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中国核工业建设集团公司2013年高级职务工程系列任职资格评审论文变频控制技术在石化行业的应用与故障分析甄香荣中国核工业二三建设有限公司2013年09月目 录1 概述12 变频控制技术的工作原理及运行特点12.1 工作原理12.2 运行特性23 变频控制柜的安装要求23.1 对安装环境的及技术指导的要求23.2 变频柜本体安装及调试要求33.2.1 变频控制器柜布置要求33.2.2 变频柜端接电缆要求33.2.3 变频器控制柜接地安装要求43.2.4变频控制器柜检查与调试要求44 变频控制系统常见故障及处理措施54.1 常见故障54.1.1谐波问题54.1.2变频器负载匹配问题64.1.3变频器干扰问题64.2故障处理方法74.2.1 谐波故障的处理74.2.2变频器负载匹配问题应对措施74.2.3变频器抗干扰措施85 案例分析85.1案例一 由于短路而引起的变频器跳闸故障分析85.2案例二 变频控制器柜过载跳闸故障及原因分析95.3案例三 变频控制器接地干扰故障及原因分析96 结论9变频控制技术在石化行业的应用与故障分析甄香荣中国核工业二三建设有限公司 摘要 本文就在张家港道康宁、吉林帝斯曼的工作经验,重点阐述了化工领域变频控制设备的工作原理、安装重点、调试与运行特性等方面的内容，并对电气变频控制设备在调试和运行过程中常见故障进行分析。关键词 石油化工 变频器 控制 调试 故障 分析 1 引言 在占国民经济重大比例的石油化工领域，无论是从原油开采，还是石油冶炼，甚或其衍生产品的制造生产环节，诸如油泵、水泵、空气压缩、通风空调等设备的运行均靠相关电机的驱动运转进行，而传统的电机因为常态下的恒速驱动运转会导致大量的能源消耗，同时对电机本身的物理冲击影响严重。而变频控制技术的应用则是将占绝对多数的非调速型电机改成调速运行,使其耗电量实现随负荷大小而变化,从而产生显著的节能效果。作者在2008至2012年期间参与的不同工程项目中，明显感受到变频控制设备在化工行业各类生产线当中的使用越来越广泛，本文将以作者上述时间期间参与的张家港道康宁项目及吉林帝斯曼项目经验为典型，对变频控制技术的工作原理及在化工领域安装、调试阶段的重点关注事项进行阐述。2 变频控制技术的工作原理及运行特点 2.1 工作原理石油化工领域生产线变频控制技术的实现主要是通过控制各类泵机、电机的变频控制柜来实现的，在张家港道康宁及吉林帝斯曼项目中就分别采用了11台VFD变频控制柜和19台VSD变频控制柜。但是无论VFD还是VSD变频控制柜，其核心部分都是变频控制器，变频控制器主要包括整流电路、中间直流电路和逆变电路三部分，其中中间直流电路又由电源再生单元、限流单元、滤波器、制动电路以及直流电源检测电路等组成。控制电路主要由中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）、A/D和D/A转换电路、I/O接口电路、通信接口电路、输出信号检测电路、数字操作盘电路以及控制电源等组成。变频器控制原理图详见图1。图1 变频器控制原理图 2.2 运行特性相比于接触点控制器，变频控制器可以实现电机软启动，对机械设备冲击力小；其次启动电流比接触器启动小，越是频繁启动的工况越节能；此外方便自动化控制，变频器有外部控制和就地控制，可以实现多速度选择，带编码器还可以实现电机准确定位，控制起来很方便；还有重要的一点就是片品控制器的内部保护很完善，变频器都带有各种故障保护功能，当电机或电源出现故障的时候，变频器会主动报故障，同时通过继电器触点输出通断信号，方便切断外部控制接触器和输出警示信号。而相比于矢量控制而言，变频控制器V/F控制最大的优点，就是使用简单，没有复杂的算法流程、坐标变换及电机模型辨识过程。而且，由于它属于开环控制，不管负载如何扰动，它都不受影响，输出固定值，所以在某些时候，它反而更加稳定一些，不易受外界环境干扰。3 变频控制柜的安装要求3.1 对安装环境的及技术指导的要求 变频控制器的运行环境温度通常为10 度50 度，周围湿度应在90%以下，而且应保证其运行环境无灰尘、无金属粉尘及通风良好。因此在变频柜安装工作开始前，作为现场技术指导的工程技术人员，应首先对控制柜安装的物理环境进行检测，其中安装在中控室的变频柜应在中控室各项装修完成后进行，安装在现场的就地变频控制柜则应确保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，以避免变频控制器在运行过程中受干扰磁场的影响产生控制漂移；其次，技术指导人员在变频控制器柜安装装工作开始前应根据施工图设计要求及变频柜厂家提供的系列技术文件进行仔细研究，并在正式的安装、调试开始前对安装及调试人员进行培训后，方可进行相关工作。 