趙曉凱，汪國欣

1 變頻調速柜在石油鉆井行業(yè)中的應用

在石油鉆井行業(yè)中，目前世界主流鉆機都是交流變頻鉆機。該型鉆機具有可控性強、調速性能好、調速范圍寬、防爆性能高、維護成本低、設備簡潔、搬遷安裝快捷等諸多優(yōu)點。交流變頻鉆機系統中的絞車、泥漿泵、自動送鉆裝置、轉盤及頂驅等設備大都使用變頻調速柜。以7000米變頻鉆機為例，一部鉆機可使用9至12臺變頻調速柜。其主要具有以下優(yōu)點：

（1）能夠實現絞車、泥漿泵、頂驅和轉盤優(yōu)異的調速功能，并能實現絞車的動力剎車、懸停和自動送鉆功能。

（2）具有現場串行通信功能，其與PLC結合，易于實現自動化控制，且具有抗干擾性強的優(yōu)點。

（3）相對于直流電機而言，因其所驅動的是交流異步電動機，運轉時不會產生電火花，容易達到防爆的要求，且無需考慮碳刷的磨損和檢查。

（4）由于所有的負載都是用電動機來驅動，整套鉆機只需要發(fā)電機提供電力，將電力經過變頻調速柜變頻變壓或者通過繼電控制后即可由電纜將動力傳輸給現場的電動機，以驅動負載。使用柔性的電纜和免維護的三相異步鼠籠式電動機，能省去機械鉆機中大量使用的傳動軸、傳動箱和鏈條，能夠提高設備的可靠性，傳動效率高，節(jié)能效果明顯，并且降低了設備的維護成本，減小了動力傳動環(huán)節(jié)的體積和重量，使得設備簡潔，易于搬遷和安裝。

（5）由于沒有機械傳動環(huán)節(jié)，所以不存在漏油現象，因而更環(huán)保，因沒有機械運動部件，因而更安全。

2 變頻調速柜燒毀的現象和損失

雖然變頻鉆機有諸多優(yōu)點，變頻調速柜在主流鉆機中得到了廣泛應用，但由于變頻調速柜的技術含量高，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故障的概率也較大，甚至會導致變頻調速柜燒毀的惡性故障發(fā)生。筆者曾多次發(fā)現6SE7034-5HK60-Z變頻調速柜被燒毀的惡性故障，比較典型。筆者對該型號被燒毀后的變頻調速柜進行了徹底的檢查，發(fā)現整流門觸發(fā)/預充電路板6SE7038-6GL84-1HJ1上的預充三相整流橋爆裂，整流橋上的鋁制散熱片炸飛，而且電路板的正反面都有嚴重的閃弧痕跡，如圖1所示。另外，還發(fā)現IVI板6ES7038-6GL84-1BG2、CUVC板6SE7090-0XX84-0AB0、逆變門驅動板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，預充電阻因經受過高溫外表顏色已經變白。發(fā)生這種故障，變頻調速柜中幾乎所有的電氣元器件全部損壞，導致整臺變頻調速柜徹底報廢，損失至少200萬元人民幣。

圖1 整流門觸發(fā)/預充電路板

3 變頻調速柜燒毀的原因分析

首先，我們分析一下這個變頻調速柜6SE7034-5HK60-Z的整流門觸發(fā)/預充電路工作原理，如圖2所示。從圖上可以看出，這個變頻調速柜的預充電路和整流電路是并聯的，在給變頻調速柜送電后，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充整流橋整流后經過兩個限流電阻給直流母線充電到810V。當變頻調速柜得到工作指令后，600V的三相交流電經過六個可控硅整流，然后給直流母線提供逆變所用的強大的電機電流，此時預充電路幾乎不會給直流母線提供電流。

由于預充電路的作用只是給直流母線電容預充電，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，整體容量設計得非常小。

