油田注聚泵站变频器常见故障及处理

　　1 引言

　　目前变频器在油田注聚泵站得到全面普及应用，以胜利油田孤东采油厂为例，据统计低压变频器在注聚泵站应用数量已达270余台，约占油田低压变频器总数的58%。变频器在油田三次采油开发技术中从单井注入泵电机的控制，到聚合物矿场试验中的母液配制系统、转输系统、喂入外输系统中都大量应用到变频器，它具有节能、方便流量调节、和plc及上位机的良好通讯性能和无级调速能力，与流量计、调节阀、自动混配控制器配合达到自由改变完成单井配注，可以自由改变下粉(聚合物)量，恒压喂入，跟踪物位调节，保证配药罐液位相对稳定，备用泵系统万能替代其它单泵工作的优点。但随着变频器应用数量的逐年扩大和使用年限的增加，变频器的故障问题日益显现，如何确保在用变频器的正常运行，减少变频器的故障时间，已越来越成为采油厂的一项重要研究课题。

　　2 变频器工作原理及端子接线

　　2.1工作原理

　　通常把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电通过桥式整流变换为直流电(dc)，把直流电(dc)变换为交流电(ac)，其电学术语为“inverter”(逆变器)。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：变频器。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率，但用于荧光灯的变频器主要用于调节(提高)电源供电的频率，减小低频频闪对眼睛的晕眩作用。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域，例如计算机电源的供电(ups)，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电，瞬间断电时ups可以把蓄电池内存储的直流电转换为电压、频率和市电一样的交流电源，保证计算机用户有足够的时间将所做的工作进行存盘。当然也适用于医院和其它不可断电的工业系统、军事系统的备用电源系统。

　　变频器的内部结构可通过图1的示意图进行描述，以三相工业电源为例，简单说明变频器的内部结构和工作原理。

　　图1 变频器的内部结构示意图

　　从图1中可以简单理解变频器的工作原理，三相交流电源经桥式整流电路由交流电变为脉动直流电，然后经大容量电容滤波变为较稳定的直流电，再经过振荡逆变系统转换为电压频率可变的交流电去驱动负载电动机，在这过程中有中央控制系统参与的闭环控制，其中包括对输入电源的电压、频率监视、整流后的直流电压监视、输出的电压频率电流监视、变频器的温度监视、外部输入故障监视等。还有对外部人工输入参数的反映、内部反馈的数据的调整、对故障的报警和停机处理。人机界面是人工输入各项参数、显示内部工作状态、故障报警内容(有的是代码)以及输入事先编好的程序，使变频器按照人们的意愿去完成某个特定的运转过程，人机界面从外观看，一般是发光数码管或液晶显示屏，带有一些防水软触健，它相当于计算机的键盘和显示器，所以它即是变频器的输入设备又是输出设备。

　　2.2变频器的端子接线

　　图2简单介绍一些变频器在注聚泵站中常用的接线端子，有助于理解变频器和外部连接的常识，也便于对变频器故障问题的检查和处理。

　　一般来说，变频器的端子可以简单分为主电路端子和控制电路端子：

　　(1)主电路接线端子

　　输入三相动力端子用r、s、t字母来标示，其输入为ac380～450v±10%(50、60hz±5%)，国外的变频器也有200～240v输入电压范围的。输出(负载)端子一般用u、v、w来标示。接地端子用g标示。

　　其它还有可选用的dc电抗器端子、外部制动电阻端子和外部制动单元连接端子等在图中没有标出，在注聚中不太常用在此不做详细描述。

　　(2)控制电路接线端子

　　模拟给定公共端子(l)，频率给定端子(h)，h与l之间能提供+10v直流电。频率指令端子，有电压和电流输入两种，电压一般0～10v，电流4～20ma。模拟监视器，可以监视变频器的输出频率、电压、电流、输入电功率等。内部报警输出端子，可以把变频器内部故障传给与它相连的外部自动化仪器设备，以便实现联动。外部报警输入端子，把外围设备的故障传给变频器，让其做出停机反应，如所带负荷发生故障、自动控制系统发生故障等。外部热敏电阻输入端子，让变频器检测温度，过热时引起跳闸，并停止输出。正反转输入端子，它连接后变频器不受键盘输入运转方向控制，所以常用它来从外部输入运转停止指令。

