静态变频器位置传感器信号异常分析

李佳霖

摘要：目前，国内现有的静态变频器（SFC）多采用机械式位置传感器法来检测转子的位置，在拖动燃气轮机发电机组启动过程中，需要通过安装在发电机转子上的位置传感器来判断转子的实际位置，再将脉冲信号传递给逆变器的信号触发器，从而实时跟踪发电机转子位置来调频进行同步拖动和加速。本文通过分析一个在实际启动过程中因为位置传感器信号异常，导致机组启动失败的案例进行了分析，对这类问题进行了归纳总结，并对可能的优化方向进行了简单的介绍。

关键词：静态变频器;位置传感器;继电器;脉冲;电磁感应法

1、静态变频器（SFC）简介

在大型燃气轮机、燃气—蒸汽联合循环发电机组启动、高盘、水洗过程中，都需要由发电机作为同步电动机拖动机组大轴转动。[1]SFC就是将工频电通过变频后施加到发电机的定子上，使发电机变成调频、调速的电动机转动起来，从而带动大轴旋转完成整套机组的启动。SFC主要由输入变压器、整流器、直流电抗器、逆变器、谐波滤波器、转子位置传感器等几部分组成。

其中的转子位置传感器集合在发电机子转上，为测定转子的位置在机组主机的轴上装设一个与大轴同步旋转的模拟轴子磁极的齿盘，在支架上装有模拟三相定子绕组位置的三个传感器探头，三个电磁传感器按120度电气角分布，用以测量转子的位置，传感器把转子的位置转化为脉冲信号反馈给逆变器的触发信号，SFC根据信号进行调频把发电机转化为同步电动机，从而实现拖动机组大轴转速上升，加速到预定的启动转速。由于机械式位置传感器设备架设相对复杂，回路结构较多，随着运行

年限的增加，故障次数逐年增加。从前湾电厂运行的这十多年的数据，特别是近五年的数据来看，SFC系统故障率较高，其主要故障集中在SFC位置传感器探头及其相关回路。SFC系统故障、异常情况统计分析表明，位置传感器探头及其相关回路故障率在整个SFC系统中高达65%。近五年来位置传感器探头及其相关回路（包括同轴电缆）故障或异常每年4～6次。随着运行时间的推移，各元器件因自然磨损老化而故障的现象日趋频繁，SFC系统主控制卡件故障、程序紊乱的现象时有发生，严重威胁到了厂组启停的安全可靠性。本文就近期发生的关于SFC位置传感器的故障处理案例进行分析，總结了这类问题的处理过程和方法。

2、位置传感器的异常处理

目前，前湾LNG电厂有3 台机组，配有两套SFC系统。两套SFC系统可同时运行并能交叉拖动三台机组。在一次早上用#2SFC拖动#2发电机启机过程中，发现#2机B相位置传感信号有丢失的异常现象。后来改用#1SFC拖动#2发电机时未出现异常情况。针对上述异常现象，在#2机组停运后继保人员进行了相关的检查试验。

2.1  检查时相关准备条件

确认#2机组停运，将#1SFC隔离变电源开关拉到试验位，#2SFC隔离变电源开关拉到试验位，#2机励磁启动变电源开关拉到试验位。

查看位置传感器信号回路结构图，确认相关作用的继电器及回路动作过程。

2.2  异常排查过程

检查校验#2发电机B相位置传感器信号切换至#2SFC的继电器，该继电器在额定电压（24V）和欠压（20V）的情况下多次试验正常，为保险起见，更换与#2SFC至#2机相关的位置传感器的信号继电器R138并紧固，检查相关回路接线正常。下面按步骤进行各项检查。

1.    进行#2SFC选择#2机，进行相关位置传感器信号的检查，刚选择时在DCS上发现无B相位置传感器信号，A、C相则正常。继保人员从集控楼赶往就地现场进行现场测量观察时，发现该信号在DCS上和#2SFC控制盘已正常。

