油田注聚泵站變頻器常見故障及處理

　　1 引言

　　目前變頻器在油田注聚泵站得到全面普及應(yīng)用，以勝利油田孤東采油廠為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)低壓變頻器在注聚泵站應(yīng)用數(shù)量已達(dá)270余臺，約占油田低壓變頻器總數(shù)的58%。變頻器在油田三次采油開發(fā)技術(shù)中從單井注入泵電機(jī)的控制，到聚合物礦場試驗(yàn)中的母液配制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)、喂入外輸系統(tǒng)中都大量應(yīng)用到變頻器，它具有節(jié)能、方便流量調(diào)節(jié)、和plc及上位機(jī)的良好通訊性能和無級調(diào)速能力，與流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、自動混配控制器配合達(dá)到自由改變完成單井配注，可以自由改變下粉(聚合物)量，恒壓喂入，跟蹤物位調(diào)節(jié)，保證配藥罐液位相對穩(wěn)定，備用泵系統(tǒng)萬能替代其它單泵工作的優(yōu)點(diǎn)。但隨著變頻器應(yīng)用數(shù)量的逐年擴(kuò)大和使用年限的增加，變頻器的故障問題日益顯現(xiàn)，如何確保在用變頻器的正常運(yùn)行，減少變頻器的故障時間，已越來越成為采油廠的一項(xiàng)重要研究課題。

　　2 變頻器工作原理及端子接線

　　2.1工作原理

　　通常把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電通過橋式整流變換為直流電(dc)，把直流電(dc)變換為交流電(ac)，其電學(xué)術(shù)語為“inverter”(逆變器)。由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。用于電機(jī)控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率，但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)(提高)電源供電的頻率，減小低頻頻閃對眼睛的暈眩作用。變頻器的工作原理被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如計(jì)算機(jī)電源的供電(ups)，在該項(xiàng)應(yīng)用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電，瞬間斷電時ups可以把蓄電池內(nèi)存儲的直流電轉(zhuǎn)換為電壓、頻率和市電一樣的交流電源，保證計(jì)算機(jī)用戶有足夠的時間將所做的工作進(jìn)行存盤。當(dāng)然也適用于醫(yī)院和其它不可斷電的工業(yè)系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)的備用電源系統(tǒng)。

　　變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可通過圖1的示意圖進(jìn)行描述，以三相工業(yè)電源為例，簡單說明變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。

　　圖1 變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　從圖1中可以簡單理解變頻器的工作原理，三相交流電源經(jīng)橋式整流電路由交流電變?yōu)槊}動直流電，然后經(jīng)大容量電容濾波變?yōu)檩^穩(wěn)定的直流電，再經(jīng)過振蕩逆變系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電壓頻率可變的交流電去驅(qū)動負(fù)載電動機(jī)，在這過程中有中央控制系統(tǒng)參與的閉環(huán)控制，其中包括對輸入電源的電壓、頻率監(jiān)視、整流后的直流電壓監(jiān)視、輸出的電壓頻率電流監(jiān)視、變頻器的溫度監(jiān)視、外部輸入故障監(jiān)視等。還有對外部人工輸入?yún)?shù)的反映、內(nèi)部反饋的數(shù)據(jù)的調(diào)整、對故障的報警和停機(jī)處理。人機(jī)界面是人工輸入各項(xiàng)參數(shù)、顯示內(nèi)部工作狀態(tài)、故障報警內(nèi)容(有的是代碼)以及輸入事先編好的程序，使變頻器按照人們的意愿去完成某個特定的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，人機(jī)界面從外觀看，一般是發(fā)光數(shù)碼管或液晶顯示屏，帶有一些防水軟觸健，它相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的鍵盤和顯示器，所以它即是變頻器的輸入設(shè)備又是輸出設(shè)備。

