4000KVA变频电源故障的分析研究

4000KVA变频电源故障的分析研究

石海勇

珠海格力电器股份有限公司     广东珠海 519000

摘要：RHVC系列的4000KVA高压变频电源，采用无中间环节的直接高压输入输出模式，即高-高压直接转换，摒弃了传统的输出升压变压器，从而优化了系统架构，减少了成本投入。该系列高压变频电源，引进了国际上广泛认可的功率单元串联式多电平技术，各个功率单元均设计为三相输入与单相输出的PWM（脉宽调制）型低压变频电源，技术成熟稳定，单元结构与性能高度统一，极大地增强了高压变频电源的稳定运行和易于维护的特性。此外，通过采纳先进的叠波技术，有效降低了高压变频电源输出电压中的谐波成分，输出的电压波形逼近理想的正弦波形态，显著提升了变频电源的输出品质，实现了高压变频领域中的“零谐波”输出标准。

关键词：逆变单元；IGBT功率模块；远程控制

Abstract:The 4000KVA high-voltage inverter power supply of RHVC series adopts the direct high-voltage input-output mode without intermediate links, that is, high-high voltage direct conversion, abandons the traditional output step-up transformer, thereby optimizing the system architecture and reducing the cost investment. This series of high-voltage variable frequency power supply, the introduction of the internationally widely recognized power unit series multi-level technology, each power unit is designed as three-phase input and single-phase output PWM (pulse width modulation) type low-voltage variable frequency power supply, the technology is mature and stable, the unit structure and performance are highly unified, which greatly enhances the stable operation and easy maintenance characteristics of the high-voltage variable frequency power supply. In addition, by adopting advanced wave stacking technology, the harmonic component in the output voltage of the high-voltage variable frequency power supply is effectively reduced, and the output voltage waveform is close to the ideal sine wave form, which significantly improves the output quality of the variable frequency power supply and realizes the "zero harmonic" output standard in the field of high-voltage frequency conversion .

Keywords: inverter unit; IGBT power module; Remote control

引言

我国在节能领域的重要发展战略之一便是高压大功率交流电机变频调速技术的进步。这一技术的演变历程与电力电子元件的革新步伐紧密相连。无论是从大功率可控硅到双极型晶体管（BJT），还是从绝缘栅双极型晶体管（IGBT）到集成门极换流晶闸管（IGCT），每一次功率元件的更新换代都推动了变频电源技术的重大突破。高压变频电源的应用使得高压电机能够实现平滑调速，满足了生产流程中对电机速度控制的精准需求，进而实现了产量和品质的双重提升[1]，同时也实现了能源的高效利用和生产成本的显著降低。目前，大功率高压变频电源已被广泛应用于我国的电力、供水、冶金、石油、化工、采矿、煤炭、造纸、建材等多个主要行业

[1]，成为了一种在高压交流电动机调速领域无与伦比的新型电源解决方案，了解掌握高压变频电源原理才能正确的解决其出现的故障。

1 高压变频电源介绍

4000KVA变频电源为RHVC系列高压变频电源采用直接高压输入，直接高压输出（高-高）的方式，RHVC型变频供电系统搭载了基于IGBT的变频功率模块串联技术，形成了一种高效的高压至高压变频供电模式，实现直接高压输入与输出，省去了输出变压器的需求，因而能效卓越，频率调节范围广泛。该系列高压变频供电系统由功率模块柜、变压器移位柜、断路器保护柜以及隔离刀闸柜等核心部件构成[2]。

1.1系统连接电路

如下图1-1展示了RHVC高压变频电源的接合电路布局。由该电路图，我们能够详尽地把握RHVC高压变频调速系统的运作机理：变压器的一侧通过高压隔离开关K1与主电网相接，电网电压经多级副边绕组降低电压和改变相位，随后进入高压变频电源，该电源的输出信号直接作用于高压电机的运作。

在高压旁路控制系统中，通过KM1隔离器将高压变频电源并入电网，同时经过KM2隔离器与高压电动机相连。若高压变频电源出现故障，可通过断开KM3隔离器，使高压电动机切换至常规工频运行状态。启动变频电源之前，必须利用充电电阻R对功率柜中功率单元进行预充电，这样做的目的是减小充电电流，保障充电期间整流单元和电力容器不受损害。待充电步骤结束，手动或自动断开高压隔离开关K2，撤除充电电阻，进而激活高压变频电源。

图1-1 系统连接电路

利用安装在变压器柜中的三套电压检测装置 VH1，以及三组电流监测元件 CH1，能够清晰地反映出高压变频电源的输入电压和输入电流的具体数值[3]。同样，内置的另外三套电压检测装置 VH2 和三组电流监测元件 CH2，也能精确地呈现出高压变频电源的输出电压和输出电流的实际情况。

1.2变频电源主电路

图1-2展示了主体电路布局。观察此图，我们能够清晰洞察变压器次级绕组与功率模块，以及模块间的电路互联模式：编号一致的三个次级绕组各自向同一功率机柜（同一级）中的三个模块供电。在每一级模块中，一条输出口并联于一星型节点，而另一条输出口与下一级模组的输出口相连。这样，就可以把同一相的各个组件串联在一起，形成一种星型结构的三相高压电源，用以驱动电机运作。

图1-2 变频电源主电路

1.3高压变频电源功率单元

高压变频电源的核心构成要素为功率模块，它构成了电源系统的基本构成单元。每一个功率模块均采用了模块化的构造理念，确保了其在构造与电气特性方面的完全统一，从而实现了模块间的互换性。这些功率模块的基本电路拓扑为交-直-交的三相整流与单相逆变组合，具体的主电路结构详见图1-3所示功率模块主电路，以及图1-4中的功率模块主电路图。

