ZJ40DBL 鉆機西門子變頻器維修探究

夏寶軍

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710021）

0 引言

大慶鉆井單位在進行轉(zhuǎn)盤功能完善時，對ZJ40LDB 規(guī)格鉆機安裝了驅(qū)動程序，嘗試使用西門子品牌的變頻器，確保驅(qū)動平穩(wěn)性[1]。此款變頻器表現(xiàn)出較強的速度調(diào)整能力、耐用性較強、運維方式具有較高的便利性。與此同時，變頻器中添加了完整的監(jiān)測程序，可以有效檢測電路故障問題、高效斷電，形成保護體系，確保變頻器、電機的使用安全。

1 ZJ40DBL 鉆機

1.1 鉆機簡介

鉆機設(shè)備的動力程序中，含有4 個柴油發(fā)電程序，每個機組功率為800 kW。在交流母線位置集中存儲電能，由一臺交變電機為轉(zhuǎn)盤提供動力。絞車程序中含有交變電機兩組，同時運行供應(yīng)驅(qū)動力。變頻設(shè)備的運行功率為630 kW。在3 組電機的作用下，逐一對3 個泥漿泵形成驅(qū)動，具有一對一匹配的獨立控制效果，在變頻器組成中添加了檢測保護單元。

實際運行期間，在多種因素的作用下鉆機會發(fā)生故障，致使鉆機無法有序運行、降低鉆機生產(chǎn)能力。對鉆機進行運維時，需要全面掌握變頻器的設(shè)備組成，依據(jù)變頻器的結(jié)構(gòu)特點落實相應(yīng)的運維工作。

1.2 變頻器外部控制電路

變頻器的組成以3 個控制柜為主，3 個柜的類型為開關(guān)、整流、逆變。在開關(guān)柜中，含有隔離、保險等裝置。整流柜的結(jié)構(gòu)組成，含有多組可控硅，借助控制板對可控硅進行功能觸發(fā)，如電壓、電流等。變頻器裝設(shè)置在鉆機轉(zhuǎn)盤處。

鉆機的控制程序有速度調(diào)整、啟停調(diào)整、頻率調(diào)整。設(shè)計簡易的控制程序，電源供電時選擇24 V、10 V 兩種級別的電源，轉(zhuǎn)盤運行時，連接CUVC 控制板。在控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動方向時，將控制板連接至X101：8 接口。變頻器發(fā)生故障問題時，對其進行復(fù)位處理，此時控制板連接至接口數(shù)字為7。轉(zhuǎn)盤在數(shù)秒內(nèi)迅速停止運行的控制程序，控制板連接端口數(shù)字為6。在控制轉(zhuǎn)盤運行速度時，電位器設(shè)計的電壓區(qū)間0～10 V，確保轉(zhuǎn)速控制效果，此時控制板連接接口數(shù)為16。在變頻器調(diào)整速度時，參考電壓數(shù)值，確保速度控制有效性。

2 ZJ40DBL 鉆機西門子變頻器維修方法

2.1 故障發(fā)生

（1）參數(shù)配置偏差、外圍部件質(zhì)量不佳引起的變頻設(shè)備故障問題[2]。這種故障可采取參數(shù)設(shè)計檢查方式，判斷參數(shù)設(shè)計的失誤性，如P554 在進行參數(shù)失誤時會引起變頻器啟動程序發(fā)生故障。另外，檢查外圍設(shè)施使用的合理性，鉆進設(shè)備多次搬遷、控制線完整性不強、插頭受損、控制程序損壞等，均會引起變頻器故障。

（2）由壓力與頻率引起的設(shè)備故障，主要是外部電源、檢測電路兩個程序有損壞情況。通常鉆機運行時供電程序為自用發(fā)電機，當(dāng)供電頻率、電壓超出變頻器允許范圍時會形成變頻器故障或問題。因此，運維人員應(yīng)全面檢查發(fā)電機組，如果頻率不高則判斷故障點為柴油機，如果是電壓超限則判定是發(fā)電機有故障。

