高压变频器运行分析
?高压变频器运行分析
一、 概况：
实践证明，采用高压变频技术进行辅机节能可有效降低厂用电率，特别是调峰机组负荷变化频繁情况下，降低低负荷状态下的厂用电率。这与我国要建设节约型社会的发展思路十分吻合，而且我国已将“发展电机调速节能”列为节能项目的重点内容。目前，高压大容量变频器主要有以下四种典型结构：1)
功率单元串联二电平电流型高压变频器；2）单元串联多重化电压型变频器
；3）高－低－高式高压变频调速系统；4）三电平高压变频器。我厂共有6台高压变频器，都是采用美国罗宾康的单元串联多重化技术。具体型号如下：
序号设备名称型号投运时间备注
1. IA引风机变频器GNIII2001.03.07260A
2. IIA引风机变频器 GNIII2001.05.09260A
3. IA送风机变频器NXG2001.10.30140A
4. IIA送风机变频器 NXG2002.11.05140A
5. IB凝升泵变频器NXG2003.02.10100A
6. IIB凝升泵变频器NXG2003.06.20100A
备品情况统计如下：
新型号变频器备品（NXG）
序号备件号描述库存数量备注
1363628.00总线底板(MOTHER BOARD)1
2461c96.00调制板(MODULATOR)1
3461D85.00光纤接口板(FOLB)2
4363629.00模/数转换板(A/D)1
5461F53.00系统接口板(SIB)2
6363633.00信号调理板(SCB)2
7460A68.23键盘(KEYPAD)1
8363662.00中压旁路板(MVBYPASD BOARD)1
老型号变频器备品：
序号备件号描述库存数量备注
1363662.00中压旁路控制板(MVBYPASS BOARD)1
2460K78.00主链接板(MLB)(无旁路)1
3460A68.10ESS键盘(KEYPAD)2
4460B80.00T光纤集线器板(FOHB)1
5469718.00HRM微处理器板(MB)2
上述备品为随机备品，没有使用。新、老型号变频器只是控制系统不同，所采用的功率单元和功率单元控制板是一样的。我厂原有备用功率单元及功率单元控制板已全部更换完。
二、高压变频器运行分析
1、 节能效果分析：
根据变频器的工作原理，采用变频调速进行辅机节能效果是明显的，这一点可以从吸送风机实时的电流显示进行验证。当机组负荷为325MW满负荷运行，工频侧吸风机电流为175A，变频侧吸风机电流为156A，工频侧送风机电流为92A，变频侧送风机电流为18A；当机组负荷为280MW运行时，工频侧吸风机电流为182A，变频侧吸风机电流为124A，工频侧送风机电流为86A，变频侧送风机电流为14A；当机组负荷为250
MW运行时，工频侧吸风机电流为185A，变频侧吸风机电流为75A，工频侧送风机电流为84A，变频侧送风机电流为12A;当机组负荷为186MW运行时，工频侧吸风机电流为190A，变频侧吸风机电流为20A，工频侧送风机电
流为69A，变频侧送风机电流为15A。电流的实际值是在不断波动地，上述数据只是记录了某一时刻的电流显示，表明了一定机组负荷情况下的电流趋势。（吸风机电机额定电流为241A，送风机电机额定电流为124A，A凝升泵电机额定电流为72A，B凝升泵电机额定电流为71.6A）
根据2000年的统计数据，此时我厂没有进行变频调速改造，＃1机吸风机单耗为0.986，送风机单耗为0.383，＃2机吸风机单耗为1.146，送风机的单耗为0.5217。考虑到＃1机经常采用单侧风机方式运行，所以不进行考虑，只将＃2机组的吸送风机单耗作为比较数据。
根据2004年的统计数据，吸风机单耗为0.957 ，送风机单耗为0.343，凝升泵单耗为0.104；
