高壓IGBT變頻器維護及檢測方法分析

摘要：絕緣柵雙極型晶體管（Insulate-Gate"Bipolar"Transistor，IGBT）具有開關速度快、損耗小的特點，可以進行高頻開關控制，適用于變頻器等高效能電源控制設備。高壓變頻器通過控制IGBT導通和截止的時間及導通角，實現對電動機的頻率和電流等參數進行精準調控，從而滿足不同負載條件下的運行要求，保證電動機運行的穩定性和效率，對變頻器進行正確的維護和檢測可提高其使用年限和及時發現安全隱患，保證設備有效并穩定的運行。

關鍵詞：高壓變頻器""維護""光纖通信"波形檢測

Analysis"of"Maintenance"and"Testing"Methods"for"High-Voltage"IGBT"Inverter

LIU"Jun

CRRC"Dalian"Electric"Traction"Research"and"Development"Center"Co.，"Ltd.，"Dalian，"Liaoning"Province，"116000"China

Abstract："Insulated-Gate"Bipolar"Transistor（IGBT）"has"the"characteristics"of"fast"switching"speed"and"low"loss，"and"can"be"used"for"high-frequency"switching"control."It"is"suitable"for"high-efficiency"power"control"equipment"such"as"inverters."High-voltage"inverters"achieve"precise"control"of"parameters"such"as"frequency"and"current"of"electric"motors"by"controlling"the"on-time"and"off-time"and"conduction"angle"of"IGBT，"meeting"the"operating"requirements"under"different"load"conditions，"ensuring"the"stability"and"efficiency"of"electric"motor"operation."Proper"maintenance"and"testing"of"the"inverter"can"improve"its"service"life"and"timelynbsp;detect"safety"hazards，"ensuring"effective"and"stable"operation"of"the"equipment.

Key"Words："High-voltage"inverter;"Maintenance;"Fiber"optic"communication;"Waveform"detection

由于變頻器的調速功能出色、工作效果顯著，并且易于與其他設備連接，具有高性能，易維護的特點，這些特質使其在各個領域的應用日益普遍。在實際運行過程中，外部環境的溫度、濕度、灰塵、有害氣體等各種因素，都會對變頻器的穩定性和使用年限產生很大影響。若對變頻器進行科學的維護和檢測，既能確保其持續穩定的工作，也有助于提高其使用年限，同時降低由于故障停機引發的生產損失。本文以富士FRENIC4600M5e系列10/6"kV高壓絕緣柵雙極型晶體管（Insulate-Gate"Bipolar"Transistor，IGBT）變頻器為例，分析該系列變頻器維護和檢測的規程與方法。

1"變頻器的維護

1.1日常檢查

變頻器室應開啟空調并保證良好通風，環境中不能含有腐蝕氣體，環境溫度在0～+40"℃范圍內（25"℃為宜），濕度20%～85%"RH（不結露）。

檢查變頻器高、低壓側輸入電壓是否三相平衡，電壓值應在額定值的±10％范圍內，定時監控記錄顯示屏上的電壓、電流、頻率等各項數據，檢查柜內UPS電源是否有報警。

檢查變頻器散熱風扇運轉是否順暢，散熱風量是否充足，如果出風口溫度比平時高很多需要排查異常原因，當有異味出現時需要立即停機檢查。

1.2"定期保養

富士FRENIC4600M5e系列高壓變頻器主要由主電源變壓器、功率單元、電壓互感器、電流互感器、控制系統等組成。

定期保養前，必須斷開高壓側輸入斷路器并將其搖至試驗位置，同時懸掛“禁止合閘，有人工作”警示牌，切斷全部輸入電源并做好驗電確認，確認無外加電壓后，測量輸入輸出端子電壓在25"V以下后，對高壓變頻器裝置的主回路輸入輸出端子進行接地處理并斷開負載電機接線，做好接地措施后再進行施工[1]。

