浅谈ELIT稳频器的原理和维护

2018-07-05张栋成

船电技术 2018年6期

关键词：汇流排稳压原理图

张栋成

浅谈ELIT稳频器的原理和维护

张栋成

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

本文主要介绍了新海凤轮ELIT稳压稳频器，包括稳频器系统组成、系统原理及在耙吸式挖泥船电力系统中的主要作用，由实际故障案例分析，得到日常维护管理启示。

稳频稳压不间断电源故障

0 引言

众所周知，船舶电源装置的稳定可靠运行，直接影响船舶的航行安全和人员人身安全。

我们公司耙吸式挖泥船采用“一拖三”模式，即主机通过带离合器的齿轮箱拖带螺旋桨、轴带发电机和泥泵机。泥泵机的拖带属于大惯性负荷，主机转速越高意味着主机负荷突增越大同时带来损坏辅助设备、合排失败的隐患，因此需要主机降速到85%来避免。主机降速时轴带发电机的电压和频率都降至85%，泥泵合排（尤其“高高模式吹填”）的瞬间主机转速下降更大，发电机频率和电压会进一步下降，倘若采用变压器供电，势必会影响到用电设备的安全运行。为保持230 V电源的稳定电压和稳定频率，我公司一拖三船舶均采用了75 kVA的稳压稳频器。新海凤轮采用国外ELIT稳压稳频器，保证在任何情况下，用来照明、助航、监测报警和控制用的230 V电源稳定在额定电压和频率。

1 ELIT稳压稳频器组成

ELIT稳压稳频器主要由两大部分组成：稳频器主体部分和备用蓄电池部分。

稳频器主体部分主要包括：六脉冲整流单元A3，逆变单元A6，辅助控制板SFRA/ CORE/ AICO/ALUP/SMAU，输出隔离变压器T1，输入、输出滤波L1-3、C4-6，中间储能环节C1-2，储能环节充电电流缓冲装置R1-3/K1，辅助显示仪表和冷却风扇组成。

备用电池部分主要由32块12V 65 Ah免维护铅酸蓄电池构成，在主电源故障的情况下投入使用，100%负荷情况下工作7 min[1]。

2 系统原理

不间断电源（UPS）是当交流输入电源发生异常或者断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。UPS是恒压恒频电源中的主要产品，其原理也是依据交-直-交变频器。UPS的基本原理图如图1所示。

UPS的基本工作原理是，当市电正常时，市电经过整流器整流为直流给蓄电池充电，可保证蓄电池的电量充足。一旦市电异常乃至停电，即由蓄电池向逆变器供电，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，因此从负载侧看，供电不受市电影响。在市电正常时，负载也可以由逆变器供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问题（如电压波动、频率波动、波形畸变和瞬时停电等）时，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压、稳频的性能，因此也称为稳压稳频电源[2]。

ELIT稳压稳频器的单线原理图如图2所示。

依据原理图2，可以看出ELIT稳频器完全符合UPS的基本结构。

2.1 整流单元

如图3所示，A1-A2-A3由六个可控硅组成三相桥式全波整流电路，受A4触发板控制，导通顺序为“1234561......”，通过导通角的大小和宽度的改变，使得在输入电压从315~440 V变化时，保证整流输出电压为DC428 V左右[2]。整流输出的直流电压（A-03）一方面为逆变单元提供直流电源，另一方面为备用蓄电池浮充电(D-01)[1]。

图1 UPS基本结构原理图

图2 稳频器系统单线图

图3 整流环节原理图

2.2 逆变单元

如图4所示逆变单元IGBT由电源板A10、A11和触发板A4、A5、A6共同控制，通过对逆变角β的良好控制例如PMW、SPWM、SVPWM控制，控制触发逆变桥各桥臂电力器件导通时间和顺序，实现将直流428 V电压逆变为交流400 V的近似正弦波电压，不受外接负载变化影响。最后通过隔离变压器和输出滤波电容转换成纯净的230 V交流电压供全船使用。

2.3 辅助板简介

主控板SINCRO通过SMAU板获得AC400 V和DC428 V双路转变的工作电源，SINCRO板连接辅助控制板AICO、逆变电源监视板CORE D、主电源和蓄电池电源监视板SFRA，构成整个稳频器控制系统。AICO板接受外部指令实现稳频器启动和安全停机；CORE D板检测输出230 V电压、电流，同时兼顾手动设定输出电压和频率；SFRA板监视主电源相序和缺相、蓄电池关断电流设定、整流电压设定、蓄电池充电电流设定；ALUP板供逆变触发装置电源。

