摘要：近年來，隨著我國石油工業(yè)迅速發(fā)展，大慶油田鉆探工程公司配備的國產(chǎn)交流變頻電驅(qū)動鉆機(jī)數(shù)量逐年增加，這些電驅(qū)動鉆機(jī)配備的變頻器大部分為德國西門子公司生產(chǎn)的6se70系列變頻器，本文主要介紹了西門子6se70系列變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析故障的主要分類及原因，并給出了相應(yīng)的維修方法和實例，供大家參考。
1、引言
近年來，隨著我國石油工業(yè)迅速發(fā)展，大慶油田鉆探工程公司配備的國產(chǎn)交流變頻電驅(qū)動鉆機(jī)數(shù)量逐年增加，這些電驅(qū)動鉆機(jī)配備的變頻器大部分為德國西門子公司生產(chǎn)的6se70系列變頻器，不同類型鉆機(jī)配備不同數(shù)量、不同功率的變頻器。下面詳細(xì)介紹石油鉆機(jī)中廣泛應(yīng)用的西門子6se70系列變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析故障的主要分類及原因，并給出了相應(yīng)的維修方法和實例。
2、設(shè)備基本情況
圖1為zj50/4500db電驅(qū)動鉆機(jī)原理圖［1］，動力系統(tǒng)是由4臺800kw柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)組成，電能集中輸送到交流母線上，鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤由一臺交流變頻電動機(jī)驅(qū)動，絞車由2臺交流變頻電動機(jī)共同驅(qū)動，每臺電機(jī)由獨立變頻器控制，變頻器型號為6se7036-5hg62-3ba0、功率為630kw，三臺泥漿泵由三臺電動機(jī)分別驅(qū)動，由獨立變頻器控制，變頻器型號為6se7141-2hj62-3ba0、功率為1200kw，送鉆電機(jī)為45kw，其驅(qū)動變頻器型號為：6se7090-0xx84-0ab0。
在鉆機(jī)日常運行中，盡管變頻器自身有完善的監(jiān)測保護(hù)功能，但在實際使用中，還是會由于各種原因發(fā)生故障，不能正常運轉(zhuǎn)而影響鉆井生產(chǎn)。我們在使用維護(hù)過程中逐步掌握了變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)變頻器結(jié)構(gòu)指導(dǎo)維護(hù)與維修工作。圖2為6se7036-5hg62-3ba0變頻器結(jié)構(gòu)原理圖。
變頻器由三臺控制柜組合而成［2］，分別是開關(guān)柜、整流柜、逆變柜。圖2給出了柜中主要部件的名稱及控制板的規(guī)格型號。開關(guān)柜包含電抗器、隔離開關(guān)、保險等部件。
在整流柜中有可控硅整流橋，3個6sy7010-0ab51為上部可控硅，3個6sy7010-0ab52為下部可控硅，型號為6se7041-8gk85-0ha0的控制板提供可控硅觸發(fā)，電壓、電流、可控硅溫度檢測等功能。cur為整流柜中央控制板，提供參數(shù)設(shè)置、保護(hù)、外部接口等功能，pmu參數(shù)設(shè)置單元提供參數(shù)顯示、設(shè)置等功能。
制動單元及制動電阻的選取可根據(jù)負(fù)載特性要求決定，例如絞車在下放時候，電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，則變頻器必須配備大功率制動單元及制動電阻，zj50/3150db鉆機(jī)配備10臺200kw制動單元及電阻，可以吸收下放鉆具時產(chǎn)生的高能量。
