BPJV1-2000(1400)/3.3矿用隔爆兼本质安全型高压变频器故障分析及处理

2018-03-01杨金楼

中国矿业 2018年2期

杨金楼

(神华神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿,陕西神木 719315)

0 引言

随着神东煤炭集团公司打造亿吨煤炭基地的发展大潮，重型综合机械化回采工艺正在取代传统采煤工艺[1]。由于神东矿区煤层地质条件、煤层赋存情况以及国家对煤炭资源回采率要求的提高，传统的放顶煤采煤方法在神东矿区已不适宜使用。因此增大采煤高度创建重型综采工作面就成为神东矿区首选的采煤方法;传统大功率刮板输送机的驱动以调速型液力耦合器为主，可以实现软启动，但系统复杂，维护工作量大，维护成本高，且不可以长时间工作在低速模式下[2]。随着科学技术的不断发展，变频技术在工业领域的应用日趋普及，变频技术应用于煤矿刮板输送机也日益成熟。变频技术的引入便于实现矿自动化控制，实现断链保护停机，电机功率平衡等，省去了调速型液力耦合器采用直接对轮联接，提高设备的机械效率[3]。同时对于煤矿进行实现数字化管理提供了便利的条件。

大柳塔煤矿52307工作面采用走向长壁后退式全部垮落综合机械化一次采全高的采煤方法。工作面采煤高度6.8 m，截深0.865 m，工作面倾斜长度301 m，采煤机割煤一刀落煤量约为3 000 t，属重型综采工作面。为满足生产需要，52307工作面安装一台总功率为4 800 kW刮板运输机，该刮板运输机由三台1 600 kW矿用隔爆水冷电机驱动，采用首二尾一的布置方式。由于启动刮板运输机时，三台电机需要同时启动，大功率电机在全压启动时启动电流很大，三台大功率电机同时全压启动会对电网系统造成较大的压降，使其他设备无法正常运行，甚至会使电网的保护误动作跳闸。因此使用传统的控制方式无法使整个生产系统高效运行。52307工作面现在使用三台青岛天信集团的BPJV1-2000(1400)/3.3矿用隔爆兼本质安全型高压变频器(后简称变频器)分别为三台电机供给电能，通过变频启动降低启动电流减小系统压降，从而保证整个生产系统平稳可靠运行。

重型综采工作面的设备具有容量大、集成性高、系统内各部分联系紧密的特点，因此在故障排查处理时与传统设备的排查处理方法及思路略有不同。在排查处理故障时，需要考虑排查故障点以及与故障点有所联系的设备和部件，这样才能准确快速的将故障排除。

1 系统组成及工作原理

3 300 V电压等级矿用隔爆高压变频器的系统结构如图1所示。系统分为主回路和控制回路2部分。

图1 矿用隔爆高压变频器系统结构

1) 主回路。矿用10 kV高压经过移动变电站变压为2路1 903 V电压，输入至变频器，变频器对输入电压进行变频输出控制，使电动机的输入电压频率为0～50 Hz，进而实现调速控制。

2) 控制回路。低压控制设备由地面监控中心、集中显示台、TK200集中控制器以及信号采集终端组成。其中集中显示台主要有4方面的作用：①操作人员利用集中显示台设置刮板输送机的运行速度；②集中显示台能够显示3台变频器的输出电流、电动机转速、转矩等主要参数曲线，并具备历史记录能力；③能够将变频系统数据传输至地面监控中心；④利用信号采集终端，采集并显示电动机减速箱油温及液位信号。TK200集中控制器通过硬接线控制变频器系统的启动、停机与急停，同时可以实现变频器系统与工作面沿线闭锁按钮的启停互锁功能。

