基于交流電網電壓畸變的晶閘管有源逆變失敗故障分析

葛建偉

(新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠)

背景

干熄焦提升機往返運行在提升井側及干熄爐側，將電機車上重焦罐提升上停止點并平移至干熄爐爐頂，與裝入裝置相配合，下降到放焦位，將紅熱焦炭裝入干熄爐內，裝完紅焦后將空焦罐放回到電機車焦罐臺車上，完成一個工作周期。提升機在井側和爐側提升焦罐加速和勻速運行時，四象限變頻器驅動電動機處于電動狀態；提升機在井側和爐側牽引焦罐制動和下降時，四象限變頻器處于牽引電動機返回的再生能量通過整流/回饋單元回饋電網，實現生產過程中節約電能、快速制動等優點。2021年3月9日-20日干熄焦提升機整流回饋單元、逆變器多次報故障，發生電路保險燒損、電網電壓下降，干熄焦提升機不能正常運行。

1 提升機傳動系統組成原理

傳動裝置選用西門子多機傳動變頻器。一臺由兩組反并聯晶閘管橋組成全控整流/回饋裝置、兩臺逆變器裝置、一臺自耦變壓器、接觸器組成，提升機傳動接線原理見圖1，各裝置規格型號和功能見表1。

圖1 提升機傳動接線原理

表1 提升機 各裝置參數和功能

2 故障簡述及原因分析

2021年3月9-20日故障情況見表2。

表2 提升機故障和處置

2.1 提升機逆變失敗原因分析

2.1.1 提升機整流/回饋單元工作過程

由圖2和整流回饋單元型號可知：整流/回饋電路采取兩組晶閘管橋反并聯構成了電壓型不對稱可逆邏輯控制無環流結構。

圖2 兩組晶閘管反并聯不對稱整流/回饋原理圖

圖3是整流回饋等效電路。電動機工作在電動狀態時,正組橋導通，導通角0°<α<90°,Udf>E,輸出順時針方向直流電流平均值Id=(Udf-E)/R，且反組橋封鎖，向直流母線供電；

圖3 兩組晶閘管反并聯不對稱整流/回饋等效電路圖

電路工作在再生狀態時反組橋逆變回饋工作，反組橋導通，導通角180°>α>90°，直流側電動勢極性改變，|E|>|Udr|，輸出逆時針方向直流電流平均值Id’=(|E|>|Udr|)/R且正組橋封鎖。工作時正、反兩組變流電路通過邏輯連鎖控制任意時刻允許一組工作，另一組封鎖。

整流/逆變橋由兩組電流調節器按邏輯順序觸發控制橋臂晶閘管導通；當中間回路電流(在限幅模塊輸出側上的中間回路電壓調節器的輸出)的給定值(帶符號)高于整理死區設置的值+0.05%時，則整流橋的觸發脈沖使能。此時正組橋處于整流工作狀態，反組橋封鎖停止工作。當工作整流橋兩端承擔反向電壓、電流斷流，工作橋臂晶閘管經過約10ms脈沖封鎖(當中間回路電流的給定值低于死區設置的值時，則被封鎖。)和延時后關閉；正組橋封鎖停止工作。

當中間回路電流(在限幅模塊輸出側上的中間回路電壓調節器的輸出)的給定值(帶符號)低于逆變死區設置的值-0.05%時，則回饋橋的觸發脈沖使能，脈沖再次觸發反組橋導通處于有源逆變工作狀態，此時交流電網變成負載，當中間回路電流的給定值高于逆變死區設置的值時，則被封鎖。

2.1.2 晶閘管發生有源逆變顛覆的原因

(1)觸發電路工作不可靠：觸發電路不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失，脈沖延遲等，致使晶閘管工作失常。

(2)晶閘管發生故障：在應該阻斷期間，元件失去阻斷能力；或在應該導通時刻，元件不能導通。

(3)換相的裕量角不足：存在重疊角或給逆變工作帶來不利的后果。

(4)交流電源發生異常現象：在逆變運行時，可能出現交流電源突然斷電，缺相或電壓過低等現象。

2.2 電網交流電源斷電原因分析

故障發生時，提升機工作過程中存在提升機上電接觸器無規律吸持和釋放現象。提升機傳動輸入主接觸器型號CJ29-1000S系列接觸器，線圈采用直流電磁系統，內設整流電路。直流線圈接觸器優點：大電流吸合，小電流吸持。主接觸器線圈回路全波整流輸入側串聯降壓限流電容。接觸器線圈原電路圖見圖4。

圖4 接觸器線圈回路

對更換下來接觸器檢測，線圈串聯無極性電容容量從標稱5uf降到1.5uf，阻抗(1/(2πfC))增加。

5uf電容阻抗為637Ω(功能正常電容阻抗)；1.5uf電容阻抗為2123Ω(功能異常電容阻抗)。

電容計算：C=εS∕(4πkd)

(1)

式中：ε—介電常數；

S—電容器兩極板的正對面積；

d—電容器兩極板之間的距離；

k—靜電力常量。

由式(1)可知電容長期使用，電容介質會下降，介質系數也會下降。所以電容C會下降。電容增加造成接觸器線圈交流側回路阻抗成倍增加，電容交流側分壓造成整流輸出直流側線圈電壓降低，此時電壓不足以保證接觸器電磁吸持，而發生接觸器工作中出現‘釋放-吸合-釋放’的抖動故障。

2.3 故障結論

結合提升機處于再生發電，分析反組橋逆變工作時直流回路電流計算公式Id’=(|E|-|Udr|)/R，電網斷電分析及整流回饋故障代碼等因素得知：本次事故是反并聯晶閘管橋在逆變時發生基于電網電壓畸變，直流回路電壓升高，直流回路中過電流(|Udr|=0，Id’=|E|/R)造成逆變顛覆的事故。

3 進一步完善設備維護措施

通過分析及現場處理，解決了干熄焦提升機逆變顛覆故障。為防止此類故障，進一步完善和固化提升機設備管理制度和設備維護措施。

3.1 梳理提升機系統設備資料 完善管理措施

梳理了提升機系統圖紙、技術資料、備品備件；完善提升機系統上電接觸器(觸頭、元器件和導線、接線端子等)點檢標準和點檢卡，確定按周期實施；完善接觸器維修技術標準和維修作業標準，增加了電容容量測量內容；完善與接觸器線圈回路相關設備(風速開關、超重開關、偏載開關、急停開關等)設施和動力、控制電纜絕緣檢測、點檢、定修等管理制度。一系列措施實施后，降低了上電接觸器缺項發生頻次。

3.2 整流回饋單元升級改造，防止發生逆變顛覆

新增成套OCP(過電流保護裝置，IGBT開關器件)選件裝置，串接在直流母線。在直流母線過電流出現時快速阻斷短路電流回路，減少事故損失。裝備技術升級整流回饋采用AFE(Active Front End)換流技術。升級回饋裝置利用全控型功率器件的電路，實現“全控器件”換流方式。可以完全避免因電網異常引起的逆變失敗。

3.3 編制設備故障處置手順書

結合此次故障處理經驗，編制設備故障處置手順書(表3)，縮短故障處置時間。

表3 設備故障處置手順書

4 結束語

出現故障的干熄焦提升機系統上線使用超過10年，在事故處置及評價過程中，發現用戶對各裝置認知仍存在差距，往往通過以事故處理來提升維護技能，企業付出成本太高。

筆者認為持續落實防范措施和主動提高關鍵設備認知能力是設備維護的重點工作。