逆變柜內(nèi)含有igbt逆變橋，圖3為原理圖，在igbt逆變橋外是電容組，igbt觸發(fā)板型號為6se7038-6gl84-1bg2，觸發(fā)板與控制電路之間采用光纖通訊隔離，接口板提供觸發(fā)光纖接口電路，cuvc矢量控制板是逆變器核心控制板，有參數(shù)設(shè)置、矢量控制、保護(hù)、接口等功能，pmu參數(shù)設(shè)置單元提供參數(shù)顯示、設(shè)置等功能。
3、西門子變頻器的主要故障
西門子變頻器主要故障分兩大類：
3.1在自身軟、硬件完好的情況下出現(xiàn)的故障
是在變頻器自身軟硬件完好的情況下，由于參數(shù)設(shè)置、電源電壓頻率、溫度、負(fù)載、通訊、硬件連接等因素造成的故障，西門子變頻器有完善的故障及報警提示，可以很好的分辨這些故障。具體如下：
（1）參數(shù)設(shè)置和外圍部件故障造成的變頻故障。這類故障可以檢查參數(shù)設(shè)置是否有錯誤，例如：p554的參數(shù)設(shè)置不正確造成變頻器無法啟動。另外檢查外圍器件是否正常，由于鉆井設(shè)備經(jīng)常搬遷，控制線斷線、插頭損壞、控制開關(guān)損壞經(jīng)常發(fā)生，應(yīng)該仔細(xì)檢查這些部件；
（2）欠壓、過壓、欠頻、過頻故障。此類故障主要是因為外部電源的故障引起的，也有少數(shù)故障是檢測電路損壞引起的。大部分鉆機(jī)使用自備發(fā)電機(jī)組供電，由于發(fā)電頻率和電壓低于變頻器要求的上限或下限值而造成變頻器故障。應(yīng)首先維修發(fā)電機(jī)組，如果是頻率過低一般是由于柴油機(jī)故障引起的，如果電壓過低或過高則是由發(fā)電機(jī)故障引起的。
（3）過載故障。變頻器過載是由于加速時間太短、直流制動量過大或電網(wǎng)電壓太低等原因引起的。一般可通過延長加速時間、延長制動時間、解決電網(wǎng)電壓等方式解決故障。電機(jī)負(fù)載過重可能是因為卡鉆、重載時提升過快等引起的。
（4）過流故障。外部原因：電機(jī)負(fù)載突變，引起的沖擊過大造成過流；電機(jī)和電機(jī)電纜相間或每相對地的絕緣被破壞，造成匝間或相間對地短路，導(dǎo)致過流；如果變頻器裝有測速編碼器時，速度反饋信號丟失或非正常時，也會引起過流，這時需要檢查編碼器和其電纜。變頻器本身的原因：參數(shù)設(shè)定問題及變頻器硬件問題。遇到過流故障，先用鉗型電流表測量變頻器輸出的電流，看輸出電流是否平衡，如果輸出不平衡，說明變頻器內(nèi)部器件有問題。
3.2變頻器硬件故障
變頻器硬件故障，分為控制系統(tǒng)和功率部件故障。
（1）控制系統(tǒng)故障有控制板自身發(fā)生故障，由于控制板上電子元器件失效造成故障，經(jīng)常損壞的有逆變柜主控板cuvc、整流柜主控制板cur板等，此類故障可以通過替換法進(jìn)行維修，另外外圍器件造成的故障，常見的有外部控制系統(tǒng)串入高壓電，導(dǎo)致控制板接口電路損壞；
（2）功率西門子變頻器對于大部分硬件故障也有明確的故障顯示，為用戶維修工作提供了極大便利，本文將在實例中給出。
4、西門子變頻器維修實例
4.1逆變柜pmu上顯示e
（1）故障現(xiàn)象
變頻器通電后變頻器pmu顯示e，按p鍵后無反應(yīng)，無法啟動變頻器，故障無法復(fù)位。
（2）故障分析及處理
首先檢查電源，測量cuvc板上x101端子排上1，2腳之間為24v，排除控制系統(tǒng)電壓故障，把cuvc板取下來，仔細(xì)觀察上面元件，在x101端子附近發(fā)現(xiàn)有元件燒毀，懷疑是由外部控制線混入高電壓造成的。經(jīng)過仔細(xì)檢查外部線路，發(fā)現(xiàn)有控制線因為絕緣破損而串入高電壓，造成cuvc板燒毀，在排除外部故障后，更換cuvc板后變頻器可以正常工作。從這起故障可以看出，不能看到控制板燒毀就立即進(jìn)行更換，一定要查清楚故障原因，否則會造成不必要的損失。
4.2整流柜pmu上顯示f005
（1）故障現(xiàn)象