　　2.2變頻器的端子接線

　　圖2簡單介紹一些變頻器在注聚泵站中常用的接線端子，有助于理解變頻器和外部連接的常識，也便于對變頻器故障問題的檢查和處理。

　　一般來說，變頻器的端子可以簡單分為主電路端子和控制電路端子：

　　(1)主電路接線端子

　　輸入三相動力端子用r、s、t字母來標(biāo)示，其輸入為ac380～450v±10%(50、60hz±5%)，國外的變頻器也有200～240v輸入電壓范圍的。輸出(負(fù)載)端子一般用u、v、w來標(biāo)示。接地端子用g標(biāo)示。

　　其它還有可選用的dc電抗器端子、外部制動電阻端子和外部制動單元連接端子等在圖中沒有標(biāo)出，在注聚中不太常用在此不做詳細(xì)描述。

　　(2)控制電路接線端子

　　模擬給定公共端子(l)，頻率給定端子(h)，h與l之間能提供+10v直流電。頻率指令端子，有電壓和電流輸入兩種，電壓一般0～10v，電流4～20ma。模擬監(jiān)視器，可以監(jiān)視變頻器的輸出頻率、電壓、電流、輸入電功率等。內(nèi)部報警輸出端子，可以把變頻器內(nèi)部故障傳給與它相連的外部自動化儀器設(shè)備，以便實(shí)現(xiàn)聯(lián)動。外部報警輸入端子，把外圍設(shè)備的故障傳給變頻器，讓其做出停機(jī)反應(yīng)，如所帶負(fù)荷發(fā)生故障、自動控制系統(tǒng)發(fā)生故障等。外部熱敏電阻輸入端子，讓變頻器檢測溫度，過熱時引起跳閘，并停止輸出。正反轉(zhuǎn)輸入端子，它連接后變頻器不受鍵盤輸入運(yùn)轉(zhuǎn)方向控制，所以常用它來從外部輸入運(yùn)轉(zhuǎn)停止指令。

　　3 注聚泵站變頻器常見問題及處理

　　結(jié)合筆者現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用過程遇到的問題，現(xiàn)介紹一下對故障問題的處理方法和注意事項(xiàng)如下：

　　3.1變頻器在低速和高速運(yùn)轉(zhuǎn)時電流過大

　　變頻器在低速和高速運(yùn)轉(zhuǎn)時電流過大，造成變頻器本身和負(fù)載溫度過高，負(fù)載(電機(jī))噪聲和振動過大。在1992年孤東三元復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)中，用到5臺東芝30kw變頻器，當(dāng)時因?yàn)樵O(shè)計(jì)和投產(chǎn)有差異，結(jié)果實(shí)際運(yùn)行時需要變頻器的運(yùn)行頻率需要在8～10hz運(yùn)行，也就是常見的低頻狀態(tài)下運(yùn)行，結(jié)果每臺變頻器所帶的電機(jī)的普遍振動過大，且運(yùn)行中發(fā)出“吱吱”的噪音，電機(jī)表面溫度都在80℃以上，最高達(dá)到90℃，變頻器輸出電流35a以上，且電流波動較大。經(jīng)美國現(xiàn)場電氣工程師調(diào)試后得出結(jié)論：變頻器不可在低頻下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，況且電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速慢導(dǎo)致電機(jī)散熱不好，發(fā)熱在所難免。筆者當(dāng)時仔細(xì)分析研究的變頻器說明書，發(fā)現(xiàn)了v/f參數(shù)以及轉(zhuǎn)矩等各項(xiàng)參數(shù)的意義和設(shè)定方法，推測變頻器在低頻下電流過大是因?yàn)榈皖l時輸出轉(zhuǎn)矩過小引起。根據(jù)電機(jī)功率公式p=uicosφ可以看出：在輸出功率一定時，適當(dāng)提高輸出電壓就可降低輸出電流，因此筆者試驗(yàn)了兩種方法：第一種方法是改變v/f曲線，把變頻器的基本頻率由50hz該改為40hz左右，也就是說讓變頻器在40hz左右時對應(yīng)輸出電壓380v，相對來說在8～10hz時輸出電壓約增加20%的輸出電壓，經(jīng)過調(diào)整5臺變頻器的基本頻率在38～42hz之間，運(yùn)轉(zhuǎn)時的輸出電流約是原來的50%左右，變頻器和電機(jī)的溫度都大大降低，電機(jī)溫度在34～39℃之間，噪聲和振動也變得很小，較之工頻時電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有力而平穩(wěn)。第二種方法是設(shè)定轉(zhuǎn)矩提升，也就是在v/f比率不變的情況下，將輸出電壓都增加10～50v的電壓增益，這種方法也可達(dá)到以上效果。

