趙曉凱，汪國(guó)欣

1 變頻調(diào)速柜在石油鉆井行業(yè)中的應(yīng)用

在石油鉆井行業(yè)中，目前世界主流鉆機(jī)都是交流變頻鉆機(jī)。該型鉆機(jī)具有可控性強(qiáng)、調(diào)速性能好、調(diào)速范圍寬、防爆性能高、維護(hù)成本低、設(shè)備簡(jiǎn)潔、搬遷安裝快捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。交流變頻鉆機(jī)系統(tǒng)中的絞車、泥漿泵、自動(dòng)送鉆裝置、轉(zhuǎn)盤及頂驅(qū)等設(shè)備大都使用變頻調(diào)速柜。以7000米變頻鉆機(jī)為例，一部鉆機(jī)可使用9至12臺(tái)變頻調(diào)速柜。其主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)絞車、泥漿泵、頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤優(yōu)異的調(diào)速功能，并能實(shí)現(xiàn)絞車的動(dòng)力剎車、懸停和自動(dòng)送鉆功能。

（2）具有現(xiàn)場(chǎng)串行通信功能，其與PLC結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，且具有抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

（3）相對(duì)于直流電機(jī)而言，因其所驅(qū)動(dòng)的是交流異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電火花，容易達(dá)到防爆的要求，且無需考慮碳刷的磨損和檢查。

（4）由于所有的負(fù)載都是用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，整套鉆機(jī)只需要發(fā)電機(jī)提供電力，將電力經(jīng)過變頻調(diào)速柜變頻變壓或者通過繼電控制后即可由電纜將動(dòng)力傳輸給現(xiàn)場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。使用柔性的電纜和免維護(hù)的三相異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)，能省去機(jī)械鉆機(jī)中大量使用的傳動(dòng)軸、傳動(dòng)箱和鏈條，能夠提高設(shè)備的可靠性，傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果明顯，并且降低了設(shè)備的維護(hù)成本，減小了動(dòng)力傳動(dòng)環(huán)節(jié)的體積和重量，使得設(shè)備簡(jiǎn)潔，易于搬遷和安裝。

（5）由于沒有機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，所以不存在漏油現(xiàn)象，因而更環(huán)保，因沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因而更安全。

2 變頻調(diào)速柜燒毀的現(xiàn)象和損失

雖然變頻鉆機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，變頻調(diào)速柜在主流鉆機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用，但由于變頻調(diào)速柜的技術(shù)含量高，電子元件集成度高，大量電器元件工作在高電壓大電流狀態(tài)下，因而對(duì)環(huán)境溫度、濕度和海拔的要求比較高，所以在野外工作中出現(xiàn)故障的概率也較大，甚至?xí)?dǎo)致變頻調(diào)速柜燒毀的惡性故障發(fā)生。筆者曾多次發(fā)現(xiàn)6SE7034-5HK60-Z變頻調(diào)速柜被燒毀的惡性故障，比較典型。筆者對(duì)該型號(hào)被燒毀后的變頻調(diào)速柜進(jìn)行了徹底的檢查，發(fā)現(xiàn)整流門觸發(fā)/預(yù)充電路板6SE7038-6GL84-1HJ1上的預(yù)充三相整流橋爆裂，整流橋上的鋁制散熱片炸飛，而且電路板的正反面都有嚴(yán)重的閃弧痕跡，如圖1所示。另外，還發(fā)現(xiàn)IVI板6ES7038-6GL84-1BG2、CUVC板6SE7090-0XX84-0AB0、逆變門驅(qū)動(dòng)板6SE7034-5HK84-1JC0上都有元器件爆裂或者冒煙的痕跡，IGBT有炸裂的痕跡，預(yù)充電阻因經(jīng)受過高溫外表顏色已經(jīng)變白。發(fā)生這種故障，變頻調(diào)速柜中幾乎所有的電氣元器件全部損壞，導(dǎo)致整臺(tái)變頻調(diào)速柜徹底報(bào)廢，損失至少200萬元人民幣。

