国产大功率变频器常见故障及解决对策研究

丁 凌

（国家管网集团西部管道有限责任公司，乌鲁木齐 830013）

由于大功率变频器技术已趋于成熟，电动机驱动在天然气长输管道项目技术经济比选中占据优势，已经成为主要的驱动形式。同时，随着国产化战略的实施，国产大功率变频器开始在西气东输三线工程中应用。西气东输三线工程永昌站项目设有3 套电驱压缩机组，其变频调速系统均采用荣信电力电子股份有限公司生产的25 000 kVA 大功率变频器。从总体运行情况来看，国产大功率变频器的工业性能已达到用户要求，但其在投产运行初期的故障率比其他同类型的进口设备高，给天然气管道的平稳运行造成了不利影响。为降低变频器故障对管道生产运行的影响，需要深入分析国产大功率变频器的常见故障，采取必要措施，以提升设备可靠性。

1 荣信变频器基本信息

变频器是应用变频技术与电力电子技术，通过改变电机工作电源频率来控制交流电动机的电力控制设备，主要由整流单元、逆变单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。西气东输三线永昌压气站项目使用荣信SuperHVC-S10-SM10/25-OT-W-H 型变频器。该变频器采用目前国际上先进的栅极注入增强型晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）功率单元，串联综合运用多电平技术、数字控制技术、正弦脉宽调制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM）技术及超导热管散热技术的系列高压电机节能调速产品。该产品采用交-直-交电压源型技术方案，先将10 kV 母线电源接入隔离变压器，经隔离变压器多组副边绕组降压移相后，经整流模块整流成直流电，再通过高压变频器IEGT 逆变相模块，将直流电转换成频率可调的交流电并输出，以驱动高压电机。

2 典型故障分析及解决对策

2.1 整流单元故障

2017 年5 月，1#机组发生停机故障，上报A2单元欠压，B3、B4、C1、C2 单元过压，设备连锁跳闸。经现场检查发现，A2 单元整流直流母排出现熔融现象，整流单元交流母排上被喷溅有金属颗粒。

2.1.1 故障原因分析

通过检查分析发现，A2 单元的整流模块直流输出母排与柜体直流母排的连接处在运行时过热，出现烧毁、飞弧现象，飞弧喷溅的铜屑破坏了设备绝缘，导致设备内部出现短路[1]。出现故障的位置采用一种触桥形式的弹性连接。触桥形式连接优点是易于现场拆装、维护，当设备出现故障时维修速度较快，缺点是其对装配的要求较高，需要由专业人员进行装配。

该故障点的触桥是整个设备内部电流负荷最大的触桥。根据故障录波记录数据，故障发生时负荷电流的有效值为610 A、峰值为1 200 A；产品满负荷运行时的电流有效值为906 A、峰值为1 780 A。该触桥的设计容量为电流有效值1 600 A、峰值2 300 A。故障发生时实际运行电流小于设计容量。进一分析故障原因，发现个别位置的工艺控制较差，整流模块直流正母排与触桥之间装配配合不佳，设备长期运行时，一侧的触桥因接触不良发生过热变形，最终导致该类故障的发生。

2.1.2 解决对策

更换新的整流模块，按装配要求精准安装。触桥安装时公板应插入母板的中间位置，公板两侧与母板的间隙误差不应大于0.5 mm。触桥在公板插入后压缩，标准压缩量应该为1.65 ～1.95 mm。为从根本上解决此类故障，应将原来的直流母排触桥弹性连接方案改为铜排直连方案，提升连接的可靠性。将直流输出正负母排改为U 形包覆母排，并将母排一端固定在模块内部的散热器上，另一端设置腰型孔留做外部连接接口，正负母排之间使用绝缘件固定。连接方式优化前后结构对比如图1 所示。

图1 连接方式优化前后结构对比

东芝三菱TMEIC XL75 系列大功率变频器的整流单元、IEGT 功率单元的进出线均采用铜排直连的方式连接，能够保证连接处在长时间运行、大电流通过时具有良好的导电性。从近10 年的运行情况来看，相较于弹簧式触桥结构，铜排螺栓直连方式的稳定性和可靠性更高。

2.2 功率单元过压故障

2021 年，变频器多次出现单元过压、设备闭锁跳闸的现象。2021 年7 月6 日，A4 级单元上报IEGT故障，同时该级闭锁旁路，设备继续运行。在A4 级闭锁107 s 后，上报“单元过压”，设备闭锁跳闸。经计算，A4 级闭锁后至整机闭锁的107 s 内，直流电压提高了185 V，平均上升速率为1.73 V·s-1，最大上升速率为15 V·s-1。