　　變頻器可以在低頻下正常運(yùn)行，但要根據(jù)負(fù)載情況適當(dāng)改變輸出電壓增益，也就是輸出轉(zhuǎn)矩，但要注意電壓不可提升過高，以防止電機(jī)定子超過磁飽和反而引起電流過大和耗電增加。合理的調(diào)節(jié)可以提高設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)性能并達(dá)到提高功率因數(shù)而節(jié)電。同時應(yīng)注意所帶注聚泵在低轉(zhuǎn)速下是否有良好的潤滑，一般來說柱塞泵靠曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)帶動潤滑油的甩起，轉(zhuǎn)速低時甩動不好，潤滑油位可適當(dāng)提高，這時柱塞泵就可達(dá)到較好的潤滑且發(fā)熱更少。

　　3.2變頻器在啟動和停止時發(fā)生過電流保護(hù)的處理

　　變頻器在啟動和停止時發(fā)生過電流保護(hù)一般有以下幾方面原因：

　　(1)加速時間和減速時間不合適造成，加速時間過長容易使變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩長時間過低而引起啟動電流過大，而加速時間過短也會引起電機(jī)在短時間內(nèi)無法跟上變頻器的電壓和頻率輸出值，就象工頻直接啟動接近的效果，一般根據(jù)負(fù)荷變化情況來設(shè)定加速時間，在注聚和物中單井注入泵變頻器，一般設(shè)定5～10s，觀察輸入電流表，以加速期間的電流不大于實(shí)際時的電流的1.5倍。減速時間也很重要，它的特征和加速時間差不多，一般也設(shè)定在5～15s之間，根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整，減速期間禁止使用剎車，比如電機(jī)未停止時禁止關(guān)泵出口閘門。

　　(2)啟動轉(zhuǎn)矩太小造成啟動電流過大，這一般是因?yàn)関/f曲線不合適造成，注聚泵因?yàn)槭呛銐狠敵觯瑧?yīng)選用線性v/f曲線，根據(jù)負(fù)荷情況適當(dāng)調(diào)整v、f對應(yīng)值以達(dá)到最佳啟動轉(zhuǎn)矩，比如負(fù)荷小時可采用v/f值小一點(diǎn)，反之則大一點(diǎn)。

　　3.3變頻器在運(yùn)轉(zhuǎn)中莫名其妙的自動停機(jī)，復(fù)位可再啟動的處理

　　這種現(xiàn)象一般是因?yàn)樵谕槐梅績?nèi)其它大型電機(jī)一起動(工頻)，電機(jī)起動時將流過和容量相對應(yīng)的起動電流，電機(jī)定子側(cè)的變壓器產(chǎn)生電壓降，電機(jī)容量大時此壓降影響也大，連接在同一變壓器上的變頻器將做出欠壓或瞬停的判斷，因而有時保護(hù)功能(ipe)動作，造成停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這時可在變頻器輸入端加入感性濾波線圈來解決。

　　3.4變頻器在50hz時帶動的離心泵不能達(dá)到工頻時流量和揚(yáng)程

　　現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)的該變頻器設(shè)定的基本頻率是60hz，也就是說在60hz時才達(dá)到380v的輸出電壓，明顯是50hz時的轉(zhuǎn)矩不足引起離心泵轉(zhuǎn)速低造成，將基本頻率改成50hz，輸出電壓最大為400v(電網(wǎng)輸入為410v)后滿足流量和揚(yáng)程要求，且工作電流也降低了，電機(jī)發(fā)熱也小了。

