变频器功率模块故障引发电机异音分析
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摘 要：介绍了某发电厂A引风机电机运行过程中出现异音事件，通过对引风机电机、高压变频器逐一排查，找出故障问题所在，并结合变频器性能特点，分析了异音现象产生的原因，进行了相应处理，确保了引风机安全运行。
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.058
0 引言
锅炉引风机是火力发电厂的关键辅助设备之一，引风机的运行的情况直接关系到锅炉的运行效率。发电企业为寻求新技术来提高电厂的安全性、经济性及可靠性，使电厂得到更快、更好、更有效的发展，便将高压变频具有高的输入侧功率因数、优良的调速性能和转矩控制性能、节电效果好的技术，在风机上进行了应用，对风机进行了变频改造，但随着风机变频器的长期使用，变频器出现了一些的问题，从而引发风机运行异常。
1 引风机故障现象
某发电公司6号炉A引风机电机型号为YKK710-6 转速：995r/min 功率 2700KW额定电流305A 额定电压：6000V，上海电机厂有限公司生产，在变频器运行20-35HZ时发出一阵一阵“隆”的声音。测量电机振动及温度数据见表1、表2，各项数据均正常。检看6号炉A引风机高压变频器，型号：HARSBVERT-A06/310，额定容量3380KVA，额定输入电压6.3KV 输入频率50HZ，北京利德华福电气技术有限公司生产，变频器温度38°、无异音、无异常气味、无报警，通过变频器工控机界面故障查询窗口，查看故障信息，未发现功率单元、整流变压器、控制器、功率柜冷却风机等故障信息。
2 引风机电机解体检查
针对引风机电机异音，对电机解体检查，测量各项参数，检查结果如下：
（1）定子检查：测量转子气隙见图1所示，按空气隙的最大允许偏差值不应超过其算术平均值的±10%，此定子与转子的气隙合格。检查定子槽内无松动、端部线圈绝缘无破损，垫片及绑扎牢固，无异物，背部端压环绑扎牢固，端部连线牢固，电动机引无断股，绝缘良好，无裂纹，接线鼻子接触面良好无松动，但在靠近自由端端部下方铁芯有轻微摩擦现象。
（2）抽出转子检查：检查转子铁芯无锈斑、变形、过热变色等现象，铁芯与本体支架的连接牢靠，风扇叶片无松动、无变形、无裂纹，同样在靠近转子自由端部位置有轻微摩擦现象。
（3）电机轴承室及轴承检查：检查轴承室无裂纹、无磨损，结合面无锈蚀。检查驱动端型号为SKF 23044 CC/C3轴承，轴承内、外滑道、滚柱无脱皮、无麻点、无锈斑、无过热、无划痕、无老化磨损，保持架牢固，轴承内SKF油脂无明显变色、无杂质，粘稠度好，测量轴游隙0.29mm，在合格范围内。检查自由端型号为SKF NU240ECM/C3轴承，轴承内、外滑道、滚柱无脱皮、无麻点、无锈斑、无过热、无划痕、无老化磨损，保持架牢固，轴承内SKF油脂无明显变色、无杂质，粘稠度好，测量游隙0.14mm，在合格范围内。
（4）轴径检查：转子轴径无磨损、无断裂、无裂纹，转子键槽无磨宽和变形现象。
（5）风扇检查：转子风扇无变形，螺栓无松动或缺少，扇叶无裂纹，无开焊现象。
上述对电机的解体检查，可以判断引风机电机发出的异音，应该是电机转子铁芯与定子铁芯摩擦产生的。定子与转子摩擦损坏较轻，做补刷绝缘漆处理便可，但检查电机其他各项指标均在合格范围为内，特别是测量转子与静子的气隙及轴承游隙数据合格。按电机检修工艺标准回装电机，手盘电机，电机转动平滑，无异音，推断电机异响不是由电机本身缺陷造成。于是先变频器旁路，工频空载运行电机，此时电机一阵一阵“隆”的声音消失，电机运行各项数据均在合格范围内见表格3、4所示，电机运行时声音正常，可排除引风机电机问题。再次变频25HZ空载运行电机，电机还是发出一阵一阵“隆”的声音，随着将频率升至接近50HZ，电机“隆”响声增快。由于电机解体检查各项指标均正常，空载工频运行电机也正常，判断引风机异音由高压变频器引起。
3 变频器检查
