煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優化

曹 昀

（承德鋼鐵集團有限公司，河北 承德 067002）

煉鋼廠高壓變頻器以其低能耗的優勢在工業領域中脫穎而出，受到廣泛應用，通過自身具備的無極調速性能，能夠實現對高壓電機工作的變頻調試[1]。煉鋼廠高壓變頻器能夠利用內部IGBT 實現對電頻以及電壓的調試，在其運行過程中，由于產生的電磁會對變頻器運行造成一定程度的干擾，很容易導致煉鋼廠高壓變頻器故障。因此，分析煉鋼廠高壓變頻器故障是確保煉鋼廠高壓變頻器節能、穩定運行的重要手段。在我國，針對煉鋼廠高壓變頻器故障分析并不少見，但普遍分析較為籠統，沒有細致的分析出煉鋼廠高壓變頻器故障發生的具體原因，導致后期對于煉鋼廠高壓變頻器的選型工作執行困難。為徹底解決煉鋼廠高壓變頻器故障，實現煉鋼廠高壓變頻器選型優化，本文提出煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優化研究，致力于在明確煉鋼廠高壓變頻器故障原因的基礎上，通過選型優化避免煉鋼廠高壓變頻器出現故障。

1 煉鋼廠高壓變頻器故障分析

1.1 確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件

本文運用疊加原理，確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件。疊加原理指的就是當煉鋼廠高壓變頻器電路中有幾個故障源共同起作用時，可以讓其中的一個故障源單獨工作，其它的故障源不工作[2]。在此基礎上，求出這一個故障源工作時在電阻上產生的瞬時電流值，記為w。再讓第二個故障源工作，求出這個故障源工作時產生的瞬時電流值，記為x。兩個故障源不接地故障示意圖，如圖1 所示。

圖1 煉鋼廠高壓變頻器兩個故障源不接地故障示意圖

結合圖1 所示，讓每一個故障源分別工作一次，求得這些瞬時電流值相加就是所有的故障源共同工作時的電流值，也就是煉鋼廠高壓變頻器故障的邊界條件。假定煉鋼廠高壓變頻器故障時的短路電流動勢集合為v=1,2,...,n，設煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件為U，可得公式（1）。

公式（1）中，b 指的是煉鋼廠高壓變頻器故障點電阻值，w、b 均為實數。將煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件用U? (w?x)?b來表示，可得公式為：

公式（2）中，IA指的是煉鋼廠高壓變頻器故障時短路電流最小對稱分量;IB指的是煉鋼廠高壓變頻器故障時短路電流最大對稱分量。通過公式（2），確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件是對稱分量的概率質量函數最大值與最小值。

1.2 采集煉鋼廠高壓變頻器故障信號

在確定煉鋼廠高壓變頻器故障邊界條件的基礎上，利用饋線終端裝置采集煉鋼廠高壓變頻器故障信號，當煉鋼廠高壓變頻器出現故障時，將自動采集煉鋼廠高壓變頻器電路電流信號，并將采集到的電流信號通過通訊網絡傳遞到控制主站，控制主站將分析上報的電流信號，確定煉鋼廠高壓變頻器故障區段[3]。由于煉鋼廠高壓變頻器故障諧振頻率通常在4.0kHz 左右，電流信號能量主要集中在前二分之一周期，因此將饋線終端裝置故障電流信號采集頻率設定在8.0kHz 以上，采集電流信號數據長度為二分之一周期?？梢詫⑵渥鳛橥叫盘?，以此完成對煉鋼廠高壓變頻器故障信號采集。

1.3 煉鋼廠高壓變頻器故障電壓、電流相關性分析

當煉鋼廠高壓變頻器處于正在狀態時，線路上所有電流流向一致，波形一致，具有一定的相似性；當煉鋼廠高壓變頻器出現故障時，第一部分電流會流向電路上游，即與母線方向相同，另一部分電流會流向電路下游，即與母線方向相反，兩部分電流波形差異較大，不具有相似性[4，5]。利用以上電流相關性原理，分析采集到的煉鋼廠高壓變頻器電流信號相似性。首先，選取兩個相鄰的電流信號，對其相關系數進行計算，其計算公式如下：

