Simovert 6SE70变频调速柜烧毁的原因分析和解决方案

赵晓凯，汪国欣

1 变频调速柜在石油钻井行业中的应用

在石油钻井行业中，目前世界主流钻机都是交流变频钻机。该型钻机具有可控性强、调速性能好、调速范围宽、防爆性能高、维护成本低、设备简洁、搬迁安装快捷等诸多优点。交流变频钻机系统中的绞车、泥浆泵、自动送钻装置、转盘及顶驱等设备大都使用变频调速柜。以7000米变频钻机为例，一部钻机可使用9至12台变频调速柜。其主要具有以下优点：

（1）能够实现绞车、泥浆泵、顶驱和转盘优异的调速功能，并能实现绞车的动力刹车、悬停和自动送钻功能。

（2）具有现场串行通信功能，其与PLC结合，易于实现自动化控制，且具有抗干扰性强的优点。

（3）相对于直流电机而言，因其所驱动的是交流异步电动机，运转时不会产生电火花，容易达到防爆的要求，且无需考虑碳刷的磨损和检查。

（4）由于所有的负载都是用电动机来驱动，整套钻机只需要发电机提供电力，将电力经过变频调速柜变频变压或者通过继电控制后即可由电缆将动力传输给现场的电动机，以驱动负载。使用柔性的电缆和免维护的三相异步鼠笼式电动机，能省去机械钻机中大量使用的传动轴、传动箱和链条，能够提高设备的可靠性，传动效率高，节能效果明显，并且降低了设备的维护成本，减小了动力传动环节的体积和重量，使得设备简洁，易于搬迁和安装。

（5）由于没有机械传动环节，所以不存在漏油现象，因而更环保，因没有机械运动部件，因而更安全。

2 变频调速柜烧毁的现象和损失

虽然变频钻机有诸多优点，变频调速柜在主流钻机中得到了广泛应用，但由于变频调速柜的技术含量高，电子元件集成度高，大量电器元件工作在高电压大电流状态下，因而对环境温度、湿度和海拔的要求比较高，所以在野外工作中出现故障的概率也较大，甚至会导致变频调速柜烧毁的恶性故障发生。笔者曾多次发现6SE7034-5HK60-Z变频调速柜被烧毁的恶性故障，比较典型。笔者对该型号被烧毁后的变频调速柜进行了彻底的检查，发现整流门触发/预充电路板6SE7038-6GL84-1HJ1上的预充三相整流桥爆裂，整流桥上的铝制散热片炸飞，而且电路板的正反面都有严重的闪弧痕迹，如图1所示。另外，还发现IVI板6ES7038-6GL84-1BG2、CUVC板6SE7090-0XX84-0AB0、逆变门驱动板6SE7034-5HK84-1JC0上都有元器件爆裂或者冒烟的痕迹，IGBT有炸裂的痕迹，预充电阻因经受过高温外表颜色已经变白。发生这种故障，变频调速柜中几乎所有的电气元器件全部损坏，导致整台变频调速柜彻底报废，损失至少200万元人民币。

图1 整流门触发/预充电路板

3 变频调速柜烧毁的原因分析

首先，我们分析一下这个变频调速柜6SE7034-5HK60-Z的整流门触发/预充电路工作原理，如图2所示。从图上可以看出，这个变频调速柜的预充电路和整流电路是并联的，在给变频调速柜送电后，门触发电路还没有得到触发可控硅的指令，所以可控硅不工作，600V的三相交流电通过预充整流桥整流后经过两个限流电阻给直流母线充电到810V。当变频调速柜得到工作指令后，600V的三相交流电经过六个可控硅整流，然后给直流母线提供逆变所用的强大的电机电流，此时预充电路几乎不会给直流母线提供电流。

由于预充电路的作用只是给直流母线电容预充电，所以整流桥的工作电流比较小，印刷电路板上铜箔的电流流通能力也非常有限，整体容量设计得非常小。

图2 整流门触发/预充电路

以上是6SE7034-5HK60-Z变频调速柜正常工作情况下的整流和预充工作原理。但是当可控硅整流电路不能正常工作时，直流母线的电压势必然会下降很多。这时与之并联的预充电路就会自动给直流母线供电，预充电路给电动机提供工作电流。容量有限的预充电路势必要严重过流，迅速发热，导致预充整流桥爆裂闪弧。三相交流电在整流桥内通过电弧发生短路，载流能力很小的印刷电路板上的铜箔熔断拉弧。由于在整流门触发/预充电路板6SE7038-6GL84-1HJ1上强电部分和弱电部分在空间上离得很近，这电弧很容易覆盖到弱电部分。一旦高压电弧覆盖到了弱电部分，那么这高压电就会进入到控制部分的直流供电电路。由于直流供电电路连接了各个控制部分，因此与直流供电电路相连的整流门触发板、IVI板、CUVC板、逆变门触发板、PSU2板、通讯板CBP2等所有的电路板都会窜入高压电，这必然会造成这些控制电路板被损坏。更为糟糕的是，逆变门触发板连接的是价格昂贵的IGBT，一旦逆变门触发板串入高压电，就会造成门触发板损坏和IGBT错误导通，并致使直流母线经过错误导通的IGBT而短路，从而造成IGBT爆裂。

