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摘要：针对某电厂连续卸船机变频器故障频繁的现象进行了原因分析，提出并完成了提升机构变频驱动控制系统的改造，使得变频器频报过流、过热等故障的问题得到了有效解决，大大提高了卸船机运行的安全性及稳定性。
关键词：卸船机;变频器;原因分析;改造
1 设备概述
某电厂#1、#2链斗式连续卸船机（以下简称“卸船机”或“CSU”，即Continuous Ship Unloader）电控系统由蒂森克虏伯集成。其中，控制系统采用了AB公司提供的Logix5000系列PLC，配备了电源、处理器、数字量和模拟量输入与输出卡件等;驱动系统采用了Emerson CT公司的Unidrive SPMD系列交流驱动器，采用直流输入，交流逆变器输出，额定电压为380～480 V，内含制动单元。
#1、#2卸船机自2007年投产以来，在日常使用过程中，其提升机构变频器经常报过流、过热故障，故障代码为：O.ht1（热模型功率过温）、O.ht2（散热器过温）、OI.AC（检测到瞬时输出过流，峰值输出电流大于225%）。由于变频器故障频繁发生，长期过流过载工作，变频器IGBT硬件烧坏，只能采取更换受损变频器的方式维持设备的使用，因此维护成本不菲，严重影响了卸船机的安全可靠运行。
2 变频器故障分析
#1、#2连续卸船机的取料提升机构是由两台变频器分别驱动两台提升电机，提升电机功率为160 kW，提升变频器选用Emerson CT公司的SPMD1404。提升机构的变频驱动控制方式采用主从控制方式，其中主驱动采用开环矢量速度控制，接收外部控制指令的给定，SPMD主驱动单元含有主控制单元;从驱动采用开环矢量转矩控制，接收主机转矩的给定，SPMD从驱动单元含有从控制单元和功率扩展电缆。两套提升机构均未使用电机脉冲编码器作为速度反馈。
经分析，当前提升机构变频器故障频频甚至损坏，其根本原因是卸船机在主机厂进行系统集成时存在软硬件设计缺陷。当卸船机链斗启动时，主机先启动，延时输出转矩的给定至从机，从机跟随启动，这样就产生了变频器运行的同步性差及出力不一致的问题。当前，这种控制方式不能够使两个变频器的负载达到均衡，往往一个变频器已经过载，而另一个变频器出力不够，甚至出现斗牛现象（即一台提升电机工作在电动机状态，另一台提升电机工作在发电机状态）。由于逆变器本身是具有一定短时过载能力的，如表1所示，出现此种状况，说明此提升机构逆变器不是偶尔处于过载状态，而是长时间处于过载状态。
综上所述，提升机构的两台变频器经常处于过流状态，而且有时存在很大的冲击电流;而在整机的PLC控制程序中，并没有相应的计算和逻辑处理应对这种恶劣情况，从而无法对变频器进行有效保护，这就是提升机构变频器经常报过流、过热等故障进而烧毁的根本原因。
3 改造方案及过程
由于受设备实际状态所限，无法加装电机脉冲编码器，实现更优化的闭环控制改造，故依据现场实际情况，本着经济、合理、可靠及实施方便的原则，对提升机构变频驱动控制系统进行了如下改造：
（1）在硬件设计上，将提升机构的两台变频器并联运行。把提升机构原主、从驱动的两个变频器合二为一，变更为使用一个变频器同时驱动两个提升电机，使用一个变频器控制模块，统一接收来自PLC控制器的指令。变频器并联后，统一输出至两台电机，这样，变频器启动时，提升机构的两台电机同步启动，能够降低提升机构因两台电机出力不平衡产生的振动，改善变频器运行的工作环境。
提升机构的两台电机启动模式改为并联后，变频器无法对单台电机提供有效保护，因此，为有效保护变频器功率模块，抑制输出谐波电流并改善功率因数，在逆变器输出侧增加匹配的输出均衡电抗器;为保护电机，在电机进线侧分别加装匹配的电机保护单元。受原柜体空间所限，需要在现场额外增加一个控制箱，将需要增加的部件都安装在箱体内。控制箱安装在电气房内，并根据新的硬件设计重新规划相应的电缆接线。
