高压变频器的应用及故障分析
1 引言
安钢高速线材精轧机和减定机经交流主传动装置采用西门子高压变频器。该变频器采用磁场定向控制，并运用空间向量估计值以及为降低电机损耗与开关损耗而经过优化的逆变器触发脉冲模式来获得优良的控制特性。具有强大的计算功能和快速反应能力。动态特性好、功率因数高、谐波含量低、较好的调速性能。
2 设备介绍
2.1 装置参数
装置参数如表1所示。
2.2 硬件结构
如图1所示，主回路由三大部分组成:整流单元、中间直流单元、逆变单元。
图1 西门子三电平高压变频器主电路图
(1) 整流单元
整流单元如图2所示，采用两组三相桥式12脉波二极管整流电路，直流母线额定电压为5880V。
图2 12脉波整流电路图
(2) 中间直流单元
中间直流滤波单元电路如图3所示。
图3 中间直流单元电路图
· 中间直流单元用两组电容器分压得到中心点，并且用来缓冲直流单元和电机之间的无功功率。
· 放电单元
用来给电容放电及在中间直流母线电压过高的情况下释放能量。由放电电阻和开关可控硅组成。
(3) 制动单元
用来耗散因突然降速或电网电压过高而造成的中间直流母线电压过高的能量。由制动电阻和开关IGBT组成。
(4) 预充电单元
如图4所示, 为充分保护中间直流单元, 每次高压断路器合闸前都需要进行预充电，辅助电源合闸后经过电阻、变压器、整流桥对中间直流单元的电容器进行充电, 充至直流母线电压的85%(5100V)后，断开辅助电源充电结束。
图4 预充电电路图
(5) 逆变单元
如图5所示，逆变单元使用三电平矢量控制技术，采用大功率可关断功率元件IGBT与箝位二极管等组成带中性点箝位的逆变电路，输出采用两组并联模式。
图5 逆变电路图
3 控制系统
3.1 硬件组态
控制采用SIMADYN-D系统，双64位CPU分工合作，一个主要用于处理矢量控制的检测, 计算逻辑量的处理;另一个用于处理通信, 可实现转矩、速度闭环控制。SIMADYN-D采用STEP7硬件组态, CFC和SFC软件编程。需要有D7-SYS和ES-DRIVE支持，OP7实现人机操作，通过PROFIBUS-DP网与三个从站(OP7、远程 ET200、柜内ET200站)进行通信。触发信号从接口板ITSP经光电隔离板用光纤传输，确保了信号不受干扰，如图6所示。
图6 变频器硬件组态
3.2 工作原理
图7 三电平变频器的输出电压组合
3.3 电平电压空间矢量控制
在复数坐标系中，将三相电压置于空间互差120°的三个方向上，定义空间电压矢量得:
三相合成空间电压矢量为一旋转矢量, 旋转角速度为ω，等于相电压的角频率、幅值为3/2 。当其相电压达到最大值时，合成空间矢量即处于该相电压对应的位置上。这样空间电压矢量就和三相电压建立了一一对应的关系。在分析三电平变频器空间电压矢量控制时, 引入
三电平变频器输出的空间矢量可以有27种，图8画出了菱形空间电压矢量图(图中括弧内依次为U、V、W相的输出状态)。其中PCC和CNN，PPC和 CCN，CPC和NCN，CPP和NCC，CCP和NNC, PCP和CNC分别对应的空间矢量是一样的。PPP、NNN、CCC都对应零矢量也是一样的，所以菱形电压矢量图中有19个独立的空间电压矢量。其中一个为零矢量。除了零矢量外，18个空间矢量把圆360°分为12个小区间，每个区间占30°空间电角度。电压空间矢量控制的基本原理就是用三电平变频器所具有的菱形矢量，用图中矢量组合去逼近系统所需要的电压矢量轨迹,三电平PWM的控制指令是主控系统根据U/f控制或者矢量控制等控制策略得到的,它以某一角速度在空间旋转，其幅值正比于输出电压幅值，其旋转角频率正比于输出电压频率。
图8 空间电压矢量图
4 调试和生产中的问题
此变频器在实际应用中，充分发挥出矢量控制的优势，满足了轧钢工艺的要求,但是应用过程中也遇到了一些具体问题。
4.1 制动电阻问题
(1)具体表现: 制动电阻在生产中频繁投切和较长时间投用，致使电阻温度升高，损坏设备。
(2) 原因分析
·因为整流单元是不可控的二极管，中间直流单元的过多能量不能回馈到电网，只有通过电阻消耗，在生产过程中因为全线级联的原因电机转速需要频繁调整，由调速产生的能量将聚集在直流母线上，为了降低母线电压，所以制动电阻必须出现频繁或长时间的投用;
·电网进线电压偏高时常达到6200V, 甚至高达6400V，当达到装置要求的母线保护值时而投用制动电阻;
· 轧线非正常停车及事故快速停车也会造成制动电阻投用。
(3) 解决办法
·适当提高投用制动电阻的门槛值, 由原设计的1.115Ud提高到1.125Ud;
·在长期不运行的情况下断开高压断路器;
·调整变压器的分接位置，由三调至一，变压器参数由6000/2×2260调为6300/2×2260，降低变压器二次输出值，从根本上解决了中间直流母线电压高的问题。
4.2 电流高频振荡放大，过流跳闸
(1) 具体表现: 在调试装置时每次在加主给定10s后,装置过流故障跳闸。
(2) 原因分析
·用示波器观察，发现电流波形在运行时会出现高频振荡放大,直到系统保护动作;
·由于变频器与电机间的距离过长，动力电缆对地产生寄生电容以及电缆之间产生的耦合电容与电机的感性负载产生LC谐振，所以出现过流。
(3) 解决办法
在输出回路上增加电抗器,以此来消除LC谐振，得以彻底解决。
5 运行维护中应注意的事项
(1) 变频器的整流单元采用多重化技术，所以每两组并联进线应接整流变压器二次侧的同一组出线，避免造成相间短路;
(2) 合主回路断路器时有预充电过程(充电值5100V)不能单独强行合断路器,避免造成较大冲击和设备损坏;
(3) 应确保将制动电阻置于有良好通风性能的场所，使其快速降温,避免烧毁设备或温度报警;
(4) 主回路断路器应具备欠压保护功能;
(5) 高压断路器应能适应频繁分合闸。
(6) 装置的冷却设备要可靠。
6 结束语
此系统运行比较可靠稳定,具有良好的调速和快速的保护功能，能够满足高速线材轧制工艺的参数要求。由于采用了三电平输出，易于实现谐波的相互补偿，从而输出的波形有较大改善。其主要问题是控制模式比较复杂，另外由于不便于元件的串、并联，所以其电压和容量也受到一定限制。
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