根据2005年前11个月的统计，吸风机单耗为0.922，送风机单耗为0.337，凝升泵单耗为0.116。
由于凝升泵正常方式下只有变频供电，所以无法直接比较变频与工频的节能效果。但根据11月初IB凝升泵变频消缺期间，IA凝升泵电机运行的记录分析，在机组各种负荷情况下，IA凝升泵电机的工作电流在54～68A间波动，当采用变频调速方式运行，IB凝升泵电机的工作电流随机组负荷变化而变化。当机组负荷为320MW时，IB凝升泵电机的工作电流为63A；当机组负荷为280MW时，IB凝升泵电机的工作电流为53A；当机组负荷为250MW时，IB凝升泵电机的工作电流为35A；当机组负荷为186MW时，IB凝升泵电机的工作电流为13A。综合统计显示，凝升泵采用变频调速方式供电节电50％。
采用2004年的统计数据与2000年的统计数据进行比较，可以得出变频器的节能效益为
36.5*【（1.146+0.5217）-（0.957+0.343）+0.104】/100=0.171亿度电；按上网电价0.32元/Kwh考虑，则总计为547万元。
采用2005年前11个月的统计数据同2000年的统计数据进行比较，可以得出变频器的节能效益为
34.3*【（1.146+0.5217）-（0.922+0.337）+0.116】/100=0.1799亿度电；按上网电价0.32元/Kwh考虑，则总计为576万元。
综上所述，变频器的节能效果是非常显著的。
2、运行可靠性分析：采用变频调速可以有效降低辅机单耗，但是采用变频方式供电，同原有工频供电方式相比，增加了隔离变压器、功率单元、隔离刀闸等若干环节，其可靠性降低，特别是变频器的控制系统相对复杂，对环境的要求比较高，而且我厂采用单侧变频节能方式，变频侧同工频侧的出力配合不当将直接影响各个工艺系统的稳定运行。同时考虑到我厂在吸送风机等重要的辅机上，变频器的异常运行将直接给机组的安全稳定运行造成不利影响，严重情况下可能导致机组停机。所有这些给变频器的运行和维护提出了新的要求。
电子产品及零部件在整个使用寿命期内失
效发生的规律可用“寿命特性曲线”来说明,即用失效率(λ)———单位时间内发生失效的比率来描述失效的发展过程。那么在不进行预防性维修的情况下,失效率(λ)与其工作时间(t)之间具有图1所示的典型失效曲线,俗称“浴盆曲线”。按照“浴盆曲线”的形状,即按照机械产品使用的过程,可将失效分为三类。根据可靠性管理方面的“浴盆理论”
早期失效 是在使用初期,由于设计和制造上的缺陷而诱发的失效。因为使用初期,容易暴露上述缺陷而导致失效,因此失效率往往较高,但随着使用时间的延长,其失效率则很快下降。假若在产品出厂前即进行旨在剔除这类缺陷的过程,则在产品正式使用时,便可使失效率大体保持恒定值。
随机失效 在理想的情况下,产品或装备发生损伤或老化之前,应是无“失效”的。但是由于环境的偶然变化、操作时的人为差错或者由于管理不善,仍可能产生随机失效或称偶然失效。偶然失效率是随机分布的,其很低而且基本上是恒定的。这一时期是产品最佳工作时间。偶然失效率(λ)的倒数即为失效的平均时间。
耗损失效 又称损伤累积失效。经过随机失效期后,产品中的零部件已到了寿命后期,于是失效开始急剧增加,这种失效叫做耗损失效或损伤累积失效。如果在进入耗损失效期之前进行必要的预防维修,它的失效率仍可保持在随机失效率附近,从而延长产品的随机失效期。
高压变频器的使用寿命一般在0～15年。我厂变频器已运行3～4年，理论上应当进入产品的最佳工作时间。应当是可靠性比较高的一段时间。
3、设备异常分析：
高压变频器受产品质量、运行方式、运行环境等多方面因素影响，多次出现异常情况，给机组安全运行带来隐患，统计2002～2005年高压变频器发生的故障统计见附表一