2 BPJV1-2000(1400)/3.3矿用隔爆兼本质安全型高压变频器

2.1 BPJV1-2000(1400)/3.3矿用隔爆兼本质安全型高压变频器简介

BPJV1-2000(1400)/3.3矿用隔爆兼本质安全型高压变频器是三相变频器用于鼠笼式感应电机的变频驱动。通过应用微处理器控制技术对电机的电磁状态进行检测。这些数据搭配直接转矩控制技术(DTC)可以使得无传感器电机控制近乎完美。应用外加脉冲编码器反馈后，可以达到精确的速度控制，也可长期运行于接近零速区域的应用场合。变频器的输出电压的波形接近于正弦波，它可以方便的用于现技术所使用的标准感应电机而不需要单独降容，因此是现阶段很多项目的不二选择。变频器采用一种无熔断器保护技术的中压变频器。这种设计使用新型的功率半导体开关元件IGCT作为回路的保护。IGCT置于直流回路和整流桥之间这种IGCT不同于传统的熔断器，它可以在25 μs内直接将逆变部分和整流部分快速隔离开，其速度是普通熔断器的1 000倍。变频器的硬件和软件保护特性可以有效的保护变频器，使变频器免受非正常操作和设备误动作所造成的故障和损坏。变频器具有先进的本地控制和远程控制特性功能，变频器的控制设备集成在变频器内部，可提供基于过程控制、保护和监控功能的全数字和微处理器技术，可提供硬件保护电路的备份。CDP312 控制盘是基本的用户接口，使用者可以通过它监控，修改参数和控制变频器的运行[4]。

2.2 BPJV1-2000(1400)/3.3矿用隔爆兼本质安全型高压变频器工作原理

工频三相交流电源通过一台三绕组变压器变压后对整流桥供电，如图2所示。为了能够得到12脉波整流，这台三绕组变压器的两个二次侧绕组之间必须存在30°的相位差。二次侧一个绕组为星形接法，另一个二次侧绕组为角形接法。两个无熔断器的整流桥串联连接，因此直流电压为两整流桥输出电压的叠加。两个整流桥均流过全部的直流电流。为能够进行三电平切换运行,三相逆变器的每个桥臂都由4个IGCT组成， IGCT的输出电压在正直流电压、中性点(NP)和负直流电压之间切换。因此，采用DTC控制技术，就可以对输出的电压和频率在 0到最大值之间进行连续的变化控制[5]。

图2 系统拓扑图

1) 整流单元。变频器内部配置12脉波整流器，可降低变频器对电网的谐波干扰。变频器整流电压为2个整流器直流电源的叠加。在变频器处于故障状态时，不允许合闸充电。

2) 主回路可恢复的快速短路保护技术。变频系统使用最新的功率半导体开关器件IGCT作为主电路保护器件，位于整流器和直流回路之间的IGCT可以直接把逆变器和主电源隔离，且分断时间为25 μs，比传统的熔断器快1 000倍。不同于传统的熔断器，逆变回路上同样采用IGCT。与传统的相比保护机理发生了很大变化，传统的保护当后端发生短路时，会将功率器件关断，不再让变频器输出，该变频器的保护是让IGCT导通，让直流正和直流负短路，外部短路内部也短路；同时位于整流器和直流回路之间的IGCT快速将逆变器和主电源隔离，保护的优点在于：后面短路点除了电动机电感，还有电缆的分布电容储能，当外面有故障，让内部短路，外面储能的能量全存回变频器内部，使外面故障点的能量降至最低，这需要满足2个条件，一是功率器件容量足够大，外面短路的能量、电感、电容储存的能量能够瞬间吸收掉；二是在极短时间内切断前面的直流供电。使用IGCT 作为传动系统的保护设备，使得传动系统的元器件数量更少，从而使变频器具有更高的可靠性。

3) 三电平逆变单元。逆变器采用三电平控制技术，采用IGCT作为开关元器件，加上LC低通滤波器可以降低逆变器开关时对电动机输出的高次谐波[6]。

4) 输出正弦波滤波器。变频器标配的低通LC滤波器，可以减小输出电压中的谐波含量。采用LC滤波器之后，使得输出端到电动机的允许电缆长度可达3 000 m[7]。

2.3 变频系统工作流程

变频系统操作流程如图3所示，流程主要分为以下4个步骤。

图3 系统工作流程

1) 控制系统380 V上电，变频系统完成自检，检查是否存在故障，若存在则显示故障代码。否则进入合闸充电过程。

2) 操作人员通过变频器自带键盘进行移动变电站主回路MCB合闸，合闸过程若存在故障，则跳闸并报警。若合闸顺利，完成变频器充电，则进入启动准备阶段。

3) 操作人员通过中央控制台设置刮板输送机运行速度，利用TK200控制器进行先导启动。变频器按照设定启动曲线完成软启动。

4) 系统运行期间，若出现工作面闭锁或故障停机现象，变频器会立即停止输出，并显示故障代码，重新启动需要进入第3步；若出现急停跳闸故障，变频器会立即切断主回路输入电源，并显示故障代码。重新启动需要进入第2步。

3 故障分析及处理过程

3.1 故障描述

某日生产一班正常开机生产突然运输机停机，控制台司机查看故障发现刮板运输机机尾电机变频器报输出短路故障停机，变频器强制分断前级移变MCB。复位后故障指示消失，再次吸合前级移变断路器恢复变频器高压供电。再次启动刮板运输机机尾电机变频器再次报输出短路故障，停机并且分断前级移变MCB。现场人员判断确实发生输出短路故障开始现场排查。

