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動飛行動作的裝備，能夠使受試者真切地感受到飛行對人體生理、心理的影響。它能提供較大的瞬時加速度，成為現(xiàn)代戰(zhàn)機飛行員訓(xùn)練不可缺少的設(shè)備。我中心現(xiàn)使用的載人離心機是目前國內(nèi)唯一的一臺在用載人離心機，由原空軍航空醫(yī)學(xué)研究所從奧地利AMST公司引進，于2005年交付使用[1-3]。載人離心機主要由驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)監(jiān)護系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)七大系統(tǒng)組成。驅(qū)動系統(tǒng)是其中最重要的一部分，它產(chǎn)生離心機運動的強大旋轉(zhuǎn)動力[4-6]。驅(qū)動系統(tǒng)主要包括3個部分：（1）主驅(qū)動，即同步電動機，包括轉(zhuǎn)子、定子、繞組、主驅(qū)動架、潤滑系統(tǒng)等；（2）變頻器柜，即中壓驅(qū)動，主要包括整流單元（active rectifier unit，ARU）、電容器組單元（capacitor bank unit，CBU）、勵磁單元（excitation unit，EXU）等9個部分；（3）主驅(qū)動控制系統(tǒng)。變頻器柜是驅(qū)動系統(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。該變頻器柜具有嚴格的安全防護措施和完備的保護功能，以防止危險操作對驅(qū)動系統(tǒng)造成損壞、對人員造成損傷。變頻器柜的調(diào)試是載人離心機建設(shè)期間整個系統(tǒng)調(diào)試中難度最大、花費時間最長的一部分。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，一般會根據(jù)具體要求訂制，它可以使系統(tǒng)平穩(wěn)運行，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)

變頻器柜是離心機系統(tǒng)控制中的核心部分，作為離心機的一個子系統(tǒng)，當(dāng)ACS6000的任何一個部分出現(xiàn)故障，都會在離心機的安全監(jiān)測系統(tǒng)中給出一個“From ABB：failure main drive”的報警提示。離心機系統(tǒng)中專門設(shè)立了技術(shù)系統(tǒng)監(jiān)測單元，即TSMU，實時監(jiān)測離心機的整體及各個子系統(tǒng)的運行情況[7-8]，工程人員看到后，會快速定位到變頻器ACS6000系統(tǒng)，繼而再根據(jù)變頻器柜面板的報警提示，定位故障來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，無論供電的電網(wǎng)電壓如何波動，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)換為交流電動機電壓。INU的布局和配備與ARU基本相同。（3）CBU，它用來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），主電源和電動機電源的電纜連接在TEU中。（5）控制單元（control unit，COU），COU實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器控制、監(jiān)控和保護功能。（6）水冷單元（water cooling unit，WCU），它向主要動力部件提供冷卻水，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），在過壓情況下，它可將DC鏈路電容動態(tài)放電至正常水平。（9）EXU，用于同步電動機的勵磁。圖1為ACS6000的主要結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 載人離心機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)，如實時信號的電動機數(shù)據(jù)、實時信號的變壓器數(shù)據(jù)、實時信號的速度及轉(zhuǎn)矩參考值、各種限值、啟動數(shù)據(jù)等，發(fā)生故障時，故障信息會通過控制面板顯示出來。主驅(qū)動控制系統(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個目錄index，每一個index中包含B0到B15共16種故障信息，沒有用到的留空。WCU是ACS6000出現(xiàn)問題最多的部分，也是維修次數(shù)最多的部分，現(xiàn)對1例WCU常見故障的分析和排除過程進行介紹，以供同行參考。

2.1 故障現(xiàn)象

離心機系統(tǒng)開機后無法啟動運行，在系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測單元的界面上出現(xiàn)報警信號，查看報警信號的Alarm list界面，顯示“From ABB：failure main drive”（來源于ABB：主驅(qū)動故障）的報警信息。

2.2 故障原因分析

根據(jù)報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)部進水壓低于20 kPa系統(tǒng)就會報警。造成水壓低的原因如下：

