空冷风机变频原理及故障分析
山西漳山发电有限责任公司刘铉
关键词: 直接空冷系统变频器控制回路故障分析
摘要: 本文分析了直接空冷系统风机变频技术的原理，同时对应用过程中存在的问题和解决方法进行了介绍，并提供了一些经验和建议
一、直接空冷系统概述
目前我国火力发电厂多采用水冷技术,面对越来越紧迫的水资源缺乏问题,新建大型火力发电厂都在利用直接空冷技术代替传统的湿冷技术，直接空气系统是利用空气直接冷却汽轮机排汽，汽轮机排汽经布置在空冷岛顶部的散热器后，在散热器下部轴流风机的冷却风作用下，压力降低，温度下降，凝结成水回到凝结水箱中，未凝结的蒸汽和空气从散热器顶部由真空泵抽走，避免在运行中空冷凝汽器内部的某些区域形成死区，导致换热效果降低以及冬季冻结。

空冷技术的核心在于控制汽轮机背压，由于火力发电是一个十分复杂的能量转换过程，汽轮机背压受多种因素影响，变化复杂，因此直接空冷机组多采用变频技术来控制轴流风机转速，达到调节汽轮机背压的目的。

二、空冷风机变频原理分析
变频器分为交一交和交一直一交两种形式。

交一交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器，而交一直一交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。

我公司采用的空冷风机变频器属于间接式变频器，其原理如图2-1所示，由主回路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制回路组成，分述如下:
图2-1 变频器结构原理图
1、整流器：功率整流器是一个半控式桥式电路，它对三相交流电源电压进行整
流并产生恒定的直流传输线电压Vd，如图2-2
图2-2 整流器前后波形
整流器下部的一个串联的电阻器通过一个二极管与电源端连接，它是一个预充电装置，能够防止浪涌电流。

2、中间直流环节：由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。

因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。

这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电容器来缓冲，它可以使得整流器输出电压变的平滑。

在整流器和中间电路之间安装的输入轭流圈，其作用是使线电流变的平滑，减少系统的混乱，另外，为了保证安全，在直流传输中还安装有一个高速熔断器。

3、逆变器：逆变器通常由六个大功率晶体管及相应的六个反并联的二极管来完成，这里问题的关键是何时控制六个晶体管的导通，才能得到我们所需要的U.V.W 输出。

我们姑且将六只晶体管分为U.V .W 三相，对每一相的上下两只晶体管分别称为该相的上臂和下臂。

很显然，对于每一相的上下两臂是不能同时导通的，不然，不仅不能得到电机定子所需电压，而且还会出现直流环节的两极直接短路导通，将引发事故(称为直通现象)，这是千万应该避免的。

其中与功率管反并联的六只二极管，称为续流二极管。

因电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量，它们为无功分量返回直流电源时提供通路。

另外，当同一相的上下两臂处于交替切换时，为防止直通现象，在某一段时间内.物理上要求两管均处于截至状态，因而只有另两相中的两只管工作，也不时地需要续流二极管提供续流通路。

在保证不直通的情况下，假设我们按以下的规律来控制晶体管导通:
T1.T6.T5 T1.T6.T2 T1.T3.T2 T4.T3.T2 T4.T3.T5 T4.T6.T5
我们来分析在一个周期内，线电压Uuv.U vw.U wu的波形。

在一个周期内画出各个管子的工作状态如图2-3所示。

图2-3逆变桥通断情况
根据上述的结果，得到各自的波形如图2-4所示。

图2-4 逆变后简单波形图
从波形图我们可以看出，输出的波形虽然很粗糙，但是己经为交变的了，我们只要按照一定的规律去控制六个晶体管的导通顺序和导通时间，便可以将直流电逆变成类似与正弦波的交流电。

如图2-5
图2-5 逆变后的正弦波交流电
4、控制回路：控制回路基于空间电压矢量原理来设计，另外增加了限制和补偿
电路，其结构框图如图2-1，控制回路的作用简述如下：
转速设定值来之于DCS系统或就地控制面板，经过一个函数发生器后，它具有了转速、旋转方向、升速时间、制动时间等特性。

马达所需要的设置电压矢量通过频率-电压特性曲线得到，该特性曲线由设置电压矢量坐标图确定。

通过测量马达输出电压，利用一个坐标转换器，得到实际电压矢量，设置电压矢量和实际电压矢量的差值，结合远方发来了操作命令，控制脉冲发生器，产生逆变器的控制指令，来控制六个晶体管的导通顺序和导通时间。

