李毅峰，蔣 科，李寶輝，王海霞，楊明浩，金 朝，徐 艷，王 紅，張立輝，楊景慧

（空軍特色醫(yī)學(xué)中心，北京 100142）

0 引言

載人離心機(jī)是航空航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域唯一能夠在地面逼真模擬各種機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)作的裝備，能夠使受試者真切地感受到飛行對(duì)人體生理、心理的影響。它能提供較大的瞬時(shí)加速度，成為現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)飛行員訓(xùn)練不可缺少的設(shè)備。我中心現(xiàn)使用的載人離心機(jī)是目前國(guó)內(nèi)唯一的一臺(tái)在用載人離心機(jī)，由原空軍航空醫(yī)學(xué)研究所從奧地利AMST公司引進(jìn)，于2005年交付使用[1-3]。載人離心機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)七大系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是其中最重要的一部分，它產(chǎn)生離心機(jī)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)大旋轉(zhuǎn)動(dòng)力[4-6]。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：（1）主驅(qū)動(dòng)，即同步電動(dòng)機(jī)，包括轉(zhuǎn)子、定子、繞組、主驅(qū)動(dòng)架、潤(rùn)滑系統(tǒng)等；（2）變頻器柜，即中壓驅(qū)動(dòng)，主要包括整流單元（active rectifier unit，ARU）、電容器組單元（capacitor bank unit，CBU）、勵(lì)磁單元（excitation unit，EXU）等9個(gè)部分；（3）主驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。變頻器柜是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為重要和核心的部分。目前，我中心的載人離心機(jī)使用的變頻器柜為ACS6000，功率范圍為3~27 MVA，輸出頻率為0~75 Hz。該變頻器柜具有嚴(yán)格的安全防護(hù)措施和完備的保護(hù)功能，以防止危險(xiǎn)操作對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造成損壞、對(duì)人員造成損傷。變頻器柜的調(diào)試是載人離心機(jī)建設(shè)期間整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試中難度最大、花費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)的一部分。變頻器柜根據(jù)用途及功能的不同，其結(jié)構(gòu)等各方面差別也很大，一般會(huì)根據(jù)具體要求訂制，它可以使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，具有較高的調(diào)試精度，有的還具有較好的節(jié)能效果，所以具有良好的應(yīng)用前景。本文主要介紹變頻器柜的基本結(jié)構(gòu)、典型故障原因分析及維修思路，為ACS6000的日常維護(hù)和維修提供方法和思路。

1 ACS6000的基本結(jié)構(gòu)

變頻器柜是離心機(jī)系統(tǒng)控制中的核心部分，作為離心機(jī)的一個(gè)子系統(tǒng)，當(dāng)ACS6000的任何一個(gè)部分出現(xiàn)故障，都會(huì)在離心機(jī)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中給出一個(gè)“From ABB：failure main drive”的報(bào)警提示。離心機(jī)系統(tǒng)中專門設(shè)立了技術(shù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單元，即TSMU，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離心機(jī)的整體及各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行情況[7-8]，工程人員看到后，會(huì)快速定位到變頻器ACS6000系統(tǒng)，繼而再根據(jù)變頻器柜面板的報(bào)警提示，定位故障來(lái)自于變頻器柜的哪一部分，查找故障原因并提出解決辦法。

ACS6000主要包括以下幾個(gè)模塊：（1）ARU，它控制著電網(wǎng)流向直流回路的能量流，使其穩(wěn)定且平整，無(wú)論供電的電網(wǎng)電壓如何波動(dòng)，直流回路電壓都保持恒定。（2）逆變器單元（inverter unit，INU），它將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電動(dòng)機(jī)電壓。INU的布局和配備與ARU基本相同。（3）CBU，它用來(lái)平滑中間的直流回路電壓，并使整流器和逆變器去耦。（4）終端單元（terminal unit，TEU），主電源和電動(dòng)機(jī)電源的電纜連接在TEU中。（5）控制單元（control unit，COU），COU實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器控制、監(jiān)控和保護(hù)功能。（6）水冷單元（water cooling unit，WCU），它向主要?jiǎng)恿Σ考峁├鋮s水，將熱量傳遞給外部水回路，并持續(xù)凈化冷卻水。（7）輸入濾波單元（input filter unit，IFU），它是位于換流變壓器和ARU之間的調(diào)諧濾波器，用來(lái)降低注入供電網(wǎng)絡(luò)的諧波電壓。（8）限壓裝置（voltage limiter unit，VLU），在過(guò)壓情況下，它可將DC鏈路電容動(dòng)態(tài)放電至正常水平。（9）EXU，用于同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁。圖1為ACS6000的主要結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 載人離心機(jī)ACS6000的主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 ACS6000故障分析及維修