（2）重新调试提升机逆变器。由于硬件连接经过优化，并且增加了硬件单元，变频器中与电机等效电路相关的模型参数均发生了变化，需要重新对变频器进行旋转自整定测试、空载及重载调试，并调整相关变频器参数。具体措施为：自整定结束后，对提升机构做空载试车，优化给定斜坡控制参数、电流环比例增益参数、转矩控制参数、过载保护参数等，从逆变器侧消除长周期过载可能性;空载优化后进行重载试车，在带重载情况下对相关参数继续进行调整，并记录和对比各载重条件下的过程数据，如频率给定、频率、输出电压、电流等，直至达到最优。调试后变频器的主要相关参数设定值如表2所示。
（3）优化相关PLC程序。本连续卸船机电控系统的驱动和PLC是通过Profibus DP进行相关控制的数据交换，例如PLC→变频器的控制字和给定，逆变器→PLC的状态字和各种反馈。由于对驱动参数进行了优化，原程序中与驱动通信和控制相关的硬件配置以及软件编制都需要做相应的优化。同时，由于增加了电机保护单元，需将此部分信号接入PLC输入模块，作为驱动常规控制的联锁信号。
硬件改造完成后，同时还对相关PLC控制程序进行了修改调整，使之适应本次驱动硬件的改造。在PLC程序中增加了独立的“防止提升机过载自动处理模块”，此模块可实时监控提升变频器的运行参数。当变频器有过载趋势时，此独立功能块将立即介入变频器控制，通过主动调整变频器的控制参数实现动态优化，从而确保变频器不会处于长周期过载运行状态。
4 改造后效果
（1）项目改造节支收益：改造前，#1、#2卸船机的链斗提升机在额定负载下输出总电流为430 A左右，经常出现过载，改造后链斗提升机在额定负载下输出总电流下降为380 A左右，因此链斗提升机每运行1 h能节电37 kW·h左右（单台提升机电机额定功率为160 kW），两台卸船机运行一天可节电1 776 kW·h，按投入率80%计算，每年运行292天，节约用电累计约520 000 kW·h，达到了节能降耗的作用，年累计节约电费约20万元。
（2）设备故障节支收益：改造前，#1、#2卸船机链斗提升机构变频器频报过流、模块过热、IGBT损坏等故障，故障代码为O.ht1（热模型功率过温）、O.ht2（散热器过温）、OI.AC（检测到瞬时输出过流，峰值输出电流大于225%）。自2007年投产以来，变频器已反复维修和更换了40台次以上，每次每台变频器返厂维修更换元件需要4万元左右，而采购一台变频器的成本高达10万元，并且每次更换一台变频器需要5 h左右，费时费力，影响生产效率。综合下来，改造后每年可节约费用约20万元。
（3）两台连续卸船机的提升机构变频驱动系统改造后，变频器运行符合改造预期（图1），变频器电流（电机电流）、电机运行速度平稳，运行电流较之前减小10%左右。变频器启动时，提升机构的两台电机同步启动，减小了提升机构因两台电机出力不平衡产生的振动，改善了变频器运行的工作环境。最重要的是，变频器频报过流、过热等故障的问题得到了有效解决，延长了变频器使用周期，减少了日常检修维护工作量及硬件成本，大大提高了卸船机运行的安全稳定性与工作效率，安全经济，社会效益十分显著。
5 结语
连续卸船机的安全稳定运行对于火电机组的可持续性发电是非常重要的，本文针对某电厂连续卸船机变频器故障频繁的现象进行了原因分析，提出变频器长期过流过载工作，造成变频器IGBT硬件烧坏，其根本原因是卸船机在主机厂进行系统集成时存在软硬件设计缺陷。提升机构变频驱动控制系统改造后，变频器频报过流、过热等故障的问题得到了有效解决，确保了机组卸船机的安全稳定运行。
