高壓變頻器功率單元常見故障分析與維修

康光彩 杜明明 顧如艷

摘要：高壓變頻器在我國(guó)的電力能源、石油化工等行業(yè)得到了大力應(yīng)用，極大的促進(jìn)了這些行業(yè)生產(chǎn)效率的提高。但是高壓變頻器在使用過程中，很容易出現(xiàn)各種的故障問題，比如出現(xiàn)過電壓故障、熔斷器故障等，影響著生產(chǎn)工作的正常開展，對(duì)這些故障的維修還需要花費(fèi)極大的維修費(fèi)用，不利于經(jīng)濟(jì)效益的提高。因此，為了解決高壓變頻器常見的故障問題、提高經(jīng)濟(jì)效益，就必須要對(duì)高壓變頻器常見的故障問題進(jìn)行分析總結(jié)，確保這些故障問題能夠得到有效預(yù)防和解決。本文分析了高壓變頻器功率單元常見的故障問題和維修措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器;功率單元;常見故障分析;維修

1.油田高壓變頻器使用概況

在我國(guó)的油田生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用了高壓變頻器，不僅利用高壓變頻器對(duì)天然氣等進(jìn)行壓縮，還利用高壓變頻器進(jìn)行原油的輸送。我油田煤層氣近幾年給螺桿泵壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)共安裝了16套高壓變頻系統(tǒng)，極大地提高了煤層氣壓縮機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性。高壓變頻器美中不足的是由于受大功率開關(guān)元件IGBT的耐壓這一主要技術(shù)參數(shù)的影響，逆變工作無法直接的實(shí)現(xiàn)，所以當(dāng)前應(yīng)用的高壓變頻器大多是以單元串聯(lián)脈寬調(diào)制疊波升壓作為輸出原理進(jìn)行工作，煤層氣壓縮機(jī)高壓變頻器就是基于此種原理。單元串聯(lián)式高壓變頻器的核心部件是功率單元，這種功率單元也是承受高電壓大電流沖擊的部件，是該類型變頻器的主要易損件之一。對(duì)相應(yīng)的故障在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行正確及時(shí)地維修處理，將會(huì)極大減少因設(shè)備故障影響生產(chǎn)的時(shí)間，有利于保障油田安全生產(chǎn)，提高油田生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.高壓變頻器功率單元常見故障問題分析與維修

2.1功率單元常見輕故障分析與維修

在日常使用中，高壓變頻器往往會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)頻繁出現(xiàn)熔斷器故障、過電壓故障、光纖故障等故障問題。

2.1.1熔斷器故障問題的分析與維修

當(dāng)控制界面上顯示熔斷器出現(xiàn)故障時(shí)，工作人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)對(duì)應(yīng)的單元號(hào)來找到具體出現(xiàn)故障的熔斷器，針對(duì)對(duì)應(yīng)單元的兩只熔斷器，工作人員需要用萬用表進(jìn)行檢查，及時(shí)找到出現(xiàn)故障的熔斷器，并確定沒有其它元件損壞的情況下利用相同規(guī)格的熔斷器進(jìn)行更換。換完熔斷器后再進(jìn)行送電，觀察并確認(rèn)故障是否消除。如果仍然無法正常運(yùn)行，那么就需要更換高壓變頻器的功率單元。

2.1.2光纖故障與維修

出現(xiàn)光纖故障時(shí)，應(yīng)分不同情況進(jìn)行維修。常見光纖故障有以下3種情況：

（1）光纖本身故障：處理方式為更換光纖;

（2）功率單元故障導(dǎo)致的光纖故障報(bào)警：處理方式為更換對(duì)應(yīng)功率單元的熔斷器;

（3）光纖板發(fā)生故障：處理方式為對(duì)光纖板進(jìn)行更換。

2.1.3過電壓故障與維修

高壓變頻器在運(yùn)行過程中很容易出現(xiàn)過電壓的故障問題，針對(duì)過電壓故障問題，通常采取故障復(fù)位的措施就能夠進(jìn)行有效解決。

2.2功率單元常見重故障分析、維修

功率單元常見的重故障有過電壓無法復(fù)位、IGBT故障、驅(qū)動(dòng)板故障等。這些故障表現(xiàn)在日常維護(hù)上具有突發(fā)性、現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)間長(zhǎng)或不易維修等特點(diǎn)，很難通過維護(hù)保養(yǎng)等常規(guī)方式解決，只能更換備用功率單元恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行。要想解決這些故障問題，必須要以功率單元的具體工作原理為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，并找到措施進(jìn)行有效維修。

2.2.1 IGBT重故障

如果更換了熔斷器后熔斷器仍然出現(xiàn)熔斷問題，那么這就表明高壓變頻器出現(xiàn)了IGBT重故障。IGBT出現(xiàn)擊穿、高壓變頻器在運(yùn)行過程中頻繁送電等都會(huì)導(dǎo)致IGBT重故障的發(fā)生。對(duì)于IGBT的擊穿往往能夠直觀的發(fā)現(xiàn)，但是在通常情況下，很難直接地從外觀上對(duì)IGBT的故障點(diǎn)進(jìn)行判斷。在不具備試驗(yàn)條件的情況下，常規(guī)判斷IGBT模塊是否正常的方法如下：

