ABB高壓變頻器水冷系統特殊故障的研究

1　引言

　　近年來，由于需求和技術的不斷提高，高壓變頻器應用越來越廣。而在大容量的高壓變頻器中，為了有效散熱，多采用水冷式。由于水管密布于高壓母線和功率元件周圍，對水質安全要求高，不允許斷流，其監測回路和工藝流程較復雜，故障幾率也較高。1995年，中國石油吉化有機合成廠乙丙項目引進高壓水冷式變頻器一臺，在使用中出現一些故障，由于對該設備掌握不夠，處理中走了很多彎路，因此有必要將多年維修經驗加以歸納，以饗讀者。

2　高壓變頻器水冷技術基本原理

　　2.1　散熱問題概述

　　變頻器散熱很重要。溫度過高對任何設備都具有破壞作用，但就多數設備而言，其破壞作用常常是比較緩慢的，受破壞時的溫度通常是不很準確的，而惟獨在spwm逆變電路中，溫度一超過某一限值，會立即導致逆變功率管的損壞，并且該溫度限值往往十分準確。在spwm逆變橋中，每一橋臂的上、下兩管總是處于不斷地交替導通的狀態，或由上管導通、下管截止轉換為上管截止、下管導通。在交替過程中，一旦出現一管尚未完全截止，而另一管已經開始導通的狀況，將立即引起直流高壓經上管和下管“直通”，相當于短路，于是上下兩管必將立即被損壞。為了避免上述現象的出現，在交替的控制電路中，必須留出一個“等待時間”（死區）。等待時間的長短：一方面必須足夠長，以保證工作的可靠性;另一方面，必須盡量短，否則將引起調制過程的非線性，從而影響逆變后輸出電壓的波形和數值，所以，其裕量是很小的。

　　溫度升高時，由于半導體對溫度的敏感性，上下兩管的開通時間和關斷時間，以及由延遲電路產生的等待時間，都將發生變化，并且具有比較準確的變化規律。當溫度一旦超出某一限值時，將導致“等待時間”的不足，使逆變電路的輸出波形出現“毛刺”，最終逆變管因直通而損壞。

　　因此，變頻器的散熱問題是至關重要的。

　　變頻器的發熱和任何其他設備一樣，發熱總是由內部的損耗功率產生的。在變頻器中，各部分損耗的比例大致為：逆變電路約占50%;整流及直流電路約占40%;控制及保護電路占5％-15％。粗略地說，每1kva的變頻器容量，其損耗功率約為40-50w。

　　2.2　基本原理介紹

　　以乙丙裝置高壓變頻器為例，乙丙裝置變頻器采用abb的samimegaster變頻器，型號為1250d3300，其電壓等級為3.3kv，驅動電機功率850kw。經測量，其總功耗為14kw，計算得出的需要最小冷卻水流量為29l/min（保證溫度為38℃時）。水冷裝置工藝流程如圖1所示。

　　板式換熱器ph1通過外部循環水對變頻器內部乙二醇水溶液進行冷卻，調節閥cv1根據內部水溫控制開、關以保證變頻水溫度變化在允許范圍內。二臺水泵p1、p2互為備用，將水泵入直流母線和環繞型gto，單向閥bv1、bv2阻止回流。放氣罐dv1用于儲存水溶液，并分離氣體，通過自動放氣閥adv1排氣。ev1與放氣罐dv1聯通，用于提供系統基本壓力。

　　檢測回路由壓力、電導率和溫度檢測組成，用于監測水的泄漏、絕緣、冷卻效果。冷卻水的壓力由v15閥、壓力傳感和變送器pst1和壓力計來測量。變送器可產生一個與壓力成正比的ma信號，上傳給水冷系統sadc10in卡，與設定值比較，如果超過設定值，比較卡會產生一個觸點分離信號，通過di/o卡傳給cpu進行處理。冷卻水的溫度由pt-100傳感器ts1測量，檢測點在換熱器的高溫端。實際的溫度值由溫度轉換器tt1讀取。該卡產生一個與溫度成正比的ma信號。如水溫高于設定值的話，信息通過扁平電纜傳到sadc59di/o卡。該卡上傳cpu卡。電導率檢測與此相類似，不贅敘。

　　當系統需要補液時，通過手動泵hp1從rt1備用儲水罐中將水抽出，通過閥v19、v14將冷卻液補充到系統中。單向閥v19防止系統水倒灌。

3　特殊故障實例的分析

　　3.1水壓不足

　　（1） 現象

　　冷卻水壓力過低造成停車。

　　（2） 分析

　　首先在水泵運轉時，對壓力系統檢測，對照盤面壓力表pm1和盤內壓力表pg1，指示一致，證明壓力檢測回路無誤。壓力指示均為3bar，小于正常壓力4.55bar，說明水壓不足。檢查軟管接頭和白鋼管彎頭等，未發現明顯泄漏，且壓力基本保持不變。懷疑系統中有氣或系統自然損失造成壓力降低。檢查排氣裝置v12閥和adv1均無異常。因當時必須及時恢復生產，對系統測試絕緣正常，決定進行充液和放氣，使壓力恢復到4.55bar，系統開車正常。

