高压IGBT变频器维护及检测方法分析

摘要：绝缘栅双极型晶体管（Insulate-Gate"Bipolar"Transistor，IGBT）具有开关速度快、损耗小的特点，可以进行高频开关控制，适用于变频器等高效能电源控制设备。高压变频器通过控制IGBT导通和截止的时间及导通角，实现对电动机的频率和电流等参数进行精准调控，从而满足不同负载条件下的运行要求，保证电动机运行的稳定性和效率，对变频器进行正确的维护和检测可提高其使用年限和及时发现安全隐患，保证设备有效并稳定的运行。

关键词：高压变频器""维护""光纤通信"波形检测

Analysis"of"Maintenance"and"Testing"Methods"for"High-Voltage"IGBT"Inverter

LIU"Jun

CRRC"Dalian"Electric"Traction"Research"and"Development"Center"Co.，"Ltd.，"Dalian，"Liaoning"Province，"116000"China

Abstract："Insulated-Gate"Bipolar"Transistor（IGBT）"has"the"characteristics"of"fast"switching"speed"and"low"loss，"and"can"be"used"for"high-frequency"switching"control."It"is"suitable"for"high-efficiency"power"control"equipment"such"as"inverters."High-voltage"inverters"achieve"precise"control"of"parameters"such"as"frequency"and"current"of"electric"motors"by"controlling"the"on-time"and"off-time"and"conduction"angle"of"IGBT，"meeting"the"operating"requirements"under"different"load"conditions，"ensuring"the"stability"and"efficiency"of"electric"motor"operation."Proper"maintenance"and"testing"of"the"inverter"can"improve"its"service"life"and"timelynbsp;detect"safety"hazards，"ensuring"effective"and"stable"operation"of"the"equipment.

Key"Words："High-voltage"inverter;"Maintenance;"Fiber"optic"communication;"Waveform"detection

由于变频器的调速功能出色、工作效果显著，并且易于与其他设备连接，具有高性能，易维护的特点，这些特质使其在各个领域的应用日益普遍。在实际运行过程中，外部环境的温度、湿度、灰尘、有害气体等各种因素，都会对变频器的稳定性和使用年限产生很大影响。若对变频器进行科学的维护和检测，既能确保其持续稳定的工作，也有助于提高其使用年限，同时降低由于故障停机引发的生产损失。本文以富士FRENIC4600M5e系列10/6"kV高压绝缘栅双极型晶体管（Insulate-Gate"Bipolar"Transistor，IGBT）变频器为例，分析该系列变频器维护和检测的规程与方法。

1"变频器的维护

1.1日常检查

变频器室应开启空调并保证良好通风，环境中不能含有腐蚀气体，环境温度在0～+40"℃范围内（25"℃为宜），湿度20%～85%"RH（不结露）。

检查变频器高、低压侧输入电压是否三相平衡，电压值应在额定值的±10％范围内，定时监控记录显示屏上的电压、电流、频率等各项数据，检查柜内UPS电源是否有报警。

检查变频器散热风扇运转是否顺畅，散热风量是否充足，如果出风口温度比平时高很多需要排查异常原因，当有异味出现时需要立即停机检查。

1.2"定期保养

富士FRENIC4600M5e系列高压变频器主要由主电源变压器、功率单元、电压互感器、电流互感器、控制系统等组成。

定期保养前，必须断开高压侧输入断路器并将其摇至试验位置，同时悬挂“禁止合闸，有人工作”警示牌，切断全部输入电源并做好验电确认，确认无外加电压后，测量输入输出端子电压在25"V以下后，对高压变频器装置的主回路输入输出端子进行接地处理并断开负载电机接线，做好接地措施后再进行施工[1]。

变频器本身采用强制风冷具有较大的散热通风量，因此在运行一定时间后，表面积尘非常严重，而运行环境温度过高会影响许多部件的电气性能、如电阻、整流模块、IGBT模块、电解电容器和风扇等，这些部件的使用寿命通常与工作环境温度有关[2]，在除尘的过程中同时对柜内电气元件进行外观检查，可初步判断器件状态是否有异常。

变频器的清扫除尘工作主要内容有以下几项。

（1）使用专用升降车将变频器功率单元拆下，用防静电刷、吸尘器清扫功率单元内部电路板、整流模块、IGBT模块、连接母排等部位。

（2）检查功率单元内中间直流回路滤波电容器外观是否有漏液、膨胀等现象，直流母排有无腐蚀、碳化，母排连接处螺丝是否紧固，固定处的绝缘板或绝缘子有无老化裂纹。

（3）检查变频器内部主电源变压器是否有绝缘不良，变色烧焦或有异味等现象。

（4）检查变频器内部导线绝缘是否有腐蚀过热的痕迹，如发现应及时进行处理或更换[3]。

（5）破损、老化的接线端子需要及时更换，防止其产生虚接甚至短路故障，各电路板接插头的接插应牢固可靠。进出主电源线应可靠连接，连接处不应有发热氧化、放电拉弧等现象。接地点应有明确标识，接地电阻值应不大于4"Ω。

