POWERFLEX 700S变频器冷却系统改造方案探讨

纪国庆，冯 冉，黄 伟，李艳奇

（首钢京唐钢铁股份有限公司，河北唐山 063002）

前言

某公司燃气系统使用AB公司POWERFLEX 700S系列变频器，该系列变频器输出额定电压690 V，输出功率45～2 800 kW。POWERFLEX 700S 系列变频器的功率单元模块、制动单元模块、驱动单元模块、检测单元模块、冷却系统等均集中安装在一套框架壳体内，冷却系统安装在设备底部，运行时冷风由底部吹向IGBT 等模块，将IGBT 等模块产生的热量带出，从而保证变频器的温度控制在额定温度范围内。其中冷却系统根据变频器功率大小不同由2～3个冷却风扇组成，冷却风扇电源由变频器内部的直流经直流-交流转换模块后转变为交流，供冷却风扇使用。直流-交流转换模块设置故障检测回路，当检测到任意一台冷却风扇故障时，故障信号送入变频器控制板，变频器随即下达跳机指令，变频器停止运行。跳机指令固化在变频器保护程序中，无法通过软件设置改为报警指令。为此必须对POWERFLEX 700S 变频器冷却系统进行改造，确保当一台冷却风扇故障时发报警信号，及时提醒运行人员调整运行设备。同时又能实现对变频器的可靠保护。

1 POWERFLEX 700S 变频器结构及冷却系统控制方式

如图1 所示，POWERFLEX700 系列变频器在机壳内将功率单元模块、制动单元模块、驱动单元模块、检测单元模块、冷却系统集成于一体。其中变频器功率单元模块、制动单元模块、驱动单元模块、检测单元模块安装在变频器框架的上部，冷却系统所含的冷却风扇安装在变频器框架底部，冷却风扇运行时冷风由底部吹向IGBT等单元，将各单元模块发出的热量带出，从而实现对变频器的整体降温［1］。

图1 POWERFLEX700变频器典型结构示意图

如图2 所示，从变频器内部DC 母线引出的DC（+）及DC（-）直流电源，接入FAN Frequency converter（风扇电源转换模块），将直流电源转换为交流24 V，24 V 经变压器转换为220 V 电压，驱动冷却风扇运转。两个风扇电源转换模块并联，并通过第一个转换模块的X8与ASCII模块的X11插头相连。

变频器冷却系统控制原理见图2。

图2 POWERFLEX700冷却风扇控制原理图

当任意一台冷却风机发生故障时，X8对应插头发出断开信号，经ASIC 板X11 插头送入ASIC 板，ASIC 板检测到信号后，发出跳机指令，变频器断开。POWERFLEX700变频器内部程序中，冷却风扇故障对应为跳机指令固化在程序内，无法修改为报警信号。

2 变频器冷却系统改造思路及方法

每台变频器冷却系统由2～3 台冷却风机组成，当一台冷却风扇出现故障时，其余冷却风扇仍保持运行，虽然此时冷却效果降低，变频器内部温度上升，但达到并超过变频器温度保护设定值仍需要一段时间。根据近年实际运行记录，时间在15 min 左右。当某一台冷却风扇发生故障时，在变频器温度上升的时间段内发出报警信号，提示运行人员及时开启备用设备，而不是立即停机。就会为运行人员提供调整运行设备的时间，有效避免因变频器突然跳机导致出现生产事故。在发出报警的同时，检测变频器内部温度，当温度超过额定温度时及时发出变频器停止指令，从而避免变频器烧毁功率元件。

2.1 设计变频器冷却风扇的控制及检测系统

对POWERFLEX700 变频器冷却系统进行改造。将变频器冷却风扇由变频器内部电路控制，改为独立控制。单独设计的变频器冷却系统供电及检测回路，包括冷却风扇一次回路（1）、冷却风扇监测单元（2）、变频器温度监测单元（3）、S7-400 控制单元（4）。

如图3所示，冷却风扇一次回路（1）根据变频器冷却风扇功率不同，可选用不同量额定电流的空气开关和接触器。

图3 变频器冷却风扇供电及检测系统图

冷却风扇监测单元（2）根据变频器冷却风扇功率不同，可选用不同额定电流的中间继电器。

变频器温度监测单元（3）根据变频器功率不同，可选用不同量程温度检测单元，并将温度信号转换为4-20 mA信号送入S7-400单元（4）。

2.2 通过上级PLC 监控系统实现对冷却系统的监控

如图4所示，S7-400控制单元（4）冷却风扇监测单元（2）、监测变频器冷却风扇运行状态，当出现变频器冷却风扇故障时，发出报警信号，报警信号在上级PLC 画面中显示，并声光报警。提醒运行人员及时调整负荷，保证生产运行稳定连续。

图4 变频器冷却系统保护逻辑判断图

当报警信号发出后，S7-400 控制单元（4）冷却风扇监测单元（2）变频器温度监测单元（3）持续监测变频器运行温度，当运行温度超过保护值时，立即发出故障信号，强迫将变频器退出运行。

2.3 POWERFLEX700S变频器改造实际步骤

（1）将变频器冷却风扇由变频器内部电路控制改为独立控制。先将FAN Frequency converter（风扇电源转换模块）X4、X5 断开，将新增断路器下火电接到X4、X5 电源上，再将X3 跳线拔下备用，最后将X2连接线断开。

（2）断开FAN Frequency converter（风扇电源转换模块）与ASIC 板之间连线。拆ASIC 板的电源接线和7 根光纤，再拆下光纤下面的接线柱和接地螺丝，将固定ASIC 板的两个固定螺丝拧松，轻轻将ASIC板拿出。

拧下ASIC 板固定风扇后壳的螺丝，将3 根网线（从左至右，依次顺序为X5、X4、X3）拆下，再将6 根光纤（从左至右，依次顺序为6～1）拆下。打开风扇后壳，拆下里面的两个接线柱后，将ASIC 板X11 拔下，将拆下的风扇电源X3跳线插到ASIC板X11上。

（3）在变频器柜内单独设置供电及保护检测回路，为每台风扇设置供电及控制回路。

当冷却风扇出现故障时，热继电器动作，断开回路，同时发送冷却风机故障信号送PLC系统。

（4）增加变频器IGBT 功率模块温度检测元件。变频器运行中，产生温度的主要元件为IGBT 元件，为此在变频器内部靠近IGBT 侧安装测温元件热电阻。该测温元件将检测温度送PLC系统。

3 结论

通过对AB 公司POWERFLEX700S 变频器冷却系统的改造，实现了以下两个目的。

（1）当变频器冷却系统的任一台冷却风扇出现故障时，该系统能够有效发挥作用，在变频器温度上升的时间段内发出报警信号，提示运行人员及时开启备用设备，而不是立即停机从而保证生产运行稳定连续。

（2）在发出报警的同时，检测变频器内部温度，当温度超过额定温度时及时发出变频器停止指令，从而避免变频器烧毁功率元件。提高了变频器的运行完好率和运行时间。