炼钢厂高压变频器故障分析及选型优化

曹 昀

（承德钢铁集团有限公司，河北 承德 067002）

炼钢厂高压变频器以其低能耗的优势在工业领域中脱颖而出，受到广泛应用，通过自身具备的无极调速性能，能够实现对高压电机工作的变频调试[1]。炼钢厂高压变频器能够利用内部IGBT 实现对电频以及电压的调试，在其运行过程中，由于产生的电磁会对变频器运行造成一定程度的干扰，很容易导致炼钢厂高压变频器故障。因此，分析炼钢厂高压变频器故障是确保炼钢厂高压变频器节能、稳定运行的重要手段。在我国，针对炼钢厂高压变频器故障分析并不少见，但普遍分析较为笼统，没有细致的分析出炼钢厂高压变频器故障发生的具体原因，导致后期对于炼钢厂高压变频器的选型工作执行困难。为彻底解决炼钢厂高压变频器故障，实现炼钢厂高压变频器选型优化，本文提出炼钢厂高压变频器故障分析及选型优化研究，致力于在明确炼钢厂高压变频器故障原因的基础上，通过选型优化避免炼钢厂高压变频器出现故障。

1 炼钢厂高压变频器故障分析

1.1 确定炼钢厂高压变频器故障边界条件

本文运用叠加原理，确定炼钢厂高压变频器故障边界条件。叠加原理指的就是当炼钢厂高压变频器电路中有几个故障源共同起作用时，可以让其中的一个故障源单独工作，其它的故障源不工作[2]。在此基础上，求出这一个故障源工作时在电阻上产生的瞬时电流值，记为w。再让第二个故障源工作，求出这个故障源工作时产生的瞬时电流值，记为x。两个故障源不接地故障示意图，如图1 所示。

图1 炼钢厂高压变频器两个故障源不接地故障示意图

结合图1 所示，让每一个故障源分别工作一次，求得这些瞬时电流值相加就是所有的故障源共同工作时的电流值，也就是炼钢厂高压变频器故障的边界条件。假定炼钢厂高压变频器故障时的短路电流动势集合为v=1,2,...,n，设炼钢厂高压变频器故障边界条件为U，可得公式（1）。

公式（1）中，b 指的是炼钢厂高压变频器故障点电阻值，w、b 均为实数。将炼钢厂高压变频器故障边界条件用U− (w⋅x)−b来表示，可得公式为：

公式（2）中，IA指的是炼钢厂高压变频器故障时短路电流最小对称分量;IB指的是炼钢厂高压变频器故障时短路电流最大对称分量。通过公式（2），确定炼钢厂高压变频器故障边界条件是对称分量的概率质量函数最大值与最小值。

1.2 采集炼钢厂高压变频器故障信号

在确定炼钢厂高压变频器故障边界条件的基础上，利用馈线终端装置采集炼钢厂高压变频器故障信号，当炼钢厂高压变频器出现故障时，将自动采集炼钢厂高压变频器电路电流信号，并将采集到的电流信号通过通讯网络传递到控制主站，控制主站将分析上报的电流信号，确定炼钢厂高压变频器故障区段[3]。由于炼钢厂高压变频器故障谐振频率通常在4.0kHz 左右，电流信号能量主要集中在前二分之一周期，因此将馈线终端装置故障电流信号采集频率设定在8.0kHz 以上，采集电流信号数据长度为二分之一周期。可以将其作为同步信号，以此完成对炼钢厂高压变频器故障信号采集。

1.3 炼钢厂高压变频器故障电压、电流相关性分析

当炼钢厂高压变频器处于正在状态时，线路上所有电流流向一致，波形一致，具有一定的相似性；当炼钢厂高压变频器出现故障时，第一部分电流会流向电路上游，即与母线方向相同，另一部分电流会流向电路下游，即与母线方向相反，两部分电流波形差异较大，不具有相似性[4，5]。利用以上电流相关性原理，分析采集到的炼钢厂高压变频器电流信号相似性。首先，选取两个相邻的电流信号，对其相关系数进行计算，其计算公式如下：