ACS6000的控制面板可以顯示各種參數(shù)，如實(shí)時(shí)信號(hào)的電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)信號(hào)的變壓器數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)信號(hào)的速度及轉(zhuǎn)矩參考值、各種限值、啟動(dòng)數(shù)據(jù)等，發(fā)生故障時(shí)，故障信息會(huì)通過(guò)控制面板顯示出來(lái)。主驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)將可顯示的參數(shù)根據(jù)類別分為Group 01到Group 99，共99組，故障信息設(shè)置在Group 09 FAULT&ALARMWORDS中。故障信息大致分為35個(gè)目錄index，每一個(gè)index中包含B0到B15共16種故障信息，沒(méi)有用到的留空。WCU是ACS6000出現(xiàn)問(wèn)題最多的部分，也是維修次數(shù)最多的部分，現(xiàn)對(duì)1例WCU常見(jiàn)故障的分析和排除過(guò)程進(jìn)行介紹，以供同行參考。

2.1 故障現(xiàn)象

離心機(jī)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后無(wú)法啟動(dòng)運(yùn)行，在系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測(cè)單元的界面上出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，查看報(bào)警信號(hào)的Alarm list界面，顯示“From ABB：failure main drive”（來(lái)源于ABB：主驅(qū)動(dòng)故障）的報(bào)警信息。

2.2 故障原因分析

根據(jù)報(bào)警信息可將故障定位到ABB 的變頻器柜ACS6000。查看位于地下一層的變頻器柜COU柜子上的控制面板，根據(jù)目錄仔細(xì)查看Group 09 FAULT&ALARM WORDS中的各參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在INDEX33中出現(xiàn)“WaterInpPressLow”的報(bào)警信息，由此確定該故障是由水冷系統(tǒng)內(nèi)部水壓低引起的。一般情況下冷卻水內(nèi)部進(jìn)水壓低于20 kPa系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警。造成水壓低的原因如下：

