高压变频的高可靠性

黄燕

广东明阳龙源电力电子有限公司广东省中山市528437

摘要：进行高压电动机的变频调速改造，可以降低系统能耗，优化系统的整体性能，为企业赢得可观的经济效益；可以节约资源、减少环境污染、优化工作环境等，又具有很好的社会效益。变频调速是通过改变电动机供电电源的频率来改变交流电动机转速的一种调速方式，因其调速范围大、调速平滑性高、性能优异而得到广泛应用。本文分析了高压变频的可靠性措施。

关键词：高压变频；可靠性；措施

对高压变频的可靠性要求除了其自身的质量可靠以外，还需要其具备应对电网异常工况、对电动机的正常运行无附加影响、应对局部故障的能力及应用维护方便等性能。

一、变频调速问题的提出

按照传统电机学的调速理论，异步机的转速表达为：，式中：p为极对数，f1为异步机供电频率，s为转差率。根据式中，异步机调速原理可划分为变频、变极、变转差率。由于变极只能是有级的调速，无级调速就只有变频和变转差率了。衡量调速性能的最主要技术指标是效率，由于转差功率是损耗功率，则改变转差率的调速是低效率的。至于变频调速，传统理论认为异步机的转速是由旋转磁场的同步转速决定的，同步转速随频率而变，于是变频就实现了调速。对于调速的效率，则认为变频的转差率不变，自然就是高效率的。基于上述观点，认为在所有的交流调速方法当中，惟有变频调速是高效率的，并具有调速范围宽，精度高等优点；衡量调速效率的标志在于同步转速或转差率是否改变。本文从功率控制角度，提出了交流调速P理论，基于P理论开发研究出异步机内馈调速系统，应用于工程实际中，获得了与变频调速性能相媲美，效率比变频调速还高的效果。

二、高压变频的可靠性措施

1.设备选型。从功率单元器件数量及结构、功率单元特点、谐波含量、功率因素和效率等指标看，电流型高压变频器由于采用高压SGCT（一种高压大功率元件），器件数量少，结构相对简洁；电压型高压变频器采用低压IGBT（绝缘栅双极晶体管）元件多级串联，元器件数量多，结构比较复杂，但低压功率单元元器件技术更加成熟。电压型高压变频器采用多电平串联技术，在脉冲和电平等级的数量上要大大多于电流型，输出波形质量更优，从而得到更高的功率因素和效率。从谐波含量的性能指标看，电压型高压变频器要明显优于电流型高压变频器。而电流型高压变频器的独特优点是能量反馈及四象限运行，在发电厂风机及泵类设备中并不需要。因此，从设备选型上看，电压型高压变频器在电厂具有更好的应用前景。

2.核心元器件。高压变频器的核心元器件主要是控制板卡、功率单元及附件。控制板卡包括了单元控制板（CCB）、系统接口板以及用户接口板和驱动控制板。通过对运行故障案例的检查、测试和分析，发现核心元器件故障的主要原因有以下几点：一是核心元器件本身的质量性能不稳定或电子控制通信回路故障。如单元控制板上的检测回路故障、控制板卡上光电耦合器质量不稳定导致的变频故障、用户接口板通信故障、功率单元SGCT功率管特性异常、可控硅共接电阻烧损等。二是运行环境不良造成元器件运行故障。如主控单元与可控硅触发驱动板之间的光纤接口积灰严重，导致光纤通道衰耗过大，通信出现异常；调制板上芯片针脚和跳线处有积灰，使针脚和跳线短路，引发软件错误。三是保养和维护措施不规范引起元器件故障。如应先打开控制电源使变频器通风驱潮，否则共接电阻等元件容易因受潮而烧坏；应定期对功率单元柜的所有螺栓进行紧固以防接线松动，避免元件接触不良而造成控制系统误判。高压变频器主要核心元器件的产品质量对高压变频设备可靠稳定运行影响较大，产品的稳定性还需要进一步提高。变频设备核心元件产品成熟稳定性的提高依赖于电力电子技术的不断发展和厂家制造工艺的不断提高，与此同时，良好的运行环境和规范的检修维护及备品备件管理也有助于提高设备运行的稳定性。

3.运行环境的改进。根据对电厂高压变频器运行环境的调查和评估，发现运行环境对高压变频器可靠运行的影响比较大，其中温度、湿度、粉尘、振动等环境因素会对高压变频器电力电子元件稳定运行和正常使用寿命产生较大的影响。高压变频器目前的运行环境主要有采用空调制冷的全封闭环境和采用风道将热量排到室外的半封闭式环境。半封闭式环境施工简单、费用低、散热效果好，但维护工作量大（需定期清洗滤网），运行稳定性依赖于所处大环境，适用于环境较好、粉尘少的场合。而全封闭环境由于室内外空气不直接流通，可确保室内环境清洁，但空调运行费用高，空调的可靠性会影响变频器的稳定运行。高压变频器大多安装在辅机附近，灰尘较多。灰尘进入变频柜内会导致绝缘下降或电子元器件击穿。灰尘堵塞滤网造成变频柜散热效果差，在板卡上积灰容易导致功率模块过热失效损坏和出现软件错误。从电力电子设备的运行可靠性考虑，全封闭运行环境要优于半封闭运行环境。在环境设计上要考虑通风散热容量及冗余备用，还要考虑防尘防潮措施，建议将变频柜内的温度、湿度等信号送DCS监控，并设定报警点，以加强对柜内温度和湿度的监控；在外部环境灰尘较多的地方，还应加强对空调室外机的清灰维护。建议新建电厂或改造过程中尽量采用全封闭运行环境。

4.运行检修维护规范的制定。在调研中发现，各厂对高压变频系统的检修工艺卡和检修维护规范（包括有些重要的元器件如电解电容的检测和更换周期等）还在制定和摸索中，各电厂的高压变频运行经验差距较大，运行维护管理人员对高压变频设备的熟悉和掌握程度有待进一步提高。因此应加快制定高压变频设备日常维护措施、停机保养以及定期检修项目的检修工艺卡和检修规范，这将有利于吸取前期的运行经验和教训，通过不断总结经验和完善措施来提高运行维护的管理水平。

三、高压变频器的使用

高压变频器一般可以根据电动机的额定功率或额定电流来相应配置。在选用变频器时，根据估算的使用功率来选配变频器是不合适的，这是因为采用变频器以后所消耗的电功率是在转速降低的情况下得出的，根据变频器设计的原则，为了维持气隙磁通量基本不变，应使定子端电压和频率成比例地调节，转速（即频率）降低的情况下，变频器的输出电压也相应地降低，定子电流变化较小。按照使用功率选用的变频器额定电流是在50Hz、额定电压时的功率，其额定电流较小。这样选用的变频器在实际使用过程中容易出现过电流故障，因此不建议这种选配方法。通常情况下应该按照电动机的额定功率或额定电流来配置变频器。高压变频器选用的功率元器件都是半导体器件，使用时的温度限制很严格，过温的情况下很容易损坏元器件，因此使用环境要求充分考虑通风和降温措施，采用室外循环通风时尤其要考虑进风通道的设计。在使用过程中，维护好通风和降温设备是保证变频器正常工作的一项重要工作。

国内的高压变频产品已经在不同程度上具备了上述的可靠性，有的甚至具备上述的所有功能，可以满足用户对高可靠性的要求。单元串联多电平方式的高压变频器的国内生产厂家已经很多，产品在市场上的应用也很多，技术已经比较成熟，使用后节能效果非常明显，已经可以进行大规模推广使用。

参考文献：

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