浅析变频器改造升级

伍华伦

摘 要：对西门子空冷却无谐波变频器主要部件结构构成及元器件主要功能进行阐述。对其投运以来出现的故障进行统计分析，结合同类变频器运行出现的故障状况和现场情况，解析变频器工作环境基本要求。分析变频器高温故障原因危害及处理，变频器其他故障及系统波动引起跳闸及处理。有针对性地提出改变原有变频器输出控制方式，抑制变频器跳闸。结合变频器电压波动运行环境更改变频器低电压设定，并进行变频器软件升级和变频器室换气改造，节约一次投资成本，减少维护费用及运行成本。使变频器长时间稳定运行，电动机输出功率更稳定，调整范围更加广泛，经济性更好，减少因高温导致变频器设备部件绝缘老化击穿短路跳闸停运几率，提高变频器效率和效益。

关键词：变频器组成；高温；故障分析；工作环境；换气改造；软件升级

中图分类号：TN773                                    文献标识码：A                             文章編号：2096-6903（2023）04-0058-03

0 引言

某公司使用的空气冷却中压完美无谐波变频器由西门子上海电气传动设备有限公司设计制造，通过调节脉宽改变电动机转速的变频器。这种脉宽调节变频器优点明显：①有隔离变压器等滤波，使得输入波形纯正，输入特征更加明显，功率因数更高，输出波形为无附加扰动的高低次谐波的正弦波。②当变频器在运行时，若其输入电压电流乘积略小于变频器额定容量，变频器调节基本能保证其输出工况运行。③变频器回路载有电阻，产生的谐波对周围设备的干扰很小，甚至没有。④变频器可有效地避免不同装置调速系统之间发生串、协扰。⑤装置本身输入纯净，没有防止谐波产生消除措施，省去了谐振、谐波过程分析，减少消除谐波的滤波器等设备元件及维护费用。

西门子空冷变频器输入电流电压为无扰动的正弦波，功率因数高超过95%。高功率因数使得电动机在整个调速范围内，不需要增加无功补偿就能满足调速范围。满足系统功率因数要求入，很容易就能实现低功率因数，还能改善电压质量，不会无功功率使一次开关、变频器组合柜内的变压器，并列功率单元过载运行。在整个变频器电动机的调速范围内，即使使用标准的感应电动机，也能在可调速度范围内保持高功率稳定运行。低速使用能实现更大的节能降耗，提升经济效益。西门空冷变频器只有极少量的失真电压波形产生，对电机产生电磁振动和电磁噪声很小，实现现场电动机的降噪。西门子空冷完美无谐波变频器，消除了变频器引发的使电机发热的有害谐波，变频器引发的转矩脉动也被消除（即使在低速范围），降低了机械设备的应力，共模电压和电压变化率产生的应力也减至最小[1]。节省使用谐波滤波器与散热设备需要的费用，节约大量人工、设备和维护费用，具有电机噪声小、发热小、机械设备应力低的特点，增加了电动机的输出动力和机械效力。

1 西门子空冷却无谐波变频器主要部件及其作用

1.1 隔离变压器组合柜

空冷变频器的变压器组合柜由输入隔离变压器、进出线线高压电缆、顶部冷却排气风机、进风滤网网门、控制电源、接口、端子排及接线等组成。

1.2 控制和监测柜

控制和检测组合柜主要是变频就地控制线、外接控制电源、冷却排气风扇、电机监测测仪表及电源仪表、各电源、监测连接端子排等组成。

1.3 控制单元组合柜

控制单元组合柜柜门可取下，组合柜内主要是总控器间隔、各分并列功率间隔及其组合柜顶部安装的冷却排气风扇。每个功率单元具体由单元控制板、IGBT器件、二极管器件、散热器、熔丝、均匀电阻、电解电容以及壳体等组成。并列各功率间隔的元器件电气参数、机械参数完全一样，具有互换性和可替代性。并列功率间隔的主控制IO版通过光纤电缆与总控器间隔的控制IO板相连，实现总分通讯与控制调节。其是并列功率间隔与总控间隔之间的唯一连接联络点，完全实现了总控间隔与各并列功率间隔电气一次隔离，避免了相互影响、干扰。

1.4 控制旁路组合柜

控制旁路组合柜内是真空接触器及一次回路。当主控变频部分发生电气故障、更换部件或主旁切换，变频器控制回路会自动合上旁路真空接触器接通电源一次回路，断开变频功率控制回路一次真空接触器，使得故障变频单元一次回路从电动机一次系统切除，电动机工作在旁路变频回路。