3.2 变频柜本体安装及调试要求 3.2.1 变频控制器柜布置要求 变频控制柜的物理构成上通常由断路器，变频器，接触器，中间继电器，PLC，触摸屏的等组成，在一般情况下，作为安装单位，所接受的变频器柜为一体化柜体，上述各部件已在变频器柜出厂前集成安装完成，现场安装柜体时一般采用离墙式安装，电缆自柜体下方进出线，具体安装时应注意以下事项：(1) 柜体安装要用底座安装，柜体和底座要连接并可靠接地。(2) 柜体安装位置不能堵上变频柜的通风口。(3) 动力线和信号线必须分开走线。(4) 变频器电机动力线最长距离无铠装无屏蔽电缆应不超过300米，铠装或屏蔽电缆不应超过150米。更长距离的电机电缆应加装输出电抗器线。3.2.2 变频柜端接电缆要求变频控制器的抗干扰布线是非常重要的，因此一般采用屏蔽电缆，在控制中心处和变频柜处端接电缆时，铠装电缆的铠装层与接地母排连接应采用铜编织线；电缆截面为16mm2及以下的电缆，铜编织线截面与电缆PE线的截面相同，电缆截面为25mm2120 mm2的电缆，铜编织线截面为16mm2；电缆截面为150mm2及以上的电缆，铜编织线截面为25mm2。铜编织线与电缆连接时应使用弹簧接地卡固定。3.2.3 变频器控制柜接地安装要求变频控制器柜在接地方面通常采用保护接地（CG，Cabinet Grounding）、逻辑接地、屏蔽接地（AG，Analog Grounding）等多重组合方式。现场安装时采用的上述三种接地安装方式如下：(1) 保护接地（CG，Cabinet Grounding） 是为了防止设备变频控制器外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害而采取的保护措施。所有的变频控制器柜均应接保护地。图2 变频器控制柜保护接地示意图 (2) 逻辑接地：属于工作接地,也叫机器逻辑接地、主机电源接地，是用于与变频控制器柜相连的计算机内部的逻辑电平负端公共接地，也是+5V等的电源输出接地。图3 变频器控制柜工作接地示意图 (3) 屏蔽接地（AG，Analog Grounding）,属于工作接地,也叫模拟接地，它可以把现场信号传输时所受到的干扰屏蔽掉，以提高信号精度。3.2.4变频控制器柜检查与调试要求变频控制器柜安装完毕及与现场控制的各类驱动设备电机线路连接完毕后，根据施工进度计划要求，适时进行调试工作。变频控制器的检查与调试工作应主要从以下几个方面进行： （1）检查控制保护设置及功能是否正常。检查变频器型号应与图纸设计相符，变频器一次回路绝缘应良好。 （2）变频控制柜二次回路检验。应将变频控制器柜内所有的接线端子螺丝紧固,用500V兆欧表检查绝缘电阻,其值应不小于0.5M,用万用表检查各回路接线是否正确。用临时电源进行通电试验，按照设计要求，分别模拟控制回路，连锁系统，操作回路，信号回路及保护回路动作试验，各种动作及输入输出信号指示应正确无误，灵敏可靠。 （3）用在变频控制器和驱动电机主回路绝缘良好二次回路检查正确无误后方可带电机试运行，先设定低频率运行，慢慢增加频率提高电机转速运行，看电机电流变化。4 变频控制系统常见故障及处理措施4.1 常见故障在对张家港道康宁项目11台VFD变频控制柜及吉林帝斯曼项目19台VSD变频控制柜的安装、调试、试运阶段进行总结时，发现变频控制系统常见的问题主要表现在三个方面：一是谐波问题；二是变频器负载匹配问题；三是干扰问题。4.1.1谐波问题变频器的主电路形式一般由三部分组成:整流部分、逆变部分和滤波部分。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变器部分为三相桥式逆变器，且输出为PWM波形。在现场对变频控制器的调试过程中，发现输出电压中含有除基波以外的其他较低和较高次谐波的存在，变频控制器所控制的电机表现为输出马力明显低于设计值。经仔细分析发现，出现该现象的主要原因主要是因为较低谐波的存在通常对电机负载影响较大，从而引起转矩脉动，而较高谐波的存在又使变频器输出电缆的漏电流增加，从而导致使电机出力不足。 4.1.2变频器负载匹配问题 因变频器负载问题导致的故障类型主要体现在以下几个方面：(1) 变频器充电起动电路故障。起动电路故障一般表现为起动电阻烧坏，变频器报警显示为直流线线电压故障。究其原因是因为当变频器刚上电时，由于直流侧的平波电容容量非常大，充电电流很大，充电完成后，控制电路通过继电器的触点或昌闸管将电阻短路。起动电路故障一般表现为起动电阻烧坏，变频器报警显示为直流线线电压故障。