（1）判斷極性。工作人員需要利用萬用表來對(duì)IGBT進(jìn)行檢查，先將萬用表撥到R×1K擋來對(duì)IGBT的兩極進(jìn)行測(cè)量，如果測(cè)得某一極和其他兩極間的阻值無窮大，并且調(diào)換萬用表測(cè)量后阻值仍然是無窮大，那么就能對(duì)該極的極性進(jìn)行判斷，即為柵極。判斷出柵極后再用萬用表測(cè)量其他兩極，如果其他兩極間的阻值第一次測(cè)得是無窮大，調(diào)換萬用表再次測(cè)量后阻值變小，那么就根據(jù)阻值變小的這一次測(cè)量進(jìn)行判斷，黑表筆連接的是發(fā)射極，紅表筆接的是集電極。

（2）判斷好壞。工作人員在判斷出IGBT各極的極性后，就需要對(duì)IGBT的好壞進(jìn)行判斷。首先把萬用表撥在R×10K檔，萬用表的紅表筆接到IGBT的發(fā)射極，黑表筆接到集電極，接好后萬用表的指針是歸零的。工作人員同時(shí)觸碰IGBT的集電極和柵極來觸發(fā)導(dǎo)通IGBT，如果萬用表的指針朝阻值較小的方向擺動(dòng)，并能停留在某一刻度的話，工作人員再同時(shí)觸碰IGBT的發(fā)射極和柵極來阻斷IGBT，此時(shí)萬用表的指針如果回到零點(diǎn)，那么檢查的IGBT就沒有故障問題。

2.2.2驅(qū)動(dòng)板常見故障分析與維修

如果驅(qū)動(dòng)板在運(yùn)行過程中無法輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，那么就表明驅(qū)動(dòng)板出現(xiàn)了故障問題。驅(qū)動(dòng)板故障問題通常是由于IGBT柵極被擊穿而導(dǎo)致的，IGBT柵極被擊穿時(shí)，相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路中的穩(wěn)壓管也會(huì)被擊穿毀壞，或在嚴(yán)重的情況下?lián)p壞整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。常見典型驅(qū)動(dòng)電路如圖 1 所示。

正常情況下，檢測(cè)該電路電阻RG處觸發(fā)電平為9.5V，使用示波器檢測(cè)波形（如下圖 2）則為驅(qū)動(dòng)電路正常，反之則應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)維修。

2.2.3過電壓故障分析與維修

如果高壓變頻器在控制面板上顯示過電壓故障，并且工作人員開展故障復(fù)位工作后高壓變頻器仍然無法恢復(fù)運(yùn)行，這時(shí)就需要考慮是否是功率單元的電壓檢測(cè)電路出現(xiàn)故障，需在現(xiàn)場(chǎng)更換備用功率單元先恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行。對(duì)于換下來的故障功率單元，需要對(duì)其電壓檢測(cè)電路進(jìn)行檢查，觀察是由哪一部分發(fā)生問題而導(dǎo)致功率單元出現(xiàn)故障。

導(dǎo)致過電壓故障問題的發(fā)生原因主要有以下兩點(diǎn)，一是電壓檢測(cè)電路故障。常見降壓及電壓檢測(cè)傳感器電路如下圖3。

依照?qǐng)D3進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)通常情況下降壓電阻不會(huì)出現(xiàn)故障，故障率較高的為電壓傳感器 （LV25-P）， 故障后可直接進(jìn)行更換。

二是三運(yùn)算放大器及其外圍電路故障。當(dāng)前高壓變頻器中主要采用的是AD620三運(yùn)算放大器，這種三運(yùn)算放大器容易由于自身出現(xiàn)故障問題而誤報(bào)過電壓。此外放大器外部的增益控制電阻阻值如果發(fā)生變化，會(huì)引起相應(yīng)輸出增益的變化，最終導(dǎo)致電壓檢測(cè)電路誤報(bào)過電壓。正常情況下，更換相應(yīng)元件可以恢復(fù)正常使用。

結(jié)論

高壓變頻器功率單元的維修工作成本很低，但是卻能取得極高的收益。購(gòu)置相對(duì)廉價(jià)的電子元件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修，能夠現(xiàn)場(chǎng)解決設(shè)備故障的同時(shí)，每年可節(jié)約數(shù)萬元返廠維修費(fèi)用。從事高壓變頻器功率單元維修功的工作人員必須要有豐富的經(jīng)驗(yàn)和充實(shí)的理論知識(shí)。在現(xiàn)場(chǎng)維修后應(yīng)進(jìn)行通電試驗(yàn)，為確保試驗(yàn)安全，建議先進(jìn)行低電壓導(dǎo)通試驗(yàn)，正常后再進(jìn)行上機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)。

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