（3）過載故障。引起變頻器頻率頻率增加的因素有加速時程較短、直流制動量較高、電壓不高，可采取的故障消除方法分別是調(diào)高加速時程、增加制動時區(qū)、控制電網(wǎng)電壓。電機發(fā)生負載過大故障時，極有可能發(fā)生卡鉆、重載等問題。

（4）過流故障。引起變頻器發(fā)生過流故障的主要原因：①電機負載發(fā)生變化，引起較大沖擊作用，形成過流現(xiàn)象；②電機與電纜發(fā)生絕緣損壞問題時，將會形成匝間、相間各類短路問題，引發(fā)過流故障；③如果變頻器配置了速度檢測設(shè)備，速度反饋信息不完整時會形成過流問題，此時運維人員應(yīng)測定編碼器、電纜等程序的運行質(zhì)量。

（5）硬件故障。變頻器程序中有硬件故障時，故障集中分布在控制程序、功率單元：控制程序在運行不暢時，主要是控制板中有器件性能失效情況，引起逆變柜、主控板有損壞情況；外側(cè)器件形成的質(zhì)量損壞，一般由高壓電引起，致使控制板線路發(fā)生損壞。對于因為控制程序運行不暢導(dǎo)致的故障，運維人員可以采取替換法，確保維修效果。

2.2 故障處理

2.2.1 逆變柜反饋“E”的故障

（1）故障表現(xiàn)：在運行變頻器時對其進行通電處理，變頻器會給出“E”的反饋，此時操作P 鍵并無響應(yīng)，引起變頻器啟動困難，難以進行復(fù)位操作。

（2）故障處理：①在消除故障問題時，運維人員應(yīng)查看電源情況、測定板面電壓值，如果電壓檢測結(jié)果為24 V，說明控制程序無故障；②可摘除CUVC 板，仔細查看元件，如果板面并無元件損壞現(xiàn)象，判斷在外側(cè)控制程序中有高電壓輸入情況；③認真查看外側(cè)分布線路，如果有絕緣材料損壞情況就會發(fā)生高電壓混入，致使CUVC 板損壞；④在確定故障后更換控制板，變頻器可恢復(fù)運行能力。

（3）收獲的經(jīng)驗：在發(fā)生控制板損壞時，需要及時更換控制板，明確故障原因，減少故障損失。

2.2.2 整流柜呈現(xiàn)“F005”的故障

（1）故障表現(xiàn)：在鉆進作業(yè)時，負荷增加會引起變頻器運行驟停，此時整流柜出現(xiàn)故障反饋信息“F005”，表示電源頻率不在45～65 Hz。

（2）故障分析：電源故障主要發(fā)生在鉆機中，由于鉆機使用的供電機組有故障，此時柴油設(shè)備轉(zhuǎn)速為1350 r/min，此時電源頻率不大于45 Hz，引起變頻器運行失效現(xiàn)象。

（3）故障處理：維修柴油設(shè)備，恢復(fù)變頻器功能。

2.2.3 整流柜呈現(xiàn)“F031”的故障

（1）故障現(xiàn)象：“F031”代碼反饋的故障問題，表示變頻器發(fā)生啟動故障。檢查變頻器后發(fā)現(xiàn)，整流柜、逆變器均有保險斷裂。

（2）故障分析：“F031”反饋的故障信息是“可控硅線路中有設(shè)備損壞”。

（3）故障排查：①查看整流柜外觀，利用多用表檢測柜內(nèi)各類器件性能，未發(fā)現(xiàn)異常；②更換受損保險，運行變頻器，電機功率達到20 Hz 時逆變柜中的4 組保險同時斷裂但整流柜中有兩組保險發(fā)生斷裂，再次全面檢查逆變與整流兩個程序，測定結(jié)果無異常；③再次更換受損保險，連電運行后在逆變、整流兩個程序中存在“打火”問題，進一步檢查后發(fā)現(xiàn)母線位置的螺栓不緊固，更換螺栓后變頻器恢復(fù)正常運行。