　　3 注聚泵站变频器常见问题及处理

　　结合笔者现场实际应用过程遇到的问题，现介绍一下对故障问题的处理方法和注意事项如下：

　　3.1变频器在低速和高速运转时电流过大

　　变频器在低速和高速运转时电流过大，造成变频器本身和负载温度过高，负载(电机)噪声和振动过大。在1992年孤东三元复合驱试验中，用到5台东芝30kw变频器，当时因为设计和投产有差异，结果实际运行时需要变频器的运行频率需要在8～10hz运行，也就是常见的低频状态下运行，结果每台变频器所带的电机的普遍振动过大，且运行中发出“吱吱”的噪音，电机表面温度都在80℃以上，最高达到90℃，变频器输出电流35a以上，且电流波动较大。经美国现场电气工程师调试后得出结论：变频器不可在低频下连续运转，况且电机风扇转速慢导致电机散热不好，发热在所难免。笔者当时仔细分析研究的变频器说明书，发现了v/f参数以及转矩等各项参数的意义和设定方法，推测变频器在低频下电流过大是因为低频时输出转矩过小引起。根据电机功率公式p=uicosφ可以看出：在输出功率一定时，适当提高输出电压就可降低输出电流，因此笔者试验了两种方法：第一种方法是改变v/f曲线，把变频器的基本频率由50hz该改为40hz左右，也就是说让变频器在40hz左右时对应输出电压380v，相对来说在8～10hz时输出电压约增加20%的输出电压，经过调整5台变频器的基本频率在38～42hz之间，运转时的输出电流约是原来的50%左右，变频器和电机的温度都大大降低，电机温度在34～39℃之间，噪声和振动也变得很小，较之工频时电机运转有力而平稳。第二种方法是设定转矩提升，也就是在v/f比率不变的情况下，将输出电压都增加10～50v的电压增益，这种方法也可达到以上效果。

　　变频器可以在低频下正常运行，但要根据负载情况适当改变输出电压增益，也就是输出转矩，但要注意电压不可提升过高，以防止电机定子超过磁饱和反而引起电流过大和耗电增加。合理的调节可以提高设备的运转性能并达到提高功率因数而节电。同时应注意所带注聚泵在低转速下是否有良好的润滑，一般来说柱塞泵靠曲轴运转带动润滑油的甩起，转速低时甩动不好，润滑油位可适当提高，这时柱塞泵就可达到较好的润滑且发热更少。

　　3.2变频器在启动和停止时发生过电流保护的处理

　　变频器在启动和停止时发生过电流保护一般有以下几方面原因：

　　(1)加速时间和减速时间不合适造成，加速时间过长容易使变频器输出的转矩长时间过低而引起启动电流过大，而加速时间过短也会引起电机在短时间内无法跟上变频器的电压和频率输出值，就象工频直接启动接近的效果，一般根据负荷变化情况来设定加速时间，在注聚和物中单井注入泵变频器，一般设定5～10s，观察输入电流表，以加速期间的电流不大于实际时的电流的1.5倍。减速时间也很重要，它的特征和加速时间差不多，一般也设定在5～15s之间，根据负荷情况调整，减速期间禁止使用刹车，比如电机未停止时禁止关泵出口闸门。

　　(2)启动转矩太小造成启动电流过大，这一般是因为v/f曲线不合适造成，注聚泵因为是恒压输出，应选用线性v/f曲线，根据负荷情况适当调整v、f对应值以达到最佳启动转矩，比如负荷小时可采用v/f值小一点，反之则大一点。

　　3.3变频器在运转中莫名其妙的自动停机，复位可再启动的处理

　　这种现象一般是因为在同一泵房内其它大型电机一起动(工频)，电机起动时将流过和容量相对应的起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断，因而有时保护功能(ipe)动作，造成停止运转。这时可在变频器输入端加入感性滤波线圈来解决。

　　3.4变频器在50hz时带动的离心泵不能达到工频时流量和扬程

　　现场检查后发现的该变频器设定的基本频率是60hz，也就是说在60hz时才达到380v的输出电压，明显是50hz时的转矩不足引起离心泵转速低造成，将基本频率改成50hz，输出电压最大为400v(电网输入为410v)后满足流量和扬程要求，且工作电流也降低了，电机发热也小了。

　　3.5变频器内部器件损坏引起的报警输出的故障判断和维修处理

　　变频器内部器件损坏有以下几种：

　　(1)主板损坏。一般此时变频器人机界面无显示，变频器无反映，需更换主板，厂家提供的可直接更换，更换时注意让变频器完全放电完毕，手不可接触电路板部分防止静电烧坏内部cmos电路。笔者曾维修过一台日立变频器，人机界面无显示，经检查主板电源电路被烧坏，经更换主板后恢复正常。还维修过一台富士变频器，有人机界面显示和故障代码显示，经查为充放电电路故障，用万用检查，发现主板上充放电电路的一支3a保险管被烧断，更换后恢复正常。

