(wèn)題就是穩(wěn)頻器本身。通過(guò)分析圖2和現(xiàn)場(chǎng)查看，決定從圖2中紅色圈標(biāo)記部分拆開(kāi)分段排查，以確定是蓄電池問(wèn)題、整流環(huán)節(jié)問(wèn)題、逆變環(huán)節(jié)問(wèn)題還是中間直流匯流排及附件問(wèn)題。實(shí)際操作如圖7所示，中間大的紅色方框標(biāo)記即為圖2的紅圈標(biāo)記：

圖7 穩(wěn)頻器原件實(shí)際排布圖

通過(guò)測(cè)量各部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比，著重點(diǎn)放在IGBT直流匯流排及其附件部分。進(jìn)一步拆除IGBT和匯流排連接螺絲，發(fā)現(xiàn)為匯流排接地。IGBT的匯流排和IGBT之間接入了儲(chǔ)能環(huán)節(jié)C1-2和新改造后的充電電流緩沖環(huán)節(jié)，即圖7看到接在IGBT匯流排上的黑色導(dǎo)線(xiàn)部分，拆除后匯流排IGBT匯流排絕緣恢復(fù)正常，問(wèn)題便出現(xiàn)在儲(chǔ)能電容和緩沖環(huán)節(jié)。通過(guò)進(jìn)一步排查兩部分，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)當(dāng)中一個(gè)電容（此電容三個(gè)端子，兩個(gè)負(fù)極一個(gè)正極，兩個(gè)負(fù)極其中一個(gè)用來(lái)固定用）負(fù)極端螺絲松動(dòng)碰到柜子鐵殼引起。

4 日常維護(hù)中得到的啟示

根據(jù)故障實(shí)例，總結(jié)日后管理維護(hù)的方法和重點(diǎn)。上述提到的幾個(gè)故障主要跟電子器件老化、備件不到位，重大器件質(zhì)量不佳、維護(hù)更換周期記錄不良，日常維護(hù)工作欠缺有關(guān)。

4.1 備件

備件問(wèn)題是重大問(wèn)題，要考慮到以下幾點(diǎn)：

1）要仔細(xì)總結(jié)，哪些是無(wú)可替代的備件，著重記錄申請(qǐng)。例如上述提到的AICO板。

2）對(duì)備件申請(qǐng)不到或停產(chǎn)，及時(shí)從其他船舶調(diào)配或找到升級(jí)可用產(chǎn)品，或者綜合利弊將設(shè)備整體升級(jí)。

3）備件要妥善保存，并做好記錄，存放位置要熟知。并形成備件管理制度，確認(rèn)責(zé)任人。

4.2 廠(chǎng)修維護(hù)工作把關(guān)

蓄電池作為穩(wěn)頻器的第二路電源，必須保證它的工況良好。因此要考慮到以下幾點(diǎn)：

1）在廠(chǎng)修更換蓄電池時(shí)，嚴(yán)格控制好每一個(gè)環(huán)節(jié)，大到蓄電池本身質(zhì)量問(wèn)題，小到接線(xiàn)螺絲松緊。定時(shí)做好數(shù)據(jù)記錄，確定正常后投入使用。

2）日常拋錨補(bǔ)給、停工有條件情況下，做到定期蓄電池完全充放電，并做好記錄。

4.3 日常維護(hù)

電氣設(shè)備應(yīng)注重日常的維護(hù)保養(yǎng)。例如：

1）保證蓄電池處所的通風(fēng)良好，因?yàn)闇囟让刻岣?0°，蓄電池壽命將減半。

2）保證控制柜內(nèi)各電子線(xiàn)路板表面清潔干凈，定時(shí)吹灰。

3）定期進(jìn)行線(xiàn)路緊固，尤其是重要器件。

4）保障設(shè)備良好散熱，及時(shí)檢查散熱風(fēng)扇工作狀況，進(jìn)風(fēng)口適當(dāng)添加濾網(wǎng)防塵。

[1] ELIT. User’s manual Frequency Converter 75KVA 3×230V 50Hz. [S.I.]: [s.n.]: 2015: 4-23.

[2] 王兆安, 劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社: 2009: 56-60, 214-216, 218-220.

Principle and Maintenance of ELIT Frequency Stabilizer

Zhang Dongcheng

(CHEC Dredging Co., Ltd., Shanghai 200136, China)

TM44

A

1003-4862（2018）06-0048-04

2017-12-22

張棟成（1988-），男，助理電氣工程師，主要從事船舶電氣設(shè)備管理與維護(hù)工作。Email：dlmu_zdc_electro@126.com