载人离心机变频器柜的基本结构和故障维修

李毅峰，蒋 科，李宝辉，王海霞，杨明浩，金 朝，徐 艳，王 红，张立辉，杨景慧

（空军特色医学中心，北京 100142）

0 引言

载人离心机是航空航天医学领域唯一能够在地面逼真模拟各种机动飞行动作的装备，能够使受试者真切地感受到飞行对人体生理、心理的影响。它能提供较大的瞬时加速度，成为现代战机飞行员训练不可缺少的设备。我中心现使用的载人离心机是目前国内唯一的一台在用载人离心机，由原空军航空医学研究所从奥地利AMST公司引进，于2005年交付使用[1-3]。载人离心机主要由驱动系统、机械系统、控制系统、飞行仿真系统、医学监护系统、安全防护系统以及辅助系统七大系统组成。驱动系统是其中最重要的一部分，它产生离心机运动的强大旋转动力[4-6]。驱动系统主要包括3个部分：（1）主驱动，即同步电动机，包括转子、定子、绕组、主驱动架、润滑系统等；（2）变频器柜，即中压驱动，主要包括整流单元（active rectifier unit，ARU）、电容器组单元（capacitor bank unit，CBU）、励磁单元（excitation unit，EXU）等9个部分；（3）主驱动控制系统。变频器柜是驱动系统中最为重要和核心的部分。目前，我中心的载人离心机使用的变频器柜为ACS6000，功率范围为3~27 MVA，输出频率为0~75 Hz。该变频器柜具有严格的安全防护措施和完备的保护功能，以防止危险操作对驱动系统造成损坏、对人员造成损伤。变频器柜的调试是载人离心机建设期间整个系统调试中难度最大、花费时间最长的一部分。变频器柜根据用途及功能的不同，其结构等各方面差别也很大，一般会根据具体要求订制，它可以使系统平稳运行，具有较高的调试精度，有的还具有较好的节能效果，所以具有良好的应用前景。本文主要介绍变频器柜的基本结构、典型故障原因分析及维修思路，为ACS6000的日常维护和维修提供方法和思路。

1 ACS6000的基本结构

变频器柜是离心机系统控制中的核心部分，作为离心机的一个子系统，当ACS6000的任何一个部分出现故障，都会在离心机的安全监测系统中给出一个“From ABB：failure main drive”的报警提示。离心机系统中专门设立了技术系统监测单元，即TSMU，实时监测离心机的整体及各个子系统的运行情况[7-8]，工程人员看到后，会快速定位到变频器ACS6000系统，继而再根据变频器柜面板的报警提示，定位故障来自于变频器柜的哪一部分，查找故障原因并提出解决办法。

ACS6000主要包括以下几个模块：（1）ARU，它控制着电网流向直流回路的能量流，使其稳定且平整，无论供电的电网电压如何波动，直流回路电压都保持恒定。（2）逆变器单元（inverter unit，INU），它将直流电压转换为交流电动机电压。INU的布局和配备与ARU基本相同。（3）CBU，它用来平滑中间的直流回路电压，并使整流器和逆变器去耦。（4）终端单元（terminal unit，TEU），主电源和电动机电源的电缆连接在TEU中。（5）控制单元（control unit，COU），COU实现转换器控制、监控和保护功能。（6）水冷单元（water cooling unit，WCU），它向主要动力部件提供冷却水，将热量传递给外部水回路，并持续净化冷却水。（7）输入滤波单元（input filter unit，IFU），它是位于换流变压器和ARU之间的调谐滤波器，用来降低注入供电网络的谐波电压。（8）限压装置（voltage limiter unit，VLU），在过压情况下，它可将DC链路电容动态放电至正常水平。（9）EXU，用于同步电动机的励磁。图1为ACS6000的主要结构示意图。