2.    继保人员在进行#2SFC选择#2机的情况下进行相关回路检查：测得发电机位置传感器信号发生处信号为11.8V，切换逻辑盘和SFC控制盘处信号为11.7V，位置传感器探头带同轴电缆量得电阻为8.1Ω（A、C相均为8.1Ω左右），#2SFC位置传感器送至DCS信号的变送器输入侧直阻为510kΩ（C相也为510kΩ）。

3.    检查#2发电机位置传感器信号发生器处相关电气量正常。

4.    检查#2发电机位置传感器信号回路、元器件、位置传感器探头等紧固，在#2SFC选择#2机后进行回路、元器件、位置传感器探头等元器件振动情况下监测信号，无跳变等异常等现象。

5.    在反复进行#2SFC选择#2机组情况下，监测各相相位置传感器信号，集中选择15次，其中在第7 次～12次之间监测到B相位置传感器信号有不同程度的异常，且是DCS和SFC控制盘的异常现象同时出现，主要表现为同程度的脉冲丢失、脉冲异常。

6.    为了对比，又进行10次 #1SFC选择#2机的情况下，监测#2机组各相位置传感器信号，A、B、C相均未发现异常情况。由于次日要启机，暂时停止选择测试。

7.    两日后，再一次用#2SFC选择#1发电机10次，监测各相位置传感器信号均正常。

8.    #2SFC选择#2发电机3 次，3次均监测到B相位置传感器信号有不同程度的异常。

9.    在逻辑切换盘柜后，分别在#2SFC选择#2发电机时B相位置传感器信号经继电器R138切换前、后引至便携式录波器录波进行试验，观察到切换前B相位置传感器信号正常，切换后B相位置传感器信号异常。

10.  因前几日已校验更换过继电器，故怀疑继电器与底座接触有问题。选择过程中在检测到B相位置传感器异常时，人为晃动继电器R138（目的是检查继电器和底座接触情况），晃动后B相位置传感器信号立即恢复正常。

11.  根据试验结果更换R138继电器底座，后用#2SFC选择#2发电机10次，监测各相位置传感器信号均正常。

2.3  异常处理小结

由上面的试验结果可以看出，造成#2SFC选择#2发电机时多次B相位置传感器信号异常的原因，为继电器底座质量不良引起。

3、总结

由以上排查过程可以看出，在SFC拖动机机组在启动过程中，转子位置传感器信号丢失应该首先确认传感器探头、磁极位置传感器等关键设备是否正常。然后排查其信号传输回路上的继电器，确认相关的主要电气回路、设备信号传输连贯正常。在没有发现问题的情况下，要能考虑到设备之间的连接部分是否松动。可见不易察觉的细微之处也会导致设备的异常。

4、展望

根据前湾电厂近几年的运行情况来看，相关于SFC位置传感器的故障频发，为了保证机组正常启动、运行，可采用[2]电磁感应法来代替故障率相对较高的机械位置传感器法来检测发电机转子位置，从而减少故障的发生，保障机组的正常运行。

电磁感应法是近年来普遍使用的测量转子位置的方法，电磁感应法测量转子位置的设备相对简单，通过机端PT检测即可。其原理为首先由变频器设定并及给出一个按阶跃函数变化的励磁电流值，此时尽管机组处于静止状态，但是由于机组的励磁电流在随给定命令开始增长过程中是变化的，此变化的励磁电流会在定子三相绕组中感应出电压，显然三相感应电压的相位、幅值与转子的初始位置有关，通过准确、稳定计算定子线圈磁通从而判断转子初始位置。

目前，前湾电厂已对原有的#1SFC进行了此方面的改造，目前运行效果良好。后续如果运行稳定，将对#2SFC进行改造优化。

参考文献：

[1]   广东惠州天然气发电有限公司.大型燃气—蒸汽联合循环发电设备运行：电气分册[M].北京：机械出版社，2013，6.

[2]   刘会森，张玉莲，董全林，丁莹，张春熹.电磁感应式位置传感器研究[J].传感器与微系统2017（4）：51-56.