在鉆井生產(chǎn)中，在負(fù)荷增大時，變頻突然停止工作，整流柜上報f005故障代碼，f005是電源頻率大于65hz或小于45hz。
（2）故障分析及處理
此類故障一般發(fā)生在zj30/1700db鉆機(jī)上，因為該鉆機(jī)采用單臺750kw發(fā)電機(jī)組，由于柴油機(jī)故障造成在重負(fù)載下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低到1350轉(zhuǎn)/分鐘以下，此時電源頻率低于45hz，造成變頻器無法正常使用，在維修好柴油機(jī)后，變頻器工作恢復(fù)正常。
4.3整流柜報f031故障
（1）故障現(xiàn)象
整流柜報f031故障，變頻不能啟動，檢查后發(fā)現(xiàn)，整流柜左起第二個保險560a斷，逆變柜500a四個保險全斷。
（2）故障分析及處理
f031故障代碼的含義是：可控硅支路熔斷器損壞，首先做外觀檢查及用萬用表測量可控硅、igbt等部件，檢查結(jié)果正常。更換保險后重新通電，啟動變頻器，電機(jī)運行在20hz后，逆變柜4個保險全斷，整流柜保險左起第2個，第5個斷，再次檢查電機(jī)及變頻器，測量結(jié)果全部正常，此時維修工作陷入困境，之后繼續(xù)更換保險進(jìn)行觀察，啟動變頻后，發(fā)現(xiàn)逆變柜與整流柜之間直流母線排連接處有打火現(xiàn)象，檢查后發(fā)現(xiàn)母線排連接處螺栓松動，更換螺栓后，變頻器正常工作。從這個故障可以看出，因為鉆機(jī)需要不斷搬遷，造成變頻柜內(nèi)緊固件松動，在變頻柜日常維護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)對重點連接部位檢查工作。
4.4逆變柜pmu上顯示f011故障代碼
（1）故障現(xiàn)象
逆變柜pmu上顯示f011故障代碼，f011的含義是變頻器因過電流而關(guān)機(jī)。正常情況下f011故障可以通過復(fù)位操作排除，但是此次無法進(jìn)行復(fù)位，變頻器上電后一直顯示f011故障，無法消除。
（2）故障分析及處理
該故障一般是由以下原因造成：一是變頻器輸出有短路或接地故障；二是負(fù)載處于過載狀態(tài)。首先斷開變頻器與電動機(jī)電纜，對電動機(jī)進(jìn)行絕緣測試，測試結(jié)果正常，排除了電動機(jī)故障。其次檢查變頻器逆變柜igbt逆變電路，移走三塊電容組，用萬用表檢查igbt，因為igbt內(nèi)并聯(lián)有續(xù)流二極管，用萬用表測量二極管功能測量發(fā)射極與集電極，如果正反相參數(shù)正常，根據(jù)經(jīng)驗igbt沒有損壞，如果有短路或開路現(xiàn)象，則igbt必須更換，經(jīng)過測量u相上部2個igbt功率管全部損壞，觸發(fā)板損壞，在更換部件后變頻器恢復(fù)正常工作。
5、結(jié)束語
從這些年西門子變頻器使用經(jīng)驗中總結(jié)出以下幾點維護(hù)注意事項，首先，要給變頻器一個良好的外部環(huán)境，包括穩(wěn)定的電源電壓、頻率，合適的溫度、濕度［3］。其次，應(yīng)該對變頻器適當(dāng)降低變頻器負(fù)荷，設(shè)置參數(shù)時對zui大轉(zhuǎn)矩、zui大電流等要留出一定余量，這樣可以極大延長變頻器使用壽命。例如我公司zj30/1700db鉆機(jī)有段時間頻繁燒毀igbt等功率器件，igbt價格昂貴，造成很大損失，我們將變頻器zui大工作電流p128參數(shù)調(diào)整到600a后就杜絕了燒igbt現(xiàn)象。zui后，應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)，清除變頻器內(nèi)灰塵，緊固松動部件?？傊?，以上維護(hù)與維修工作都是為了發(fā)揮變頻器更大作用，增加變頻器使用年限，降低變頻器的故障率，從而使變頻器能更好的為油田鉆井生產(chǎn)服務(wù)。