变频器输出异常引起风机振动停机的故障分析

郑磊

随着高压变频器技术的日益成熟，在水泥生产过程中，利用变频调速技术，不仅可以灵活调节设备运转速度、随时调整系统用风、不断满足生产要求，还可以大幅改善功率因数，达到节能目的。同时，采用变频调速技术可以实现风机类重载负荷设备的软启动，大大降低对电网及机械负载的冲击；对需要动态调节风量的风机类设备，变频器启动时可大幅降低电动机及其负载的机械磨损，振动和噪声也显著降低，可有效延长设备的使用寿命。

1 设备系统配置情况

我公司有一台ϕ3.8m×13m 球磨机，配套辊压机型号为CLF150100-D-SD；循环风机型号为Y5-51No22D，左45°，风机电动机型号为YPKK5002-8，功率280kW，电压10kV，额定电流22.9A；变频控制器型号为ZINVERT A8H400/108，设备运行至今已有8年时间。

该变频器为直接高压输出电压源型高压变频器，每相有8个功率单元，共有24个功率单元，功率单元型号为ZINVU-25/17D1-69C-B3-WP，正常运行时频率为24~35Hz。该变频器无需升压即可启动普通异步电动机，具有过流、短路、过压、温升等保护功能，能够更精确地保护电动机；同时，该变频器具有人机交互系统，界面采用液晶显示，操作方便，功能丰富。

2 设备故障基本情况

2021 年 11 月 2 日 0：55 时，岗位工人用精密仪器对运转设备点检时发现，循环风机电动机、风机轴承座振动值由正常的0.7mm/s 左右上升至2.0mm/s左右，振动值存在明显上升情况，联轴器处有轻微异响；风机前后轴承温度、电动机自由端和负荷端轴承温度、主电动机定子绕组温度等关键运行参数没有明显变化。之后，继续保持设备运行并加大巡检频次，重点关注风机振动情况。白班接班后，专职点检人员发现风机振动值有进一步上升的趋势，尤其是轴向振动上升明显，异响连续且声音增大。立即组织停机检查，发现电动机轴承正常，风机轴承座润滑油油量充足，无异常；对电动机和风机作对中校正，清理风机叶轮积灰，检修后开机，风机振动略有减轻。12h后，联轴器处异响声音较大、电动机内部异响声音变大，再次停机检查。

结合前期排查情况，怀疑该悬臂结构的风机存在轴弯曲或轴裂纹。排查过程中，用百分表对风机联轴器圆周跳动值进行测定，其最大数值为0.03mm，属于正常范围，判定对轮侧主轴不存在弯曲情况；利用超声波探伤仪对风机主轴进行探伤，发现风机主轴在距轴断面272~276mm 处有裂纹，立即组织抢修工作。因风机位置较高，检修不便，抢修共用时26h，更换了风机主轴和风机两盘轴承（轴承型号：22328CCK/C3），抢修后风机最大振动值由6.9mm/s降低至3.7mm/s，振动值虽明显降低但仍未恢复到正常水平。再次检查电动机和风机对中情况，其垂直和水平偏差<0.04mm，采用硬连接方式现场固定电动机、风机联轴器后试车，异响消失，风机振动值接近正常运行状态，初步判断是电动机、风机联轴器运行不同步导致的本次故障。

通过观察变频器人机交互界面，发现变频器的B 相、C 相输出电流分别为13.2A、13A，而A 相输出电流为10.1A，输出严重不平衡，认为此次风机振动异常是因变频器逆变器触发不到位，输出电压不平衡引起电流不平衡，致使电动机和风机联轴器运行不同步造成。

结合以上故障情况分析，决定从机械故障和电气故障两方面展开排查。

3 设备故障原因排查

3.1 机械故障排查

排查电动机输出端联轴器和风机输入端联轴器是否同步。我公司联轴器使用时间较长，联轴器孔之间可能存在不对称情况，但没有合适的联轴器备件，无法进行更换排查。在确保电动机和风机对中准确的前提下，决定利用3mm 厚的铁片通过焊接方式硬性连接两端联轴器，铁片重量接近，均布于联轴器圆周方向。焊接完成后，风机异响消失，其水平、垂直、轴向振动值恢复至0.7mm/s 左右，处于正常状态。将连接铁片增加至12 片，风机振动恢复正常。通过以上排查，可排除机械故障引起的风机振动。

