基于交流电网电压畸变的晶闸管有源逆变失败故障分析

葛建伟

(新疆八一钢铁股份有限公司炼铁厂)

背景

干熄焦提升机往返运行在提升井侧及干熄炉侧，将电机车上重焦罐提升上停止点并平移至干熄炉炉顶，与装入装置相配合，下降到放焦位，将红热焦炭装入干熄炉内，装完红焦后将空焦罐放回到电机车焦罐台车上，完成一个工作周期。提升机在井侧和炉侧提升焦罐加速和匀速运行时，四象限变频器驱动电动机处于电动状态；提升机在井侧和炉侧牵引焦罐制动和下降时，四象限变频器处于牵引电动机返回的再生能量通过整流/回馈单元回馈电网，实现生产过程中节约电能、快速制动等优点。2021年3月9日-20日干熄焦提升机整流回馈单元、逆变器多次报故障，发生电路保险烧损、电网电压下降，干熄焦提升机不能正常运行。

1 提升机传动系统组成原理

传动装置选用西门子多机传动变频器。一台由两组反并联晶闸管桥组成全控整流/回馈装置、两台逆变器装置、一台自耦变压器、接触器组成，提升机传动接线原理见图1，各装置规格型号和功能见表1。

图1 提升机传动接线原理

表1 提升机 各装置参数和功能

2 故障简述及原因分析

2021年3月9-20日故障情况见表2。

表2 提升机故障和处置

2.1 提升机逆变失败原因分析

2.1.1 提升机整流/回馈单元工作过程

由图2和整流回馈单元型号可知：整流/回馈电路采取两组晶闸管桥反并联构成了电压型不对称可逆逻辑控制无环流结构。

图2 两组晶闸管反并联不对称整流/回馈原理图

图3是整流回馈等效电路。电动机工作在电动状态时,正组桥导通，导通角0°<α<90°,Udf>E,输出顺时针方向直流电流平均值Id=(Udf-E)/R，且反组桥封锁，向直流母线供电；

图3 两组晶闸管反并联不对称整流/回馈等效电路图

电路工作在再生状态时反组桥逆变回馈工作，反组桥导通，导通角180°>α>90°，直流侧电动势极性改变，|E|>|Udr|，输出逆时针方向直流电流平均值Id’=(|E|>|Udr|)/R且正组桥封锁。工作时正、反两组变流电路通过逻辑连锁控制任意时刻允许一组工作，另一组封锁。

整流/逆变桥由两组电流调节器按逻辑顺序触发控制桥臂晶闸管导通；当中间回路电流(在限幅模块输出侧上的中间回路电压调节器的输出)的给定值(带符号)高于整理死区设置的值+0.05%时，则整流桥的触发脉冲使能。此时正组桥处于整流工作状态，反组桥封锁停止工作。当工作整流桥两端承担反向电压、电流断流，工作桥臂晶闸管经过约10ms脉冲封锁(当中间回路电流的给定值低于死区设置的值时，则被封锁。)和延时后关闭；正组桥封锁停止工作。

当中间回路电流(在限幅模块输出侧上的中间回路电压调节器的输出)的给定值(带符号)低于逆变死区设置的值-0.05%时，则回馈桥的触发脉冲使能，脉冲再次触发反组桥导通处于有源逆变工作状态，此时交流电网变成负载，当中间回路电流的给定值高于逆变死区设置的值时，则被封锁。

2.1.2 晶闸管发生有源逆变颠覆的原因

(1)触发电路工作不可靠：触发电路不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失，脉冲延迟等，致使晶闸管工作失常。

(2)晶闸管发生故障：在应该阻断期间，元件失去阻断能力；或在应该导通时刻，元件不能导通。

(3)换相的裕量角不足：存在重叠角或给逆变工作带来不利的后果。

(4)交流电源发生异常现象：在逆变运行时，可能出现交流电源突然断电，缺相或电压过低等现象。

2.2 电网交流电源断电原因分析

故障发生时，提升机工作过程中存在提升机上电接触器无规律吸持和释放现象。提升机传动输入主接触器型号CJ29-1000S系列接触器，线圈采用直流电磁系统，内设整流电路。直流线圈接触器优点：大电流吸合，小电流吸持。主接触器线圈回路全波整流输入侧串联降压限流电容。接触器线圈原电路图见图4。

图4 接触器线圈回路

对更换下来接触器检测，线圈串联无极性电容容量从标称5uf降到1.5uf，阻抗(1/(2πfC))增加。

5uf电容阻抗为637Ω(功能正常电容阻抗)；1.5uf电容阻抗为2123Ω(功能异常电容阻抗)。

电容计算：C=εS∕(4πkd)

(1)

式中：ε—介电常数；

S—电容器两极板的正对面积；

d—电容器两极板之间的距离；

k—静电力常量。

由式(1)可知电容长期使用，电容介质会下降，介质系数也会下降。所以电容C会下降。电容增加造成接触器线圈交流侧回路阻抗成倍增加，电容交流侧分压造成整流输出直流侧线圈电压降低，此时电压不足以保证接触器电磁吸持，而发生接触器工作中出现‘释放-吸合-释放’的抖动故障。

2.3 故障结论

结合提升机处于再生发电，分析反组桥逆变工作时直流回路电流计算公式Id’=(|E|-|Udr|)/R，电网断电分析及整流回馈故障代码等因素得知：本次事故是反并联晶闸管桥在逆变时发生基于电网电压畸变，直流回路电压升高，直流回路中过电流(|Udr|=0，Id’=|E|/R)造成逆变颠覆的事故。

3 进一步完善设备维护措施

通过分析及现场处理，解决了干熄焦提升机逆变颠覆故障。为防止此类故障，进一步完善和固化提升机设备管理制度和设备维护措施。

3.1 梳理提升机系统设备资料 完善管理措施

梳理了提升机系统图纸、技术资料、备品备件；完善提升机系统上电接触器(触头、元器件和导线、接线端子等)点检标准和点检卡，确定按周期实施；完善接触器维修技术标准和维修作业标准，增加了电容容量测量内容；完善与接触器线圈回路相关设备(风速开关、超重开关、偏载开关、急停开关等)设施和动力、控制电缆绝缘检测、点检、定修等管理制度。一系列措施实施后，降低了上电接触器缺项发生频次。

3.2 整流回馈单元升级改造，防止发生逆变颠覆

新增成套OCP(过电流保护装置，IGBT开关器件)选件装置，串接在直流母线。在直流母线过电流出现时快速阻断短路电流回路，减少事故损失。装备技术升级整流回馈采用AFE(Active Front End)换流技术。升级回馈装置利用全控型功率器件的电路，实现“全控器件”换流方式。可以完全避免因电网异常引起的逆变失败。

3.3 编制设备故障处置手顺书

结合此次故障处理经验，编制设备故障处置手顺书(表3)，缩短故障处置时间。

表3 设备故障处置手顺书

4 结束语

出现故障的干熄焦提升机系统上线使用超过10年，在事故处置及评价过程中，发现用户对各装置认知仍存在差距，往往通过以事故处理来提升维护技能，企业付出成本太高。

笔者认为持续落实防范措施和主动提高关键设备认知能力是设备维护的重点工作。