一起高压变频器高负载时出力不足故障的分析与处理

广州东方电力有限公司 肖树红

某电厂四台320MW 燃煤发电机组各装备一套某品牌CIMR-MV1S 系列高压变频器，采取一拖二、刀闸切换方式驱动6kV 凝结水泵电动机。凝结水泵正常运行方式为：一台变频运行、一台工频备用，通过刀闸手动进行变频与工频切换。该电厂#2机组是首台进行凝结水泵变频改造的机组，变频器自2006年正式投运以来总体运行情况良好、节能效果明显。但从2017年开始#2机组凝结水泵变频器开始进入故障多发期，陆续出现故障跳闸、无法启动及高负载时出力不足等问题。由于该品牌高压变频器为进口产品，相关技术资料欠缺，发生故障后主要通过更换功率单元控制板、主控制板或功率模块等方式进行处理，一方面成本高昂、另一方面对后续故障处理缺乏指导价值。因此有必要对该问题作进一步研究，挖掘更基础的故障原因。

1 故障现象及检查情况

2020年6月19日，#2机组凝结水泵B 在变频运行方式下出现高负载时出力不足的现象，主要表现为：机组负荷升至约300MW 以上时，凝结水泵转速维持在1320转/分钟（对应转速指令约88%）左右不再随变频器转速指令上升，导致除氧器水位缓慢下降，进而变频器转速指令持续上升直至100%。启动凝结水泵A 运行（工频）后，凝结水泵B 负载减轻，转速瞬间上升至100%转速指令对应的1470转/分钟。查看变频器就地控制面板，发现变频器内部控制参数快速来回变化、不稳定。经查阅#2机组凝结水泵变频器历史故障记录，曾于2013年、2018年分别发生一次同类故障，解决方法分别为更换功率单元控制板和更换一组功率模块（含三个功率单元）。

2020年6月27日对#2机组凝泵变频器进行了检查，未发现明显异常点，启动试运时仍存在高负载时出力不足的问题。在参照变频器技术手册并咨询厂家技术人员后，于6月29日进行了#2机组凝结水泵变频器控制参数调整试验（图1）。该试验通过调整凝结水再循环流量门开度以改变凝结水流量，模拟变频器不同负载时运行工况，检验滑差补偿（E2-02）、滑差补偿增益（C3-01）参数对变频器出力的影响。经试验，逐步将滑差补偿由此前的0.4调整至0.6，滑差补偿增益由此前的1.0调整至1.5，凝结水泵转速（蓝色线）逐步上升至与转速指令（红色线）对应。通过来回调整转速指令，观察变频器实际转速与转速指令匹配良好，较机组320MW 满负荷工况下对凝结水流量的需求仍有余量，恢复了正常水平。为进一步检验并获取可靠数据，将变频器维持调整后的控制参数连续运行进行观察。

图1 #2机组凝结水泵变频器控制参数调整试验数据

7月30日，#2机组凝结水泵变频器在正常运行1个月后再次出现高负载时出力不足的现象，说明控制参数不是主要因素，仍存在其它故障点且该故障已进一步劣化。结合历史情况看，将故障点锁定在功率单元上。为查找功率单元具体故障点，分析故障机理，笔者及检修维护人员对2018年因同类故障而更换下的功率模块进行了拆解、检测和分析，具体检测方法参考了文献[1]，不在此详述。

经检测，各功率单元电解电容、IGBT 模块及整流模块等均正常。在对功率单元控制板驱动电路进行检测时，发现一功率单元控制板第四路IGBT驱动电路（每块控制板上共有四路IGBT 驱动电路）存在异常。该功率单元控制板所采用驱动芯片为SHARP 公司出品的PC929，当PC929控制信号（3脚）为高电平时，G-E 极控制电压（11脚）为负电压，比如-8V DC 左右，此时IGBT 可靠关断；当PC929控制信号为低电平时，G-E 极控制电压为正电压，比如+15V DC 左右，此时IGBT 能可靠导通。

在给该控制板第四路IGBT 驱动芯片PC929加如图2中CH1（黄色线）所示1kHz 方波控制信号模拟PWM 控制信号，测IGBT G-E 极电压CH2（蓝色线）始终为-8V 左右，表明IGBT 始终处于截止状态无法导通。检测另三路驱动电路则工作正常（图3），对输入控制信号响应稳定，表明IGBT 能随控制信号可靠关断或导通。

图3 驱动电路正常时IGBT 驱动信号波形

2 原因分析及处理情况

通过上述检查已发现故障点为功率单元控制板驱动电路PC929芯片故障，导致其中一路IGBT 始终处于关断状态无法导通，等同于正向开路。该变频器为串联H 桥式多电平高压变频器（图4）。L1、L2、L3为三相交流输入电源，假定A、B 点间直流电压为V，正常情况下功率单元T1、T2间可输出电压为V、0、-V（忽略IGBT 导通压降）[1]。

图4 功率单元原理图

当其中一路驱动故障导致对应IGBT 不能导通时，功率单元输出电压将会出现异常。以上述检测的功率单元控制板为例，第四路驱动故障导致图4中Q4始终处于关断状态，等同于正向开路。Q4不能正向导通时，以电流从T2流入、T1流出时为例，功率单元只能输出0和-V 两中电压，输出电压偏离目标值从而导致变频器对应相输出电压偏低。其它情形亦如是，不一一列举。

在低负载工况下，变频器控制系统可通过提高内部控制指令值方式来弥补某个功率模块输出电压偏低带来的出力不足，而在高负载工况下，变频器输出指令达到上限后仍不足以弥补缺口，从而表现为高负载时出力不足。同时，由于Q4不能导通，只在本应输出V 电压时表现为输出电压偏低，而在本应输出-V 电压时输出不受影响，本应输出0电压时视具体控制方式可能会偏低或不受影响。在变频器以电机转速为闭环控制目标时，会出现内部控制指令快速来回变化，变频器输出电压、功率等快速变化，转速亦出现波动的现象。因此，观察变频器内部控制指令是否稳定也是判断变频器是否工作正常的一个参考[2]。

根据上述检查、分析情况，判断导致变频器出力不足的原因在于功率单元控制板驱动电路工作异常，更换控制板即可消除故障。对2018年更换下的变频器功率模进行了修复，为验证功率模块修复工作的有效性并解决#2凝结水泵变频器高负载时出力不足的问题，参照以往经验，决定用修复的功率模块替换曾经出现过故障报警的B 相功率模块（包含B4、B5、B6功率单元）并成功解决变频器高负载时出力不足的问题。笔者对故障驱动电路进行更详细的检查，发现其工作异常的原因为PC929芯片故障，更换该芯片后即恢复正常。进一步检测本次故障更换下的控制板，亦发现同样存在因PC929故障导致某路驱动电路工作异常的情况。

综上，当变频器运行一定年限后，应定期对变频器主要部件特别是功率单元进行检查、检测，研究故障发生机理并做好预防性维护才是防范故障的要点。直接更换控制板成本高昂，同时也是一种资源浪费。如查实基础故障点为IGBT 驱动芯片PC929工作不良，完全可通过更换PC929的方式对控制板进行修复，以节约资源、降低成本。