圖2 整流門觸發(fā)/預充電路

以上是6SE7034-5HK60-Z變頻調速柜正常工作情況下的整流和預充工作原理。但是當可控硅整流電路不能正常工作時，直流母線的電壓勢必然會下降很多。這時與之并聯的預充電路就會自動給直流母線供電，預充電路給電動機提供工作電流。容量有限的預充電路勢必要嚴重過流，迅速發(fā)熱，導致預充整流橋爆裂閃弧。三相交流電在整流橋內通過電弧發(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)/預充電路板6SE7038-6GL84-1HJ1上強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，那么這高壓電就會進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竄入高壓電，這必然會造成這些控制電路板被損壞。更為糟糕的是，逆變門觸發(fā)板連接的是價格昂貴的IGBT，一旦逆變門觸發(fā)板串入高壓電，就會造成門觸發(fā)板損壞和IGBT錯誤導通，并致使直流母線經過錯誤導通的IGBT而短路，從而造成IGBT爆裂。

經筆者多年的現場經驗，發(fā)現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故障。變頻調速柜中的六個可控硅就是這樣的元器件，它們長期承受著高電壓、大電流的沖擊，很容易導致工作性能不穩(wěn)定甚至損壞，且可控硅的觸發(fā)電路發(fā)生故障也會導致可控硅整流失效，因此，可控硅整流電路出現故障的概率比較大。在這種變頻調速柜中，一旦直流母線電壓因為可控硅整流電路出現故障而降低，那么預充電路就會自動向直流母線充電，導致上述故障發(fā)生。

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

圖3 整流門觸發(fā)電路和預充電路板

經過以上分析，我們認為變頻調速柜燒毀的根本原因是整流門觸發(fā)/預充電路板6SE7038-6GL84-1HJ1設計不合理，該電路板上既集成了600V交流強電、810V直流強電，又集成了控制用的弱電，強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切斷預充電路的電源供應，無法對預充電路進行安全保護。

4 變頻調速柜燒毀問題的解決方案

通過以上分析，我們從兩個方面對預充電路進行了改進。

一是將整流/預充板上的預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。將取下來的預充整流橋和電容集中裝到一個封閉的小金屬盒內，固定在變頻調速柜內離弱電部分較遠的位置，充分做好殼體接地。然后用阻燃導線將600V三相交流電引入，再用阻燃導線將整流后的正、負極接到各自對應的預充電限流電阻上。這樣即便發(fā)生閃弧，也不會對低壓部分造成影響。

二是在原來預充電路的基礎上，將預充整流橋通過一個交流接觸器KM4連接到變頻調速柜主電源開關的入線側，如圖4所示。在變頻調速器中將參數P654設置為B124，這樣就使得變頻調速柜檢測到直流母線充電完成后，產生的主開關合閘指令B124從CUVC板X101的6端子輸出。圖中時間繼電器KM3選用RELECO品牌的時間繼電器模塊，型號是CT2-W30/L，當時間繼電器的線圈得電后，它的常開觸點立即閉合，然后延時T秒鐘斷開。為了確保主開關能夠閉合，我們設置KM3的常開觸點為閉合1秒鐘后斷開。圖中中間繼電器KM2用于切換和自鎖，預充/合閘開關是自鎖位開關。當預充/合閘開關閉合后，KM1得電，KM4得電，預充回路接通，開始給直流母線充電。當變頻調速柜檢測到直流母線電壓升高到允許合閘的電壓值時，CUVC板X101的6端子輸出一個24V信號，KM2閉合，KM1斷開，KM4斷開，預充電回路切斷。時間繼電器KM3得電，給變頻調速柜主電源開關的合閘線圈一個1秒鐘的合閘脈沖信號，變頻調速柜主動力回路接通，變頻調速柜開始工作。同時，KM2依靠自身的常開觸點實現自鎖，當可控硅或者觸發(fā)電路出現故障導致直流母線電壓過低、變頻調速柜主電源開關跳閘或者600V電源失電又得電后，為了保護，預充電回路不會自動接通給直流母線充電，直到操作者確認和排除故障后，將預充/合閘開關斷開，然后重新閉合，預充電回路才會再次給直流母線充電，變頻調速柜才能工作。

圖4 改造后的電氣原理圖

5 結束語

通過我們對變頻調速柜6SE7034-5HK60-Z發(fā)生燒毀現象的深入分析，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速柜燒毀的問題。另外，筆者還發(fā)現其他型號的變頻調速柜也存在此類問題，如6SE7031-0EE60-Z變頻調速柜，以及目前流行的G150變頻調速柜等，對于這些變頻調速柜，本文也有一定的借鑒作用。

參考文獻：

［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.