ABB高压变频器水冷系统特殊故障的研究

1　引言

　　近年来，由于需求和技术的不断提高，高压变频器应用越来越广。而在大容量的高压变频器中，为了有效散热，多采用水冷式。由于水管密布于高压母线和功率元件周围，对水质安全要求高，不允许断流，其监测回路和工艺流程较复杂，故障几率也较高。1995年，中国石油吉化有机合成厂乙丙项目引进高压水冷式变频器一台，在使用中出现一些故障，由于对该设备掌握不够，处理中走了很多弯路，因此有必要将多年维修经验加以归纳，以飨读者。

2　高压变频器水冷技术基本原理

　　2.1　散热问题概述

　　变频器散热很重要。温度过高对任何设备都具有破坏作用，但就多数设备而言，其破坏作用常常是比较缓慢的，受破坏时的温度通常是不很准确的，而惟独在spwm逆变电路中，温度一超过某一限值，会立即导致逆变功率管的损坏，并且该温度限值往往十分准确。在spwm逆变桥中，每一桥臂的上、下两管总是处于不断地交替导通的状态，或由上管导通、下管截止转换为上管截止、下管导通。在交替过程中，一旦出现一管尚未完全截止，而另一管已经开始导通的状况，将立即引起直流高压经上管和下管“直通”，相当于短路，于是上下两管必将立即被损坏。为了避免上述现象的出现，在交替的控制电路中，必须留出一个“等待时间”（死区）。等待时间的长短：一方面必须足够长，以保证工作的可靠性;另一方面，必须尽量短，否则将引起调制过程的非线性，从而影响逆变后输出电压的波形和数值，所以，其裕量是很小的。

　　温度升高时，由于半导体对温度的敏感性，上下两管的开通时间和关断时间，以及由延迟电路产生的等待时间，都将发生变化，并且具有比较准确的变化规律。当温度一旦超出某一限值时，将导致“等待时间”的不足，使逆变电路的输出波形出现“毛刺”，最终逆变管因直通而损坏。

　　因此，变频器的散热问题是至关重要的。

　　变频器的发热和任何其他设备一样，发热总是由内部的损耗功率产生的。在变频器中，各部分损耗的比例大致为：逆变电路约占50%;整流及直流电路约占40%;控制及保护电路占5％-15％。粗略地说，每1kva的变频器容量，其损耗功率约为40-50w。

　　2.2　基本原理介绍

　　以乙丙装置高压变频器为例，乙丙装置变频器采用abb的samimegaster变频器，型号为1250d3300，其电压等级为3.3kv，驱动电机功率850kw。经测量，其总功耗为14kw，计算得出的需要最小冷却水流量为29l/min（保证温度为38℃时）。水冷装置工艺流程如图1所示。

　　板式换热器ph1通过外部循环水对变频器内部乙二醇水溶液进行冷却，调节阀cv1根据内部水温控制开、关以保证变频水温度变化在允许范围内。二台水泵p1、p2互为备用，将水泵入直流母线和环绕型gto，单向阀bv1、bv2阻止回流。放气罐dv1用于储存水溶液，并分离气体，通过自动放气阀adv1排气。ev1与放气罐dv1联通，用于提供系统基本压力。

　　检测回路由压力、电导率和温度检测组成，用于监测水的泄漏、绝缘、冷却效果。冷却水的压力由v15阀、压力传感和变送器pst1和压力计来测量。变送器可产生一个与压力成正比的ma信号，上传给水冷系统sadc10in卡，与设定值比较，如果超过设定值，比较卡会产生一个触点分离信号，通过di/o卡传给cpu进行处理。冷却水的温度由pt-100传感器ts1测量，检测点在换热器的高温端。实际的温度值由温度转换器tt1读取。该卡产生一个与温度成正比的ma信号。如水温高于设定值的话，信息通过扁平电缆传到sadc59di/o卡。该卡上传cpu卡。电导率检测与此相类似，不赘叙。

　　当系统需要补液时，通过手动泵hp1从rt1备用储水罐中将水抽出，通过阀v19、v14将冷却液补充到系统中。单向阀v19防止系统水倒灌。

3　特殊故障实例的分析

　　3.1水压不足

　　（1） 现象

　　冷却水压力过低造成停车。

　　（2） 分析

　　首先在水泵运转时，对压力系统检测，对照盘面压力表pm1和盘内压力表pg1，指示一致，证明压力检测回路无误。压力指示均为3bar，小于正常压力4.55bar，说明水压不足。检查软管接头和白钢管弯头等，未发现明显泄漏，且压力基本保持不变。怀疑系统中有气或系统自然损失造成压力降低。检查排气装置v12阀和adv1均无异常。因当时必须及时恢复生产，对系统测试绝缘正常，决定进行充液和放气，使压力恢复到4.55bar，系统开车正常。