建设本质安全性企业，需要从人员、设备、环境等方面进行分析并采取有针对性的措施进行整改完善。针对变频器从运行以来出现的若干问题，我们可以从人员、设备、环境三个方面进行分析。首先是人员的因素，出现过一次误操作，以及厂家调试人员在运行中调制节能参数导致变频器跳闸，以及由于相关的维护知识不全面，无法及时复位变频器确保及时投入；其次是设备原因，此类问题比较突出，主要分以下几类：1、功率单元过电压；2、通讯板损坏；3、变频器UPS中的蓄电池损坏；4、中间继电器ZJ烧毁；5、键盘通讯丢失；6、电缆头烧断；7、功率单元故障；8、旁路控制板电源坏；出现次数最多的是功率单元过电压；最后是环境问题，以往对运行环境对变频器的影响理解不深。但是从人与设备的和谐关系的角度来看，
要确保变频器更好地发挥效益，需要我们为变频器创造适宜地运行环境。高压变频器，特别是电子产品，对温度、湿度、粉尘污染、气体污染等要素有非常严格的要求。而我厂变频器的运行环境显然不满足变频器运行环境的要求。如2005年12月中旬IA送风机变频器频繁出现直流母线过压，在启动过程中出现直流母线过压导致若干功率单元旁路。原因就是环境温度低，依然采用外循环方式冷却，导致变频器的环境温度低于允许值。低温状态下变频器的滤波电容特性差，允许回馈的功率小，所以在调节过程中或启动过程中频繁出现直流母线过压。后停止外置风机，采用内循环方式，并适当提高变频器配电室的温度，IA送风机启动正常，运行良好。而IA送风机变频器比其他的风机变频器容易出现直流母线过压，且多是在冬季环境温度低的情况下出现，就很好地说明了温度对变频器的影响。其次是粉尘的影响。2003年1月份，IA吸风机变频器电流波动大，联系厂家技术人员对变频器检查后，更换了PIB板（电源接口板）。更换下的旧板背面有三处粉尘密集点，厂家技术人员对该板进行了清洗处理并做了记录。2005年12月19日，IIA吸风机变频器在更换了功率单元通讯板后启动失败，多次清扫试验均不成功。后通过联系厂家技术人员现场服务，对功率单元进行上电检查，未发现异常，变频器在开环状态下启动正常，在正常状态下启动再次出现OOS（IGBT过饱和）故障。然后用2003年换下的PIB板对IIA吸风机变频器的PIB板进行了更换，启动良好，各项参数及数据显示正确，说明2003年换下的PIB板并没有问题，原来只是由于个别的点积聚了较多的粉尘导致板子的个别环节的特性出现变化。由此可以看出粉尘对变频器正常运行的影响。对变频器异常统计表进行分析可以看出，变频器出现异常的时候，其运行的环境均不是其最佳的运行环境，这从另一个角度说明了运行环境对变频器的重要影响。
三、改进方案：
针对上述问题，我们及时分析研究，采取措施，取得了一定的效果，在下一步的工作中将采取以下措施确保变频器的稳定运行：
首先从环境入手进行改善。从2005年下半年开始，我们利用各种机会就变频器的运行环境进行了收资。从现有掌握的情况看，变频器冷却方式由外循环改为内循环是可行而且非常必要的。比较成功的电厂有：1）华能威海电厂：2000年开始，采用罗宾康产品应用在吸风机上，采用内循环方式，虽然地处沿海地区，但该厂采用的罗宾康产品运行良好，据该厂技术人员测算，变频器的投资早已收回。2）浙江镇海电厂、河北邯郸马头电厂：均采用内循
环方式，并且将变频器配电室按照集控电子间的规格进行通风设计，变频器运行良好，几乎没有任何灰尘；3）邹县电厂：有两台凝升泵采用变频调速方式运行，变频器采用内循环方式，同样运行良好，没有出现异常；4）天津大港电厂：采用内循环方式，运行良好；5）天津军粮城电厂：该厂曾上我厂了解过变频器的运行情况。据该厂技术人员讲，该厂变频器最初是内循环方式，不带空调，效果不好，然后改为外循环方式，利用空调降温，效果同样不佳，最佳该厂又改为内循环方式，增加了大功率空调，运行一段时间效果良好。据罗宾康厂家的技术人员介绍，应有在水厂的变频器产品出现故障的几率比较小。和我厂同样采用外循环方式的电厂还有青岛电厂、黄岛电厂，其变频器的运行效果均比较差。莱城电厂有两台凝升泵同样采用罗宾康的高压变频器，其采用敞开式布置，将变频器安置在汽机房内，运行效果一般，2005年已更换了2只功率单元。