變頻器本身采用強制風冷具有較大的散熱通風量，因此在運行一定時間后，表面積塵非常嚴重，而運行環境溫度過高會影響許多部件的電氣性能、如電阻、整流模塊、IGBT模塊、電解電容器和風扇等，這些部件的使用壽命通常與工作環境溫度有關[2]，在除塵的過程中同時對柜內電氣元件進行外觀檢查，可初步判斷器件狀態是否有異常。

變頻器的清掃除塵工作主要內容有以下幾項。

（1）使用專用升降車將變頻器功率單元拆下，用防靜電刷、吸塵器清掃功率單元內部電路板、整流模塊、IGBT模塊、連接母排等部位。

（2）檢查功率單元內中間直流回路濾波電容器外觀是否有漏液、膨脹等現象，直流母排有無腐蝕、碳化，母排連接處螺絲是否緊固，固定處的絕緣板或絕緣子有無老化裂紋。

（3）檢查變頻器內部主電源變壓器是否有絕緣不良，變色燒焦或有異味等現象。

（4）檢查變頻器內部導線絕緣是否有腐蝕過熱的痕跡，如發現應及時進行處理或更換[3]。

（5）破損、老化的接線端子需要及時更換，防止其產生虛接甚至短路故障，各電路板接插頭的接插應牢固可靠。進出主電源線應可靠連接，連接處不應有發熱氧化、放電拉弧等現象。接地點應有明確標識，接地電阻值應不大于4"Ω。

（6）螺絲等緊固件常因振動、溫度變化等影響而松動，應將所有螺絲全部緊固1遍。

2"變頻器的檢測

在恢復安裝和接線的過程中，變頻器可能會出現接錯線、斷線等故障，應按照變頻器說明書和安裝指南進行正確接線和安裝。變頻器的設定參數較多，每個參數均有一定的選擇范圍，使用中常常遇到因個別參數設置不當，導致變頻器不能工作的現象[4]。因此，變頻器的調試是從正確設置變頻器參數開始的。恢復運行前還應對內部電阻類、容量類、半導體類等元件進行測量，檢測結果正常后才能進行低電壓發生試驗來檢測功率單元和主回路的輸出波形。功率單元電氣原理如圖1所示，主要由整流模塊、濾波電容器、IGBT模塊等電器元件構成，輸入側采用多脈沖二極管整流方式抑制高次諧波，可大幅降低高次諧波的產生。

FRENIC4600M5e系列變頻器使用數字信號處理器進行矢量運算及有功電流和無功電流的調節。當系統處于運轉狀態，由主CPU輸入有功和無功電流指令值，電流調節器零保持釋放指令和其他控制參數。另一方面對輸出電流檢出值進行進行三相/兩相變換，進而實施旋轉矢量運算，由交流量變換為直流量，輸入到各自的電流調節器中，該有功電流調節器的輸出與頻率指令相加，再與磁通指令相乘作成電壓指令，無功電流調節器輸出的2個信號被輸入到矢量運算器中進行上述逆變換，獲得三相交流電壓指令。根據三相交流電壓指令，在脈沖分配單元作成輸出柵極脈沖，該柵極脈沖可以讓輸出電壓波形成為近似于正弦波的多電平波形。使用示波器測量每個功率單元AC1、AC2處輸出電壓波形，正常情況下單個功率單元的輸出波形是一個穩定的、紋理清晰、無畸變的三電平方波，主回路的輸出波形是一個階梯變化的近似正弦波，檢測波形時按以下步驟進行。

（1）確認高壓進線斷路器已搖至試驗位置，功率單元安裝及接線已完全恢復，解除變頻器主回路輸入輸出端的接地連線，恢復變頻器控制回路供電，連接驅動板電源（220"VAC）和主電源變壓器一次側電源（380"VAC），連接示波器至功率單元AC1、AC2處，將編程計算機通過USB轉RS232串口線連接至控制裝置上CN7接口。