收稿日期：2021-06-15
作者简介：邱乐平（1970—），男，广东连平人，主要从事火電厂燃料管理与检修工作。
关键词：卸船机;变频器;原因分析;改造
1 设备概述
某电厂#1、#2链斗式连续卸船机（以下简称“卸船机”或“CSU”，即Continuous Ship Unloader）电控系统由蒂森克虏伯集成。其中，控制系统采用了AB公司提供的Logix5000系列PLC，配备了电源、处理器、数字量和模拟量输入与输出卡件等;驱动系统采用了Emerson CT公司的Unidrive SPMD系列交流驱动器，采用直流输入，交流逆变器输出，额定电压为380～480 V，内含制动单元。
#1、#2卸船机自2007年投产以来，在日常使用过程中，其提升机构变频器经常报过流、过热故障，故障代码为：O.ht1（热模型功率过温）、O.ht2（散热器过温）、OI.AC（检测到瞬时输出过流，峰值输出电流大于225%）。由于变频器故障频繁发生，长期过流过载工作，变频器IGBT硬件烧坏，只能采取更换受损变频器的方式维持设备的使用，因此维护成本不菲，严重影响了卸船机的安全可靠运行。
2 变频器故障分析
#1、#2连续卸船机的取料提升机构是由两台变频器分别驱动两台提升电机，提升电机功率为160 kW，提升变频器选用Emerson CT公司的SPMD1404。提升机构的变频驱动控制方式采用主从控制方式，其中主驱动采用开环矢量速度控制，接收外部控制指令的给定，SPMD主驱动单元含有主控制单元;从驱动采用开环矢量转矩控制，接收主机转矩的给定，SPMD从驱动单元含有从控制单元和功率扩展电缆。两套提升机构均未使用电机脉冲编码器作为速度反馈。
经分析，当前提升机构变频器故障频频甚至损坏，其根本原因是卸船机在主机厂进行系统集成时存在软硬件设计缺陷。当卸船机链斗启动时，主机先启动，延时输出转矩的给定至从机，从机跟随启动，这样就产生了变频器运行的同步性差及出力不一致的问题。当前，这种控制方式不能够使两个变频器的负载达到均衡，往往一个变频器已经过载，而另一个变频器出力不够，甚至出现斗牛现象（即一台提升电机工作在电动机状态，另一台提升电机工作在发电机状态）。由于逆变器本身是具有一定短时过载能力的，如表1所示，出现此种状况，说明此提升机构逆变器不是偶尔处于过载状态，而是长时间处于过载状态。
综上所述，提升机构的两台变频器经常处于过流状态，而且有时存在很大的冲击电流;而在整机的PLC控制程序中，并没有相应的计算和逻辑处理应对这种恶劣情况，从而无法对变频器进行有效保护，这就是提升机构变频器经常报过流、过热等故障进而烧毁的根本原因。
3 改造方案及过程
由于受设备实际状态所限，无法加装电机脉冲编码器，实现更优化的闭环控制改造，故依据现场实际情况，本着经济、合理、可靠及实施方便的原则，对提升机构变频驱动控制系统进行了如下改造：
（1）在硬件设计上，将提升机构的两台变频器并联运行。把提升机构原主、从驱动的两个变频器合二为一，变更为使用一个变频器同时驱动两个提升电机，使用一个变频器控制模块，统一接收来自PLC控制器的指令。变频器并联后，统一输出至两台电机，这样，变频器启动时，提升机构的两台电机同步启动，能够降低提升机构因两台电机出力不平衡产生的振动，改善变频器运行的工作环境。
提升机构的两台电机启动模式改为并联后，变频器无法对单台电机提供有效保护，因此，为有效保护变频器功率模块，抑制输出谐波电流并改善功率因数，在逆变器输出侧增加匹配的输出均衡电抗器;为保护电机，在电机进线侧分别加装匹配的电机保护单元。受原柜体空间所限，需要在现场额外增加一个控制箱，将需要增加的部件都安装在箱体内。控制箱安装在电气房内，并根据新的硬件设计重新规划相应的电缆接线。
