石油钻机西门子变频器维修与实例的分析

    1 引言
    近年来，随着我国石油工业迅速发展，大庆油田钻探工程公司配备的国产交流变频电驱动钻机数量逐年增加，这些电驱动钻机配备的变频器大部分为德国西门子公司生产的6se70系列变频器，不同类型钻机配备不同数量、不同功率的变频器。下面详细介绍石油钻机中广泛应用的西门子6se70系列变频器内部结构，分析故障的主要分类及原因，并给出了相应的维修方法和实例。
    2 设备基本情况
    图1为zj50/4500db电驱动钻机原理图［1］，动力系统是由4台800kw柴油发电机组并机组成，电能集中输送到交流母线上，钻机转盘由一台交流变频电动机驱动，绞车由2台交流变频电动机共同驱动，每台电机由独立变频器控制，变频器型号为6se7036-5hg62-3ba0、功率为630kw，三台泥浆泵由三台电动机分别驱动，由独立变频器控制，变频器型号为6se7141-2hj62-3ba0、功率为1200kw，送钻电机为45kw，其驱动变频器型号为：6se7090-0xx84-0ab0。
    在钻机日常运行中，尽管变频器自身有完善的监测保护功能，但在实际使用中，还是会由于各种原因发生故障，不能正常运转而影响钻井生产。我们在使用维护过程中逐步掌握了变频器的内部结构，根据变频器结构指导维护与维修工作。图2为6se7036-5hg62-3ba0变频器结构原理图。
    变频器由三台控制柜组合而成［2］，分别是开关柜、整流柜、逆变柜。图2给出了柜中主要部件的名称及控制板的规格型号。开关柜包含电抗器、隔离开关、保险等部件。
    在整流柜中有可控硅整流桥，3个6sy7010-0ab51为上部可控硅，3个6sy7010-0ab52为下部可控硅，型号为6se7041-8gk85-0ha0的控制板提供可控硅触发，电压、电流、可控硅温度检测等功能。cur为整流柜中央控制板，提供参数设置、保护、外部接口等功能，pmu参数设置单元提供参数显示、设置等功能。
    制动单元及制动电阻的选取可根据负载特性要求决定，例如绞车在下放时候，电动机处于发电状态，则变频器必须配备大功率制动单元及制动电阻，zj50/3150db钻机配备10台200kw制动单元及电阻，可以吸收下放钻具时产生的高能量。
    逆变柜内含有igbt逆变桥，图3为原理图，在igbt逆变桥外是电容组，igbt触发板型号为6se7038-6gl84-1bg2，触发板与控制电路之间采用光纤通讯隔离，接口板提供触发光纤接口电路，cuvc矢量控制板是逆变器核心控制板，有参数设置、矢量控制、保护、接口等功能，pmu参数设置单元提供参数显示、设置等功能。
    3 西门子变频器的主要故障
    西门子变频器主要故障分两大类：
    3.1 在自身软、硬件完好的情况下出现的故障
    是在变频器自身软硬件完好的情况下，由于参数设置、电源电压频率、温度、负载、通讯、硬件连接等因素造成的故障，西门子变频器有完善的故障及报警提示，可以很好的分辨这些故障。具体如下：
    （1）参数设置和外围部件故障造成的变频故障。这类故障可以检查参数设置是否有错误，例如：p554的参数设置不正确造成变频器无法启动。另外检查外围器件是否正常，由于钻井设备经常搬迁，控制线断线、插头损坏、控制开关损坏经常发生，应该仔细检查这些部件；
    （2）欠压、过压、欠频、过频故障。此类故障主要是因为外部电源的故障引起的，也有少数故障是检测电路损坏引起的。大部分钻机使用自备发电机组供电，由于发电频率和电压低于变频器要求的上限或下限值而造成变频器故障。应首先维修发电机组，如果是频率过低一般是由于柴油机故障引起的，如果电压过低或过高则是由发电机故障引起的。    （3）过载故障。变频器过载是由于加速时间太短、直流制动量过大或电网电压太低等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、解决电网电压等方式解决故障。电机负载过重可能是因为卡钻、重载时提升过快等引起的。
    （4）过流故障。外部原因：电机负载突变，引起的冲击过大造成过流；电机和电机电缆相间或每相对地的绝缘被破坏，造成匝间或相间对地短路，导致过流；如果变频器装有测速编码器时，速度反馈信号丢失或非正常时，也会引起过流，这时需要检查编码器和其电缆。变频器本身的原因：参数设定问题及变频器硬件问题。遇到过流故障，先用钳型电流表测量变频器输出的电流，看输出电流是否平衡，如果输出不平衡，说明变频器内部器件有问题。