（1）水冷系統(tǒng)漏水。漏水可能來自兩方面：①管路漏水。由于水冷系統(tǒng)是為整個變頻器柜冷卻的，所以需檢查變頻器各個柜子里的水冷系統(tǒng)管路，尤其是水管各個彎頭和接頭處是否漏水，如果發(fā)現(xiàn)漏水，應(yīng)對漏水部分及時維修，加強密封。這類故障應(yīng)盡早處理，以防漏水對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)生在泵運行過程中。冷卻泵位于WCU中，需打開WCU柜，檢查冷卻泵的情況，較常見的是泵上的密封圈受損，有時密封圈較輕的和不可見的受損都會導(dǎo)致泵在運行中不斷漏水。維修和更換密封圈后，運行系統(tǒng)觀察泵是否漏水，如果依然漏水，說明是泵自身受損，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。無論是管路還是泵的維修，都需要花費較長時間。（2）水里混入了空氣。水冷系統(tǒng)分布到變頻器柜的各個柜體，任何一個部分密封不嚴，或在給系統(tǒng)注水時密封不嚴，都會導(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，混有空氣的水壓比正常時的水壓要低。這種情況下，需要對水冷系統(tǒng)進行排氣，為了防止補水中再次進入氣體，一般先補水后排氣。可以通過系統(tǒng)的自排氣系統(tǒng)排氣，也可以通過管路上的排氣孔手動排氣。通常采用手動排氣方式。排氣孔設(shè)在管路上特定的位置，用扳手慢慢擰開排氣孔上的螺栓，擰開到一定程度時，氣體會不斷從排氣孔排出，并發(fā)出呲呲的聲音，當(dāng)聽不到呲呲的聲音時，說明水里的空氣基本排除干凈，這時將排氣孔螺栓擰緊即可。擰螺栓的力度要適中，力量太小，達不到排氣的效果，力量太大，管路內(nèi)的水在高壓的驅(qū)動下會通過排氣孔快速涌出，澆濕排氣孔周圍的元件設(shè)備，影響電氣甚至整個設(shè)備的安全使用，嚴重的會使元器件和設(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)補充冷卻水。（3）測量水壓的壓力傳感器出現(xiàn)問題。壓力傳感器受損會導(dǎo)致測出的壓力值出現(xiàn)誤差甚至錯誤，此時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)誤報的概率相對較小，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有問題。

2.3 故障排除

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

具體操作過程：（1）查看冷卻水系統(tǒng)管路圖，找到各標(biāo)識（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的開關(guān)Q5002和Q5003，并打開各排氣閥V70、V71、V72和V73，以及流量計B5523旁邊的流量調(diào)節(jié)閥；（3）打開補水閥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，以及和補水閥V55相匹配的約2 m長的水管，水管一頭安裝好接頭，管路中間連接1臺動力泵；（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，另一端通過接頭連接補水閥V55；（6）將準(zhǔn)備好的和動力泵相匹配的電鉆與動力泵連接，電鉆通電工作，帶動動力泵運轉(zhuǎn)，將大桶中的蒸餾水通過補水閥V55持續(xù)地注入到冷卻水系統(tǒng)管路中，同時觀察壓力表B5501的數(shù)值，當(dāng)壓力顯示接近200 kPa時，停止注水；（7）關(guān)閉補水閥V55，打開水閥V50；（8）將補水管路中的水清除后收回管路。

2.4 補水注意事項

（1）冷卻水的質(zhì)量需嚴格控制，否則可能達不到補水的效果。注入的水應(yīng)為去離子水或蒸餾水，至少應(yīng)達到可飲用的純凈水的純凈程度。本次故障補水中實際用的是蒸餾水。如果不使用去離子水或蒸餾水，去離子樹脂的有效壽命將大大縮短，同時因水中含有雜質(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)后可能會增大水離子濃度即水離子傳導(dǎo)率，達到一定程度會引起“WaterConductHigh”的報警。一旦出現(xiàn)水離子濃度高的報警，需開機運行設(shè)備，花費較長時間等待水離子濃度降低，延遲了設(shè)備的啟動時間，同時長時間的高水離子濃度會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，否則注水過程中可能會引入氣體，使冷卻水的水壓升高，如果氣體過多，水壓升高到一定程度，也會引起系統(tǒng)的故障報警；速度也不能太快，否則會對系統(tǒng)造成損傷。系統(tǒng)要求的最大注水速度為15 L/min，若注水速度過快可能會超限引起報警，一般將注水速度控制在5 L/min即可。注水速度可以通過流量調(diào)節(jié)閥B5523觀察到。

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

（5）注意通氣孔的方向，確定溢出的水不會對人、電動機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的啟動開關(guān)，否則帶電操作會對水泵造成損傷。

2.5 小結(jié)

傳感器出現(xiàn)誤報的概率較低，一般引起水壓低的原因為系統(tǒng)漏水和進氣，無論是管路或泵的維修更換，還是給系統(tǒng)排氣，都需要花費較長的時間，且維修更換和排氣后一般仍需要給系統(tǒng)補水。因此當(dāng)水壓降低報警時，給冷卻系統(tǒng)補充冷卻水依然是目前解決這一問題的較快捷和常見的應(yīng)對手段。

3 結(jié)語

隨著飛行員改裝新機型的選拔任務(wù)和高G載荷下訓(xùn)練任務(wù)的日益增多，載人離心機在航空領(lǐng)域凸顯出越來越重要的不可替代的作用。在離心機各個系統(tǒng)中，驅(qū)動系統(tǒng)是使離心機產(chǎn)生強大旋轉(zhuǎn)動力的最重要的部分，而變頻器柜又是驅(qū)動系統(tǒng)中的核心部分，所以變頻器柜的維護程度直接決定了離心機能否正常運轉(zhuǎn)。如果能夠做到精心維護、定期查看、大小問題及時處理，就可以有效降低故障率，延長離心機的使用壽命，使其發(fā)揮出最大的作用。當(dāng)然，這對離心機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、新技能，不斷提高對離心機的應(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的維護維修工作。