经笔者多年的现场经验，发现工作在高电压大电流环境下的电气元器件往往都比较容易出现故障。变频调速柜中的六个可控硅就是这样的元器件，它们长期承受着高电压、大电流的冲击，很容易导致工作性能不稳定甚至损坏，且可控硅的触发电路发生故障也会导致可控硅整流失效，因此，可控硅整流电路出现故障的概率比较大。在这种变频调速柜中，一旦直流母线电压因为可控硅整流电路出现故障而降低，那么预充电路就会自动向直流母线充电，导致上述故障发生。

在功能上，整流门触发电路和预充电路是完全两个互不相干的独立功能的电路。通过实际观察可以发现，整流门触发电路和预充电路是完全独立的两个电路，没有任何的电气连接，如图3所示。

图3 整流门触发电路和预充电路板

经过以上分析，我们认为变频调速柜烧毁的根本原因是整流门触发/预充电路板6SE7038-6GL84-1HJ1设计不合理，该电路板上既集成了600V交流强电、810V直流强电，又集成了控制用的弱电，强电和弱电之间没有有效的空间隔离，而且在直流母线电压充满后不能自动切断预充电路的电源供应，无法对预充电路进行安全保护。

4 变频调速柜烧毁问题的解决方案

通过以上分析，我们从两个方面对预充电路进行了改进。

一是将整流/预充板上的预充整流桥和电容用电烙铁取下来，使得该电路板只保留使用弱电供电的可控硅整流触发电路。将取下来的预充整流桥和电容集中装到一个封闭的小金属盒内，固定在变频调速柜内离弱电部分较远的位置，充分做好壳体接地。然后用阻燃导线将600V三相交流电引入，再用阻燃导线将整流后的正、负极接到各自对应的预充电限流电阻上。这样即便发生闪弧，也不会对低压部分造成影响。

二是在原来预充电路的基础上，将预充整流桥通过一个交流接触器KM4连接到变频调速柜主电源开关的入线侧，如图4所示。在变频调速器中将参数P654设置为B124，这样就使得变频调速柜检测到直流母线充电完成后，产生的主开关合闸指令B124从CUVC板X101的6端子输出。图中时间继电器KM3选用RELECO品牌的时间继电器模块，型号是CT2-W30/L，当时间继电器的线圈得电后，它的常开触点立即闭合，然后延时T秒钟断开。为了确保主开关能够闭合，我们设置KM3的常开触点为闭合1秒钟后断开。图中中间继电器KM2用于切换和自锁，预充/合闸开关是自锁位开关。当预充/合闸开关闭合后，KM1得电，KM4得电，预充回路接通，开始给直流母线充电。当变频调速柜检测到直流母线电压升高到允许合闸的电压值时，CUVC板X101的6端子输出一个24V信号，KM2闭合，KM1断开，KM4断开，预充电回路切断。时间继电器KM3得电，给变频调速柜主电源开关的合闸线圈一个1秒钟的合闸脉冲信号，变频调速柜主动力回路接通，变频调速柜开始工作。同时，KM2依靠自身的常开触点实现自锁，当可控硅或者触发电路出现故障导致直流母线电压过低、变频调速柜主电源开关跳闸或者600V电源失电又得电后，为了保护，预充电回路不会自动接通给直流母线充电，直到操作者确认和排除故障后，将预充/合闸开关断开，然后重新闭合，预充电回路才会再次给直流母线充电，变频调速柜才能工作。

图4 改造后的电气原理图

5 结束语

通过我们对变频调速柜6SE7034-5HK60-Z发生烧毁现象的深入分析，找出了烧毁的原因，制定了解决的方案，从根本上解决了此类变频调速柜烧毁的问题。另外，笔者还发现其他型号的变频调速柜也存在此类问题，如6SE7031-0EE60-Z变频调速柜，以及目前流行的G150变频调速柜等，对于这些变频调速柜，本文也有一定的借鉴作用。

参考文献：

［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.