（4）收獲的經(jīng)驗：鉆機處于多次搬遷狀態(tài)，會增加變頻柜各類固件連接不牢固問題，需要運維人員周期性檢查，進行有效維護，減少故障影響。

2.2.4 逆變柜反饋代碼“F011”的故障

（1）故障現(xiàn)象：“F011”故障表示在過電流作用下引起變頻器停止運行現(xiàn)象。消除此故障時一般可進行復(fù)位操作，然而在一些特殊情況下復(fù)位操作無法恢復(fù)變頻器的運行能力。

（2）故障分析：該故障的原因有兩個，一是變頻器運行時發(fā)生短路、接地等問題，二是負載較高。

（3）故障排除：①連接變頻器、電動設(shè)備的電纜，對其進行切斷處理，絕緣測定電機，測定結(jié)果無異常，證明電機無故障問題；②查看逆變電路，去除電容組，利用多用表測定IGBT 性能（IGBT 內(nèi)含有二極管），如果參數(shù)無異常則判斷IGBT 無損壞問題，否則為電路故障問題、應(yīng)做更換處理。

經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，兩組IGBT 均處于受損狀態(tài)，主要損壞部件為觸發(fā)板，更換觸發(fā)板后變頻器運行正常[3]。

2.3 變頻器故障消除的流程

（1）檢查運行環(huán)境。

（2）查看運行負荷。

（3）定期進行設(shè)備運維，減少部件松動問題。運行完整、高效的維修工作，積極發(fā)揮變頻器的使用功能，增加變頻器的使用時間，助力油田鉆井生產(chǎn)有序進行。

3 變頻器維修的4 條經(jīng)驗

3.1 提高維修人員素質(zhì)

鉆進設(shè)備發(fā)生故障時生產(chǎn)人員需及時給出設(shè)備變更處理[4]。在控制保護線路受損時，啟動100 A 的控制線路，對風(fēng)機形成臨時保護。變更完成時，線路未恢復(fù)工況，會增加風(fēng)機損壞概率，運維人員應(yīng)加強線路功能的修復(fù)。如果有線路變更需求，應(yīng)有序開展風(fēng)險測評，確保處理方法有效，提升故障消除有效性。運維人員在強化自身技能時，可補充故障表現(xiàn)、故障消除、變更處理等方面知識，以滿足變頻器各類故障處理的技術(shù)需求。

3.2 提高檢修工作頻率

運維人員應(yīng)強化自身技能，能夠?qū)ψ冾l器故障給出有效判斷，同時還可有效利用各類工具（如PLC 技術(shù)）對變頻器進行在線故障檢測，以此提升檢修速度、減少誤判，發(fā)揮智能科技的應(yīng)用價值。

3.3 注意設(shè)備電路問題

在使用變頻器控制時，應(yīng)保證接地處理的謹慎性。在變頻器發(fā)生故障時，主要是在電源系統(tǒng)中連接了控制板。因此，在變頻器接地操作時，運維人員需規(guī)范處理等電位線，保證變頻器與鉆機的連通效果。使用銅線進行連接，確保連接有效性。如果鉆機內(nèi)部完成等電位處理，與變頻器連接可以避免電機燒毀問題。

3.4 嚴格控制使用環(huán)境

營建優(yōu)質(zhì)的變頻器運行環(huán)境，從電壓、頻率等方面逐一開展環(huán)境控制，必要時可以適當(dāng)調(diào)小變頻器運行負荷、合理設(shè)計參數(shù)，適當(dāng)給出轉(zhuǎn)矩、電流等參數(shù)的余量空間，進而減少變頻器滿載運行可能性和設(shè)備磨損，增加使用時長。在日常運維工作中還應(yīng)采取周期性運維措施，清除設(shè)備灰塵，加強松動部件檢查。

4 結(jié)論

綜上所述，在變頻科技發(fā)展的環(huán)境中，變頻設(shè)備具有較高的便利性，順應(yīng)國家節(jié)能減排的各項規(guī)劃，可用于國產(chǎn)設(shè)備節(jié)能改造，增強油田鉆井作業(yè)能效，為油田節(jié)能發(fā)展提供新思路。