（1）水冷系統(tǒng)漏水。漏水可能來(lái)自兩方面：①管路漏水。由于水冷系統(tǒng)是為整個(gè)變頻器柜冷卻的，所以需檢查變頻器各個(gè)柜子里的水冷系統(tǒng)管路，尤其是水管各個(gè)彎頭和接頭處是否漏水，如果發(fā)現(xiàn)漏水，應(yīng)對(duì)漏水部分及時(shí)維修，加強(qiáng)密封。這類故障應(yīng)盡早處理，以防漏水對(duì)部件造成腐蝕和損傷。②冷卻泵自身存在漏水情況，這種情況一般發(fā)生在泵運(yùn)行過(guò)程中。冷卻泵位于WCU中，需打開(kāi)WCU柜，檢查冷卻泵的情況，較常見(jiàn)的是泵上的密封圈受損，有時(shí)密封圈較輕的和不可見(jiàn)的受損都會(huì)導(dǎo)致泵在運(yùn)行中不斷漏水。維修和更換密封圈后，運(yùn)行系統(tǒng)觀察泵是否漏水，如果依然漏水，說(shuō)明是泵自身受損，需將泵拆卸并更換。密封圈和泵的更換都需要在有合適備件的情況下才能完成。無(wú)論是管路還是泵的維修，都需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。（2）水里混入了空氣。水冷系統(tǒng)分布到變頻器柜的各個(gè)柜體，任何一個(gè)部分密封不嚴(yán)，或在給系統(tǒng)注水時(shí)密封不嚴(yán)，都會(huì)導(dǎo)致水里混入氣體。由于空氣比水受環(huán)境溫度影響大，即升溫時(shí)空氣膨脹的速度比水更快，導(dǎo)致混入氣體的水比單純水的水壓大，降溫時(shí)空氣縮減的速度比水更快，導(dǎo)致混入氣體的水比單純水的水壓小。因此，當(dāng)溫度迅速降低時(shí)，混有空氣的水壓比正常時(shí)的水壓要低。這種情況下，需要對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行排氣，為了防止補(bǔ)水中再次進(jìn)入氣體，一般先補(bǔ)水后排氣。可以通過(guò)系統(tǒng)的自排氣系統(tǒng)排氣，也可以通過(guò)管路上的排氣孔手動(dòng)排氣。通常采用手動(dòng)排氣方式。排氣孔設(shè)在管路上特定的位置，用扳手慢慢擰開(kāi)排氣孔上的螺栓，擰開(kāi)到一定程度時(shí)，氣體會(huì)不斷從排氣孔排出，并發(fā)出呲呲的聲音，當(dāng)聽(tīng)不到呲呲的聲音時(shí)，說(shuō)明水里的空氣基本排除干凈，這時(shí)將排氣孔螺栓擰緊即可。擰螺栓的力度要適中，力量太小，達(dá)不到排氣的效果，力量太大，管路內(nèi)的水在高壓的驅(qū)動(dòng)下會(huì)通過(guò)排氣孔快速涌出，澆濕排氣孔周圍的元件設(shè)備，影響電氣甚至整個(gè)設(shè)備的安全使用，嚴(yán)重的會(huì)使元器件和設(shè)備受損。排氣之后觀察水壓變化，如果依然低于壓力下限，就要繼續(xù)給水冷系統(tǒng)補(bǔ)充冷卻水。（3）測(cè)量水壓的壓力傳感器出現(xiàn)問(wèn)題。壓力傳感器受損會(huì)導(dǎo)致測(cè)出的壓力值出現(xiàn)誤差甚至錯(cuò)誤，此時(shí)需維修或更換傳感器。但是因壓力傳感器受損而出現(xiàn)系統(tǒng)誤報(bào)的概率相對(duì)較小，如果給水冷系統(tǒng)注水，傳感器顯示的壓力數(shù)值隨之不斷增高，通常情況下表明傳感器沒(méi)有問(wèn)題。

2.3 故障排除

無(wú)論是哪種原因造成的水壓低，最常見(jiàn)和最直接的解決方法是給水冷系統(tǒng)補(bǔ)充冷卻水。

具體操作過(guò)程：（1）查看冷卻水系統(tǒng)管路圖，找到各標(biāo)識(shí)（如泵Q5002、排氣閥V70、壓力表B5501等）；（2）關(guān)掉冷卻水系統(tǒng)的泵1、泵2的開(kāi)關(guān)Q5002和Q5003，并打開(kāi)各排氣閥V70、V71、V72和V73，以及流量計(jì)B5523旁邊的流量調(diào)節(jié)閥；（3）打開(kāi)補(bǔ)水閥V55，關(guān)閉水閥V50；（4）準(zhǔn)備好一大桶蒸餾水和一小桶蒸餾水，以及和補(bǔ)水閥V55相匹配的約2 m長(zhǎng)的水管，水管一頭安裝好接頭，管路中間連接1臺(tái)動(dòng)力泵；（5）使水管兩端口朝上，將小桶蒸餾水從水管兩端口倒入，使之充滿整個(gè)管路且略溢出，然后將管路一端快速插入大桶蒸餾水中，另一端通過(guò)接頭連接補(bǔ)水閥V55；（6）將準(zhǔn)備好的和動(dòng)力泵相匹配的電鉆與動(dòng)力泵連接，電鉆通電工作，帶動(dòng)動(dòng)力泵運(yùn)轉(zhuǎn)，將大桶中的蒸餾水通過(guò)補(bǔ)水閥V55持續(xù)地注入到冷卻水系統(tǒng)管路中，同時(shí)觀察壓力表B5501的數(shù)值，當(dāng)壓力顯示接近200 kPa時(shí)，停止注水；（7）關(guān)閉補(bǔ)水閥V55，打開(kāi)水閥V50；（8）將補(bǔ)水管路中的水清除后收回管路。