    3.2 变频器硬件故障
    变频器硬件故障，分为控制系统和功率部件故障。
    （1）控制系统故障有控制板自身发生故障，由于控制板上电子元器件失效造成故障，经常损坏的有逆变柜主控板cuvc、整流柜主控制板cur板等，此类故障可以通过替换法进行维修，另外外围器件造成的故障，常见的有外部控制系统串入高压电，导致控制板接口电路损坏；
    （2）功率西门子变频器对于大部分硬件故障也有明确的故障显示，为用户维修工作提供了极大便利，本文将在实例中给出。
    4 西门子变频器维修实例
    4.1 逆变柜pmu上显示e
    （1）故障现象
    变频器通电后变频器pmu显示e，按p键后无反应，无法启动变频器，故障无法复位。
    （2）故障分析及处理
    首先检查电源，测量cuvc板上x101端子排上1，2脚之间为24v，排除控制系统电压故障，把cuvc板取下来，仔细观察上面元件，在x101端子附近发现有元件烧毁，怀疑是由外部控制线混入高电压造成的。经过仔细检查外部线路，发现有控制线因为绝缘破损而串入高电压，造成cuvc板烧毁，在排除外部故障后，更换cuvc板后变频器可以正常工作。从这起故障可以看出，不能看到控制板烧毁就立即进行更换，一定要查清楚故障原因，否则会造成不必要的损失。
    4.2 整流柜pmu上显示f005
    （1）故障现象
    在钻井生产中，在负荷增大时，变频突然停止工作，整流柜上报f005故障代码，f005是电源频率大于65hz或小于45hz。
    （2）故障分析及处理
    此类故障一般发生在zj30/1700db钻机上，因为该钻机采用单台750kw发电机组，由于柴油机故障造成在重负载下柴油机转速降低到1350转/分钟以下，此时电源频率低于45hz，造成变频器无法正常使用，在维修好柴油机后，变频器工作恢复正常。
    4.3 整流柜报f031故障
    （1）故障现象
    整流柜报f031故障，变频不能启动，检查后发现，整流柜左起第二个保险560a断，逆变柜500a四个保险全断。    （2）故障分析及处理
    f031故障代码的含义是：可控硅支路熔断器损坏，首先做外观检查及用万用表测量可控硅、igbt等部件，检查结果正常。更换保险后重新通电，启动变频器，电机运行在20hz后，逆变柜4个保险全断，整流柜保险左起第2个，第5个断，再次检查电机及变频器，测量结果全部正常，此时维修工作陷入困境，之后继续更换保险进行观察，启动变频后，发现逆变柜与整流柜之间直流母线排连接处有打火现象，检查后发现母线排连接处螺栓松动，更换螺栓后，变频器正常工作。从这个故障可以看出，因为钻机需要不断搬迁，造成变频柜内紧固件松动，在变频柜日常维护中应加强对重点连接部位检查工作。
    4.4 逆变柜pmu上显示f011故障代码
    （1）故障现象
    逆变柜pmu上显示f011故障代码，f011的含义是变频器因过电流而关机。正常情况下f011故障可以通过复位操作排除，但是此次无法进行复位，变频器上电后一直显示f011故障，无法消除。
    （2）故障分析及处理
    该故障一般是由以下原因造成：一是变频器输出有短路或接地故障；二是负载处于过载状态。首先断开变频器与电动机电缆，对电动机进行绝缘测试，测试结果正常，排除了电动机故障。其次检查变频器逆变柜igbt逆变电路，移走三块电容组，用万用表检查igbt，因为igbt内并联有续流二极管，用万用表测量二极管功能测量发射极与集电极，如果正反相参数正常，根据经验igbt没有损坏，如果有短路或开路现象，则igbt必须更换，经过测量u相上部2个igbt功率管全部损坏，触发板损坏，在更换部件后变频器恢复正常工作。
    5 结束语
    从这些年西门子变频器使用经验中总结出以下几点维护注意事项，首先，要给变频器一个良好的外部环境，包括稳定的电源电压、频率，合适的温度、湿度［3］。其次，应该对变频器适当降低变频器负荷，设置参数时对最大转矩、最大电流等要留出一定余量，这样可以极大延长变频器使用寿命。例如我公司zj30/1700db钻机有段时间频繁烧毁igbt等功率器件，igbt价格昂贵，造成很大损失，我们将变频器最大工作电流p128参数调整到600a后就杜绝了烧igbt现象。最后，应定期进行维护，清除变频器内灰尘，紧固松动部件。总之，以上维护与维修工作都是为了发挥变频器更大作用，增加变频器使用年限，降低变频器的故障率，从而使变频器能更好的为油田钻井生产服务。