天意頂驅(qū)6SE71變頻器常見故障分析

徐藍(lán)輝　郭宏波

摘要：隨著電子器件的老化，頂驅(qū)設(shè)備會(huì)有一些故障陸續(xù)出現(xiàn)，本文著重對(duì)西門子6SE71變頻器的常見故障進(jìn)行總結(jié)與分析。

關(guān)鍵詞：天意頂;變頻器;西門子6SE71

第一章：變頻器的基本原理

變頻器使用西門子公司的6SE71變頻器。

整流器是晶閘管三項(xiàng)全控橋，配有濾波電容，它向逆變器和提供一個(gè)穩(wěn)定、平滑的直流電壓。直流電壓為三項(xiàng)進(jìn)線電壓的1.35倍。

逆變器輸出端接有輸出電抗器。主變頻器實(shí)際輸出的電壓有效值是以下參數(shù)的函數(shù)：

1.主電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的實(shí)際扭矩（根據(jù)實(shí)際工作扭矩調(diào)節(jié)主變頻器輸出的電壓有效值）。

2.主電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的實(shí)際轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速是頻率的函數(shù)，而主變頻器輸出的電壓有效值與頻率相關(guān)）。

這種調(diào)速方式與傳統(tǒng)的“V/F定值”的調(diào)速方式不同，可以使主電機(jī)工作時(shí)有較大的功率因數(shù)，可以最大限度地發(fā)揮主電機(jī)的效能，同時(shí)主變頻器輸出的實(shí)際電流也比較小。

動(dòng)力制動(dòng)模塊實(shí)際上是一個(gè)泵升電壓抑制裝置，在鉆具堵轉(zhuǎn)以后快速將手輪往零位回轉(zhuǎn)時(shí)，鉆具會(huì)帶著主電機(jī)快速反轉(zhuǎn);主電機(jī)就會(huì)作為異步發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)通過主變頻器IGBT上反并聯(lián)的二極管向母線上的濾波電容器充電，使電容器的電壓升高，而整流器又不具備逆變功能，不能將能量回饋到交流電源系統(tǒng)，所以電容器的電壓就可能升高到一個(gè)不允許的值。當(dāng)電容器的電壓升高到一個(gè)閥值時(shí)，動(dòng)力制動(dòng)模塊就會(huì)控制內(nèi)部的IGBT導(dǎo)通，通過制動(dòng)電阻放電，使得電容器的電壓升高被抑制。當(dāng)電容器的電壓降低到一個(gè)閥值時(shí)，動(dòng)力制動(dòng)模塊就會(huì)控制內(nèi)部的IGBT關(guān)斷，停止放電，直流母線恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

第二章：常見故障

西門子變頻器在使用過程中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)各種錯(cuò)誤代碼，最常見的有以下幾項(xiàng)：

1.F006：母線過電壓，可能由如下原因造成：

A.交流系統(tǒng)輸入過電壓，鉆井隊(duì)的井場(chǎng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，有很大的負(fù)荷突然跳閘，造成電力系統(tǒng)電壓過沖，由于整流單元不能快速反應(yīng)，直流母線過電壓。這種情況很少發(fā)生，因?yàn)槟妇€過電壓的閥值為1026VDC，整流單元要輸出這么高的電壓，交流輸入電壓需要高達(dá)700V以上。

B.在鉆井過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的情況，這時(shí)如果司鉆在沒有選用“自動(dòng)剎車”功能的情況下將調(diào)速手輪打回零位，鉆具就會(huì)帶著頂驅(qū)系統(tǒng)的主電機(jī)反轉(zhuǎn)，尤其是在井很深、鉆井扭矩也比較大的時(shí)候，主電機(jī)的反轉(zhuǎn)速度會(huì)很快，反轉(zhuǎn)的時(shí)間也會(huì)比較長(zhǎng)。頂驅(qū)的主電機(jī)是異步電機(jī)，通過變頻器IGBT上反向并聯(lián)的二極管接向直流母線的電容，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就是一臺(tái)異步發(fā)電機(jī)。主電機(jī)在反轉(zhuǎn)過程中會(huì)通過變頻器IGBT上反向并聯(lián)的二極管給直流母線的電容充電，使直流母線的電壓升高。雖然系統(tǒng)配備有動(dòng)力制動(dòng)模塊，在母線電壓超過967V時(shí)會(huì)自動(dòng)接通制動(dòng)電阻，通過制動(dòng)電阻放電來促使母線電壓下降;但是，制動(dòng)電阻的放電電流是有限的（制動(dòng)電阻的阻值為3.1Ω，而且通電時(shí)間越長(zhǎng)、溫度越高，阻值還會(huì)越大），制動(dòng)電阻還有溫度傳感器，當(dāng)溫度超過一定值的時(shí)候就會(huì)使變頻器關(guān)閉;當(dāng)主電機(jī)的充電電流超過制動(dòng)電阻的放電電流時(shí)，直流母線電壓就會(huì)不斷升高，達(dá)到1026V時(shí)就發(fā)生了F006故障;這時(shí)雖然變頻器會(huì)停止驅(qū)動(dòng)IGBT，但是并不能阻止主電機(jī)通過IGBT上反向并聯(lián)的二極管給直流母線的電容充電，萬一此時(shí)動(dòng)力制動(dòng)模塊或者制動(dòng)電阻也發(fā)生故障，則后果不堪設(shè)想。因此，出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的時(shí)候應(yīng)該避免錯(cuò)誤的操作。正確的操作是：在堵轉(zhuǎn)的情況下上提、下放鉆具，在鉆具解除卡鉆以后頂驅(qū)就會(huì)恢復(fù)旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)定的鉆井扭矩一般情況下都比主電機(jī)所能提供的最大扭矩小得多，在堵轉(zhuǎn)時(shí)主電機(jī)的電流并沒有超過電機(jī)的允許值，所以堵轉(zhuǎn)并不會(huì)給主電機(jī)造成損害。當(dāng)然，在發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，使用“剎車”功能也可以使鉆具緩慢地回轉(zhuǎn)，使鉆具恢復(fù)不承受扭矩的狀態(tài)。

