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高压变频器在百万机组凝结水泵的应用与故障分析
作者：高兴庆
来源：《中国新技术新产品》2012年第22期
摘 要：本文主要介绍了百万机组凝结水泵高压变频器的工作原理及实际应用中存在的一些问题，并详细分析了问题产生的原因，解决的方法，并根据变频器实际运行情况总结了日常维护及检修中的注意事项。
关键词：高压变频器；功率模块；驱动故障；输出过流；频率波动 中图分类号： TM344.6 文献标识码：A 1概述
台电二期单台百万机组配置三台50%容量的凝结水泵（额定功率1600kW，额定电压6kV，额定电流173.6A），其中A、B凝结水泵采用变频运行方式，C凝结水泵作为工频备用。
A、B凝结水泵采用的是广东明阳龙源电力电子有限公司生产的MLVERT-D06/2100.B串联多电平电压型高压变频器，额定容量2100kVA，额定电压6kV，额定电流200A，冷却方式为空水冷与立柜式空调共同冷却。凝结水泵高压变频器是采用新型高压大功率电力电子器件构造的直接“高-高”型高压变频器，通过直接改变供给的交流电源的频率和幅值的变压变频控制方法，在很宽的转速范围内进行高效率的转速调节，降低能源消耗。机组正常运行方式下保持A、B泵变频运行，C泵工频备用，当其中一台变频泵故障跳闸时，另一台变频泵升速至50Hz，并联启工频C泵。 2高压变频器的工作原理
凝结水泵高压变频器是由多个功率模块串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出。图1为高压变频器的电路拓扑图。
电网送来的三相6kV/50Hz交流电，经移相变压器，供电给18个功率模块，每个功率模块的额定输出电压为580V，相邻功率模块的输出联接起来，每相6个功率模块进行叠加，使得高压变频器的额定输出相电压为3480V。三相共18个功率模块，形成Y联结结构，使得线电压为6000V，直接供给感应电动机。
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每个功率模块承受全部的输出电流，但只提供1/6的相电压和1/18的输出功率。由于此种结构采用的是整个功率模块串联，而不是传统的功率器件串联，故不存在元器件串联所带来的均压等问题。
3凝结水泵高压变频器运行以来出现的主要问题 3.1模块驱动故障导致高压变频器跳闸 故障信息记录如下： 13：29：59 B4模块驱动故障 13：29：59 系统判断重故障
其中驱动故障是指模块内的功率器件、功率器件驱动部分有故障或者流过功率器件上的瞬时电流过大， 当发生的是驱动故障时，变频器立即自动旁通运行，但以上所指故障旁通运行是有条件的，整个功率模块有四个IGBT，共组成两个桥臂，每个桥臂有两个IGBT构成，只有当每个桥臂至少有一个完好的IGBT时才可以旁通运行，否则将发重故障信号去跳闸。功率模块结构图见图2
后经检测发现电源板的R25限流电阻已烧烂，电感L4外皮已烧毁。为直流接触器起动线圈在起动后，不能被顶开，以致过大电流将电源板R25和L4烧坏，电源板不能正常工作，从而不能向控制板和驱动板正常供电。驱动板在其电源欠压的情况下向控制板发送ERR信号，控制板捕获该ERR信号后报出驱动故障，但驱动板已在失电状态，已无力驱动IGBT动作进行旁通运行，故发重故障信号跳闸。更换直流接触器和电源板后，重新上电检测，模块输出正常。
3.2输出过流动作导致高压变频器跳闸 故障信息记录如下： 13：55：46 输出过流
13：55：46 系统判断主板重故障
其中变频器的输出过流保护定值由厂家根据产品的特点设置为额定电流的2倍，用户无法进行修改，当输出电流有效值超过过流保护定值时，变频器向DCS报出重故障信号，在触摸屏上有相应的故障内容显示，同时给出跳高压开关信号，系统停止运行。经查看故障前的电流趋势图无明显突变现象，一直保持在133A左右，说明凝结水泵运行时实际并没有发生过流，后经检测发现由于主控箱的模拟量采样通道故障，使电流发生突变，使得电流数值超过输出过
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流保护定值，导致主板判断输出过流动作。更换主控箱后，测试输出过流保护功能的采样正确、动作可靠。 3.3频率波动频繁
通过对高压变频器的调节能力与泵本体的适应能力进行对比分析发现，在自动方式下变频器的频率调节在0.2HZ左右频繁波动，虽然此波动属于正常调节，对电气影响较小，但是对于泵本体就有6转/分的差距，如果长期波动可能导致泵本体振动偏大，轴承损坏甚至泵轴断裂事故等不良影响，降低泵的使用寿命。为了解决频率波动问题，对高压变频器的“给定频率阈值”进行了优化，由0.2HZ提高到0.5HZ。但是经过运行观察发现“给定频率阈值”由0.2HZ优化为0.5HZ后虽然已解决高压变频器调节波动频繁，但是降低了高压变频器的调节品质，使得A＼B凝结水泵的运行电流偏差在2-8A之间。后又对压力死区范围进行设置，在一定程度上可防止高压变频器调节波动频繁，为了提高高压变频器的调节品质，经专业人员讨论确定将高压变频器的“给定频率阈值”由0.5HZ恢复至0.2HZ，截至目前高压变频器运行良好。 3.4启动时间较长
变频泵在并入系统时，由于中山明阳公司的变频器不能实现工频启动后在线转变频运行，所以要想投入变频运行就必须在启动时就以变频方式启动，变频器从0HZ增加至50HZ需3-5分钟左右，变频泵在变频启动的过程中出口压力一直是低于额定压力的，所以逆止门顶不开，使变频泵一直处于打闷泵的状态。对于打闷泵的状态KSB泵说明书明确要求不能超过2分钟，因为打闷泵时，叶轮高速旋转与液体产生摩擦发热，水被加热气化，易使叶轮汽蚀并产生剧烈振动，严重时还会使泵的密封爆裂。为了既能满足凝结水泵变频启动至50HZ时间少于两分钟的要求，又要防止时间过短造成功率元件损坏和启动过程中输出过流跳闸，现已将变频器由0HZ升至50HZ的上升速率由3分钟提高到了2分钟，并通过了试验验证。 4高压变频器日常维护及检修注意事项
4.1高压变频器的运行环境温度应保持在-5℃-30℃之间，模块柜的温度应保持在30-40℃之间，变压器柜温度不应超过120℃，比较利于高压变频器的运行，由于高压变频器的发热量很大，要想保证此温度需长期投入水冷器及空调，经过长期观察发现空调温度设定为16℃基本能保证此温度。
4.2变频器的滤网每月应更换一次，若工作环境灰尘较多，还应根据实际情况缩短滤网更换周期。
4.3检查变频器系统冷却风机的运转情况，一旦发现变频器或输入变压器风扇停转，应及时进行维修。
4.4在变频器停运时若停运进、出风扇则容易导致凝露，现已要求运行人员在高压变频器停运期间停运空调，但要保持水冷器及进、出风扇正常运行，使变频器处于良好环境当中。