摘要：本文介紹了電壓源型高壓變頻器的高壓輸入和輸出電纜接反的危害。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器 高壓輸入 高壓輸出
1.概述
目前國(guó)際上普遍采用的高壓大功率變頻器大多為功率單元串連多重化電壓源型變頻器，國(guó)外以羅賓康、東芝，國(guó)內(nèi)以東方日立和利德華福為代表。這種類型的高壓變頻器是一個(gè)單向的能量傳遞裝置，只允許能量從變頻器的輸入端輸入（即從移相變壓器端輸入），經(jīng)過(guò)移相變換后輸入到進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的功率單元進(jìn)行“交－直－交”變換，然后經(jīng)過(guò)電平疊加后由輸出端輸出。如果能量從輸出端反向輸入（即高壓輸入和輸出電纜接反）將出現(xiàn)災(zāi)難性后果。
2.單元串連多重化電壓源型變頻器的原理
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
單元串連多重化電壓源型變頻器是采用直接“高-高”的變換形式，由多個(gè)功率單元構(gòu)成多重化串連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)單元輸出固定的低壓電平，再由多個(gè)單元按照正弦規(guī)律分時(shí)序串連疊加為所需的高壓。以6kV每相六單元串聯(lián)為例,電壓疊加如圖1所示，變頻器電路原理示意圖如圖2所示。每相由六個(gè)相同的功率單元串聯(lián)而成，相電壓為3464V。每個(gè)功率單元輸出有效值Ve＝577V，峰值輸出電壓
。
圖1 6kV變頻器電壓疊加示意圖
多重化串連結(jié)構(gòu)使用低壓器件實(shí)現(xiàn)了高壓輸出，降低了對(duì)功率器件的耐壓要求。它對(duì)電網(wǎng)諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率小于4%，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)；輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電機(jī)發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，對(duì)普通異步電機(jī)不必加輸出濾波器就可以直接使用。
圖2 6級(jí)6kV變頻器電路原理示意圖
2.2功率單元
功率單元主要由輸入熔斷器、三相全橋式整流器、預(yù)充電回路、電容器組、IGBT逆變橋、直流母線和旁通回路構(gòu)成，同時(shí)還包括電源、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)監(jiān)測(cè)、通訊等組件組成的控制電路。單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。各功率單元具有完全相同的結(jié)構(gòu)，有互換性。
功率單元由移相變壓器的一組副邊供電，通過(guò)三相全橋整流器將交流輸入整流為直流，并將能量?jī)?chǔ)存在電容組中。電容組根據(jù)單元電壓選擇并聯(lián)或串連，如母線電壓為815V，則將三組電容串連起來(lái)以滿足耐壓要求，每組電容根據(jù)單元容量的大小選擇并聯(lián)個(gè)數(shù)?？刂撇糠滞ㄟ^(guò)電源板從直流母線上取電，接收主控系統(tǒng)發(fā)送的PWM信號(hào)并通過(guò)控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。
監(jiān)控電路實(shí)時(shí)監(jiān)控IGBT和直流母線的狀態(tài)，將狀態(tài)反饋回主控系統(tǒng)。在單元出現(xiàn)重故障時(shí)，主控將打開(kāi)功率單元的旁通回路，使單元進(jìn)入旁通狀態(tài)，避免整個(gè)變頻器停機(jī)。
每個(gè)單元輸出PWM波，將每相N功率單元的輸出電壓疊加，產(chǎn)生多重化的相電壓波形，使相電壓產(chǎn)生出2N+1個(gè)電壓臺(tái)階，六個(gè)功率單元輸出的PWM波形及疊加之后的相電壓波形如圖4所示。
圖3 變頻器功率單元
圖4 變頻器的單元輸出波形及相電壓疊加波形
2.3移相變壓器
