POWERFLEX 700S變頻器冷卻系統(tǒng)改造方案探討

紀國慶，馮 冉，黃 偉，李艷奇

（首鋼京唐鋼鐵股份有限公司，河北唐山 063002）

前言

某公司燃氣系統(tǒng)使用AB公司POWERFLEX 700S系列變頻器，該系列變頻器輸出額定電壓690 V，輸出功率45～2 800 kW。POWERFLEX 700S 系列變頻器的功率單元模塊、制動單元模塊、驅(qū)動單元模塊、檢測單元模塊、冷卻系統(tǒng)等均集中安裝在一套框架殼體內(nèi)，冷卻系統(tǒng)安裝在設(shè)備底部，運行時冷風(fēng)由底部吹向IGBT 等模塊，將IGBT 等模塊產(chǎn)生的熱量帶出，從而保證變頻器的溫度控制在額定溫度范圍內(nèi)。其中冷卻系統(tǒng)根據(jù)變頻器功率大小不同由2～3個冷卻風(fēng)扇組成，冷卻風(fēng)扇電源由變頻器內(nèi)部的直流經(jīng)直流-交流轉(zhuǎn)換模塊后轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鳎├鋮s風(fēng)扇使用。直流-交流轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置故障檢測回路，當檢測到任意一臺冷卻風(fēng)扇故障時，故障信號送入變頻器控制板，變頻器隨即下達跳機指令，變頻器停止運行。跳機指令固化在變頻器保護程序中，無法通過軟件設(shè)置改為報警指令。為此必須對POWERFLEX 700S 變頻器冷卻系統(tǒng)進行改造，確保當一臺冷卻風(fēng)扇故障時發(fā)報警信號，及時提醒運行人員調(diào)整運行設(shè)備。同時又能實現(xiàn)對變頻器的可靠保護。

1 POWERFLEX 700S 變頻器結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)控制方式

如圖1 所示，POWERFLEX700 系列變頻器在機殼內(nèi)將功率單元模塊、制動單元模塊、驅(qū)動單元模塊、檢測單元模塊、冷卻系統(tǒng)集成于一體。其中變頻器功率單元模塊、制動單元模塊、驅(qū)動單元模塊、檢測單元模塊安裝在變頻器框架的上部，冷卻系統(tǒng)所含的冷卻風(fēng)扇安裝在變頻器框架底部，冷卻風(fēng)扇運行時冷風(fēng)由底部吹向IGBT等單元，將各單元模塊發(fā)出的熱量帶出，從而實現(xiàn)對變頻器的整體降溫［1］。

圖1 POWERFLEX700變頻器典型結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，從變頻器內(nèi)部DC 母線引出的DC（+）及DC（-）直流電源，接入FAN Frequency converter（風(fēng)扇電源轉(zhuǎn)換模塊），將直流電源轉(zhuǎn)換為交流24 V，24 V 經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為220 V 電壓，驅(qū)動冷卻風(fēng)扇運轉(zhuǎn)。兩個風(fēng)扇電源轉(zhuǎn)換模塊并聯(lián)，并通過第一個轉(zhuǎn)換模塊的X8與ASCII模塊的X11插頭相連。

變頻器冷卻系統(tǒng)控制原理見圖2。

圖2 POWERFLEX700冷卻風(fēng)扇控制原理圖

當任意一臺冷卻風(fēng)機發(fā)生故障時，X8對應(yīng)插頭發(fā)出斷開信號，經(jīng)ASIC 板X11 插頭送入ASIC 板，ASIC 板檢測到信號后，發(fā)出跳機指令，變頻器斷開。POWERFLEX700變頻器內(nèi)部程序中，冷卻風(fēng)扇故障對應(yīng)為跳機指令固化在程序內(nèi)，無法修改為報警信號。

2 變頻器冷卻系統(tǒng)改造思路及方法

每臺變頻器冷卻系統(tǒng)由2～3 臺冷卻風(fēng)機組成，當一臺冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)故障時，其余冷卻風(fēng)扇仍保持運行，雖然此時冷卻效果降低，變頻器內(nèi)部溫度上升，但達到并超過變頻器溫度保護設(shè)定值仍需要一段時間。根據(jù)近年實際運行記錄，時間在15 min 左右。當某一臺冷卻風(fēng)扇發(fā)生故障時，在變頻器溫度上升的時間段內(nèi)發(fā)出報警信號，提示運行人員及時開啟備用設(shè)備，而不是立即停機。就會為運行人員提供調(diào)整運行設(shè)備的時間，有效避免因變頻器突然跳機導(dǎo)致出現(xiàn)生產(chǎn)事故。在發(fā)出報警的同時，檢測變頻器內(nèi)部溫度，當溫度超過額定溫度時及時發(fā)出變頻器停止指令，從而避免變頻器燒毀功率元件。

