KCF-2 500 A/350 V大功率直流充電機的故障分析

摘 要：本文以KCF-2 500 A/350 V大功率充電機為例，闡述了充電機的工作原理、常見故障修理方法，以便與同行共同學習、共同分享。

關鍵詞：直流；充電機；工作原理；故障；分析

Maintenance Analysis of KCF-2 500 A/350 V High-Power Direct-Current Charging Equipment

ZHU Guixi

( NO.4801 Factory of CPLA， Guangzhou 510715 )

Abstract: By the example of KCF -2 500 A/350 V high-power charger， this paper states the working principle and repair methods for common failures of charging machine.

Key words: Direct current; Charging machine; Working principle; Fault; Analysis

KCF-2 500 A/350 V大功率直流充電機是我廠為中大型蓄電池周期治療時的全充電，維護保養時的補充充電提供直流電源的大功率設備。本設備主回路采用十二脈沖波，雙三相橋式整流電路帶平衡電抗器；整機控制方式采用PLC作為監控核心，用西門子S7-200PLC實現與操作面板TD-200進行通訊，以達到可以用手動、自動兩種控制方式；通過S7-200PLC端口組成繼電操作系統；采用美國進口的ENERPRO 12脈沖波觸發控制單元和控制板實現穩流、穩壓（見圖1）。

1 大功率直流充電機的工作原理

1.1 主回路

見圖2。KCF-2 500 A/350 V大功率直流充電機主回路包括斷路器、整流變壓器、兩路三相橋式全控整流電路、直流電抗器、直流快速斷路器。由斷路器ZK將380 V三相交流電送至整流變壓器，經整流變壓器變換，在副邊產生300 V相差30°相位的電壓，副邊共有兩個繞組，其中一個星形繞組構成一路三相橋式全控整流電路，另一個三角形繞組構成一路三相橋式全控整流電路，兩路三相橋式整流電路經平衡電抗器并聯后形成12脈波直流，經快速直流開關DK輸出。

1.2 控制回路

見圖3。穩壓、穩流回路通過采用電壓、電流雙閉環控制。通過在輸出端采樣電壓U-FV與給定電壓U+GD進行比較，經控制板B1處理后發出信號給脈沖控制板，調節可控硅觸發角，從而達到調壓、穩壓的目的；通過在輸出端采樣電流信號I-FV與給定電流I+GD進行比較，經控制板B1處理后發出信號給脈沖觸發控制板B2，調節可控硅觸發角，從而達到電流調節、穩流的目的。

1.3 保護回路

見圖1、圖2。采用交流斷路器ZK，在設備出現短路、過載、欠壓時快速切斷供電回路，有效避免設備故障進一步擴大，同時也保護了工廠電網安全；快速直流開關DK，可以防止過電流沖擊，在極短的時間內切斷直流回路故障，防止故障進一步向整流變壓器蔓延；在每個橋臂都串有快速熔斷器，一旦可控硅上流過的電流超過額定電流時，快速熔斷器會在極短的時間內熔斷切斷短路電流，保護可控硅，防止故障向其它可控硅和整流變壓器蔓延；核心控制板端口通過接受快熔、快斷、超溫等信號，迅速發出指令及聲光報警，自動關機和提醒操作人員注意。

2 故障現象及分析

2.1 配電開關額定電流不能滿足設備要求

故障現象：充電機投入使用，充電電流上到1600A左右再往上增加電流時，馬上引起配電房開關DW1分閘，設備無聲光報警故障，設備無法受電。

故障分析：（見圖4）因快速直流開關DK沒有分閘，可以排除設備負載故障；設備交流斷路器ZK沒有分閘，可以排除設備本身故障；如懷疑斷路ZK功能失靈問題，對設備進行接地和短路檢查，用500 V兆歐表檢測設備，各部位絕緣都在0.5 MΩ以上，設備本身沒有出現故障聲光報警，而且快速熔斷器（保險絲）沒有燒斷，排除絕緣和短路方面的問題；檢查變、配電房已分閘的DW1開關，DW1開關顯示過載故障聲光報警，經進一步檢查，開關本身額定電流為1600A，但人為設置額定電流為900A，在充電機負載達1600A左右時，交流側將出現900A的電流，當充電機再往上增加電流時，交流側電流馬上超過900A，引起變、配電房開關DW1馬上分閘。將變、配電房開關DW1額定電流調回1600A，故障排除，充電機可以正常投入使用。

2.2 變壓器輸出開關主觸頭松動，引起故障。

故障現象：充電機空載，開關ZK一經合閘，配電專用變壓器輸出開關DW分閘，設備本身無聲光報警故障，設備無法受電。

故障分析：從圖4我們可以看到，充電設備經AK→DW1→DW→變壓器，故障過程中越過AK和DW1兩級開關，引起一級開關DW分閘。開關ZK和DW1沒有可能同時功能失靈，設備無聲光報警故障，所以可以判斷設備本身沒有問題，故障應該是開關DW自身問題。經檢查開關DW，DW聲光故障顯示過載，三相電流在2000～3000A不等，而且三相電流不平衡。分析2000～3000A不是短路電流，短路電流也不止那么少。充電機只是空載，也不會引起如此大的啟動電流，估計是開關主觸頭接觸不良引起供電瞬間搶弧產生大電流，把開關DW抽出后，重新搖入到位，故障現象排除。