（6）螺丝等紧固件常因振动、温度变化等影响而松动，应将所有螺丝全部紧固1遍。

2"变频器的检测

在恢复安装和接线的过程中，变频器可能会出现接错线、断线等故障，应按照变频器说明书和安装指南进行正确接线和安装。变频器的设定参数较多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能工作的现象[4]。因此，变频器的调试是从正确设置变频器参数开始的。恢复运行前还应对内部电阻类、容量类、半导体类等元件进行测量，检测结果正常后才能进行低电压发生试验来检测功率单元和主回路的输出波形。功率单元电气原理如图1所示，主要由整流模块、滤波电容器、IGBT模块等电器元件构成，输入侧采用多脉冲二极管整流方式抑制高次谐波，可大幅降低高次谐波的产生。

FRENIC4600M5e系列变频器使用数字信号处理器进行矢量运算及有功电流和无功电流的调节。当系统处于运转状态，由主CPU输入有功和无功电流指令值，电流调节器零保持释放指令和其他控制参数。另一方面对输出电流检出值进行进行三相/两相变换，进而实施旋转矢量运算，由交流量变换为直流量，输入到各自的电流调节器中，该有功电流调节器的输出与频率指令相加，再与磁通指令相乘作成电压指令，无功电流调节器输出的2个信号被输入到矢量运算器中进行上述逆变换，获得三相交流电压指令。根据三相交流电压指令，在脉冲分配单元作成输出栅极脉冲，该栅极脉冲可以让输出电压波形成为近似于正弦波的多电平波形。使用示波器测量每个功率单元AC1、AC2处输出电压波形，正常情况下单个功率单元的输出波形是一个稳定的、纹理清晰、无畸变的三电平方波，主回路的输出波形是一个阶梯变化的近似正弦波，检测波形时按以下步骤进行。

（1）确认高压进线断路器已摇至试验位置，功率单元安装及接线已完全恢复，解除变频器主回路输入输出端的接地连线，恢复变频器控制回路供电，连接驱动板电源（220"VAC）和主电源变压器一次侧电源（380"VAC），连接示波器至功率单元AC1、AC2处，将编程计算机通过USB转RS232串口线连接至控制装置上CN7接口。

（2）按照表1更改变频器参数。

（3）先接通驱动板电源，再接通主电源变压器一次侧电源，此时各功率单元上控制电源接通灯亮，P侧主回路电压15"V以上灯亮，N侧主回路电压15"V以上灯亮，短接变频器柜内端子排上高压断路器合闸位置反馈点，变频器充电完成后才能接受速度指令，此时待机画面如图2所示，图中变频器内主电源变压器为干式移相变压器，型号：ZTSG-1650/10，低压侧电压580"VAC，共有18组次级绕组，次级绕组在绕制时相互之间有一定的相位差，这样消除了大部分由独立功率单元引起的谐波电流，所以初级电流近似于正弦波，因而功率因数能保持较高[5]；功率单元型号为：RKPB352C-4MV5A，单元内整流电路采用移相串联二重联结电路，每个功率单元都是一个单相三电平变频器，可以获得输出电压1"155"V，每一相由3个功率单元串联组成，相电压约为3"465"V，三相以星形连接，可以得到6"000"V线电压。每个功率单元的控制通过主控系统与单元内的控制/驱动板之间的光纤通信完成，光纤接口通过光纤通道在调制器和单元间传输数据，接口板发出的触发指令和状态信号经过双光纤通道传输至每个单元，同时校验数据的完整性与奇偶性，如果检测出错误将产生链接故障。

根据公式：

Ud=1.35Urms"（1）

式（1）中：Ud表示直流母线电压；Urms表示输入交流电压有效值，通过公式计算得出低压检测时直流回路P、N侧母线电压值Ud=2×1.35×380×0.058=59.5"V，各功率单元直流母线电压实际值与计算值相符，控制印刷板温度39.1"℃（报警值60"℃），单元冷却散热温度29.5"℃（报警值90"℃），光纤通信正常，满足起动条件可以给定速度进行模拟运行试验。

（4）将变频器柜面转换开关旋到就地操作位置，通过编程计算机给定变频器25"HZ频率运行，待运行稳定后测量每个功率模块的输出波形，再给定变频器50"HZ频率运行并测量主回路输出线电压波形，该变频器采用多电平脉冲宽度调制控制方式，通过示波器可以看出变频器输出侧高次谐波极少，输出波形非常接近正弦波，可判定各功率单元性能良好。

（5）变频器停机运行后先拆除接线端子排上高压柜合闸位置反馈的短接点，再断开主电源变压器一次侧电源，最后断开驱动板电源。

（6）改回变频器参数，断电后当所有功率单元红色充电指示灯熄灭并确认放电后恢复变频器负载电机接线。

3"结语

高压变频器是工业生产中不可或缺的设备，在工业现代化进程中发挥着越来越重要的作用。正确的使用方法与合理的维护和检测可以在一定程度上延长变频器的使用年限，降低设备故障的产生，在减少生产安全风险的同时，提高了企业的经济效益。

参考文献

[1]杜志强."高职院校风电运维人才职业能力培养研究[D].天津：天津职业技术师范大学，2022.

[2]贾昊."变流器强迫风冷系统散热器阻塞程度智能评估方法研究[D].北京：北京交通大学，2022.

[3]甘义权，付宏才，李若贤.电磁干扰下变频器调速装置智能维护系统设计[J].自动化与仪器仪表，2020（2）：77-80，84.

[4]韩雪涛，吴瑛，韩广兴，等."电工维修全覆盖[M].北京：电子工业出版社，2019：388.

[5]陈杞榕，南永辉，王跃，等.国产中压变频器在中厚板轧机主传动的改造研究及应用[J].冶金自动化，2022，46（4）：102-108.