通过变频器工控机界面查看运行中的变频器输出电流，电压均无异常，查看故障查询窗口，未发现功率单元、整流变压器、电机、控制器、功率柜冷却风机等各个部分有故障信息。因为已经排除是引风机电机问题，依据电机发出一阵一阵“隆”的声音，判断引风机异响很可能是由于个别功率模块输出电压电流异常，产生高次谐波，将输出波形畸变，引起机械振动，造成电动机运行时有异音。通过变频器工控机界面，查看输出的电流波形记录，发现输出电流波形混乱、不规则，与正弦波形相差较大见图2所示。由此判断引起6号炉A引风机电机发出的异音，是由变频器输出电流波形畸变，引起电机三相绕着产生的旋转磁场异常，造成电机转子受的磁场力发生变化，使转子与定子自由端端部铁芯发生摩擦，产生一阵一阵“隆”的声音。但变频器工控机界面没显示变频器有任何故障信息，推断变频器主控单元出现异常，未检测出功率
模块异常问题。停止变频器运行，做好安全措施，更换主控单元主控板。再次启动6号炉A引风机变频器，频率升到3HZ时，变频器发出报警故障，报B3功率模块过压，变频器自动切入旁路状态运行，即旁路B3功率模块，并将自动退出其他两相一功率模块A3、C3。此次检查引风机电机，发现电动机声音正常，没有异音声，查看变频器的输出电流波型是正弦波，但波形的光滑度偏差见图3所示。停止运行变频器，做好安全措施，更换B3功率模块。更换合格的功率模块后启动变频器，变频器、电机运行的各项性能指标正常，变频器输出电流波型光滑见图4所示，A引风机没有发出一阵一阵“隆”的声音，故障排除。
4 引风机电机异音原因分析
（1）引风机电机正常，电机本身不会产生异音。对电机定子、转子、轴承、轴承油脂等部位检查，各项检查结果均合格，电机工频电压试运，各项运行指标均合格，不会产生异音。
（2）谐波电流由功率模块产生。高压变频器功率模块结构，是由二极管整流的三相全控桥、低压绝缘栅双极型晶闸管（IGBT）逆变桥、电容器组等元件组成的控制回路。于是可知高压变频器的整流和逆变线路都使用了电力电子器件的开关特性，这种开关特性形成一个非线性负载，这种非线性负载将改变交流电力线路中电流的正弦波特性，便其输出电流时产生了有害的高次谐波。
（3）高次谐波电流会引起变频器输出电流波形变化。引风机高压变频器，每相由5个功率模块输出端按星型接法串联组成功率单元，
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通过对每个单元的输出PWM波形（见图5所示）进行叠加重组，各级功率模块输出的谐波能相互抵消，高次谐波含量也会很小，便得到正弦度好波形如图6所示。当一个功率模块出现故障时如上述B3功率模块故障，主控单元将退出此功率模块运行，并同时退出其他两相电源的各一功率模块，此方式是为了保证三相输出电压波形对称。由于少了一组功率模块，其他每个单元的功率模块就需分担故障模块的输出电压，来实现完整的波形，这便要是每各单元输出的PWM波幅值升高，使模块之间相互抵消的谐波减小，高次谐波就会比之前大，引起变频器输出电流波形变化，就得不到正弦度好的波形，引起变频器输出电流波形变化如图3所示。
（4）引风机电机异音是由故障功率模块产生的高次谐波电流，使输出电流波形产生畸造成。当其中一个功率模块故障时，主控单元未及时监测到功率模块的故障信息，未对产生故障模块进行隔离，使故障功率模块输出的不稳定PWM波与其他模块输出的PWM波形进行叠加重组，不但不能与其它功率模块输出的谐波相互抵消，反而增加了高次谐波含量，使变频器输出电流波形畸变如图2所示，引起电机三相绕着产生的旋转磁场异常，造成电机转子受到的磁场力发生变化，使转子与定子自由端端部铁芯发生摩擦，便产生一阵一阵“隆”的声音。
5 结束语
通过对引风机电机运行过程中出现异音，对相关联设备检查、数据分析，找到了引起电机异响原因是由于变频器主控单元未监测出B3功率模块故障，引起电机产生规律性“隆”响声。现已经对故障主控单元、B3功率模块进行更换处理，目前该发电公司引风机电机变频运行已1个多月，效果良好。虽然对以上对变频器功率模块故障产生谐波，引起电机异音进行了分析，但是今后还是有必要对主控单元的有效性进行进一步的分析。
参考文献：
[1]北京利德华福电气技术有限公司编.北京利德华福电气高压变频器调速系统HARSVERT -A系列技术手册[S].
作者简介：黄军（1985-），男，江西宜春人，大专，助理工程师，副总工程师，主要从事提高电气设备检修质量方向研究。