3.2 故障排查及分析

当变频器检测到较大的输出电流时变频器的控制单元会停止变频器运行报输出短路故障。排查输出短路故障可将系统分为两部分进行排查：①电机及供电电缆部分；②变频器内部三电平逆变部分。

3.2.1 电机以及电机电缆有故障部分

当电机或者电缆发生相间短路时在变频器的输出端会出现较大的短路电流，由此引发变频器输出短路。但是只考虑电机及电缆发生了相间短路故障是不全面的，由于变频器输出侧为PWM波，电机电缆与大地之间有长电缆的电容效应，使用带屏蔽层的电缆时电容效应更加明显。在变频器工作时电容在充放电，有电流通过电容流入大地，并从进线侧的接地线在流回到变频器，形成电流回路。而漏电保护器的原理是，检测零序电流为零。而使用变频器时零序电流不可能为零。因此使用变频器时无法使用漏电保护器。而当电机或电缆发生接地故障时会形成较大的接地电流。因此当电机或电缆发生接地故障时变频器也会报输出短路故障。

针对这两点可能性首先甩掉电机以及电机电缆，分别遥测电机以及电缆的对地绝缘，均无异常；用摇表遥测电缆相间阻值，也无异常；用万用表分别测量电机相间阻值，A-B、B-C、C-A，结果均正常且三个测量值相等，符合使用要求。由此可以排除电机或者电缆发生短路或者接地故障。

3.2.2 变频器内部三电平逆变部分有故障部分

排除了电机或电缆故障后造成这次故障的原因便锁定在变频器内部。变频器内部造成断路故障的部分可以锁定在三电平逆变桥上的IGCT，但是不能单纯的只对IGCT进行检查。还要对与IGCT相关联的部分进行分析排查，寻找有没有其他元件损坏，这样才能彻底的排除故障。

要在变频器内部查找故障点就要对变频器内部元件及工作原理有一定的认识才可以查找到故障点。变频器逆变部分元器件主要有三部分，一是逆变桥上作为开关元件的IGCT，如图4所示的V4021～V4024、V4031～V4034、V4041～V4044。IGCT集成门极换流晶闸管是1997年ABB公司提出的，它是MOSET和GTO的复合，集成了两元件开通与关断全可控切速度快驱动功率小的优点可用于开关频率较高的电路。二是逆变桥上的钳位二极管，如图4中的V4025、v4026、v4035、v4036、v4045、v4046。三是逆变桥上的平衡电阻，如图4中的R4021、R4031、R4041[8]。

三电平逆变桥在工作时每一电平逆变桥输出一个周期有四种状态，以其中一电平逆变桥为例说明。状态一:V4021与V4022导通，电流Iu由DC+经过V4021、V4022流向负载U端输出电平为+Uu0；状态二：V4021关断，V4022、V4023导通，电流Iu由NP端经过V4025、V4022流向负载U端，输出电平为0；状态三：V4021与V4022关断，V4023与V4024导通电流Iu由DC-经过V4023、V4024流向负载U端输出电平为-Uu0；状态四：V4024关断，V4022、V4023导通，电流Iu由NP端经过V4026、V4023流向负载U端，输出电平为0。平衡电阻的作用是当一个桥臂上有两个 IGCT导通时，为其他两个IGCT均分母线电压比如：V4021、V4022导通时，需要V4023、V4024承受母线电压，这时通过R4021可以把NP点拉到V4023、V4024中间，这样就可以实现均分电压。

通过三电平逆变电路工作原理的分析可以得出造成短路故障有可能有三种：一是逆变桥上的IGCT损坏造成的短路故障；二是逆变桥上链接直流母线的IGCT与钳位二极管损坏造成的断路故障；三是逆变桥上链接直流母线的IGCT、钳位二极管与平衡电阻损坏造成的断路故障。针对这三种情况应检查三电平逆变桥上IGCT、钳位二极管、平衡电阻。U相4个IGCT(V4021/V4022/V4023/V4024),正向压降均为0.271 V，反向截止，结果正常；测量钳位二极管V4025/V4026，正向压降均为0.270 V，反向截止，结果正常；测量钳位电阻R4021，结果为100 kΩ，结果正常。测量V相的结果与U相相同。测量W相，发现V4041的IGCT和钳位二极管V4045击穿导通，其它W相回路器件测量值正常。更换损坏的IGCT与钳位二极管后变频器正常运行故障排除开机生产。