3 实例故障现象及分析

3.1 本船遇到的三次故障现象：

1）马来西亚吹沙工程，高高吹填过程中，主230V稳频器突然故障后自动回复，最后彻底瘫痪无法启动，H1，H2灯同时亮起。

2）在配电模式由辅发带全船转移至应发带全船的时候，应急230 V稳频器会短暂停机而后恢复正常。

3）400 V配电板绝缘低报警，检查发现应急230 V稳频器接地引起。

3.2 故障分析及解决

故障1：根据现象，量取输入电压正常，中间直流环节电压13 V，输出为0 V，启动手柄SC来回扳动直流环节均不起压，首先将问题锁定在安保环节、整流环节及其逻辑控制电路板。整流器件外观均正常，暂时排除整流环节故障。在启动手柄SC操作启动时，量取图3中A4板控制整流环节的触发电压全部为0，而它的两路电源电压均正常，插接件FCR连接可靠。因此将问题锁定在安保环节和整流环节的逻辑控制电路板。

图4 逆变环节原理图

图5 AICO板控制原理图

如图5所示，结合故障现象，观察AICO板上关于启动手柄SC控制回路，安全连锁回路上各个连锁点一一予以检查测量，得出结论控制电压和外围连锁均属正常。结合说明书关于AICO板上V51、V52、V55、V56、V57、V58、V59、V60各个LED灯的点亮说明：在启动手柄SC操作启动前，V51、V52点亮，其他熄灭；当SC操作启动时，V56、V57点亮，V60延时几秒点亮，最后全部点亮[1]。然而实际V57并未点亮，结合原理图分析，外围启动连锁信号均正常，然而K1未动作导致K5不动作或K5损坏，导致启动失败。K1、K5为AICO板上的固态继电器，考虑AICO板出现问题。由于厂家将其更新升级停产该型号产品，新旧产品器件构造差异较大，备件无法替代亦无法订购，船存无备件。于是将应急230 V稳频器停机改用应急230 V变压器替代（5#配电模式可保证稳定电压和频率），将应急稳频器的AICO板拆下，替代主稳频器的AICO板，启动成功。

故障2：因应急配电板取电开关K和应急发电机主开关I存在连锁，所以配电模式由6#到7#的过程中，先断开K后合上I，应急配电板会短暂失电，此时应急230 V稳频器的蓄电池应投入工作，维持正常使用。由图2看出，在输入电源正常情况下稳频器正常工作否则停止工作，那么K2、蓄电池及熔断器F23等构成蓄电池充放电回路是问题所在。

图6 蓄电池充放电控制原理图

如图6所示，稳频器停机情况下，将F23处外加230 V电源，合断SB时，K2动作正常，量得K2前后和430 V直流汇流排直流电压正常。而后将稳频器正常开机稳定运行后，切断400 V交流电源，稳频器直接停机，同时量得K2前后和直流排电压瞬间下降到89 V，断开SB，量取蓄电池电压又恢复到420 V。因此怀疑蓄电池存在虚电压，已经损坏。与此同时，将主230 V稳频器蓄电池通过切断F23进而接线引至应急230 V稳频器，试验稳频器切断主电源时可正常运行，断定蓄电池损坏。

故障3：断开稳频器输入开关Q1和输出开关S1，量取Q1开关前和S1开关后绝缘均正常，因此问题就是稳频器本身。通过分析图2和现场查看，决定从图2中红色圈标记部分拆开分段排查，以确定是蓄电池问题、整流环节问题、逆变环节问题还是中间直流汇流排及附件问题。实际操作如图7所示，中间大的红色方框标记即为图2的红圈标记：

图7 稳频器原件实际排布图

通过测量各部分数据对比，着重点放在IGBT直流汇流排及其附件部分。进一步拆除IGBT和汇流排连接螺丝，发现为汇流排接地。IGBT的汇流排和IGBT之间接入了储能环节C1-2和新改造后的充电电流缓冲环节，即图7看到接在IGBT汇流排上的黑色导线部分，拆除后汇流排IGBT汇流排绝缘恢复正常，问题便出现在储能电容和缓冲环节。通过进一步排查两部分，发现储能环节当中一个电容（此电容三个端子，两个负极一个正极，两个负极其中一个用来固定用）负极端螺丝松动碰到柜子铁壳引起。