转差补偿回路的作用是当系统过载时，通过增加频率，可以补偿异步电动机速度的衰减。

通过转差补偿使转速偏差小于1%，因此我公司空冷风机不需要转速传感器进行测量。

电流限制回路的作用是当马达电流达到极限时，通过减少频率，使电流和力矩不会超过允许的极限。

电压限制回路的作用是当马达制动时，中间电路电压会升高，通过增加频率，使中间电路电压不会超过极限。

在该控制回路中建立有马达热模型，通过该模型，可以智能计算马达最长过载时间，及时调整马达电流极限。

对电机进行热保护，避免故障停机。

该控制回路具有如下优点：
（1）较高的经济性，供给马达的电压值和实际负荷保持一致。

（2）较低的热损，保证在最小的开关切换频率下形成正弦波电流。

（3）最小的马达噪音。

通过电压矢量产生的脉冲阵列将避免在马达噪音频谱中出现明显的单频噪音。

三、常见问题分析：
在空冷变频系统运行半年多时间，发生过以下典型事件：
1、变频器超温，发生过因变频器温度超过75℃，而使风机跳闸的事件，
在空冷变频室内装有25台空冷变频柜，在输出额定功率为145kVA下，每面变频器柜最大功率损耗：4300W；每面变频器柜柜顶上配置有一台冷却风机，每台风机风量：1200m3/h。

经计算，每个变频器室总设备散热量：107.5kW；冷却风机总排风量：30000m3/h。

变频室靠近汽轮机低压缸，环境温度较高，约为30℃，原设计有二台新风机组空调器，每台空调器额定制冷量：30kW；额定风量：5000m3/h。

远远满足不了散热要求，经计算，为满足变频器室室内温度不超过40℃的要求，变频器室需增加47.5kW的空调冷量。

另外采购了一台风冷冷风型立柜式空调机，每台空调机额定制冷量：63kW；额定风量：14000m3/h。

根据变频器生产厂家的资料，变频器柜内IGBT冷却板允许最高温度：75℃：CPU允许最高温度：120℃。

每面变频器柜内设有5个温度传感器，柜内温度差要求不超过5℃。

因此，将变频器柜内的热风采用有组织的排风方式直接由风管排至室外，可降低空调系统的出力。

因此在每个变频柜顶部增加风道，在风道尾部增加轴流风机，将变频器产生热量排出室外。

经过改造，变频室温度在夏季保持在35℃以下，较好地解决了变频器散热问题。

2、风机设定转速与实际转速偏差大，最大时偏差超过7%，而且数量较多，25台中有10台偏差超过3%。

空冷风机是三相交流异步电动机，电机级数为三对，轴功率N为104Kw，风机设定转速和频率的关系按照如下公式计算：
n设= 60f (1-s) /3，其中s为转差率。

在马达热模型中，风机实际转速按照如下公式计算：
N=nM/950 M=Kn2
其中N为轴功率，M为转矩，通过测量马达电流和电压，利用风机热模型，便可求出实际转速。

通过分析，我们进行了如下解决方案：
（1）排除电缆干扰问题，拆除变频器上转速模拟给定信号线，将标准信号发生器输出接入此端子并调整为4mA，拆除变频器上转速反馈输出线，将
标准信号测量装置接入此端子，启动空冷风机，通过信号发生器将设定
转速逐步调整到额定转速的40%，60%、80%、92%、100%，并记录转速稳
定后标准测量装置的读数。

如果转速设定与反馈一致，说明变频器本身
没问题，需要检查电缆干扰问题。

但测试结果是转速设定与反馈不一致，
说明变频器本身有问题
（2）接下来我们试图通过软件修正的方式来解决问题，根据绘制曲线在变频器内部进行程序校正，但经过修正后，试验效果不理想，因为其偏差不
是固定常数，规律性太差。

（3）经过以上试验，我们判断为主板上个别元器件特性发生变化，需要更换主板。

经过更换主板后，故障得以消除。

四、经验和建议：
空冷变频器经过安装及运行维护，我们也积累了一些经验及对同行的建议
1、变频器由主回路和控制回路两大部分组成，由于主回路的非线性（进行开关动作），变频器本身就是谐波干扰源，所以对电源侧和输出侧的设备会产生影响。

与主回路相比，变频器的控制回路却是小能量、弱信号回路，极易遭受其它装置产生的干扰，造成变频器无法工作。

因此，变频器在安装使用时，必须对控制回路采取如下抗干扰措施。

（1）、将控制电缆与主回路电缆或其它动力电缆分离铺设，分离距离通常在30cm以上（最低为10cm），分离困难时，将控制电缆穿过铁管铺设。

（2）、控制信号必须单点接地，接地线不作为信号的通路使用，一般在DCS 侧接地。

（3）、装有变频器的控制柜，应尽量远离大容量变压器和电动机。

其控制电缆线路也应避开这些漏磁通大的设备。

2、防止接触不良，对电缆连接点应定期做拧紧加固处理。

3、必须定期清理变频柜滤网及柜内积灰，一方面利于散热，另一方面防止元器件短路。