　　(2)输出模块损坏。一般引起变频器过载停机，无论怎么调整都不行，笔者曾更换过东芝、abb等变频器输出模块，当然有的变频器直接有故障代码显示。输出模块损坏的原因有各种各样，一般来说出现的问题也无非是u、v、w三相无输出，或者输出不平衡，再或者是输出平衡但地低频的时候抖动，还有启动报警等。当一台变频器大电容后的快熔开路，或者是igbt逆变模块损坏的情况下，输出模块基本不能完好无损，切不可换上好的快熔或者igbt逆变模块，这样很容易造成刚换上的好的器件再次损坏。这时候应该着重检查一下输出电路上是否的打火的印记，可先将igbt逆变模块的输出脚连线拔掉，用万用表电阻档测量输出电路是否阻值相同，如果基本相同还不能完全证明输出电路是完好的，接着需要用数字式电子万用表来测量输出电路的直流电压，一般来说，未启动时每路输出电路上的直流电压为10v左右，启动后的直流电压为2～3v左右，若测量结果正常，可以确定变频器的输出电路是好的。

　　(3)输入缺相。内部三相均有保险，如果烧坏就会缺相，这时大多变频器会有提示，根据提示检查即可发现。

　　(4)整流模块损坏。该模块损坏就不可完成ac-dc的转换，变频器也不能工作，这个根据检查不难发现，有时是三相桥中一个二极管损坏，会造成主直流电压过低报警，滤波电解电容损坏也会引起主直流电压过低报警。

　　(5)温度传感器故障。笔者曾遇见一台变频器频繁发出主板过热报警，经检查发现传感器损坏，经更换后正常。

　　(6)监视器故障。笔者曾遇见过多台变频器不显示故障，多数故障是因长期操作造成监视器电路焊点开路引起，经重新焊接后恢复正常。

　　(7)冷却风扇故障。变频器遇到这种故障就自动停机，故障代码显示为变频器过热故障，注聚泵站此类故障也较多，更换冷却风扇后正常。冷却风扇在室内无尘、温度、湿度适中的环境下正常使用寿命为20000小时，在高温、高湿和灰尘较多的场全使用将严重影响它的使用寿命。

　　(8)报警输出电路故障。这类故障也较常见，主要是变频器内部报警继电器发生故障，出现误报警、或自动停机，甚至造成控制联机系统失灵，系统无法正常运行。变频器故障问题的检查方法是用万用表测量一下报警继电器输出端子的电压是否正常，常闭、常开触点是否正确，若发现继电器故障，更换继电器即可。

　　3.6电位器故障

　　变频器在由电位器远控时频率总是为0或最大(比如50hz)，不可调整，这一般是因为电位器的上端和调节端开路引起为0，下端开路引起最大。当然也见过因为职工乱调，将内部设定最小频率和最大频率设成相同值造成的无法调整。还有被人由远控改成盘控而无法调整的。这些根据现象和内部设定检查不难改正。另外，若电位器内部发生故障，也会产生电位器调节端输出不变，造成变频器频率无法正常调节，遇到这种情况更换同阻值的电位器即可。

　　4 实际应用中应注意的事项

　　(1)当不知道哪个参数出问题了，或者被其它人参数调乱了，那么应先改成出厂设定。

　　(2)变频器的输出端绝对不允许接入工频电源，为防止此类错误，在进行变频、工频切换时一般不采用电路互锁，而应采用机械互锁，也有使用多位开关或辅助触点来切换的，但一定要加防过流保险，防止触点粘连。

　　(3)变频器选用功率能力最好是所带实际负荷的120%。在实际应用中，应避免大功率电机配小功率变频器的问题，若遇到电机负载率增加超过变频器最大功率时，就会容易烧坏变器。

　　(4)变频器可以超过50hz运转，首先保证没有超负荷，其次保证所带电机和泵是否允许超速运转。

　　(5)变频器也可在低于10hz运转，关键调好转矩补偿，保证低速下有合适的转矩，而且应保证低速下的电机冷却，因为大多电机的冷却风扇是和电机轴同步，同时保证泵有足够的润滑，因为注聚用柱塞泵的机油也是靠泵本身的转动带动润滑系统，只有少数大排量柱塞泵是独立润滑泵提供润滑，不受泵转速影响。

　　(6)如果使用大功率的变频器带动小负荷的设备，一定注意将其内部保护值设定的跟所带负荷接近的数值，避免对电机造成损害，也可真正达到监视设备是否正常运行。

　　(7)变频器外接电位器电阻大小要按照变频器使用说明书的要求选用，过大、过小都不合适，电位器过小频率就调不上去，电位器过大就不易制裁节控制。

　　(8)应避免变频器外接电位器接线不正确的问题。接线不正确，尽管变频器也能正常运行，但电位器电阻值变化与频率变化正好相反，调现场操作不方便，解决办法是将接线重新调整即可。

　　5 结束语

　　总的来说，油田注聚泵站变频器的调试、维护、故障检修工作，除了要熟悉和掌握其变频器的工作原理和油田生产工艺外，更重要的是要靠检修实践和经验的不断积累，才能正真提高现场检修人员的故障处理能力和检修水平，才能更好地掌握变频器的维修技术，满足生产工作的需要。因此，通过以上对油田注聚泵站常见故障问题的分析，希望对广大从事变频器维修行业的同行们有所帮助。