图1 载人离心机ACS6000的主要结构示意图

2 ACS6000故障分析及维修

ACS6000的控制面板可以显示各种参数，如实时信号的电动机数据、实时信号的变压器数据、实时信号的速度及转矩参考值、各种限值、启动数据等，发生故障时，故障信息会通过控制面板显示出来。主驱动控制系统将可显示的参数根据类别分为Group 01到Group 99，共99组，故障信息设置在Group 09 FAULT&ALARMWORDS中。故障信息大致分为35个目录index，每一个index中包含B0到B15共16种故障信息，没有用到的留空。WCU是ACS6000出现问题最多的部分，也是维修次数最多的部分，现对1例WCU常见故障的分析和排除过程进行介绍，以供同行参考。

2.1 故障现象

离心机系统开机后无法启动运行，在系统技术监测单元的界面上出现报警信号，查看报警信号的Alarm list界面，显示“From ABB：failure main drive”（来源于ABB：主驱动故障）的报警信息。

2.2 故障原因分析

根据报警信息可将故障定位到ABB 的变频器柜ACS6000。查看位于地下一层的变频器柜COU柜子上的控制面板，根据目录仔细查看Group 09 FAULT&ALARM WORDS中的各参数，发现在INDEX33中出现“WaterInpPressLow”的报警信息，由此确定该故障是由水冷系统内部水压低引起的。一般情况下冷却水内部进水压低于20 kPa系统就会报警。造成水压低的原因如下：

（1）水冷系统漏水。漏水可能来自两方面：①管路漏水。由于水冷系统是为整个变频器柜冷却的，所以需检查变频器各个柜子里的水冷系统管路，尤其是水管各个弯头和接头处是否漏水，如果发现漏水，应对漏水部分及时维修，加强密封。这类故障应尽早处理，以防漏水对部件造成腐蚀和损伤。②冷却泵自身存在漏水情况，这种情况一般发生在泵运行过程中。冷却泵位于WCU中，需打开WCU柜，检查冷却泵的情况，较常见的是泵上的密封圈受损，有时密封圈较轻的和不可见的受损都会导致泵在运行中不断漏水。维修和更换密封圈后，运行系统观察泵是否漏水，如果依然漏水，说明是泵自身受损，需将泵拆卸并更换。密封圈和泵的更换都需要在有合适备件的情况下才能完成。无论是管路还是泵的维修，都需要花费较长时间。（2）水里混入了空气。水冷系统分布到变频器柜的各个柜体，任何一个部分密封不严，或在给系统注水时密封不严，都会导致水里混入气体。由于空气比水受环境温度影响大，即升温时空气膨胀的速度比水更快，导致混入气体的水比单纯水的水压大，降温时空气缩减的速度比水更快，导致混入气体的水比单纯水的水压小。因此，当温度迅速降低时，混有空气的水压比正常时的水压要低。这种情况下，需要对水冷系统进行排气，为了防止补水中再次进入气体，一般先补水后排气。可以通过系统的自排气系统排气，也可以通过管路上的排气孔手动排气。通常采用手动排气方式。排气孔设在管路上特定的位置，用扳手慢慢拧开排气孔上的螺栓，拧开到一定程度时，气体会不断从排气孔排出，并发出呲呲的声音，当听不到呲呲的声音时，说明水里的空气基本排除干净，这时将排气孔螺栓拧紧即可。拧螺栓的力度要适中，力量太小，达不到排气的效果，力量太大，管路内的水在高压的驱动下会通过排气孔快速涌出，浇湿排气孔周围的元件设备，影响电气甚至整个设备的安全使用，严重的会使元器件和设备受损。排气之后观察水压变化，如果依然低于压力下限，就要继续给水冷系统补充冷却水。（3）测量水压的压力传感器出现问题。压力传感器受损会导致测出的压力值出现误差甚至错误，此时需维修或更换传感器。但是因压力传感器受损而出现系统误报的概率相对较小，如果给水冷系统注水，传感器显示的压力数值随之不断增高，通常情况下表明传感器没有问题。