移相變壓器電氣原理如圖5所示: 變壓器（以輸入6kV變壓器為例）原邊繞組為6kV, 副邊共十八個(gè)繞組分為三相。每個(gè)繞組為延邊三角形接法，分別有±5o 、±15o 、±250等移相角度，每個(gè)繞組接一個(gè)功率單元。這種移相接法可以有效地消除35次以下的諧波。因此，采用移相變壓器進(jìn)行隔離降壓，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的諧波干擾。
圖5 移相變壓器結(jié)構(gòu)原理圖
3.高壓輸入和輸出電纜接反的危害
3.1正確的系統(tǒng)接線
按照目前國(guó)類普遍采用的變頻器調(diào)速系統(tǒng)一次回路形式，變頻器的正常運(yùn)行分為工頻旁路運(yùn)行和變頻運(yùn)行兩種情況，其接線主回路圖如圖6和圖7所示。
圖6 工頻旁路運(yùn)行一次系統(tǒng)圖
圖7變頻運(yùn)行一次系統(tǒng)圖
3.1.1工頻旁路運(yùn)行
如果變頻器調(diào)速系統(tǒng)按照?qǐng)D6所示的一次系統(tǒng)圖運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)將能夠進(jìn)行工頻啟動(dòng)和工頻運(yùn)行，但是不能調(diào)速。電動(dòng)機(jī)的保護(hù)主要通過(guò)用戶的小車開(kāi)關(guān)所配置的電機(jī)綜合保護(hù)儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.1.2變頻運(yùn)行
如果變頻器調(diào)速系統(tǒng)按照?qǐng)D7所示的一次系統(tǒng)圖運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)將能夠變頻啟動(dòng)和變頻調(diào)速方式運(yùn)行。在變頻條件下，變頻器的控制系統(tǒng)將會(huì)按照設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)行，能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況并記錄變頻器的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)等數(shù)據(jù)。對(duì)于變頻器在運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，能夠及時(shí)處理。如果在輸出端出現(xiàn)的過(guò)流故障，變頻器將自動(dòng)根據(jù)過(guò)流的等級(jí)進(jìn)行反時(shí)限過(guò)流保護(hù)或立即保護(hù)。最高等級(jí)就是立即保護(hù)，過(guò)流點(diǎn)設(shè)定為額定輸出電流的3倍以內(nèi)，動(dòng)作時(shí)間是10μS；同時(shí)封鎖所有單元的IGBT，切斷輸出，10uS之后變頻器主回路內(nèi)無(wú)任何電流流動(dòng)。這項(xiàng)保護(hù)功能是變頻器的標(biāo)準(zhǔn)配置，我公司生產(chǎn)的變頻器在出廠前每臺(tái)都要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)我公司的變頻器短路保護(hù)功能經(jīng)由第三方認(rèn)證單位天傳所進(jìn)行了檢測(cè)，并有型式試驗(yàn)報(bào)告。
3.2錯(cuò)誤的系統(tǒng)接線（即高壓輸入和輸出電纜接反）
如果變頻器的輸入、輸出電纜接反，如圖8所示。此狀態(tài)之下用戶仍然可以進(jìn)行變頻器工頻旁路運(yùn)行。
圖7 變頻輸入電纜反接電路
圖8 工頻10kV/50Hz直接進(jìn)入變頻器的輸出端
在上述錯(cuò)接的情況下，如果改變成變頻運(yùn)行狀態(tài)，即QS2的刀位被擲向變頻器輸出的位置，如圖8所示，就會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性后果。
3.3 錯(cuò)誤的系統(tǒng)接線的危害
當(dāng)6kV高壓輸入線錯(cuò)誤連接到變頻器的隔離開(kāi)關(guān)QS2上時(shí)，只要用戶小車開(kāi)關(guān)一合閘，來(lái)自高壓母線的工頻6kV/50Hz電源將直接從變頻器的輸出端串入功率單元。從變頻器的輸出端子向變頻器內(nèi)部看，由于各個(gè)單元內(nèi)部的電容器上電荷為零，對(duì)瞬間的交流視為短路，此時(shí)的單元等效電路僅僅是一些正向連接的整流二極管（IGBT模塊之中所并聯(lián)的續(xù)流二極管）的串并聯(lián)，如圖9和圖10所示：
圖9 6kV輸入電壓接反的單元部分等效示意圖