　　3.5變頻器內(nèi)部器件損壞引起的報警輸出的故障判斷和維修處理

　　變頻器內(nèi)部器件損壞有以下幾種：

　　(1)主板損壞。一般此時變頻器人機(jī)界面無顯示，變頻器無反映，需更換主板，廠家提供的可直接更換，更換時注意讓變頻器完全放電完畢，手不可接觸電路板部分防止靜電燒壞內(nèi)部cmos電路。筆者曾維修過一臺日立變頻器，人機(jī)界面無顯示，經(jīng)檢查主板電源電路被燒壞，經(jīng)更換主板后恢復(fù)正常。還維修過一臺富士變頻器，有人機(jī)界面顯示和故障代碼顯示，經(jīng)查為充放電電路故障，用萬用檢查，發(fā)現(xiàn)主板上充放電電路的一支3a保險管被燒斷，更換后恢復(fù)正常。

　　(2)輸出模塊損壞。一般引起變頻器過載停機(jī)，無論怎么調(diào)整都不行，筆者曾更換過東芝、abb等變頻器輸出模塊，當(dāng)然有的變頻器直接有故障代碼顯示。輸出模塊損壞的原因有各種各樣，一般來說出現(xiàn)的問題也無非是u、v、w三相無輸出，或者輸出不平衡，再或者是輸出平衡但地低頻的時候抖動，還有啟動報警等。當(dāng)一臺變頻器大電容后的快熔開路，或者是igbt逆變模塊損壞的情況下，輸出模塊基本不能完好無損，切不可換上好的快熔或者igbt逆變模塊，這樣很容易造成剛換上的好的器件再次損壞。這時候應(yīng)該著重檢查一下輸出電路上是否的打火的印記，可先將igbt逆變模塊的輸出腳連線拔掉，用萬用表電阻檔測量輸出電路是否阻值相同，如果基本相同還不能完全證明輸出電路是完好的，接著需要用數(shù)字式電子萬用表來測量輸出電路的直流電壓，一般來說，未啟動時每路輸出電路上的直流電壓為10v左右，啟動后的直流電壓為2～3v左右，若測量結(jié)果正常，可以確定變頻器的輸出電路是好的。

　　(3)輸入缺相。內(nèi)部三相均有保險，如果燒壞就會缺相，這時大多變頻器會有提示，根據(jù)提示檢查即可發(fā)現(xiàn)。

　　(4)整流模塊損壞。該模塊損壞就不可完成ac-dc的轉(zhuǎn)換，變頻器也不能工作，這個根據(jù)檢查不難發(fā)現(xiàn)，有時是三相橋中一個二極管損壞，會造成主直流電壓過低報警，濾波電解電容損壞也會引起主直流電壓過低報警。

　　(5)溫度傳感器故障。筆者曾遇見一臺變頻器頻繁發(fā)出主板過熱報警，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)傳感器損壞，經(jīng)更換后正常。

　　(6)監(jiān)視器故障。筆者曾遇見過多臺變頻器不顯示故障，多數(shù)故障是因長期操作造成監(jiān)視器電路焊點(diǎn)開路引起，經(jīng)重新焊接后恢復(fù)正常。

　　(7)冷卻風(fēng)扇故障。變頻器遇到這種故障就自動停機(jī)，故障代碼顯示為變頻器過熱故障，注聚泵站此類故障也較多，更換冷卻風(fēng)扇后正常。冷卻風(fēng)扇在室內(nèi)無塵、溫度、濕度適中的環(huán)境下正常使用壽命為20000小時，在高溫、高濕和灰塵較多的場全使用將嚴(yán)重影響它的使用壽命。

　　(8)報警輸出電路故障。這類故障也較常見，主要是變頻器內(nèi)部報警繼電器發(fā)生故障，出現(xiàn)誤報警、或自動停機(jī)，甚至造成控制聯(lián)機(jī)系統(tǒng)失靈，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。變頻器故障問題的檢查方法是用萬用表測量一下報警繼電器輸出端子的電壓是否正常，常閉、常開觸點(diǎn)是否正確，若發(fā)現(xiàn)繼電器故障，更換繼電器即可。

