变频器输出电缆短路异常分析

吴利民

摘 要：变频器因其优异的调速特性，在电站锅炉的给粉机中有着广泛应用。本文根据一次给粉变频器输出电缆短路的异常事件，对变频器输出电缆短路的故障现象及原理进行详细分析。

关键词：变频器；输出；短路

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.185

1 引言

三相异步电动机转速公式为：n=60f（1-s）/p 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。变频器则是利用改变输出频率从而达到电机改变转速的目的。

变频器与常规电气设备在結构原理上有着显著地区别，因此在发生短路故障时的现象及原理也有着自身的特点。

2 变频器工作原理

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。

交直交变频器由整流器、逆变器和控制电路三部分组成。整流器为二极管三相桥式不控整流器或大功率晶体管组成的全控整流器，逆变器是大功率晶体管组成的三相桥式电路，其作用正好与整流器相反，它是将恒定的直流电交换为可调电压，可调频率的交流电。中间滤波环节是用电容器或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。 交直交变频器按中间直流滤波环节的不同，又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。三个组成部分作用如下：

（1）整流器的作用是把三相（或单相）交流电源整流成直流电。在SPWM变频器中，大多采用全波整流电路。大多数中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或者二极管模块。

（2）逆变器的作用与整流器相反，是将直流电逆变为电压和频率可变的交流电，以实现交流电机变频调速。逆变电路由开关器件构成，大多采用桥式电路，常称逆变桥。在SPWM变频器中，开关器件接受控制电路中SPWM调制信号的控制，将直流电逆变成三相交流电。

（3）控制电路这部分电路由运算电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成，一般均采用大规模集成电路。

3 故障实例

公司4号炉为中储式制粉系统，共有12台给粉机向锅炉供粉，根据锅炉负荷大小，利用变频器调节给粉机转速从而改变给粉量。某次4号炉制粉系统在运行过程中，9米防爆门突然爆破，大量高温风粉混合物喷出，引燃了给粉机变频输出电缆。

4号炉制粉系统爆破故障发生后，4号炉12台给粉机变频器逐台相继跳闸，每台跳闸时间间隔不等。当时跳闸变频器故障首出均为电源电压异常，有的变频器报电源A相电压低，有的报电源B相电压低。初步怀疑给粉变频电源出现了问题，迅速对电源进行了排查，但经测量给粉变频电源三相电压均正常，并且对給粉变频进行了双电源切换，均正常未发现故障。

变频器跳闸后告电源电压低，但电源电压一切正常，随后怀疑变频器本身故障了，于是开始着手更换变频器。在更换一台变频器后，重新上电，立刻又出现原先的电源故障告警跳闸。更换变频器无效后，将新变频器的输出电缆拆掉，变频器空试输出电压完全正常，告警不再出现。接着测量变频器输出到给粉机电机之间的电缆绝缘，对地为0。

最终经过就地进行检查，发现给粉变频器输出到給粉电机之间的电缆在磨煤机上方电缆桥架处被爆破的火星引燃，电缆绝缘烧坏引发了短路故障，由于给粉变频器输出电缆不断短路，从而导致了給粉机相继跳闸。

4 原因分析

主要原因是制粉系统故障后未能及时发现，防爆门爆破将大量高温风粉混合物喷出至变频器输出到給粉电机之间的电缆上，电缆上同时存在大量积粉，被爆破的火星引燃，电缆绝缘烧坏引发了短路故障。

至于变频器输出侧电缆发生短路跳闸，而告警为电源异常的原因，和励磁变低压侧发生接地，发电机会告警转子一点接地的机理是相同的。当励磁系统可控硅导通时，交直流侧就连在一起了，那么励磁变低压侧的接地点也就会成为直流侧转子回路的接地点，从而引发转子一点接地告警。变频器的回路与励磁系统相比，增加了逆变回路，但故障传递的机理是一致的，具体示意图如下：

所以，变频器虽然输入输出侧是相对独立的，但变频器在50HZ交流变直流再逆变成交流的过程中，回路中的整流管及IGBT管是有序导通的，在实现能量从电源侧向负荷侧传输的同时，负荷侧的故障点也会传递为电源侧的故障点，从而引发电源电压异常或者变频器检测到电源故障，最终发出了电源异常的告警信号。

5 改进措施

由于制粉系统防爆门离给粉机变频器电缆过近，导致爆破喷出的高温风粉混合物将电缆上的积粉引燃，所以下一步需要及时清理锅炉房内电缆积粉，并在防爆门与电缆间加装隔离措施。

严格按照制粉系统爆破流程进行故障处理。发现磨煤机出入口及其它部位有火星时，可加大给煤量降低出口温度，同时压住回粉管锁气器，必要时停止制粉系统进行处理。制粉系统着火或已经爆炸，应紧急停止制粉系统，关闭粉仓及绞龙吸潮管，保持一次风压稳定，防止扩大事故，打开蒸汽消防进行灭火。灭火后，在班长亲自监护下，小心地开启磨煤机出入口人孔门，全面检查各着火处火源是否消除，如磨煤机内煤粉着火未消除，则由磨煤机出入口人孔门喷入雾状的消防水，将火浇灭后，拆除周围一切可能着火的脚手架等物，并准备足够数量的灭火器，周围5米内不准有人停留，然后通知司炉将磨煤机启动空转1—2分钟，再次检查内部，确认无火后方可关闭出入口人孔门，并通知检修人员更换已破损的防爆门，然后对系统缓慢地进行通风暖管，确定全部正常后才能重新启动。若防爆门爆破，使铁皮等物进入排粉机，使叶片冲击或剧烈振动，应立即停止排粉机。如果短时间内不能恢复时，可根据粉位情况进行送粉或向邻炉转移部分负荷。 此次事件在处理过程中，最大的问题则是受到了变频器跳闸首出的干扰，一直将故障判断的思路局限在了給粉变频电源以及变频器本身上，长时间对无故障的区域进行排查和处理，导致真正的故障点不断恶化。所以今后在处理异常过程中，除了依据告警首出外，还应扩大其它范围的查找判断，特别是电气系统事故，大多都在事故发生的瞬间，受到冲击的设备会同时出现跳闸。如果出现事故后某些设备相继不断跳闸，此时可重点怀疑是否发生了火灾或者水淹设备区等慢性恶化事故，应当迅速对相关区域进行全面排查。endprint