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油田变频器常见故障的分析与处理方法

www.cechina.cn2013.04.17阅读 1615

  1 引言
  变频器作为一种有效的变频调速控制系统,是一种可用于控制变速交流异步电动机的新型节电技术,它具有机构简单,稳定可靠,无级调速,且调速范围宽,故障率低,启动电流小,正反转容易可实现软启动,软停止,起动转矩大等优点。它能使转行的机械变速面貌大为改善,在用于风机、水泵、油泵和抽油机等变负载情况下其节能效果尤为显著,已成为目前国内各油田重要的节能控制设备。以胜利油田孤东采油厂为例,全厂在用的各种节能变频控制设备已达1000余台,主用用各种泵类(离心泵、往复泵、柱塞泵、单螺杆泵、双螺杆泵等)、风机类(加热炉和锅炉进风量的控制)、抽油机类、压缩机、油井电加热管、油井电加热杆以及中央空调系统等,几乎覆盖油田生产所有需要调速控制的各个生产领域。
  变频调速控制系统是一种利用半导体电力变流器对交流电动机进行变频调速控制的交流调速系统,其特点是优越于直流传动控制系统,在很多场合中都被作为首选的传动方案,现代变频调速基本都采用16位或32位单片机作为控制核心,从而实现全数字化控制,调速性能与直流调速基本相近,但使用变频器时,其维护工作要比直流复杂,一旦发生故障,企业的普通电气人员就很难处理。因此,如何正确及时地排除变频器使用过程发生的故障问题,成为一项重要的研究课题。
  笔者结合自己多年来从事变频器现场维护维修的工作实践,针对油田变频器使用过程中遇到的一些故障问题,谈一谈油田变频器常见故障的分析与处理方法。
  2 油田变频器常见故障
  油田生产由于处于特殊的生产环境,不少变频调速控制长期工作在野外或简易房内,变频器的工作环境相对较差,对变频器的运行可靠性提出了更高的要求。常见故障一般有:参数设置类故障、过压类故障、过流类故障、过载类故障、欠压类故障、过热类故障、输出不平衡类故障、外围控制电路器件故障以及其它类故障等。
  3 故障处理
  3.1参数设置类故障
  在使用过程中变频器能否满足用户系统的要求,其参数设置非常重要,如果参数设置不正确,变频器便不能正常工作。
  3.1.1变频器的参数设置
  变频器生产厂在进行变频器出厂调试时,对变频器的每一个参数都设有一个默认值,这些默认参数值一般被称作工厂值。当用户使用的变频器是在这些参数值下工作时,则用户能以面板操作方式使变频器正常运行。但是,实际情况往往是面板操作并不能完全满足大多数用户传动系统的要求。所以,用户在正确使用变频器之前,必须要对变频器参数的默认值进行如下几个方面的辨识和重新设置:
  (1)确认电机的功率、电流、电压、转速、最大频率等参数(这些参数可以从电机铭牌中查得)是否与默认值相符,如果不符时则要对默认值进行重新设置;
  (2)确认变频器采取的控制方式(即速度控制、转矩控制、pid 控制或其他控制方式)后,一般还需要根据控制精度进行静态或动态辨识;
  (3)设定变频器的启动方式,一般变频器在出厂调试时设定为面板启动,用户可以根据实际情况选择自己的启动方式,可以用面板、外部端子、通讯等方式;
  (4)给定信号的选择,一般变频器的频率给定也可以有多种方式,面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定等,当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式的综和。
  当正确设置以上参数之后,变频器基本上能正常工作,如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。
  3.1.2 变频器参数设置类故障的处理
  一旦发生了参数设置类故障时,变频器都不能正常运行,这时可根据产品说明书对参数设置进行修改。如果修改后仍不行,则最好是把所有参数恢复到出厂值,然后按上述步骤重新设置,注意每一个公司的变频器其参数恢复方式也不尽相同。
  3.2过压类故障
  变频器在运行过程中发生的过电压主要集中在直流母线上。正常情况下,变频器直流电为三相全波整流后的平均值。当变频器的输入电压为三相380v的市电时,则整流电压的平均值ud=1.35×380=513v。而变频器在设计时都规定了其容许承受的最高直流电压值,当电压超过这个值时变频器很可能被损坏,为此变频器都设有过电压保护环节。在过电压发生时,直流母线的储能电容将被充电,当电压上至760v左右时,过电压保护将动作使变频器停机。因此,变频器来说,都有一个正常的工作电压范围,当电压超过这个范围时很可能损坏变频器,常见的过电压有两类。