圖10 6kV輸入電源反向連接瞬間等效電路圖
每一相總的最高允許壓降＜±18V/DC，因此沒(méi)有任何抵御高壓的能力。而在上述圖8錯(cuò)接的情況下，每一相瞬間實(shí)際最大卻要承擔(dān)±8164V的峰值電壓。這個(gè)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單元內(nèi)并聯(lián)在二極管上的IGBT、可控硅元件以及電容器的允許值，于是在一瞬間每一相單元的串聯(lián)體變成了一個(gè)等效純導(dǎo)體，由于所有單元串聯(lián)后連接到中性點(diǎn)所以構(gòu)成電流通路，而且該通路沒(méi)有任何限流的性能，唯一的電流的限制只能來(lái)自外部用戶的繼保系統(tǒng)。過(guò)大的電流將會(huì)引發(fā)IGBT模塊中的續(xù)流二極管的爆炸，這樣就使得單元中的IGBT與二極管一起爆炸，同時(shí)使并聯(lián)其上的其它元器件的燒毀。在元器件爆炸燒毀的過(guò)程之中，巨大電流產(chǎn)生的熱量會(huì)使上述回路中的電纜、各個(gè)接頭發(fā)熱變形、乃至燒斷。同時(shí)巨大的短路電流也會(huì)使上端的用戶小車開(kāi)關(guān)同時(shí)跳閘，短路破壞到此時(shí)停止，但是此時(shí)所有的單元都已經(jīng)損壞。
圖10 損壞范圍示意圖
由于變頻器是在高壓輸入、輸出接反的情況下接入高壓的，變頻器的實(shí)際輸入端的移相變壓器連接在電動(dòng)機(jī)上，無(wú)法從正常途徑為單元供電，單元的控制系統(tǒng)因沒(méi)有工作電源而未進(jìn)入工作狀態(tài)，無(wú)法向主控系統(tǒng)報(bào)警，所以主控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)將不會(huì)記錄這種事故發(fā)生的時(shí)間和事故狀態(tài)。
4.案例分析
目前國(guó)、內(nèi)關(guān)于這種案例已經(jīng)很多。
4.1發(fā)生在某企業(yè)的事故
該案例發(fā)生在我公司為某家企業(yè)轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)配置的高壓變頻調(diào)速裝置上，由于需要更換電纜，維修人員在更換時(shí)將輸入電纜錯(cuò)接在變頻裝置輸出位置上，從而引發(fā)了嚴(yán)重的事故，在合高壓的一瞬間變頻調(diào)速裝置的功率單元全部損壞，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
4.2 案例給我們的教訓(xùn)
一次錯(cuò)誤的接線就會(huì)引起如此嚴(yán)重的事故，我們從而得出如下經(jīng)驗(yàn)：
4.2.1 變頻裝置安裝調(diào)試完成后，應(yīng)該嚴(yán)格區(qū)分輸入輸出電纜，做好標(biāo)識(shí)；
4.2.2 如果需要更換電纜，必須對(duì)兩根電纜的進(jìn)出線位置進(jìn)行區(qū)分，作好標(biāo)識(shí)，并做好測(cè)試；
4.2.3 更換電纜的工作和測(cè)試工作必須由兩個(gè)以上的人員進(jìn)行，并進(jìn)行互檢，必要時(shí)還應(yīng)該由電氣工程師進(jìn)行驗(yàn)收；
4.2.4 所有高壓操作必須具有工作票。
5. 結(jié)束語(yǔ)
我們將單元串連電壓源型變頻調(diào)速裝置由于接反了高壓輸入輸出電纜而出現(xiàn)的嚴(yán)重事故的狀態(tài)和出現(xiàn)的原因編寫出來(lái)，將此奉獻(xiàn)給業(yè)界的同仁，是希望我國(guó)廣大的使用者和潛在的使用者對(duì)此引起高度重視，以免由于低級(jí)的錯(cuò)誤而引發(fā)重大的經(jīng)濟(jì)損失。采用變頻裝置后，需要建立嚴(yán)格的檢查制度，防止發(fā)生輸入輸出電纜接反的錯(cuò)誤，因?yàn)檫@種錯(cuò)誤會(huì)給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，不僅會(huì)損壞設(shè)備，也會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的損壞而影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。
當(dāng)然不僅僅是單元串連電壓源型變頻器存在這樣的問(wèn)題，目前所有型式的變頻器都存在同樣的問(wèn)題。
（轉(zhuǎn)載）