2.F008：欠電壓故障。發(fā)生欠電壓故障很多時(shí)候都是由于鉆井隊(duì)為了追求最佳經(jīng)濟(jì)性能，電力系統(tǒng)的負(fù)荷率很高，在突然增加新的大負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)電壓下降太多，造成頂驅(qū)系統(tǒng)輸入交流電壓太低導(dǎo)致欠電壓故障。發(fā)生此類故障時(shí)應(yīng)該積極與鉆井隊(duì)方面交涉，避免重復(fù)發(fā)生。

3.F023：變頻器超過極限溫度。發(fā)生F023后首先檢查頂驅(qū)電控房的環(huán)境溫度是否超過40攝氏度，電控房的空調(diào)制冷系統(tǒng)是否正常;檢查變頻器r949參數(shù)，r949=1 變頻器超溫，r949=2 變頻器內(nèi)的溫度傳感器故障或者線路損壞。

A.檢查r949=1，檢查變頻器風(fēng)扇是否工作正常及進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口是否堵塞

B.檢查r949=2，檢查溫度傳感器及其電路。

4.F025、F026、F027：F025為L(zhǎng)1相存在UCE關(guān)機(jī)，F(xiàn)026為L(zhǎng)2相存在UCE關(guān)機(jī)，F(xiàn)027為L(zhǎng)3相存在UCE關(guān)機(jī).三種故障的處理方法是一樣的。處理方法如下：

A.檢查主電機(jī)及電纜是否存在短路

B.檢查IGBT觸發(fā)板

C.檢查IGBT

D.檢查CUVC板及觸發(fā)光纖

5.F035：系統(tǒng)外部故障，特指動(dòng)力制動(dòng)模塊故障。

動(dòng)力制動(dòng)模塊的原理如圖所示，實(shí)際上是一個(gè)大電流的開關(guān)，內(nèi)部由并聯(lián)的IGBT和控制IGBT進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作的電路板（圖上沒有表示出來）組成。動(dòng)力制動(dòng)模塊的失效一般表現(xiàn)為“D/-”接線端子與“H”接線端子直通了，在出現(xiàn)F035時(shí)一定要對(duì)這兩個(gè)接線端子進(jìn)行測(cè)量，判斷動(dòng)力制動(dòng)模塊是否完好。

只有在一種特別情況下可以采取臨時(shí)措施將“-X38”的“4”和“5”短接起來進(jìn)行試驗(yàn)，那就是將動(dòng)力制動(dòng)模塊的蓋板打開以后進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)IGBT和電路板確實(shí)確實(shí)完好無損，僅僅是保護(hù)開關(guān)的觸點(diǎn)損壞了。即使是這種情況，也必須對(duì)動(dòng)力制動(dòng)模塊盡快進(jìn)行修復(fù)，或更換新的動(dòng)力制動(dòng)模塊，保證動(dòng)力制動(dòng)模塊的功能正確無誤。因?yàn)閷ⅰ?X38”的“4”和“5”短接起來以后，逆變器的CUVC板不能根據(jù)保護(hù)開關(guān)的狀態(tài)來控制CBM主開關(guān)的跳閘，而是將動(dòng)力制動(dòng)模塊判斷為工作正常。這將是一個(gè)很大的隱患。

動(dòng)力制動(dòng)模上面的四個(gè)指示燈分別是：

1）CURRENT：電流

2）LOAD：加載

3）TEMP：溫度

4）READY：就緒

5）RESET：復(fù)位

動(dòng)力制動(dòng)模塊的參數(shù)為：

1）導(dǎo)通電壓：967VDC/841VDC

2）母線額定電壓：780VDC/675VDC

3）外接電阻：3.1Ω

4）連續(xù)電流：128A

5）最大電流：312A

結(jié)語(yǔ)：

上文對(duì)天意頂驅(qū)電控系統(tǒng)中的西門子6SE71系列變頻器常見故障進(jìn)行了分析與描述，為現(xiàn)場(chǎng)頂驅(qū)工程師提供借鑒與參考，文中不盡之處請(qǐng)專家、學(xué)者、同業(yè)人員提出寶貴意見。