  3.2.1输入交流电源过压
  这种情况是指输入电压超过正常范围,一般发生在节假日负载较轻,电压升高或降低而线路出现故障,此时最好断开电源,检查、处理。
  3.2.2发电类过电压
  这种情况出现的概率较高,主要是电机的同步转速比实际转速还高,使电动机处于发电状态,而变频器又没有安装制动单元,有两起情况可以引起这一故障。在使用的场合来看,由于抽油机在下行过程中存在发电现象,如果变频器的再生制动单元功能出现故障,就会出现此类故障,而造成抽油机无法正常运行。因此,抽油机用变频控制系统多数采用能量回馈型的变频器。
  (1)当变频器拖动大惯性负载时,其减速时间设的比较小,在减速过程中,变频器输出的速度比较快,而负载靠本身阻力减速比较慢,使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高,电动机处于发电状态,而变频器没有能量回馈单元,因而变频器支流直流回路电压升高,超出保护值,出现故障,而纸机中经常发生在干燥部分,处理这种故障可以增加再生制动单元,或者修改变频器参数,把变频器减速时间设的长一些。增加再生制动单元功能包括能量消耗型,并联直流母线吸收型、能量回馈型。能量消耗型在变频器直流回路中并联一个制动电阻,通过检测直流母线电压来控制功率管的通断。并联直流母线吸收型使用在多电机传动系统,这种系统往往有一台或几台电机经常工作于发电状态,产生再生能量,这些能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收。能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的,当有再生能量产生时可逆变流器就将再生能量回馈给电网。
  (2)多个电动施动同一个负载时,也可能出现这一故障,主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例,当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时,则转速高的电动机相当于原动机,转速低的处于发电状态,引起故障。在纸机经常发生在榨部及网部,处理时需加负荷分配控制。可以把处于纸机传动速度链分支的变频器特性调节软一些。
  3.2.3过压类故障的处理
  由于过电压产生的原因不同,因而采取的对策也不相同。对于采用能量消耗型的变频器,这种方法是在变频器直流回路中并联一个制动电阻,通过检测直流母线电压来控制一个功率管的通断。在直流母线电压上升至700v左右时,功率管导通,将再生能量通入电阻,以热能的形式消耗掉,从而防止直流电压的上升。对于采用能量回馈型的变频器,其网侧变流器是可逆的,当有再生能量产生时,可逆变流器将再生能量回馈给电网,使再生能量得到完全利用。但这种方法对电源的稳定性要求较高,一旦突然停电,将发生逆变颠覆。对于采用并联直流母线吸收型的变频器,适用于多电机传动系统,在这个系统中,每台电机均需一台变频器,多台变频器共用一个网侧变流器www.cechina.cn,所有的逆变部并接在一条共用直流母线上。这种系统中往往有一台或数台电机正常工作于制动状态,处于制动状态的电机被其它电动机拖动,产生再生能量,这些能量再通过并联直流母线被处于电动状态的电机所吸收。在不能完全吸收的情况下,则通过共用的制动电阻消耗掉。
  直流母线过电压主要发生在交流电动机处于制动状态时,这时电动机短时处于发电机状态,其能量经与逆变桥的开关器件反向并联的二极管,反送到逆变器输入侧的直流母线上,使接在直流母线上的储能电容充电,导致直流母线电压上升。一般变频器都设有直流母线过电压抑制单元(如制动电阻),以免变频器的过电压保护动作而停机。如果发生因过电压保护动作而停机的情况,则要检查过电压抑制单元的接线是否正确、开关器件是否损坏,以及过电压保护的整定值是否合适。
  3.3过流类故障
  过流是变频器报警最为频繁的现象。
  3.3.1过流类故障的主要现象
  过流故障的主要现象为:
  (1)重新启动时,一升速就跳闸。这是过电流十分严重的现象。主要原因有:负载短路,机械部位有卡住;逆变模块损坏;电动机的转矩过小等现象引起。
  (2)上电就跳,这种现象一般不能复位,主要原因有:模块坏、驱动电路坏、电流检测电路坏。
  (3)重新启动时并不立即跳闸而是在加速时,主要原因有:加速时间设置太短、电流上限设置太小、转矩补偿(v/f)设定较高。
  3.3.2过流类故障的处理