（2）按照表1更改變頻器參數。

（3）先接通驅動板電源，再接通主電源變壓器一次側電源，此時各功率單元上控制電源接通燈亮，P側主回路電壓15"V以上燈亮，N側主回路電壓15"V以上燈亮，短接變頻器柜內端子排上高壓斷路器合閘位置反饋點，變頻器充電完成后才能接受速度指令，此時待機畫面如圖2所示，圖中變頻器內主電源變壓器為干式移相變壓器，型號：ZTSG-1650/10，低壓側電壓580"VAC，共有18組次級繞組，次級繞組在繞制時相互之間有一定的相位差，這樣消除了大部分由獨立功率單元引起的諧波電流，所以初級電流近似于正弦波，因而功率因數能保持較高[5]；功率單元型號為：RKPB352C-4MV5A，單元內整流電路采用移相串聯二重聯結電路，每個功率單元都是一個單相三電平變頻器，可以獲得輸出電壓1"155"V，每一相由3個功率單元串聯組成，相電壓約為3"465"V，三相以星形連接，可以得到6"000"V線電壓。每個功率單元的控制通過主控系統與單元內的控制/驅動板之間的光纖通信完成，光纖接口通過光纖通道在調制器和單元間傳輸數據，接口板發出的觸發指令和狀態信號經過雙光纖通道傳輸至每個單元，同時校驗數據的完整性與奇偶性，如果檢測出錯誤將產生鏈接故障。

根據公式：

Ud=1.35Urms"（1）

式（1）中：Ud表示直流母線電壓；Urms表示輸入交流電壓有效值，通過公式計算得出低壓檢測時直流回路P、N側母線電壓值Ud=2×1.35×380×0.058=59.5"V，各功率單元直流母線電壓實際值與計算值相符，控制印刷板溫度39.1"℃（報警值60"℃），單元冷卻散熱溫度29.5"℃（報警值90"℃），光纖通信正常，滿足起動條件可以給定速度進行模擬運行試驗。

（4）將變頻器柜面轉換開關旋到就地操作位置，通過編程計算機給定變頻器25"HZ頻率運行，待運行穩定后測量每個功率模塊的輸出波形，再給定變頻器50"HZ頻率運行并測量主回路輸出線電壓波形，該變頻器采用多電平脈沖寬度調制控制方式，通過示波器可以看出變頻器輸出側高次諧波極少，輸出波形非常接近正弦波，可判定各功率單元性能良好。

（5）變頻器停機運行后先拆除接線端子排上高壓柜合閘位置反饋的短接點，再斷開主電源變壓器一次側電源，最后斷開驅動板電源。

（6）改回變頻器參數，斷電后當所有功率單元紅色充電指示燈熄滅并確認放電后恢復變頻器負載電機接線。

3"結語

高壓變頻器是工業生產中不可或缺的設備，在工業現代化進程中發揮著越來越重要的作用。正確的使用方法與合理的維護和檢測可以在一定程度上延長變頻器的使用年限，降低設備故障的產生，在減少生產安全風險的同時，提高了企業的經濟效益。

參考文獻

[1]杜志強."高職院校風電運維人才職業能力培養研究[D].天津：天津職業技術師范大學，2022.

[2]賈昊."變流器強迫風冷系統散熱器阻塞程度智能評估方法研究[D].北京：北京交通大學，2022.

[3]甘義權，付宏才，李若賢.電磁干擾下變頻器調速裝置智能維護系統設計[J].自動化與儀器儀表，2020（2）：77-80，84.

[4]韓雪濤，吳瑛，韓廣興，等."電工維修全覆蓋[M].北京：電子工業出版社，2019：388.

[5]陳杞榕，南永輝，王躍，等.國產中壓變頻器在中厚板軋機主傳動的改造研究及應用[J].冶金自動化，2022，46（4）：102-108.