通过上述电厂的比较，可以认为，我厂变频器冷却方式由外循环改为内循环是可行而且非常必要的。具体的改造方案是：1）将所有变频器配电室现有窗户进行密闭处理，拆除原有外置风机风筒室内部分，保留外置风机风筒室外部分作为备用。2）在凝升泵配电室内安装两台10P的空调，确保夏季高温季节配电室温度满足要求。3）在集控楼内安装两台空冷机组，将风道引至引风机、送风机变频器配电室，确保夏季高温季节配电室温度满足要求。4）保留所有配电室内原有空调，并确保其运行可靠，确保变频器在低温冷态下能可靠启动。5）春、秋、冬季若变频器内循环方式下，环境温度维持在20～30度，可以将空冷机组和空调停止运行。若环境温度较高，应及时将空冷机组和空调投入运行，并及时监视变频器配电室的环境温度。
其次是设备的问题。要解决现有设备问题，需要做以下几方面的工作：
1）预防性维护：在电子产品处于偶然失效的期间，有针对性地采取预防性维护，可以延长产品的寿命，推迟衰耗失效的出现。利用每年的机组检修机会，按照厂家要求的预防性维护措施，对变频器所有功率单元进行清扫检查，测量功率单元各环节是否正常；对所有电路板用软刷或精密电子仪器清洗剂（如洛赛克等）清洗。进行清扫、目测检查、紧固、送电检查等其他工作。
2）补充并修复备品：运行几年来，我厂变频器易出现问题的备品备件已消耗完毕。2005年已先后购买变频器通讯板2块、CPU板1块、260A功率单元1只。目前比较急缺的就是吸风机变频器的PIB板以及变频器的功率单元通讯板。这两种电路板已没
有备品，如果出现问题，变频器只有推出运行。所以应立即定购这两种电路板，特别是吸风机变频器的PIB板。因为吸风机变频器控制系统是老型号产品，罗宾康美国总部已不再生产，只是提供为期5年的备品供应。如果我厂的吸风机变频器的PIB板出现问题，而罗宾康上海公司又没有库存，那么产品的采购周期将长达6～8周。厂家同时提供功率单元和功率单元通讯板的修复业务，修复费用一般约为购置新品费用的三分之一。可以利用机组检修机会，将更换下的功率单元及通讯板进行认真检查，基本明确故障环节，然后联系厂家进行维修。
3）环境改善后，变频器如果运行良好，没有明显的异常状态，应尽量减少停机检查，因为变频器的隔离变压器的型式比较特别，变压器的励磁涌流很大，可能达到变频器额定电流的8～10倍。其次频繁启动变频器对功率单元的电容也是非常不利的影响。但是仍要加强日常的巡回检查，发现问题及时进行处理。
4）到期元件的及时更换：变频器多次停电送电，其UPS中的蓄电池经常充放电，接近使用年限，我厂IA引风机变频器中的UPS用蓄电池曾出现问题造成变频器跳闸，厂家反馈意见为UPS用蓄电池运行2年后应及时更换，对于送风机、凝升泵变频器UPS用蓄电池，结合机组检修，对其控制电源采用引风机同样的方式进行改造；
最后是从人员方面采取措施。一是加强人员的培训。采取走出去的方式，参加厂家举办的变频器培训班，一方面深入了解变频器的结构和原理，明确变频器预防性维护的具体内容，另一方面同其他厂家的技术人员进行信息交流，取长补短，提高我厂高压变频器的运行维护水平。二是加强运行人员的调整和日常巡检。根据以往经验，变频器在低负荷状态下如果调整幅度过大，容易引起能量回馈造成变频器跳闸，所以应继续认真执行已有的关于变频器调节的有关规定，避免在低负荷状态下调节变频器的转速，变频器的调节速率要适当，这一点非常关键也非常有效。