2.3 反饋電阻燒壞，反饋回路開路，引起超電壓穩定精度

故障現象：設備電壓不穩定，漂移幅度大，已遠遠超過該設備穩定精度技術指標的±5%。

故障分析：電壓輸出不穩定，從充電機穩壓原理（圖3）分析，馬上可以判斷是電壓反饋閉環控制回路出現故障。檢查控制線路，給定電壓回路到控制板B1是通的，反饋采樣點到控制板B1的回路也是通的，信號回路都沒問題。將充電機通電啟動運行，測量給定電壓U-GD有4～5 V電壓，測量反饋采樣電壓U+FV為0V，按反饋電路計算U+FV=[350÷（58+5100）]×58=4 V，由此可見反饋回路開路。測量電阻RF1和RF2回路，有幾十MΩ電阻，再把RF1和RF2拆下來測量，RF2為58 Ω，正常，RF1開路，已損壞。故障原因是采樣不到反饋電壓，可控硅觸發角不受控，引起電壓不穩定。更換新的電阻RF1后，電壓穩定在設備電壓穩定精度的技術指標內。

2.4 多個可控硅短路，S7-200PLC指令禁止，設備無法投入運行

故障現象：設備雷雨天氣前一直在正常使用，雷雨天氣后設備自帶的交流開關AK無法合閘，設備無法投入使用。

故障分析：從設備所帶的開關等級DW→ DW1→ZK→DK分析，設備在ZK等級不能成功合閘，DK還沒動作，故障范圍可以界定在ZK與DK之間，因為ZK與DK之間的部分就是充電設備，也即是可以排除外圍故障，判斷為設備本身有短路或接地故障。

因為設備的操作順序是先合主回路斷路器ZK，再合控制回路，控制回路帶小型斷路器，所以可以判定控制回路是沒問題的，應從主回路著手。經檢查，發現可控硅前的部分保險絲已熔斷，估計合閘、分閘的瞬間保險絲同時熔斷，可見短路電流相當大，估計是可控硅擊穿短路，形成橋式全控整流回路短路。經檢查發現TH2、TH4、TH6共6個可控硅擊穿短路。事故原因：剛好那天碼頭雷電非常強烈，設備直流供電回流的電纜在碼頭露天擺放，而直流負極側的電纜是沒有開關隔離的，不能有效避雷，雷電通過電纜竄入到設備，性能不佳的可控硅被擊穿短路。在檢查過程中我們發現S7-200PLC程序掉失，指令禁止。

將燒壞的保險絲、可控硅重新更換，更換S7-200PLC和重裝程序，并在設備進出線處安裝防雷裝置，設備運行正常。

2.5 脈沖觸發控制板B2松動，影響輸出電壓不可調

故障現象：連續幾次設備運行一段時間后，輸出電壓驟降，不能再往上調壓。

故障分析：據整流電路的原理Ud=UΦf（α），其中Ud負載端電壓，即是輸出直流電壓，UΦ輸入側交流電壓，α可控硅的控制角。在UΦ穩定的情況下，直流輸出電壓Ud與可控硅的控制角α有關系，而α控制角與脈沖控制板有關系，故障應該可以鎖定在脈沖觸發控制板上。用示波器觀察脈沖觸發控制板輸出波形，發現鋸齒波突然變窄，控制角增大。初步估計是脈沖觸發控制板故障，更換新的脈沖觸發控制板，故障排除。為了能證實原舊的脈沖觸發控制板是否有問題，我們再次將脈沖觸發控制板裝上，設備也能正常工作，之前的故障也不存在。因此故障原因是脈沖觸發控制板插口松動，設備運行有熱量后進一步增加了控制極的接觸電阻，引起控制極電流的變化，影響可控硅導通角變化，引起上述故障現象。

3 經驗總結

1) 對大功率的、含有較多電子元件的設備，出現故障時，應先從外圍電路入手，首先排除外圍故障，再在細節部分下工夫，這樣可以提高排除故障的速度。

2) 在強雷雨時，沒有設置隔離開關的設備外引導線不能暴露在露天場所，防止導線引雷將設備電子元器件擊壞。設備外引導線的出、入口處應安裝防雷裝置，可以避免雷擊，這一點設備制造商應該考慮周到。

３) 設備的部分易損件應備份，以便在設備出現故障時可以及時得到替換，同時在故障較復雜時可以用備件以替換比較法及時排除故障，減輕對設備原理不那么熟悉的修理者的維修難度。這一點設備采購商應該考慮周到。

４) 設備修理者在維修設備時一定要掌握設備原理，修理時條理清晰。如確實不懂設備原理，設備使用單位或個人在設備安裝期間就要派專人（有一定基礎知識的人員）跟隨設備制造商學習，這對供需雙方都是有利無弊。

5) 設備長途運輸或久置未經使用情況下，在正式投入運行前，應該詳細檢查所有導線的連接處和熔斷器是否松動，所有電路焊點是否脫焊、斷裂，導線或線圈絕緣是否受潮，裸露部分是否碰殼接地或短路。如有上述現象，應立即進行修理，并檢查無誤后方可使用，這樣才能減少設備故障率和縮小故障范圍。

參考文獻

[1] 西安整流研究所主編. 電機手冊[M]. 北京: 機械工業出版社， 1978

[2] 可控硅調查組主編. 可控硅整流器及其應用[M].天津: 人民出版社， 1970

作者簡介：朱桂喜（1974-），女，工程師，從事電氣技術工作

收稿日期：2011-07-25