图1-3 功率单元主回路（标准型）

图1-4 功率单元主回路（四象限型）

1.4功率柜

控制柜的核心职责在于对相连设备的监管与调度，确保调速系统的顺畅与稳定性。作为高压变频器的核心构件，控制柜承担着电能转换的关键任务，同时也负责调整输出电压的大小及频率。其运用了尖端的光纤通信技术，拥有大容量通信、远距离传输以及强大的抗干扰性。控制单元板不仅有效地完成IGBT的驱动与控制任务，还整合了过载、过高电压、过低电压以及超温等多重防护机制，实现了高效、高安全性、低耗能以及低故障率的运行标准[3]。控制单元的外形示意如图1-5所示：

图1-5 功率单元外形图

图中：①功率单元控制板  ②电容器  ③熔断器  ④整流模块  ⑤逆变模块

⑥温度传感器      ⑦电阻器

2 典型案例分析

2.1功率单元欠压故障

4000KVA变频电源在投入使用一个星期后变频电源出现功率单元直流欠压故障；重启变频电源后变频器无法完成充电，重启多次故障依旧。

问题分析：功率单元板负责与控制部间进行信息交换，功率部件和功率单元板两部分组成，功率部件包括 IGBT组件，整流组件，电容器；电阻器，保险丝等。从变压器次级端通过整流组件进入电力设备，并通过 IGBT组件排出[4]，并进行交直交变换，通过功率单元组成部分及工作原理的了解，再次对变频电源充电，发现U6单元无法达到设置充电电压，单元电满指示灯不亮，针对功率单元直流欠压故障做以下排除：

1）电网电压负向波动超过允许值

2）变压器工作异常

3）单元控制板损坏

4）制动回路工作异常

在针对制动回路工作异常排除发现信号回路模拟板输出电压电流模拟信号不正常，该模块主要完成外部输入的模拟量的采集、存储和输出，并将其输出到主控制器，将控制器输出的模拟量输出到上位机。类比输入量为使用者所需的4-20毫安的类比速率[5]，经对模拟板电阻阻值进行测量发现阻值已经下降，导致功率单元直流显示值偏低，从而影响充电电压。更换功率单元模拟板电阻后， 变频电源恢复正常使用。

                             图2-1 模拟板

2.2变频电源输出电压不稳定异常

为了安全方便操作，厂家对4000KVA变频电源进行远程操作安装远程监控系统，远程监控系统可以完成本地所有的操作。但连接远程控制后发现检测的电压波动大问题。

问题分析：在远程监控软件显示其中一组的电压在326V~420V范围内波动，波动范围达到额定要求的15%，其它组位电压波动也较大，严重超标准要求。经现场实际检查，电压波动只是在远程监控软件上波动，而实际输送到使用端的电压显对要稳定。此说明了是由于电源柜控制输出模块的异常，而电压模块输出由CW1-2000M由H型智能内部控制软件公式输出。如下：

图2-2 H型智能控制器

根据其原理：电压的量值是由整个系统的平均平方根来度量的，通常采用平均平方根的二分之一作为测量单位。电压平均值的离散化计算公式如下：

其中，N：一个周期内的采样点数；Uk：第k点的电压瞬时值。

电压瞬时值的改变可以用计算公式：

描述，式中f（t）函数可能有各种各样的变化，由此引起电压瞬时值的多种改变。而对于短时脉冲函数时所造成的电压幅值快速突变，通常情况下，均方根变化不包括在内。均方根值的电压波动特征 U (t)，简称为电压特征，它是一个电压均方根的函数，它是沿着基波半周和它的整数倍所得到的。

经CW1-2000万能式断路器厂家人员根据实际原因，需要在断路器前端增加一个电压转换模块。而电压转换模块主要为采用微处理进行数学运算，可对各种非线性输入信号进行精度极高的线性矫正，配用CW1-2000M智能控制器，可将输入信号所对应的测量值更远精准控制显示出现。最终增加一个电压转换模块解决了远程软件波动大问题，使远程监控软件上显示电压稳定准确。

3 结论

综上为变频电源比较典型的故障案例，对于这些问题在日常试用设备过程中需要注意以下几点：

（1）注重设备日常点检、维护、保养：为确保变频动力供应设备持续可靠的运行，有必要对内部组成部件的耐久性进行持续的维护与检修。

（2）部件的耐用性受到使用条件和保养质量的影响极大。变频动力供应设备中容易损坏的部分主要是散热风扇和滤波器中的电解电容器，一般情况下，散热风扇的预期使用寿命在3到4万小时之间；而电解电容器的使用寿命通常在4到5万小时。消费者可以依据设备运行时长来判断何时进行更换。

（3）在使用远程监控软件时，在管理人权限操作后，应要及时将管理人权限进行注销，使用观看模式，此主要防止误操作对电源输出的影响。

参考文献：

[1]荣信RHVC系列高压变频器_用户手册

[2] 要天荣.试论高压变频器的发展趋势[J].科技与企业,2011,(10):22-24

[3] 秦强林.DFCVERT-MV高压大功率变频器[J].东方电气评论, 2002,(12):88-90

[4] 侯海军.浅析煤矿通风机同步电机变频调速改造[J]. 山东煤炭科技, 2012,(12):10-13

[5]杜锋.7MW高压变频电源在水泵测试台中的应用[J].变频器世界，2016,(02)17-19