1.5 低压控制系统

西门子空冷变频器各功率间隔之间都有统一的控制方式。各功率间隔之间的控制与驱动板都是通过连接光纤与总控制柜内的数字调制器通讯，总控制板控制与驱动开关电源为所有板提供控制电源。

1.6 总控制回路及系统

总控制回路系统由机架和控制板构成，独立电源供电。微机板为控制核心，控制总系统所有块板的工作。总控系统接口板收集输入、输出及反馈信号送到模数转换板。模数转换板将数字量值送到微机板，微机板计算要发送给数字调制器的数值并发送。数字调制器将开关指令编译成每个单元的指令信息，通过光纤接口板发送出去[1]。

1.7 主电路及输入电源质量监测

功率间隔通过光纤接收调制信息输出电机所需电压和频率。监测隔离变压器输入电流和电压。可靠提供在线功率因数、电机效率及谐波等参数信息。

1.8 人机接口

人机接口主要是键盘和液晶显示器面板，安装总控制组合柜的面板上。通过键盘和液晶显示面板可实现对西门子空冷变频器的参数修改和功能控制操作。

2 变频器运行故障统计分析处理

2.1 变频器的故障统计

变频器共计11台（3台给水泵、8台引风机、8台送风机），自投运以来，变频器各种原因跳闸次数多达50次。其中高温烧坏扳子23次，通讯故障17次，其他原因故障10次。高温相对来说占总故障的46%左右。通讯故障高达34%左右。

2.2 变频器周围环境运行条件

变频器柜内的集成大功率电子元件，运行中容易受粉尘、温度和湿度等运行条件的影响，变频器运行环境温度要求在0～40℃范围内，为确保变频器安全稳定长期可靠运行，正常运行时都要考虑尽量控制在中间范围内，以免给特殊运行工况情况时留有一定的富裕度和增长空间时间，最佳控制温度在25℃左右，湿度要求不超过95%，且无凝结或水雾出现。

变频器运行温度跨度大时间短且环境温度极低极高时，变频器柜内各元器件会因低温凝结水珠或出现露水现象，使其部分元器件受潮，破坏绝缘性能降低，严重时还会发生潮湿放电、绝缘击穿引发短路火灾电气事故。如若空气中粉尘、腐蚀性气体含量极高，将加大对元器件、引线及接头、集成电路板、电容、电感、电阻及回路腐蚀等。灰尘由于电的作用聚集在元器件表面，散热条件不良，使元器件高温加速老化，迅速降低其绝缘性能，影响稳定运行，缩短其使用寿命。变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起各元器件电气接触不良。运行环境温度高，会使电容的使用寿命下降，引起电解液变干造成功率单元故障。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

2.3 变频器高温原因分析

夏天环境温度升高，各种设备运行发热散热条件恶化，各设备受高温的考验。变频器运行发热，散热条件不好（变频器与6 kV 母线段在一个母线室，无单独的变频器室），长时间温度过高而使变频器各部件绝缘老化，造成短路或元器件损坏。

具体原因分析如下：①功率元件是发热量大的。功率元件主要是由整流二极管和逆变IGBT组成，二极管运行较稳定，通断速率较低，自然换向，发热量较小。IGBT，通断速率高，发热量与开关损耗有关，通过电流越大，开关速率越高，发热量就越大。整流器和逆变器模块化，通过导热硅胶连接到散热片上。散热片装有通风管，通风管下端装风扇，向上吹气，风冷却散热片[2]。②影响变频器散热的主要方面：功率元件二极管通断速率。功率元件IGBT开关速率。导热硅胶的导热性能。散热片的接触面与紧密度。风扇安装位置不正确。风扇运转不正常。逆变模块过热。制动电阻过热。冷却风道的入口和出口堵塞，环境温度高于变频器的允许值[3]。

2.4 变频器出现过温故障处理方法

具体有以下10种：①检查环境温度是否在变频器工作范围内。②检查变频器是否过载运行，否则需要降容运行。③降低大型通风机或工业空调风温，降低环境温度。④检查柜内安装空间是否足够，检查柜内风扇是否正常，检查通风量能否满足变频器的要求。变频器通风量越大超好。⑤检查参数设置，尽可能降低IGBT的开关频率，即脉冲频率。⑥限制变频器输出电流，或者降低电流。减小电机负载以减小电流。⑦除尘。变频器长期使用后，内部如果灰尘太多，会降低散热效果。在断电情况下，吹出灰尘。⑧检查变频器风扇运行是否正常及滤网是否堵塞。⑨检查变频器内部温度传感器是否正常。⑩检查变频器CPU及其它模块运行是否正常。