2.4 補(bǔ)水注意事項(xiàng)

（1）冷卻水的質(zhì)量需嚴(yán)格控制，否則可能達(dá)不到補(bǔ)水的效果。注入的水應(yīng)為去離子水或蒸餾水，至少應(yīng)達(dá)到可飲用的純凈水的純凈程度。本次故障補(bǔ)水中實(shí)際用的是蒸餾水。如果不使用去離子水或蒸餾水，去離子樹(shù)脂的有效壽命將大大縮短，同時(shí)因水中含有雜質(zhì)或礦物質(zhì)較多，注入的水本身離子濃度較高，注入系統(tǒng)后可能會(huì)增大水離子濃度即水離子傳導(dǎo)率，達(dá)到一定程度會(huì)引起“WaterConductHigh”的報(bào)警。一旦出現(xiàn)水離子濃度高的報(bào)警，需開(kāi)機(jī)運(yùn)行設(shè)備，花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間等待水離子濃度降低，延遲了設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的高水離子濃度會(huì)快速降低去離子罐的使用壽命。

（2）將管路注滿水后應(yīng)快速地將其一端插入大桶蒸餾水中，插入的速度要快，否則管路中很可能混入氣體或雜質(zhì)，從而注入到冷卻系統(tǒng)中，造成系統(tǒng)水離子濃度或水壓偏高。

（3）補(bǔ)水注入的速度要均勻且適度，注水速度不能太慢，否則注水過(guò)程中可能會(huì)引入氣體，使冷卻水的水壓升高，如果氣體過(guò)多，水壓升高到一定程度，也會(huì)引起系統(tǒng)的故障報(bào)警；速度也不能太快，否則會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損傷。系統(tǒng)要求的最大注水速度為15 L/min，若注水速度過(guò)快可能會(huì)超限引起報(bào)警，一般將注水速度控制在5 L/min即可。注水速度可以通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥B5523觀察到。

（4）注水過(guò)程中注意觀察進(jìn)水水壓。通過(guò)進(jìn)水壓力表B5502的讀數(shù)觀察進(jìn)水壓力，一般數(shù)值在150 kPa左右即可，最大壓力設(shè)置為200 kPa，超過(guò)最大限值系統(tǒng)將報(bào)警。

（5）注意通氣孔的方向，確定溢出的水不會(huì)對(duì)人、電動(dòng)機(jī)或其他的配件造成危害和損傷。

（6）注水前要關(guān)掉泵1和泵2的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，否則帶電操作會(huì)對(duì)水泵造成損傷。

2.5 小結(jié)

傳感器出現(xiàn)誤報(bào)的概率較低，一般引起水壓低的原因?yàn)橄到y(tǒng)漏水和進(jìn)氣，無(wú)論是管路或泵的維修更換，還是給系統(tǒng)排氣，都需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，且維修更換和排氣后一般仍需要給系統(tǒng)補(bǔ)水。因此當(dāng)水壓降低報(bào)警時(shí)，給冷卻系統(tǒng)補(bǔ)充冷卻水依然是目前解決這一問(wèn)題的較快捷和常見(jiàn)的應(yīng)對(duì)手段。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著飛行員改裝新機(jī)型的選拔任務(wù)和高G載荷下訓(xùn)練任務(wù)的日益增多，載人離心機(jī)在航空領(lǐng)域凸顯出越來(lái)越重要的不可替代的作用。在離心機(jī)各個(gè)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是使離心機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的最重要的部分，而變頻器柜又是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的核心部分，所以變頻器柜的維護(hù)程度直接決定了離心機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果能夠做到精心維護(hù)、定期查看、大小問(wèn)題及時(shí)處理，就可以有效降低故障率，延長(zhǎng)離心機(jī)的使用壽命，使其發(fā)揮出最大的作用。當(dāng)然，這對(duì)離心機(jī)的維修人員提出了更高、更專業(yè)和更為全面的要求。作為載人離心機(jī)這種大型設(shè)備的維修人員，不僅要熟悉各部分的原理和功能，還要不斷地學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技能，不斷提高對(duì)離心機(jī)的應(yīng)急處理能力和故障排除能力[9-10]，才能完成好載人離心機(jī)的維護(hù)維修工作。