圖1 整流門觸發(fā)/預(yù)充電路板

3 變頻調(diào)速柜燒毀的原因分析

首先，我們分析一下這個(gè)變頻調(diào)速柜6SE7034-5HK60-Z的整流門觸發(fā)/預(yù)充電路工作原理，如圖2所示。從圖上可以看出，這個(gè)變頻調(diào)速柜的預(yù)充電路和整流電路是并聯(lián)的，在給變頻調(diào)速柜送電后，門觸發(fā)電路還沒有得到觸發(fā)可控硅的指令，所以可控硅不工作，600V的三相交流電通過預(yù)充整流橋整流后經(jīng)過兩個(gè)限流電阻給直流母線充電到810V。當(dāng)變頻調(diào)速柜得到工作指令后，600V的三相交流電經(jīng)過六個(gè)可控硅整流，然后給直流母線提供逆變所用的強(qiáng)大的電機(jī)電流，此時(shí)預(yù)充電路幾乎不會(huì)給直流母線提供電流。

由于預(yù)充電路的作用只是給直流母線電容預(yù)充電，所以整流橋的工作電流比較小，印刷電路板上銅箔的電流流通能力也非常有限，整體容量設(shè)計(jì)得非常小。

圖2 整流門觸發(fā)/預(yù)充電路

以上是6SE7034-5HK60-Z變頻調(diào)速柜正常工作情況下的整流和預(yù)充工作原理。但是當(dāng)可控硅整流電路不能正常工作時(shí)，直流母線的電壓勢(shì)必然會(huì)下降很多。這時(shí)與之并聯(lián)的預(yù)充電路就會(huì)自動(dòng)給直流母線供電，預(yù)充電路給電動(dòng)機(jī)提供工作電流。容量有限的預(yù)充電路勢(shì)必要嚴(yán)重過流，迅速發(fā)熱，導(dǎo)致預(yù)充整流橋爆裂閃弧。三相交流電在整流橋內(nèi)通過電弧發(fā)生短路，載流能力很小的印刷電路板上的銅箔熔斷拉弧。由于在整流門觸發(fā)/預(yù)充電路板6SE7038-6GL84-1HJ1上強(qiáng)電部分和弱電部分在空間上離得很近，這電弧很容易覆蓋到弱電部分。一旦高壓電弧覆蓋到了弱電部分，那么這高壓電就會(huì)進(jìn)入到控制部分的直流供電電路。由于直流供電電路連接了各個(gè)控制部分，因此與直流供電電路相連的整流門觸發(fā)板、IVI板、CUVC板、逆變門觸發(fā)板、PSU2板、通訊板CBP2等所有的電路板都會(huì)竄入高壓電，這必然會(huì)造成這些控制電路板被損壞。更為糟糕的是，逆變門觸發(fā)板連接的是價(jià)格昂貴的IGBT，一旦逆變門觸發(fā)板串入高壓電，就會(huì)造成門觸發(fā)板損壞和IGBT錯(cuò)誤導(dǎo)通，并致使直流母線經(jīng)過錯(cuò)誤導(dǎo)通的IGBT而短路，從而造成IGBT爆裂。

經(jīng)筆者多年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工作在高電壓大電流環(huán)境下的電氣元器件往往都比較容易出現(xiàn)故障。變頻調(diào)速柜中的六個(gè)可控硅就是這樣的元器件，它們長(zhǎng)期承受著高電壓、大電流的沖擊，很容易導(dǎo)致工作性能不穩(wěn)定甚至損壞，且可控硅的觸發(fā)電路發(fā)生故障也會(huì)導(dǎo)致可控硅整流失效，因此，可控硅整流電路出現(xiàn)故障的概率比較大。在這種變頻調(diào)速柜中，一旦直流母線電壓因?yàn)榭煽毓枵麟娐烦霈F(xiàn)故障而降低，那么預(yù)充電路就會(huì)自動(dòng)向直流母線充電，導(dǎo)致上述故障發(fā)生。

在功能上，整流門觸發(fā)電路和預(yù)充電路是完全兩個(gè)互不相干的獨(dú)立功能的電路。通過實(shí)際觀察可以發(fā)現(xiàn)，整流門觸發(fā)電路和預(yù)充電路是完全獨(dú)立的兩個(gè)電路，沒有任何的電氣連接，如圖3所示。

圖3 整流門觸發(fā)電路和預(yù)充電路板

經(jīng)過以上分析，我們認(rèn)為變頻調(diào)速柜燒毀的根本原因是整流門觸發(fā)/預(yù)充電路板6SE7038-6GL84-1HJ1設(shè)計(jì)不合理，該電路板上既集成了600V交流強(qiáng)電、810V直流強(qiáng)電，又集成了控制用的弱電，強(qiáng)電和弱電之間沒有有效的空間隔離，而且在直流母線電壓充滿后不能自動(dòng)切斷預(yù)充電路的電源供應(yīng)，無法對(duì)預(yù)充電路進(jìn)行安全保護(hù)。