2.2.1 故障原因分析

为进一步排查故障原因，在变频器工厂反复进行试验测试。使变频器进线电缆屏蔽层在变压器二次侧单端接地，在设备带电机空载运行状况下进行测试，启动9 s 后A4 级单元上报“单元过压”设备跳闸。在厂内测试电气连接拓扑中，A1、B1 和C1 是设备中靠近封星点的位置，A4、B4 和C4 是与电机连接的馈出级。馈出级A4、B4 和C4 的电压增长最快，靠近封星点的A1、B1 和C1 直流电压基本维持恒定。经计算，上升速率最快单元的上升速率约9 V·s-1。使变频器进线电缆屏蔽层在变压器二次侧及变频器侧双端接地，在设备带电机空载运行状况下进行测试，启动3s 后A4 级单元上报“单元过压”设备跳闸。经计算上升速率最快单元的上升速率约20 V·s-1。

根据现场故障及厂内测试复现情况，综合判定单元超压的主要原因为功率器件开通关断过程中产生的电压突变引起共模电压，经过单元对地以及交流电缆对地的耦合电容形成高频共模电流，再经整流桥单向整流后，导致单元直流电压持续升高，直至超过连锁保护值2 950 V。

2.2.2 解决对策

设备停机后更换相应的故障单元，可对设备进行复位恢复备用。为规避此问题，短时间内可调整变频器软件内部参数设定，适当提高IEGT 单元过压的保护阈值，建议从2 950 V 调至3 050 V。IEGT 单元在开关过程中会产生电流电压变化，进而引起共模电流[2]。为彻底解决此干扰问题，在整流二极管两端并联1 个吸收电容，为高频干扰信号提供1 个双向通流路径，从而避免干扰信号单向充电导致的电容器电压持续上升，如图2 所示。该方案的吸收电容器在工作过程中温度正常，且安装简单，对现有结构影响较小，可解决直流单元电压持续抬升引发的跳闸问题。

图2 整流桥回路电路增加吸收电容

2.3 变频器控制系统干扰故障

自投运以来，变频器多次报出控制器内部通信错误、控制器局域网（Controller Area Network，CAN）通信错误、输出过流等，造成设备停机。故障报出间隔时间具有不确定性，故障出现后都能复位。

2.3.1 故障原因分析

分析故障录波文件与历史数据可知，故障大多是干扰造成的控制器内部或外部的通信数据错误。测量现场发现，控制柜内保护接地（Protective Earthing，PE）线和E 线存在高频压差，峰值可达到±50 V，对信号线及其屏蔽存在很强的干扰，造成控制器内部数据检测错误。进一步排查发现，发生故障的主要原因是380 V 供电电缆、部分控制信号电缆与10 kV 高压电缆存在平行敷设的情况，使干扰信号通过空间耦合到信号电缆，导致干扰窜入变频器控制系统，影响控制系统的稳定性。

2.3.2 解决对策

优化控制柜内的电磁屏蔽，加强其抗干扰能力，避免干扰信号通过电缆窜入变频控制系统。干扰信号可以通过2 个方面进行隔离：一是控制系统的电源隔离，二是控制系统的信号隔离。增加外部供电电源回路，把原供电方式改为对外部信号、内部信号、控制器电源单独隔离供电的方式，将3 个电源独立设置，确保信号系统的有效隔离。对于控制系统信号部分，基于柜内已有的继电器隔离变频器控制器的数字输出（Digital Output，DO）信号、数字输入（Digital Output，DI）信号，通过在变频器的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）柜内增加中间继电器或信号隔离器，隔离DI 信号、模拟量输入（Analog Input，AI）信号。在对控制系统的信号隔离改造中，对于增设的DI 转换板，应单独新增开关电源进行供电。

控制系统干扰问题具有偶发性、随机性，现场排查较为复杂，但解决思路为分类隔离控制系统的各个控制器、信号，以保证所有与控制系统连接的电源信号、DO、DI、AI 等各类信号通道有效与外部系统隔离，进而消除外部因素对控制系统的干扰。

2.4 变频器IEGT 驱动板故障

2018 年4 月，1#机组出现IEGT 相模块故障。经检查发现，IEGT2 驱动板故障，其上的隔离电源模块异常发热。

2.4.1 故障原因分析

通过分析故障录波文件与历史数据发现，IEGT驱动板工作异常，使其在对应的逆变桥臂中不受控制地异常导通，最终在H 桥中形成短路，导致IEGT 器件击穿。IEGT 驱动板故障的主要原因为IEGT 驱动板存在设计缺陷，即主回路中有电磁干扰，以及杂散电流通过驱动板控制回路窜入，造成IEGT 驱动板工作异常[3-4]。

2.4.2 解决对策

整体优化IEGT 驱动板，主要是在驱动板的供电环节增加隔离电源模块，以增强驱动板电源的抗干扰能力，规避IEGT 驱动板受干扰后误报驱动故障的问题，使其能够很好地适应大功率变频器电磁干扰的运行环境[5]。

3 结语

国产大功率变频器在运行过程中出现的各类故障较为复杂。但是，通过优化核心器件结构、整治系统、优化改造部件，即可从根本上解决故障问题，提升变频器的整体可靠性和安全性。