（2）重新调试提升机逆变器。由于硬件连接经过优化，并且增加了硬件单元，变频器中与电机等效电路相关的模型参数均发生了变化，需要重新对变频器进行旋转自整定测试、空载及重载调试，并调整相关变频器参数。具体措施为：自整定结束后，对提升机构做空载试车，优化给定斜坡控制参数、电流环比例增益参数、转矩控制参数、过载保护参数等，从逆变器侧消除长周期过载可能性;空载优化后进行重载试车，在带重载情况下对相关参数继续进行调整，并记录和对比各载重条件下的过程数据，如频率给定、频率、输出电压、电流等，直至达到最优。调试后变频器的主要相关参数设定值如表2所示。
（3）优化相关PLC程序。本连续卸船机电控系统的驱动和PLC是通过Profibus DP进行相关控制的数据交换，例如PLC→变频器的控制字和给定，逆变器→PLC的状态字和各种反馈。由于对驱动参数进行了优化，原程序中与驱动通信和控制相关的硬件配置以及软件编制都需要做相应的优化。同时，由于增加了电机保护单元，需将此部分信号接入PLC输入模块，作为驱动常规控制的联锁信号。
硬件改造完成后，同时还对相关PLC控制程序进行了修改调整，使之适应本次驱动硬件的改造。在PLC程序中增加了独立的“防止提升机过载自动处理模块”，此模块可实时监控提升变频器的运行参数。当变频器有过载趋势时，此独立功能块将立即介入变频器控制，通过主动调整变频器的控制参数实现动态优化，从而确保变频器不会处于长周期过载运行状态。
4 改造后效果
（1）项目改造节支收益：改造前，#1、#2卸船机的链斗提升机在额定负载下输出总电流为430 A左右，经常出现过载，改造后链斗提升机在额定负载下输出总电流下降为380 A左右，因此链斗提升机每运行1 h能节电37 kW·h左右（单台提升机电机额定功率为160 kW），两台卸船机运行一天可节电1 776 kW·h，按投入率80%计算，每年运行292天，节约用电累计约520 000 kW·h，达到了节能降耗的作用，年累计节约电费约20万元。
（2）设备故障节支收益：改造前，#1、#2卸船机链斗提升机构变频器频报过流、模块过热、IGBT损坏等故障，故障代码为O.ht1（热模型功率过温）、O.ht2（散热器过温）、OI.AC（检测到瞬时输出过流，峰值输出电流大于225%）。自2007年投产以来，变频器已反复维修和更换了40台次以上，每次每台变频器返厂维修更换元件需要4万元左右，而采购一台变频器的成本高达10万元，并且每次更换一台变频器需要5 h左右，费时费力，影响生产效率。综合下来，改造后每年可节约费用约20万元。
（3）两台连续卸船机的提升机构变频驱动系统改造后，变频器运行符合改造预期（图1），变频器电流（电机电流）、电机运行速度平稳，运行电流较之前减小10%左右。变频器启动时，提升机构的两台电机同步启动，减小了提升机构因两台电机出力不平衡产生的振动，改善了变频器运行的工作环境。最重要的是，变频器频报过流、过热等故障的问题得到了有效解决，延长了变频器使用周期，减少了日常检修维护工作量及硬件成本，大大提高了卸船机运行的安全稳定性与工作效率，安全经济，社会效益十分显著。
5 结语
连续卸船机的安全稳定运行对于火电机组的可持续性发电是非常重要的，本文针对某电厂连续卸船机变频器故障频繁的现象进行了原因分析，提出变频器长期过流过载工作，造成变频器IGBT硬件烧坏，其根本原因是卸船机在主机厂进行系统集成时存在软硬件设计缺陷。提升机构变频驱动控制系统改造后，变频器频报过流、过热等故障的问题得到了有效解决，确保了机组卸船机的安全稳定运行。
收稿日期：2021-06-15
作者简介：邱乐平（1970—），男，广东连平人，主要从事火電厂燃料管理与检修工作。