　　然而一个月后，再次因压力过低停车，与上次故障相同。怀疑有隐蔽的泄漏点。将所有柜底擦净，铺上白纸，一小时后，在3#柜底的纸上出现水痕。打开3#柜上盖，拆除保护板，充电电阻等，直到拆到一块触发板时，发现其顶部一管接头上有细小水珠，打开接头，管接头上水管已裂开。其连接装置结构图如图2所示。将软管裂开段切除，重新联接，上紧。经24h运行，柜下无水痕，故障排除。

　　（3）小结

　　水压不足故障属多发故障，一般是由于泄漏引起，应集中对弯头和接头处检查，通常较易处理。像本例中这样非常隐蔽的故障点，决不能靠不断补水来维持运行。因为漏水往往引起元件腐蚀、板卡损坏，引发二次故障，造成维修困难，所以必须早发现、早处理。

　　3.2　水温过高

　　（1）现象

　　装置大检修后，变频器开车1h，因水温超过上限（55℃）停车。

　　（2）分析

　　检测冷却水温度传感器ts1阻值正常，查从控制板到di/o卡扁平电缆连接妥当，供给tt1的220v正常。排除检测回路故障可能。检查冷却水压力无异常，怀疑外循环冷却水温度过高，冷却效果不足。但经询问工艺人员，乙丙装置循环水温度与大修前一样。检查v22、v23阀开度正常，将阀开到最大。再次开车，检查温度控制器cr72正反向控制正常，cv1调节阀也在温度高时打开，但温度不降反升。判断为外部循环水流量不足。遗憾的是，安装时未留下外循环水管线流程资料，只能沿管线查找，经过一天的努力，一位有经验的化工终于在200m以外的地方找到了外循环水阀门。原来，在大修时，化工将该阀误关了几圈。造成外循环水流量不足，使变频停车。

　　（3）小结

　　本故障的特殊性在于故障部位出人意料。这就再次提醒我们，在维修中，一定要真正掌握水冷系统流程，不留死角，才能及时、准确地解决问题。

　　3.3　变频器频繁超压停车

　　（1）现象

　　压力随温度变化异常波动。当水温26℃时，压力为52psi;当升到32.8℃时，压力为80psi。温度再升高，就因压力超限停车。

（2）分析

　　首先对压力系统检测，证明压力表指示正常，压力检测回路无误。在室温下，变频器不工作，只在水泵运行时，系统压力在4.25bar左右，压力正常。故障一时查不清楚，而当时生产不允许长时间停车，决定采取临时措施开车，即将控制调节阀的温控器cr72温度范围缩小。温控器采用带有中性区的温度调节如图3所示，输出out1作为反向（关阀）操作，并在测量值低于设定值set1-p03/2-p01时有效，输出保持有效直到测量值返回到set1-p03/2时为止;输出out2作为正向（开阀）操作，并在测量值高于设定值set1+p03/2+p02时有效;输出保持有效直到测量值返回到set1+p03/2时为止。主要参数表修改如附表所示，使温度调节范围缩小。

　　在停车检修期间，重点对ev1膨胀瓶的进行检查，发现其底部有一气嘴，因无相关资料，从流程图猜测，其内应半气半液，中间用膜片分隔，以平衡水系统压力。果然，发现其底部确有一个气嘴。轻轻顶起气嘴单向阀，无气流出，证明气室内无基本压力。找来一个车用打气泵（带压力表），向瓶内补气到1bar，保压20min，证明膜片无泄漏。回装，经过补液和放气，系统压力不再随温度波动，将温控器调回初始设定，开车一切正常。可见，正常情况下，膜片因受气压作用，产生一定变形，以补偿水随温度升高膨胀的体积，而当基本压力消失后，膜片被顶到头，水再膨胀，压力迅速上升，造成系统超压。

　　（3）小结

　　本故障非常有代表性，在运行多年的变频器水冷单元都会出现。在日常的维护和点检中，一定注意定期向ev1膨胀瓶中补充基本压力。

4　结束语

　　实践证明，处理高压变频器水冷系统故障之前，必须全面理解工艺流程，通晓所有图纸，才能迅速找到原因，避免浪费时间。定期的维护与保养也非常重要，如压力检测、更换离子交换器化合物、更换机械过滤器、清扫灰尘等。对系统的维护要十分小心，对水冷系统的任何疏忽，都可能会造成无法弥补的损失。