公式（3）中，δ指的是炼钢厂高压变频器电路两个相邻电流相关系数；i1和i2分别指的是两个相邻干扰响应信号；n指的是电压、电流信号采集序列；n− 1指的是故障发生时刻；N指的是电压、电流信号的数据长度。利用上述公式计算出两个相邻电流信号的相关系数δ，如果两个相邻电流信号波形及流向一致，电流相关系数取值为1；如果两个相邻电流信号波形及流向完全不一致，则电流相关系数取值为0。以此为依据，完成炼钢厂高压变频器故障电压、电流相关性分析。

2 炼钢厂高压变频器选型优化

2.1 计算炼钢厂高压变频器转矩修正系数

本文针对炼钢厂高压变频器的选型，必须结合炼钢厂高压变频器转矩[6]。通过计算的方式，设炼钢厂高压变频器转矩修正系数的表达式为K，则有公式（4）。

公式（4）中，e指的是操作冲击干试验电压，单位为V；m指的是工频，单位为Hz。通过上述公式，可以得出炼钢厂高压变频器转矩修正系数，根据修正系数进行相应的炼钢厂高压变频器选型。

2.2 实现炼钢厂高压变频器选型与负载相匹配

使用上述计算的转矩修正系数，对高压变频器进行最终选型。内容如下。应在确保设备运行中的额定电压与负载电压相同的条件下，进行变频器支撑电压的匹配；要求变频装置的运行额定电流在其可承受最大电流范围内，对于特殊类型的装置，例如深水泵等，需要从装置电机的性能层面考虑，分析参数属性，从过载能力与最高负载电流方面选择装置运行电路。同时，考虑到高压变频器的电抗能力较低，因此在选择设备零构件过程中，可适当选择变频装置驱动力较强的耦合性电容，避免由于驱动力不足导致装置运行出现故障。此外，为了提高装置在不同环境下持续运转性能，可选择具备降容的变频电源作为支撑条件，从而实现选型与负载的适配。综上所述，应从多个角度对设备综合性能进行分析，才能实现度选型行为的优化。

3 案例分析

3.1 实验准备

设计实例分析，选取某炼钢厂高压变频器作为本次实验对象，设置故障类型，如表1 所示。

表1 炼钢厂高压变频器故障类型表

结合表1 所示，首先使用本文设计方法分析炼钢厂高压变频器故障，通过Matalb 软件测试分析谐波噪声比，记为实验组；而后使用传统方法分析炼钢厂高压变频器故障，通过Matalb 软件测试分析谐波噪声比，记为对照组。本次实验内容为测试两种方法下的故障分析谐波噪声比，分析谐波噪声比越低证明分析精度越高。设置实验次数为10 次，记录实验结果。

3.2 实验结果分析与结论

整理实验数据，如表2 所示。

表2 故障分析谐波噪声比对比结果

通过表2 可得出如下的结论：本文设计的方法故障分析谐波噪声比明显低于对照组，能够实现对炼钢厂高压变频器故障精准分析，具有现实意义。

4 结语

通过炼钢厂高压变频器故障分析及选型优化，能够取得一定的研究成果，解决传统炼钢厂高压变频器故障分析及选型中存在的问题。由此可见，本文设计的方法是具有现实意义的，能够指导炼钢厂高压变频器故障分析及选型优化。在后期的发展中，应加大本文设计方法在炼钢厂高压变频器故障分析及选型中的应用力度。截止目前，国内外针对炼钢厂高压变频器故障分析及选型优化研究仍存在一些问题，在日后的研究中还需要进一步对炼钢厂高压变频器的优化设计提出深入研究，为提高炼钢厂高压变频器的综合性能提供参考。