3.2 电气故障排查

排查变频器输出是否异常或电动机本身是否存在问题。

3.2.1 电动机电气故障排查

为判断电动机是否正常，对该设备的运行情况进行了排查。

（1）检测电动机电阻。使用2 500V 兆欧表对电动机进行电阻测量，测得电动机定子三相对地阻值无穷大。

（2）观察电动机工频状态下的运行情况。因变频器配置了旁路柜，将高压隔离开关手动切换到工频启动状态，将电动机和风机之间的联轴器尼龙棒断开，直接启动电动机。经检测，在工频状态下，电动机正常启动后，其三相电流稳定，前后轴承垂直、水平、轴向振动值正常，内部无杂音。运行半个小时后，电动机绕组温度上升不明显，轴承温度温升变化非常小。通过以上排查，可断定电动机本身没有故障。

3.2.2 变频器电气故障排查

排查变频器各相电压电流情况。图1 为变频器人机交互系统界面实时数据（25Hz），通过“主界面—数据监控—实时电量”，查看变频器各相电流和电压运行参数可知，输入电流和输入电压均正常，B 相、C 相输出电压略有升高，输出电流分别为13.2A、13A，但A 相输出电流仅为10.1A，输出严重不平衡，且零序电压偏高。

图1 人机交互系统界面实时数据（25Hz）

根据变频器电压电流排查情况，分析认为，变频器A相中某个功率单元的逆变器触发不到位，导致A项电流偏低，A相的相电压偏低，中心点漂移。由于变频器A 相功率单元输出电压未达到故障报警输出设定，系统无法显示出是哪个单元出现问题，需进一步排查。

检测变频器在25Hz 运行时，每个功率单元直流电压情况，检测结果见表1。由表1 可知，A1 单元的直流电压相对较低，存在问题的可能性较大。但自联轴器直连后风机振动正常，为保证水泥正常生产，保持风机连续运行，需在停机时再进行排查和更换。

表1 变频器在25Hz运行时，每个功率单元的直流电压情况

回顾功率单元修复情况，可知A1 功率单元由厂家修复（出厂时测试功率单元输出电压、波形均正常），10 月 28 日更换后运行正常，11 月2 日出现问题，正常运行一周。11 月 6 日 17：00 左右，风机振动值突然从0.7mm/s上升至4.0mm/s，立即停机检查。发现联轴器处连接片断裂，同时联系电气维修人员更换功率单元A1。更换功率单元后，变频器输出电流三相平衡，振动值下降至0.2mm/s，运行正常。对更换下来的变频器A1 功率单元进行拆解，发现其内部逆变器触发不到位，导致变频器输出侧电压不平衡，引起电流不平衡，输出中性点产生偏移，波形混乱，不同单元之间出现相位角偏差，造成电动机磁场紊乱，输出速度不稳定。

4 改进措施

高压变频系统由大量电力、电子器件及精密控制元件组成，电器元件经长期运行后，受磁场、温度、湿度，特别是灰尘的影响，其特性参数会产生变化，功能也会老化。正常生产运行中，若某个元器件出现异常，将会引起整个设备故障停机，从而影响整条生产线的运行，对企业经济效益产生较大影响。在今后的工作中，为及时发现变频器隐患，建议采取以下防范措施。

4.1 利用变频器人机交互系统及WINCC 归档功能监测变频器运行状态

（1）在日常巡检或故障处理过程中，可通过变频器人机交互系统的“主界面—数据监控—实时电量”，观察变频器输出电流和电压是否存在异常，如三相电流输出是否平衡、电压是否平衡、零序电压是否过高等，以及时发现变频器功率单元是否存在隐患。

（2）将变频器三相输出电流信号全部引至中控室并实时显示，利用WINCC归档功能，制作电流趋势图，以便及时发现变频器异常运行情况。

4.2 利用大修时机维护改造高压变频器系统

（1）利用大修时机，对变频器进行彻底维护，重点是检查更换电容，检测驱动板触发功能，用示波器测量输出波形，检查更换通信光纤等。

（2）利用大修时机，对变频器进行改造，使其具有功率单元旁路功能，当某功率单元出现故障时，系统可对故障单元进行切除，利用每相其余7个单元进行工作，风机输出负荷不大，可满足运行需要，降低电气故障率。同时，若某功率单元出现故障，可利用变频器手动旁路功能，对功率单元进行逐个切除检验，大大缩短了变频器故障处理时间，提高了工作效率。