  过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均,输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障控制工程网版权所有,说明变频器逆变电路已环,需要更换变频器。
  3.4过载类故障
  3.4.1过载类故障分析
  过载也是变频器跳动比较频繁的故障之一www.cechina.cn,过载故障包括变频过载和电机过载。遇到过载现象首先应该分析一下到底是马达过载还是变频器自身过载,一般来讲马达由于过载能力较强,只要变频器参数表的电机参数设置得当,而马达过载一般不大会出现。而变频器本身由于过载能力较差很容易出现过载报警。
  3.4.2过载类故障的处理
  变频器发生过载其可能是加速时间太短,直流制动量过大、电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重,所选的电机和变频器不能拖动该负载,也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器;如后者则要对生产机械进行检修。我们可以检测变频器输出电压、电流检测电路等故障易发点来一一排除故障。
  3.5欠压类故障的处理
  欠压故障也是我们在使用中经常碰到的问题,一般情况下,造成欠压故障说明变频器电源输入部分有问题,需检查后才可以运行。主要是因为主回路电压太低(220v系列低于200v,380v系列低于400v),主要原因:整流桥某一路损坏或可控硅三路中有工作不正常的都有可能导致欠压故障的出现,其次主回路接触器损坏,导致直流母线电压损耗在充电电阻上面有可能导致欠压,还有就是电压检测电路发生故障而出现欠压问题。
  3.6过热类故障的处理
  变频控制柜温度过高,变频器主控制电路板的直流冷却风扇故障,就容易产生过热类故障。如电动机有温度检测装置,检查电动机的散热情况;变频器温度过高,检查变频器的通风情况。过热也是一种比较常见的故障,主要原因:周围温度过高,风机堵转,温度传感器性能不良www.cechina.cn,马达过热等。这类故障,在油田的夏季最容易出现,而在其它季节出现过热类故障,就是直流冷却风扇发生故障,更换即可排除故障。
  3.7输出不平衡类故障的处理
  输出不平衡类故障一般表现为马达抖动,转速不稳,主要原因:模块坏,驱动电路坏,电抗器坏等。处理办法是先分析查找出发生故障的主要原因,检测模块、驱动电路、电抗器等,直到至找到故障点。如,某站一台富士g9s11kw变频器,输出电压相差100v左右。经打开机器初步分析在线检查逆变模块(6mbi50n-120)没发现问题,测量6路驱动电路也没发现故障,将其模块拆下测量发现有一路上桥大功率晶体管不能正常导通和关闭,该模块已经损坏,经确认驱动电路无故障后更换新品后一切正常。
  3.8外围控制电路器件故障的处理
  变频器本身无故障,但外部控制电路发生故障。主要表现有交流接触器、各种继电器、空气开关、plc、谐波抑制器、变频柜散热交流风扇、保险熔断丝、现场显示仪表和报警电路器件等控制电路器件的故障,处理办法是先检测变频器,查明故障原因是变频器故障,还是外围控制电路器件故障,当确定外围控制电路器件故障后,再逐一检查外围控制电路器件,找到故障器件后更换即可。
  3.9其他类故障的处理
  变频器的其它类故障主要包括电源电路故障、调速电位器故障、充电电路故障、面板按键故障、通讯故障以及其它硬件故障等,其中电源电路故障和调速电位器故障在油田最为常见。电源电路故障主要是由于油田电网供电质量差、供电电压不稳定等原因,造成变频器主控制电路板的保险管烧坏,甚至电源电路烧坏,解决办法是可用万用表检测一下电路,即或找到故障部分,电源电路烧坏则要更换电路板;调速电位器故障主要是现场操作人员频繁操作CONTROL ENGINEERING China版权所有,或者是操作人员操作失误造成调速电位器拧过头而产生失效引起,解决办法是更换调速电位器即可;操作面板故障多数故障特征为操作面板无显示或操作键失灵故障,现场变频器故障维修主要有操作面板与主机连接线断路、操作面板接头松动、操作键老化以及操作键操作锁定等原因引起。
  4 结束语
  加强对变频器操作、管理、维护、检修人员的变频器知识以及检修能力的培训,是提高油田变频器现场操作、维护与检修能力的重要途径。变频器故障的检修与维护,除了要熟悉和掌握其控制电路的工作原理外,更重要的是要靠检修实践和经验的不断积累,才能正真提高现场维护与检修人员的检修水平,才能更好地掌握变频器的维修技术,满足油田生产工作的需要。通过对变频器故障与处理方法的介绍,希望对检修人员有所帮助。
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