2.3 故障排除

无论是哪种原因造成的水压低，最常见和最直接的解决方法是给水冷系统补充冷却水。

具体操作过程：（1）查看冷却水系统管路图，找到各标识（如泵Q5002、排气阀V70、压力表B5501等）；（2）关掉冷却水系统的泵1、泵2的开关Q5002和Q5003，并打开各排气阀V70、V71、V72和V73，以及流量计B5523旁边的流量调节阀；（3）打开补水阀V55，关闭水阀V50；（4）准备好一大桶蒸馏水和一小桶蒸馏水，以及和补水阀V55相匹配的约2 m长的水管，水管一头安装好接头，管路中间连接1台动力泵；（5）使水管两端口朝上，将小桶蒸馏水从水管两端口倒入，使之充满整个管路且略溢出，然后将管路一端快速插入大桶蒸馏水中，另一端通过接头连接补水阀V55；（6）将准备好的和动力泵相匹配的电钻与动力泵连接，电钻通电工作，带动动力泵运转，将大桶中的蒸馏水通过补水阀V55持续地注入到冷却水系统管路中，同时观察压力表B5501的数值，当压力显示接近200 kPa时，停止注水；（7）关闭补水阀V55，打开水阀V50；（8）将补水管路中的水清除后收回管路。

2.4 补水注意事项

（1）冷却水的质量需严格控制，否则可能达不到补水的效果。注入的水应为去离子水或蒸馏水，至少应达到可饮用的纯净水的纯净程度。本次故障补水中实际用的是蒸馏水。如果不使用去离子水或蒸馏水，去离子树脂的有效寿命将大大缩短，同时因水中含有杂质或矿物质较多，注入的水本身离子浓度较高，注入系统后可能会增大水离子浓度即水离子传导率，达到一定程度会引起“WaterConductHigh”的报警。一旦出现水离子浓度高的报警，需开机运行设备，花费较长时间等待水离子浓度降低，延迟了设备的启动时间，同时长时间的高水离子浓度会快速降低去离子罐的使用寿命。

（2）将管路注满水后应快速地将其一端插入大桶蒸馏水中，插入的速度要快，否则管路中很可能混入气体或杂质，从而注入到冷却系统中，造成系统水离子浓度或水压偏高。

（3）补水注入的速度要均匀且适度，注水速度不能太慢，否则注水过程中可能会引入气体，使冷却水的水压升高，如果气体过多，水压升高到一定程度，也会引起系统的故障报警；速度也不能太快，否则会对系统造成损伤。系统要求的最大注水速度为15 L/min，若注水速度过快可能会超限引起报警，一般将注水速度控制在5 L/min即可。注水速度可以通过流量调节阀B5523观察到。

（4）注水过程中注意观察进水水压。通过进水压力表B5502的读数观察进水压力，一般数值在150 kPa左右即可，最大压力设置为200 kPa，超过最大限值系统将报警。

（5）注意通气孔的方向，确定溢出的水不会对人、电动机或其他的配件造成危害和损伤。

（6）注水前要关掉泵1和泵2的启动开关，否则带电操作会对水泵造成损伤。

2.5 小结

传感器出现误报的概率较低，一般引起水压低的原因为系统漏水和进气，无论是管路或泵的维修更换，还是给系统排气，都需要花费较长的时间，且维修更换和排气后一般仍需要给系统补水。因此当水压降低报警时，给冷却系统补充冷却水依然是目前解决这一问题的较快捷和常见的应对手段。

3 结语

随着飞行员改装新机型的选拔任务和高G载荷下训练任务的日益增多，载人离心机在航空领域凸显出越来越重要的不可替代的作用。在离心机各个系统中，驱动系统是使离心机产生强大旋转动力的最重要的部分，而变频器柜又是驱动系统中的核心部分，所以变频器柜的维护程度直接决定了离心机能否正常运转。如果能够做到精心维护、定期查看、大小问题及时处理，就可以有效降低故障率，延长离心机的使用寿命，使其发挥出最大的作用。当然，这对离心机的维修人员提出了更高、更专业和更为全面的要求。作为载人离心机这种大型设备的维修人员，不仅要熟悉各部分的原理和功能，还要不断地学习新知识、新技能，不断提高对离心机的应急处理能力和故障排除能力[9-10]，才能完成好载人离心机的维护维修工作。