上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072
摘要：文章对华能太仓电厂一次风机1A变频器过压保护动作导致重故障跳闸的原因进行了分析，重点阐述了电压检测及比较环节故障的排查过程，对重要辅机的变频器换型提出了改进策略。
关键词：变频器；电压空间矢量
2014年9月28日11：44：10，华能太仓电厂1号机组负荷238MW，BCDE四磨运行，一次风机1A出现重故障报警，光字牌报警正常，变频切换工频正常，两台一次风机静叶超驰动作正常，运行人员立即手动控制吸、送风机动叶，维持炉膛负压，总风量正常，维持主汽压和汽包水位正常。
经现场确认，变频器已故障跳闸自动切至工频运行。技术人员现场检查变频器控制柜，手操器控制面板显示“过压保护”动作，无其他记录。CTR主控器无过压保护故障灯点亮。
一次风机1A变频器采用交－直－交电压源型变频调速，使用正弦波脉宽调制（SPWM）三级变频。三相电源经过整流器得到直流电，每相为三单元叠加。每单元直流电压1800V，最高输出交流电压1275V。为了保护变频器，在直流电压过高时，变频器会报过压故障，并封锁逆变器的脉冲输出。这是保护变频器器件不受损坏的一个重要而且必要的方法，这个故障是不能被屏蔽的。
原因分析
变频器内部有电压检测环节，当直流电压测量值高于某个阈值后，变频器会报过压故障。一般来说，造成变频器过电压主要有以下原因：
1、受进线电压影响
如果电网质量不好，有瞬间高电压出现，那势必会造成母线电压过高。偶尔出现的瞬间的电压尖峰很难捕捉到，这为故障的诊断增加了难度。如果用示波器或电能质量分析仪捕捉到进线电压的闪变，确认电网存在电压尖峰的话，那么可以在变频器进线端安装电压尖峰吸收装置以保护变频器。
此外，在打雷时，也可能会对电网电压产生瞬时影响，也可能会造成变频器的过电压故障。不过打雷是偶发事件，生产区域有防雷措施，该因素不会困扰变频器正常运行。
2、受输出端的影响，即逆变器侧
当电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态，而变频器又没有安装制动单元的情况可以引起过电压故障。当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设的比较小，在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而负载靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量回馈单元，因而变频器直流回路电压升高，超出保护值，出现过压报警现象。一次风机1A在机组正常运行时负荷电流较为稳定，一般不会出现同步电机的制动状态。
3、功率单元过电压
由于参数调节或负载变化引起的同步电机在短时间内从高负荷降到低负荷，造成其变化率太大，类似一般压缩机或风机突然卸载的工况。变频器单元输入侧采用了二极管整流，电机的旋转电动势能量无法回馈到电网，只能充入平波电容器，造成了单元直流过压。如果是由于调节造成的，则可以放慢电机降速时间；如果是由于负载特性造成的，那就要增大直流环节的电容容量。
4、电机电缆地虚接
电机电缆对地虚接可能会造成过电压。技术人员已对电机及电缆的绝缘情况进行检查结果合格。
由以上可能的原因造成变频器过压保护动作报警会同时体现在CTR主控器及手操器控制面板上。根据现场的检查结果显示，手操器控制面板显示“过压保护”动作，而CTR主控器无过压保护故障灯点亮。
此外，变频器的电压检测及比较环节工作异常可能导致变频器过电压保护的误动作。
一次风机1A变频器电压检测及比较环节工作原理如图1所示，从功率单元输出的直流电压信号为0～50mA，因PLC输入端和过压1模块输入端、过压2模块输入端均为同一电位，在经过与过压2模块一体封装的100欧电阻R的电压转换，输入信号均转为0～5V电压信号。
根据过压电路原理和PLC程序逻辑分析，过压保护动作来自于外过压和过压二两个先决条件，且此两路信号均存在信号一旦发出均有自保持现象。根据以往经验，本次检查首先在过压保护模块上进行重点排查。低压实验完毕后，对过压模块的性能分别进行了多次排查。期间，经过技术人员对电气回路的仔细分析，分别对过压模块进行了模拟高压模式和直给电压信号测试，为保证准确，在硬接线回路不动的情况下，分别在过压1模块和过压2模块输入信号端另外加入0～5V信号检测（变频器没有6千伏电压输入的情况下，0～50mA信号近似为0），过压1模块和过压2模块的动作值与计算值相吻合，手操器面板上的直流电压显示值也吻合，经过多次测试和参数比较，两组过压模块并未发现异常。
然而在将过压2模块的输入信号线摘掉的情况下，因同时掐断了电压转换电阻R的接线，则0～50mA相当于直接加在了PLC和过压1模块的大内阻之上，此时测量的输入电压信号远远大于0～5V（正常2.6V电压，摘掉线后为13V左右），变频器过压保护动作，且主控器光纤信号灯不亮（对应过压2模块已无输入信号）。因手操器面板上并无“过压二”这一故障记录，但直流电压显示在断线后，相应电压值直接跳至2400V满量程，而若过压比较模块输出信号，则CTR主控面板上的过压保护报警灯会点亮，并且手操器面板上的外过压指示灯会点亮。因此可以肯定是PLC程序逻辑内部过压二动作导致过压保护。此现象与初始故障现象吻合。
随后技术人员将检查重点放在PLC程序内部回路的过压二保护回路。经过多次测试和验证后，基本确定方向为：过压2模块内部软故障或过压2模块信号线松动会导致变频器只出现过压保护跳闸并不出现其他反应，此现象和初始检查故障现象吻合，并排除其他方式出现此类现象的可能。
由于设备厂家无法提供过压模块内部详细电子电路，故障原因若为电压信号线松动，则已经检查并重新紧固；若为过压模块内部软故障导致偶发信号，则无法查验，建议更换过压比较模块2。
因过压保护回路为电压比较模块和PLC计算两部分，目前已将PLC中过压跳闸改为报警信号，并对逻辑修改进行存档，维持CTR主控器过压故障跳闸不变，同时已将电压信号接线检查并重新紧固，这样既保证变频器在过压故障时CTR主控器能正确动作，又能防止PLC的误报故障的再次发生。而对于过压模块内部软故障导致偶发信号的可能性，应持续关注变频器运行后直流电压值和各故障继电器状态、过压比较模块输入电压值、CTR主控器过压故障报警灯状态、手操器面板故障信息等参数作为重要参考，视情况决定是否更换过压模块。
改进策略
传统的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
基于这个目标，建议引进电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）的变频调速控制系统。这种控制方法把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，即“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，输出效果较好。
5.结束语
高压变频器在发电厂重要辅机中的广泛应用，不但大幅度节约了电能，降低了厂用电率，而且实现了电机的软启动，延长了设备寿命。在电力市场日益竞争的大环境下，选用可靠的变频调速控制系统不仅能降低发电机组非计划停机的运行风险，同时能提高了发电企业的市场竞争力。
参考文献：
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[3]张玉春.变频器无速度传感器矢量控制的分析[J].电力电子技术，2006，3（40）：110-111
论文作者:郭振,刘廷章
论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿
论文发表时间:2016/3/18
标签：变频器论文; 过压论文; 电压论文; 模块论文; 故障论文; 过电压论文; 信号论文; 《基层建设》2015年24期供稿论文;