　　3.6電位器故障

　　變頻器在由電位器遠(yuǎn)控時頻率總是為0或最大(比如50hz)，不可調(diào)整，這一般是因?yàn)殡娢黄鞯纳隙撕驼{(diào)節(jié)端開路引起為0，下端開路引起最大。當(dāng)然也見過因?yàn)槁毠y調(diào)，將內(nèi)部設(shè)定最小頻率和最大頻率設(shè)成相同值造成的無法調(diào)整。還有被人由遠(yuǎn)控改成盤控而無法調(diào)整的。這些根據(jù)現(xiàn)象和內(nèi)部設(shè)定檢查不難改正。另外，若電位器內(nèi)部發(fā)生故障，也會產(chǎn)生電位器調(diào)節(jié)端輸出不變，造成變頻器頻率無法正常調(diào)節(jié)，遇到這種情況更換同阻值的電位器即可。

　　4 實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

　　(1)當(dāng)不知道哪個參數(shù)出問題了，或者被其它人參數(shù)調(diào)亂了，那么應(yīng)先改成出廠設(shè)定。

　　(2)變頻器的輸出端絕對不允許接入工頻電源，為防止此類錯誤，在進(jìn)行變頻、工頻切換時一般不采用電路互鎖，而應(yīng)采用機(jī)械互鎖，也有使用多位開關(guān)或輔助觸點(diǎn)來切換的，但一定要加防過流保險，防止觸點(diǎn)粘連。

　　(3)變頻器選用功率能力最好是所帶實(shí)際負(fù)荷的120%。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)避免大功率電機(jī)配小功率變頻器的問題，若遇到電機(jī)負(fù)載率增加超過變頻器最大功率時，就會容易燒壞變器。

　　(4)變頻器可以超過50hz運(yùn)轉(zhuǎn)，首先保證沒有超負(fù)荷，其次保證所帶電機(jī)和泵是否允許超速運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　(5)變頻器也可在低于10hz運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)鍵調(diào)好轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，保證低速下有合適的轉(zhuǎn)矩，而且應(yīng)保證低速下的電機(jī)冷卻，因?yàn)榇蠖嚯姍C(jī)的冷卻風(fēng)扇是和電機(jī)軸同步，同時保證泵有足夠的潤滑，因?yàn)樽⒕塾弥玫臋C(jī)油也是靠泵本身的轉(zhuǎn)動帶動潤滑系統(tǒng)，只有少數(shù)大排量柱塞泵是獨(dú)立潤滑泵提供潤滑，不受泵轉(zhuǎn)速影響。

　　(6)如果使用大功率的變頻器帶動小負(fù)荷的設(shè)備，一定注意將其內(nèi)部保護(hù)值設(shè)定的跟所帶負(fù)荷接近的數(shù)值，避免對電機(jī)造成損害，也可真正達(dá)到監(jiān)視設(shè)備是否正常運(yùn)行。

　　(7)變頻器外接電位器電阻大小要按照變頻器使用說明書的要求選用，過大、過小都不合適，電位器過小頻率就調(diào)不上去，電位器過大就不易制裁節(jié)控制。

　　(8)應(yīng)避免變頻器外接電位器接線不正確的問題。接線不正確，盡管變頻器也能正常運(yùn)行，但電位器電阻值變化與頻率變化正好相反，調(diào)現(xiàn)場操作不方便，解決辦法是將接線重新調(diào)整即可。

　　5 結(jié)束語

　　總的來說，油田注聚泵站變頻器的調(diào)試、維護(hù)、故障檢修工作，除了要熟悉和掌握其變頻器的工作原理和油田生產(chǎn)工藝外，更重要的是要靠檢修實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，才能正真提高現(xiàn)場檢修人員的故障處理能力和檢修水平，才能更好地掌握變頻器的維修技術(shù)，滿足生產(chǎn)工作的需要。因此，通過以上對油田注聚泵站常見故障問題的分析，希望對廣大從事變頻器維修行業(yè)的同行們有所幫助。