　　然而一個月后，再次因壓力過低停車，與上次故障相同。懷疑有隱蔽的泄漏點。將所有柜底擦凈，鋪上白紙，一小時后，在3#柜底的紙上出現水痕。打開3#柜上蓋，拆除保護板，充電電阻等，直到拆到一塊觸發板時，發現其頂部一管接頭上有細小水珠，打開接頭，管接頭上水管已裂開。其連接裝置結構圖如圖2所示。將軟管裂開段切除，重新聯接，上緊。經24h運行，柜下無水痕，故障排除。

　　（3）小結

　　水壓不足故障屬多發故障，一般是由于泄漏引起，應集中對彎頭和接頭處檢查，通常較易處理。像本例中這樣非常隱蔽的故障點，決不能靠不斷補水來維持運行。因為漏水往往引起元件腐蝕、板卡損壞，引發二次故障，造成維修困難，所以必須早發現、早處理。

　　3.2　水溫過高

　　（1）現象

　　裝置大檢修后，變頻器開車1h，因水溫超過上限（55℃）停車。

　　（2）分析

　　檢測冷卻水溫度傳感器ts1阻值正常，查從控制板到di/o卡扁平電纜連接妥當，供給tt1的220v正常。排除檢測回路故障可能。檢查冷卻水壓力無異常，懷疑外循環冷卻水溫度過高，冷卻效果不足。但經詢問工藝人員，乙丙裝置循環水溫度與大修前一樣。檢查v22、v23閥開度正常，將閥開到最大。再次開車，檢查溫度控制器cr72正反向控制正常，cv1調節閥也在溫度高時打開，但溫度不降反升。判斷為外部循環水流量不足。遺憾的是，安裝時未留下外循環水管線流程資料，只能沿管線查找，經過一天的努力，一位有經驗的化工終于在200m以外的地方找到了外循環水閥門。原來，在大修時，化工將該閥誤關了幾圈。造成外循環水流量不足，使變頻停車。

　　（3）小結

　　本故障的特殊性在于故障部位出人意料。這就再次提醒我們，在維修中，一定要真正掌握水冷系統流程，不留死角，才能及時、準確地解決問題。

　　3.3　變頻器頻繁超壓停車

　　（1）現象

　　壓力隨溫度變化異常波動。當水溫26℃時，壓力為52psi;當升到32.8℃時，壓力為80psi。溫度再升高，就因壓力超限停車。

（2）分析

　　首先對壓力系統檢測，證明壓力表指示正常，壓力檢測回路無誤。在室溫下，變頻器不工作，只在水泵運行時，系統壓力在4.25bar左右，壓力正常。故障一時查不清楚，而當時生產不允許長時間停車，決定采取臨時措施開車，即將控制調節閥的溫控器cr72溫度范圍縮小。溫控器采用帶有中性區的溫度調節如圖3所示，輸出out1作為反向（關閥）操作，并在測量值低于設定值set1-p03/2-p01時有效，輸出保持有效直到測量值返回到set1-p03/2時為止;輸出out2作為正向（開閥）操作，并在測量值高于設定值set1+p03/2+p02時有效;輸出保持有效直到測量值返回到set1+p03/2時為止。主要參數表修改如附表所示，使溫度調節范圍縮小。

　　在停車檢修期間，重點對ev1膨脹瓶的進行檢查，發現其底部有一氣嘴，因無相關資料，從流程圖猜測，其內應半氣半液，中間用膜片分隔，以平衡水系統壓力。果然，發現其底部確有一個氣嘴。輕輕頂起氣嘴單向閥，無氣流出，證明氣室內無基本壓力。找來一個車用打氣泵（帶壓力表），向瓶內補氣到1bar，保壓20min，證明膜片無泄漏。回裝，經過補液和放氣，系統壓力不再隨溫度波動，將溫控器調回初始設定，開車一切正常。可見，正常情況下，膜片因受氣壓作用，產生一定變形，以補償水隨溫度升高膨脹的體積，而當基本壓力消失后，膜片被頂到頭，水再膨脹，壓力迅速上升，造成系統超壓。

　　（3）小結

　　本故障非常有代表性，在運行多年的變頻器水冷單元都會出現。在日常的維護和點檢中，一定注意定期向ev1膨脹瓶中補充基本壓力。

4　結束語

　　實踐證明，處理高壓變頻器水冷系統故障之前，必須全面理解工藝流程，通曉所有圖紙，才能迅速找到原因，避免浪費時間。定期的維護與保養也非常重要，如壓力檢測、更換離子交換器化合物、更換機械過濾器、清掃灰塵等。對系統的維護要十分小心，對水冷系統的任何疏忽，都可能會造成無法彌補的損失。