2.1 設(shè)計變頻器冷卻風(fēng)扇的控制及檢測系統(tǒng)

對POWERFLEX700 變頻器冷卻系統(tǒng)進行改造。將變頻器冷卻風(fēng)扇由變頻器內(nèi)部電路控制，改為獨立控制。單獨設(shè)計的變頻器冷卻系統(tǒng)供電及檢測回路，包括冷卻風(fēng)扇一次回路（1）、冷卻風(fēng)扇監(jiān)測單元（2）、變頻器溫度監(jiān)測單元（3）、S7-400 控制單元（4）。

如圖3所示，冷卻風(fēng)扇一次回路（1）根據(jù)變頻器冷卻風(fēng)扇功率不同，可選用不同量額定電流的空氣開關(guān)和接觸器。

圖3 變頻器冷卻風(fēng)扇供電及檢測系統(tǒng)圖

冷卻風(fēng)扇監(jiān)測單元（2）根據(jù)變頻器冷卻風(fēng)扇功率不同，可選用不同額定電流的中間繼電器。

變頻器溫度監(jiān)測單元（3）根據(jù)變頻器功率不同，可選用不同量程溫度檢測單元，并將溫度信號轉(zhuǎn)換為4-20 mA信號送入S7-400單元（4）。

2.2 通過上級PLC 監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)的監(jiān)控

如圖4所示，S7-400控制單元（4）冷卻風(fēng)扇監(jiān)測單元（2）、監(jiān)測變頻器冷卻風(fēng)扇運行狀態(tài)，當出現(xiàn)變頻器冷卻風(fēng)扇故障時，發(fā)出報警信號，報警信號在上級PLC 畫面中顯示，并聲光報警。提醒運行人員及時調(diào)整負荷，保證生產(chǎn)運行穩(wěn)定連續(xù)。

圖4 變頻器冷卻系統(tǒng)保護邏輯判斷圖

當報警信號發(fā)出后，S7-400 控制單元（4）冷卻風(fēng)扇監(jiān)測單元（2）變頻器溫度監(jiān)測單元（3）持續(xù)監(jiān)測變頻器運行溫度，當運行溫度超過保護值時，立即發(fā)出故障信號，強迫將變頻器退出運行。

2.3 POWERFLEX700S變頻器改造實際步驟

（1）將變頻器冷卻風(fēng)扇由變頻器內(nèi)部電路控制改為獨立控制。先將FAN Frequency converter（風(fēng)扇電源轉(zhuǎn)換模塊）X4、X5 斷開，將新增斷路器下火電接到X4、X5 電源上，再將X3 跳線拔下備用，最后將X2連接線斷開。

（2）斷開FAN Frequency converter（風(fēng)扇電源轉(zhuǎn)換模塊）與ASIC 板之間連線。拆ASIC 板的電源接線和7 根光纖，再拆下光纖下面的接線柱和接地螺絲，將固定ASIC 板的兩個固定螺絲擰松，輕輕將ASIC板拿出。

擰下ASIC 板固定風(fēng)扇后殼的螺絲，將3 根網(wǎng)線（從左至右，依次順序為X5、X4、X3）拆下，再將6 根光纖（從左至右，依次順序為6～1）拆下。打開風(fēng)扇后殼，拆下里面的兩個接線柱后，將ASIC 板X11 拔下，將拆下的風(fēng)扇電源X3跳線插到ASIC板X11上。

（3）在變頻器柜內(nèi)單獨設(shè)置供電及保護檢測回路，為每臺風(fēng)扇設(shè)置供電及控制回路。

當冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)故障時，熱繼電器動作，斷開回路，同時發(fā)送冷卻風(fēng)機故障信號送PLC系統(tǒng)。

（4）增加變頻器IGBT 功率模塊溫度檢測元件。變頻器運行中，產(chǎn)生溫度的主要元件為IGBT 元件，為此在變頻器內(nèi)部靠近IGBT 側(cè)安裝測溫元件熱電阻。該測溫元件將檢測溫度送PLC系統(tǒng)。

3 結(jié)論

通過對AB 公司POWERFLEX700S 變頻器冷卻系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)了以下兩個目的。

（1）當變頻器冷卻系統(tǒng)的任一臺冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)能夠有效發(fā)揮作用，在變頻器溫度上升的時間段內(nèi)發(fā)出報警信號，提示運行人員及時開啟備用設(shè)備，而不是立即停機從而保證生產(chǎn)運行穩(wěn)定連續(xù)。

（2）在發(fā)出報警的同時，檢測變頻器內(nèi)部溫度，當溫度超過額定溫度時及時發(fā)出變頻器停止指令，從而避免變頻器燒毀功率元件。提高了變頻器的運行完好率和運行時間。