4 變頻調(diào)速柜燒毀問題的解決方案

通過以上分析，我們從兩個(gè)方面對(duì)預(yù)充電路進(jìn)行了改進(jìn)。

一是將整流/預(yù)充板上的預(yù)充整流橋和電容用電烙鐵取下來，使得該電路板只保留使用弱電供電的可控硅整流觸發(fā)電路。將取下來的預(yù)充整流橋和電容集中裝到一個(gè)封閉的小金屬盒內(nèi)，固定在變頻調(diào)速柜內(nèi)離弱電部分較遠(yuǎn)的位置，充分做好殼體接地。然后用阻燃導(dǎo)線將600V三相交流電引入，再用阻燃導(dǎo)線將整流后的正、負(fù)極接到各自對(duì)應(yīng)的預(yù)充電限流電阻上。這樣即便發(fā)生閃弧，也不會(huì)對(duì)低壓部分造成影響。

二是在原來預(yù)充電路的基礎(chǔ)上，將預(yù)充整流橋通過一個(gè)交流接觸器KM4連接到變頻調(diào)速柜主電源開關(guān)的入線側(cè)，如圖4所示。在變頻調(diào)速器中將參數(shù)P654設(shè)置為B124，這樣就使得變頻調(diào)速柜檢測(cè)到直流母線充電完成后，產(chǎn)生的主開關(guān)合閘指令B124從CUVC板X101的6端子輸出。圖中時(shí)間繼電器KM3選用RELECO品牌的時(shí)間繼電器模塊，型號(hào)是CT2-W30/L，當(dāng)時(shí)間繼電器的線圈得電后，它的常開觸點(diǎn)立即閉合，然后延時(shí)T秒鐘斷開。為了確保主開關(guān)能夠閉合，我們?cè)O(shè)置KM3的常開觸點(diǎn)為閉合1秒鐘后斷開。圖中中間繼電器KM2用于切換和自鎖，預(yù)充/合閘開關(guān)是自鎖位開關(guān)。當(dāng)預(yù)充/合閘開關(guān)閉合后，KM1得電，KM4得電，預(yù)充回路接通，開始給直流母線充電。當(dāng)變頻調(diào)速柜檢測(cè)到直流母線電壓升高到允許合閘的電壓值時(shí)，CUVC板X101的6端子輸出一個(gè)24V信號(hào)，KM2閉合，KM1斷開，KM4斷開，預(yù)充電回路切斷。時(shí)間繼電器KM3得電，給變頻調(diào)速柜主電源開關(guān)的合閘線圈一個(gè)1秒鐘的合閘脈沖信號(hào)，變頻調(diào)速柜主動(dòng)力回路接通，變頻調(diào)速柜開始工作。同時(shí)，KM2依靠自身的常開觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自鎖，當(dāng)可控硅或者觸發(fā)電路出現(xiàn)故障導(dǎo)致直流母線電壓過低、變頻調(diào)速柜主電源開關(guān)跳閘或者600V電源失電又得電后，為了保護(hù)，預(yù)充電回路不會(huì)自動(dòng)接通給直流母線充電，直到操作者確認(rèn)和排除故障后，將預(yù)充/合閘開關(guān)斷開，然后重新閉合，預(yù)充電回路才會(huì)再次給直流母線充電，變頻調(diào)速柜才能工作。

圖4 改造后的電氣原理圖

5 結(jié)束語

通過我們對(duì)變頻調(diào)速柜6SE7034-5HK60-Z發(fā)生燒毀現(xiàn)象的深入分析，找出了燒毀的原因，制定了解決的方案，從根本上解決了此類變頻調(diào)速柜燒毀的問題。另外，筆者還發(fā)現(xiàn)其他型號(hào)的變頻調(diào)速柜也存在此類問題，如6SE7031-0EE60-Z變頻調(diào)速柜，以及目前流行的G150變頻調(diào)速柜等，對(duì)于這些變頻調(diào)速柜，本文也有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］Siemens Electrical Drives Ltd..6SE7085-0QX60（AE 版）-Simovert Masterdrives矢量控制使用大全［M］.2003.

［2］Timecube CT2，CT3 8-and 11-pin.http：//www.relecorelays.net/en/Time-cube-CT2-CT3.pdf.