高压变频器功率单元常见故障分析与维修

康光彩 杜明明 顾如艳

摘要：高压变频器在我国的电力能源、石油化工等行业得到了大力应用，极大的促进了这些行业生产效率的提高。但是高压变频器在使用过程中，很容易出现各种的故障问题，比如出现过电压故障、熔断器故障等，影响着生产工作的正常开展，对这些故障的维修还需要花费极大的维修费用，不利于经济效益的提高。因此，为了解决高压变频器常见的故障问题、提高经济效益，就必须要对高压变频器常见的故障问题进行分析总结，确保这些故障问题能够得到有效预防和解决。本文分析了高压变频器功率单元常见的故障问题和维修措施，以供参考。

关键词：高压变频器;功率单元;常见故障分析;维修

1.油田高压变频器使用概况

在我国的油田生产中广泛应用了高压变频器，不仅利用高压变频器对天然气等进行压缩，还利用高压变频器进行原油的输送。我油田煤层气近几年给螺杆泵压缩机和往复式压缩机系统共安装了16套高压变频系统，极大地提高了煤层气压缩机组的安全性、经济性、可靠性。高压变频器美中不足的是由于受大功率开关元件IGBT的耐压这一主要技术参数的影响，逆变工作无法直接的实现，所以当前应用的高压变频器大多是以单元串联脉宽调制叠波升压作为输出原理进行工作，煤层气压缩机高压变频器就是基于此种原理。单元串联式高压变频器的核心部件是功率单元，这种功率单元也是承受高电压大电流冲击的部件，是该类型变频器的主要易损件之一。对相应的故障在现场进行正确及时地维修处理，将会极大减少因设备故障影响生产的时间，有利于保障油田安全生产，提高油田生产的经济效益。

2.高压变频器功率单元常见故障问题分析与维修

2.1功率单元常见轻故障分析与维修

在日常使用中，高压变频器往往会在现场频繁出现熔断器故障、过电压故障、光纤故障等故障问题。

2.1.1熔断器故障问题的分析与维修

当控制界面上显示熔断器出现故障时，工作人员应当根据对应的单元号来找到具体出现故障的熔断器，针对对应单元的两只熔断器，工作人员需要用万用表进行检查，及时找到出现故障的熔断器，并确定没有其它元件损坏的情况下利用相同规格的熔断器进行更换。换完熔断器后再进行送电，观察并确认故障是否消除。如果仍然无法正常运行，那么就需要更换高压变频器的功率单元。

2.1.2光纤故障与维修

出现光纤故障时，应分不同情况进行维修。常见光纤故障有以下3种情况：

（1）光纤本身故障：处理方式为更换光纤;

（2）功率单元故障导致的光纤故障报警：处理方式为更换对应功率单元的熔断器;

（3）光纤板发生故障：处理方式为对光纤板进行更换。

2.1.3过电压故障与维修

高压变频器在运行过程中很容易出现过电压的故障问题，针对过电压故障问题，通常采取故障复位的措施就能够进行有效解决。

2.2功率单元常见重故障分析、维修

功率单元常见的重故障有过电压无法复位、IGBT故障、驱动板故障等。这些故障表现在日常维护上具有突发性、现场维修时间长或不易维修等特点，很难通过维护保养等常规方式解决，只能更换备用功率单元恢复设备正常运行。要想解决这些故障问题，必须要以功率单元的具体工作原理为基础进行分析，并找到措施进行有效维修。

2.2.1 IGBT重故障

如果更换了熔断器后熔断器仍然出现熔断问题，那么这就表明高压变频器出现了IGBT重故障。IGBT出现击穿、高压变频器在运行过程中频繁送电等都会导致IGBT重故障的发生。对于IGBT的击穿往往能够直观的发现，但是在通常情况下，很难直接地从外观上对IGBT的故障点进行判断。在不具备试验条件的情况下，常规判断IGBT模块是否正常的方法如下：

（1）判断极性。工作人员需要利用万用表来对IGBT进行检查，先将万用表拨到R×1K挡来对IGBT的两极进行测量，如果测得某一极和其他两极间的阻值无穷大，并且调换万用表测量后阻值仍然是无穷大，那么就能對该极的极性进行判断，即为栅极。判断出栅极后再用万用表测量其他两极，如果其他两极间的阻值第一次测得是无穷大，调换万用表再次测量后阻值变小，那么就根据阻值变小的这一次测量进行判断，黑表笔连接的是发射极，红表笔接的是集电极。

（2）判断好坏。工作人员在判断出IGBT各极的极性后，就需要对IGBT的好坏进行判断。首先把万用表拨在R×10K档，万用表的红表笔接到IGBT的发射极，黑表笔接到集电极，接好后万用表的指针是归零的。工作人员同时触碰IGBT的集电极和栅极来触发导通IGBT，如果万用表的指针朝阻值较小的方向摆动，并能停留在某一刻度的话，工作人员再同时触碰IGBT的发射极和栅极来阻断IGBT，此时万用表的指针如果回到零点，那么检查的IGBT就没有故障问题。

2.2.2驱动板常见故障分析与维修

如果驱动板在运行过程中无法输出驱动脉冲信号，那么就表明驱动板出现了故障问题。驱动板故障问题通常是由于IGBT栅极被击穿而导致的，IGBT栅极被击穿时，相对应的驱动电路中的稳压管也会被击穿毁坏，或在严重的情况下损坏整个驱动电路。常见典型驱动电路如图 1 所示。

正常情况下，检测该电路电阻RG处触发电平为9.5V，使用示波器检测波形（如下图 2）则为驱动电路正常，反之则应进行相应维修。

2.2.3过电压故障分析与维修

如果高压变频器在控制面板上显示过电压故障，并且工作人员开展故障复位工作后高压变频器仍然无法恢复运行，这时就需要考虑是否是功率单元的电压检测电路出现故障，需在现场更换备用功率单元先恢复设备运行。对于换下来的故障功率单元，需要对其电压检测电路进行检查，观察是由哪一部分发生问题而导致功率单元出现故障。

导致过电压故障问题的发生原因主要有以下两点，一是电压检测电路故障。常见降压及电压检测传感器电路如下图3。

依照图3进行分析，可以发现通常情况下降压电阻不会出现故障，故障率较高的为电压传感器 （LV25-P）， 故障后可直接进行更换。

二是三运算放大器及其外围电路故障。当前高压变频器中主要采用的是AD620三运算放大器，这种三运算放大器容易由于自身出现故障问题而误报过电压。此外放大器外部的增益控制电阻阻值如果发生变化，会引起相应输出增益的变化，最终导致电压检测电路误报过电压。正常情况下，更换相应元件可以恢复正常使用。

结论

高压变频器功率单元的维修工作成本很低，但是却能取得极高的收益。购置相对廉价的电子元件进行现场维修，能够现场解决设备故障的同时，每年可节约数万元返厂维修费用。从事高压变频器功率单元维修功的工作人员必须要有丰富的经验和充实的理论知识。在现场维修后应进行通电试验，为确保试验安全，建议先进行低电压导通试验，正常后再进行上机运行试验。

参考文献：

[1]郑培峰，郭延双，郭培彬. 高压变频器在胜利油田柱塞泵上的应用[J]. 变频器世界，2018（07）：103-105.

[2]孙晓刚，李彦璋，张学鲁，冉蜀勇，张犁. 油田高压注水系统恒压注水技术研究[J]. 油气田地面工程，2002（03）：46-47.