(2) 变频器显示过流故障。出现这种显示时，首先检查加速时间参数是否太短，力矩提升参数是否太大，如果不是此种原因，则通常是因为负载过重导致。(3) 变频器显示过压故障，该类故障偶尔因为是雷雨天气导致，由于雷电串入变频器的电源中，使变频器直流侧的电压检测器动作而跳闸，这种情形，通常只需断开变频器电源1分钟左右再上电即可，另一种情况则是变频器驱动大惯性负载，而出现过电压现象。(4) 电机发热，变频器显示过载。此时必须检查负载状况，对于新安装的变频器出现这种故障，很可能是V/F曲线设置不当或电机参数设置有问题，此时必须正确设置好各种参数，另外，电机在低频的工作时散热性能变差，也会出现这种情况，这时就需加装散热装置；4.1.3变频器干扰问题变频控制器的干扰故障主要存在于控制回路过程当中，这也是变频控制器在调试阶段普遍存在的一个问题，其干扰故障的形成主要是由于变频器本身就是谐波干扰源，而其周边控制回路却是小能量，弱信号回路，极易遭受其他装置产生的干扰，造成变频器自身和周边设备无法正常工作。因此，变频器在安装使用时，必须对控制回路采取抗干扰措施。4.2故障处理方法4.2.1 谐波故障的处理可以从以下4各方面采取措施来有效解决或降低谐波对变频控制器的影响：(1) 增加变频器供电电源内阻抗。通过屡次的现场调试数据证明，当电源内阻为4%时，可以起到很好的谐波抑制作用。所以选择变频器供电电源时，最好选择短路阻抗大的变压器。 (2) 安装电抗器。安装电抗器实际上从外部增加变频器供电电源的内阻抗。在变频器的交流侧安装交流电抗器或在变频器的直流侧安装直流电抗器，或同时安装，抑制谐波电流。(3) 调节变频器的载波比。只要载波比足够大，较低次谐波就可以被有效地抑制。(4) 专用滤波器。专用滤波器用于检测变频器谐波电流的幅值和相位，并产生一个与谐波电流幅值相同且相位正好相反的电流，通到变频器中，从而可以非常有效地吸收谐波电流，从而达到抑制谐波产生的目的。4.2.2变频器负载匹配问题应对措施对于由于充电启动引起的故障，如果故障是由输入侧电源频率开始引起的，必须消除这种现象才能将变频器投入使用，如果故障只由旁路触元件引起，则必须更换这些器件。对于过过电压故障，可以断开输出侧的电流互感器和直流侧的霍尔电流检测点，复位后运行，看是否出现过流现象。如果是，很可能是IPM模块出现故障，因为IPM模块内含有过压过流，欠压，过载、过热，缺相、短路等保护功能，而这些故障信号都是经模块控制引脚的输出Fn引脚传送到控制器的。微控制器接收到故障信息后，一方面封锁脉冲输出，另一方面将故障信息显示在面板上。应更换IPM模块。关于过电流及电机发热故障的应对措施，已经在4.1.2章节加以论述。4.2.3变频器抗干扰措施(1) 对于静电耦合干扰，可以加大与干扰源电缆的距离，实验证明，当距离达到导体直径40倍以上时，干扰程度就会不太明显，也可在两电缆间设置屏敝导体，再将屏蔽导体接地。(2) 对于静电感应干扰，可将控制电缆与主回路电缆或其他动力电缆分离铺设。分离距离通常应在30cm以上（最少不低于10cm）。分离困难时，可采取将控制电缆穿过铁管铺设，也可将控制导体绞合，绞合间距越小，铺设的路线越短，抗干扰效果越好。(3) 对于接触不良干扰，应采用并联触点或提高电器件等级来解决。对于电缆连接点应定期做拧紧加固处理。(4) 对于接地干扰，可将速度给定的控制电缆取一点接地，接地线不作为信号的通路使用，电缆的接地在变频器侧进行，使用专设的接地端子，不与其他接地端子共用。5 案例分析 5.1案例一 由于短路而引起的变频器跳闸故障分析 在张家港道康宁项目空压系统回路调试过程当中，变频控制器柜出现频频的跳闸现象。其表现主要为跳闸复位再起动后，往往电机一升速就出现跳闸故障。调试过程中，为排除此故障，在复位后再起动前，在输入侧接入一个电压表，重新启动时，电位器从零开始缓慢旋动，同时，注意观察电压表。如果变频器的输出频率刚上升就立即跳闸，且电压表的指针有瞬间回“0”的迹象，则说明变频器的输出端已经短路或接地，这也说明跳闸故障确实由短路引起。其次，还要判断是在变频器内部短路，还是在外部短路。这时，应将变频器输出端的接线脱开，再旋动电位器，使频率上升，如仍跳闸，说明变频器内部短路；如不再跳闸，则说明是变频器外部短路，应检查从变频器到电动机之间的线路，以及电动机本身。调试过程中，通过上述故障分析方法的采用，最终明确跳闸原因是由变频器内部短路导致，通过针对性措施的采用，故障得以有效排除。5.2 案例二 变频控制器柜过载跳闸故障及原因分析2012年完工的吉林帝斯曼项目中，19台VSD变频控制器柜在业主组织的联动试车过程中，发现第15台变频控制控制的电机在投料试运行的30分钟后及出现过热现象。协助联