公式（3）中，δ指的是煉鋼廠高壓變頻器電路兩個相鄰電流相關系數；i1和i2分別指的是兩個相鄰干擾響應信號；n指的是電壓、電流信號采集序列；n? 1指的是故障發生時刻；N指的是電壓、電流信號的數據長度。利用上述公式計算出兩個相鄰電流信號的相關系數δ，如果兩個相鄰電流信號波形及流向一致，電流相關系數取值為1；如果兩個相鄰電流信號波形及流向完全不一致，則電流相關系數取值為0。以此為依據，完成煉鋼廠高壓變頻器故障電壓、電流相關性分析。

2 煉鋼廠高壓變頻器選型優化

2.1 計算煉鋼廠高壓變頻器轉矩修正系數

本文針對煉鋼廠高壓變頻器的選型，必須結合煉鋼廠高壓變頻器轉矩[6]。通過計算的方式，設煉鋼廠高壓變頻器轉矩修正系數的表達式為K，則有公式（4）。

公式（4）中，e指的是操作沖擊干試驗電壓，單位為V；m指的是工頻，單位為Hz。通過上述公式，可以得出煉鋼廠高壓變頻器轉矩修正系數，根據修正系數進行相應的煉鋼廠高壓變頻器選型。

2.2 實現煉鋼廠高壓變頻器選型與負載相匹配

使用上述計算的轉矩修正系數，對高壓變頻器進行最終選型。內容如下。應在確保設備運行中的額定電壓與負載電壓相同的條件下，進行變頻器支撐電壓的匹配；要求變頻裝置的運行額定電流在其可承受最大電流范圍內，對于特殊類型的裝置，例如深水泵等，需要從裝置電機的性能層面考慮，分析參數屬性，從過載能力與最高負載電流方面選擇裝置運行電路。同時，考慮到高壓變頻器的電抗能力較低，因此在選擇設備零構件過程中，可適當選擇變頻裝置驅動力較強的耦合性電容，避免由于驅動力不足導致裝置運行出現故障。此外，為了提高裝置在不同環境下持續運轉性能，可選擇具備降容的變頻電源作為支撐條件，從而實現選型與負載的適配。綜上所述，應從多個角度對設備綜合性能進行分析，才能實現度選型行為的優化。

3 案例分析

3.1 實驗準備

設計實例分析，選取某煉鋼廠高壓變頻器作為本次實驗對象，設置故障類型，如表1 所示。

表1 煉鋼廠高壓變頻器故障類型表

結合表1 所示，首先使用本文設計方法分析煉鋼廠高壓變頻器故障，通過Matalb 軟件測試分析諧波噪聲比，記為實驗組；而后使用傳統方法分析煉鋼廠高壓變頻器故障，通過Matalb 軟件測試分析諧波噪聲比，記為對照組。本次實驗內容為測試兩種方法下的故障分析諧波噪聲比，分析諧波噪聲比越低證明分析精度越高。設置實驗次數為10 次，記錄實驗結果。

3.2 實驗結果分析與結論

整理實驗數據，如表2 所示。

表2 故障分析諧波噪聲比對比結果

通過表2 可得出如下的結論：本文設計的方法故障分析諧波噪聲比明顯低于對照組，能夠實現對煉鋼廠高壓變頻器故障精準分析，具有現實意義。

4 結語

通過煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優化，能夠取得一定的研究成果，解決傳統煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型中存在的問題。由此可見，本文設計的方法是具有現實意義的，能夠指導煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優化。在后期的發展中，應加大本文設計方法在煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型中的應用力度。截止目前，國內外針對煉鋼廠高壓變頻器故障分析及選型優化研究仍存在一些問題，在日后的研究中還需要進一步對煉鋼廠高壓變頻器的優化設計提出深入研究，為提高煉鋼廠高壓變頻器的綜合性能提供參考。