3 变频器及母线室换气改造与软件升级

3.1 变频器及母线室加装换气扇

结合分析和变频器实际运行情况，由于变频器室和6 kv母线室连接到一起，室内空调设计安装完成，运行平稳。夏天由于环境温度高，散热条件恶化，室内空调容量严重不足，变频器室内温度高。

若更换空调，根据空调功率选择公式（1）进行计算：

P空调=P变频器×3.5%/2.5                                       （1）

式中：P空调表示空调的功率，单位kW；P变频器表示变频器的功率，单位kW。

经研究和实地勘测，即用变频器各元器件发热量及顶部排气扇的排热量，根据换气扇功率公式（2）可得：

Q=（P总/T）×3.1=Pe×3%                                （2）

式中：Q表示风量，单位m3/h；P总表示控制柜内各元件总功率数，单位kW；T表示控制柜内各元器件允许的最大升温，单位℃；3.1表示海平面空气热度；Pe表示变频器额定功率，单位kW。

结合装置和本地季节气候特点，根据测算可在变频器及母线室加装排气扇，增加变频器及母线室换气量和速度，以降低室内温度。产生的人工和设备费用低廉，节约很大部分投资，经济适用，且操作方便，运行灵活，冬节环境温度低时，可根据变频器及母线室内温度停运部分换气扇。

根据要求由设计公司进行换气设计，并进行设备购置和设备安装，現在已改造完成。在实际的运行中效果十分理想，准夏天最恶劣天气环境最高42℃降到了28℃，降温达14℃。冬季可根据变频器及母线室温度随时启动或停止部分换气扇，运行方式灵活。既保证了变频器正常散热、低温稳定运行，又节约运行成本，减少变频器各元件绝缘老化，变频器故障率。

3.2 变频器软件故障与软件升级

第一，变频器通讯故障，与软件设置和软件Bug有关，有以下4种情况：①单一模块不通信（接插不好、模块故障、组态不对）。②从站不通信（分支通讯电缆故障、通信处理器松动、通信处理器地址开关错误、通信处理器故障）。③主站不通信（通信电缆故障、调制条街器故障、通信处理器故障）。④通信正常，通信故障灯亮。

第二，变频器的控制都是通过光纤传输到后台DCS系统，运行中当通讯中断、故障、信号消失。變频器CPU接收不到后台DCS系统状态信号时，变频器会自动跳闸，保护转机设备。但在实际运行中，多次出现通讯信号原因即出现DCS信号丢失情况下引起变频器无故障跳闸。通讯故障的几率大，严重影响转机的正常运行[3]。严重影响安全生产。在借鉴其他公司变频器运行经验与西门子厂家沟通，结合实际运行情况，提出将变频器在出现DCS信号丢失情况下，变频器停机改为维持原转速运行。并要求西门子厂家人员进行变频器软件升级，满足提出的要求，并保证升级后能稳定运行。

第三，在其他故障中系统晃电也有变频器跳闸现象。在此次升级中还将部分变频器低压跳闸设置为低电压在3 s内掉电（含低电压）变频器不跳闸，并进行相应试验，满足更改要求。结果均达到软件设计要求。为了保证变频器安全，根据变频器多年运行经验，将变频器掉电3 s以上（含低电压）变频器不跳闸改为跳闸。根据变频器实际运行工作电压情况将部分变频器低电压设定在1 s内掉电（含低电压）变频器不跳闸，1 s后仍低电压则变频器跳闸。变频器软件升级改造完成后，做试验均符合要求。

第四，此外还将变频器软件升级到最新可用版本，变频器软件升级完成后，试运行达到预期的效果。满足了生产的实际需求，保证了变频器长期、可靠、稳定、效率运行。

4 结语

通过对西门子完美无谐波变频器各部件分析，变频器的故障分析，变频器受周围环境温度的影响导致电路板散热不太好，引起的故障所占比例较大。再加上炼化行业生产现场含硫化氢等腐蚀性气体，电气配电室为了减少腐蚀性气体的侵入采用封闭式的，因通风效果不好，导致变频室内温度升高，变频器电路板小功率器件损坏。

为了彻底解决以上问题，改善冷却条件，在变频室增加换气扇。经过改造和软件升级，不仅能改善工作环境温度，有效地降低了变频器的故障率，还提高了使用效率，不失为解决变频器众多故障因数的好方法。对具有同类型变频器因地制宜改造升级起到很好的指导作用，大大节约成本，提高变频器运行经济性。

参考文献

[1] SIEMENS.西门子空冷型完美无谐波系列新一代控制NBH高压变频器[K].上海：上海出版社，2006.

[2] 周志敏.变频器维修入门与故障检修238例[M].北京：化学工业出版社，2013.

[3] 张选正，史步海.变频器故障诊断与维修[M].北京：电子工业出版社， 2008.