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[摘 要]煤层气是高效洁净能源，是能源行业中发展空间巨大的新兴产业之一。中石油煤层气有限责任公司是中国石油天然气股份有限公司独资设立的专门从事煤层气业务的有限责任公司，成立于2008年9月。其生产设备动力拖动系统主要采用发电机—电动机—抽油机的配套模式，其中变频器是实现抽油机精确运转、精准调速的关键设备。由于公司员工多以刚刚毕业的学生为主，年轻化程度较高，整体的技术力量和专业素养相对欠缺。为加快现场人员技术力量的培养，提高变频器使用操作、日常维护、故障处理的能力，特针对变频器发展史、行业现状、结构原理及常见故障进行详细阐述，希望能够为煤层气事业在变频器使用方面提供参考。
[关键词]煤层气 变频器 行业现状 结构原理 常见故障
中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0034-03
一、韩城分公司变频器使用现状
1.用途
韩城分公司现场主要抽采设备为抽油机，变频器主要为了精确控制电动机的转速来调节抽油机的快慢运转，从而实现对抽油机冲次的精确控制，达到精细化排采目的。
2.变频器品牌、规格及数量
1）韩城分公司使用的变频器主要有三个品牌：普传、英威腾、伟创，涉及的规格有7.5KW、11KW、15KW。
2）变频器使用数量
韩城分公司在用变频器共计868台，其中7.5KW变频器60台、11KW变频器670台、15KW变频器138台（见表1）。
表1 韩城分公司变频器在用数量统计表
圖4 品牌占比
图5 规格占比
以上所示，韩城分公司变频器品牌占有率分别为：普传56.80%、英威腾25.69%、伟创14.06%、其它3.45%（见图4）；变频器规格占有率分别为7.5KW：6.91%、11KW：77.19%、15KW：15.90%（见图5）。
3.变频器的损坏率
韩城分公司自2010年底开始使用变频以来，累计采购、使用变频器约1000台。在使用过程中，由于各种原因导致变频器无法正常工作而被更换、闲置，3年来累计积压损坏的变频器122台（见表2）。
表2 库存故障变频器统计表
随着变频器使用年限越来越长，变频器出现的故障也越来越多。自2010年至2013年，变频器的年度故障损坏台数逐年增多，从2010年的0台增长到2013年的64台（见表3），故障损坏率从2010年的零增长到2013年的7.37%（见图6）。
表3 近年来变频器年度损坏台数统计表
图6 2010-2013年变频器损坏率
二、常见故障类型、原因分析及处理对策
1.参数设置类故障
1）故障描述：常用变频器在使用中，是否能够满足传动系统的要求，变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确，会导致变频器不能正常工作。
2）故障原因：通常变频器出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。变频器的工厂值设定是根据同规格异步电动机的参数设置的，如11KW变频器的默认参数是根据11KW异步电动机的铭牌参数设置的。而煤层气行业在变频器选型配套时，考虑到煤层气井的软卡现象较多，特意留出更大富余量，选用的变频器规格要比配套的电动机规格偏大，如7.5KW的电动机选用11KW的变频器控制。所以每一台新的变频器投入使用时，都必须重新设定内部参数，以求得最佳调速效果。
3）处理对策：在新井投产或怀疑变频器存在参数设置类故障时，要根据产品说明书重新对变频器的内部参数进行设置，设置流程如下；
⑴确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
⑵变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
⑶设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。
⑷给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。
2.过压类故障
1）故障描述：变频器的过电压集中表现在直流母线的支流电压上。正常情况下，变频器直流电为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线=513V。在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上至760V左右时，变频器过电压保护动作。
2）故障原因：造成变频器过压的原因主要有两种：一是输入交流电源过压；二是发电类过电压。
⑴输入交流电源过压。煤层气井场主要以发电机组作为发电源，电压等级为三相380V，电压稳定性远不如市电，所以一旦发电机组的电压出现大的波动时，就会导致变频器过压保护而停机。同时，变频柜的组装工艺上存在缺陷，变频器的输入端没有安装电抗器类的元件来削弱过电压故障给变频器的冲击。
⑵发电类过电压。这种现象出现的概率较高，主要是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态。电机同步转速比实际转速还高的现象一般出现在电机减速过程或负载运动不平衡的情况下：在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而负载靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态；在负载运动不平衡过程中，如抽油机在不平衡的状态下运转，在上冲程或下冲程的某一阶段，抽油机的转速高于电机的实际转速时，电动机被抽油机拖动处于发电状态。 3）处理对策：
⑴处理输入交流电源过压故障，可在变频器的输入端安装电抗器以缓解电源过压给变频器的冲击。
⑵处理发电类过电压故障首先要区分导致发电原因是因为加减速时间太短还是因为负责运转不平衡造成的。如果是因为变频器的减速时间太短，那么可以修改变频器参数，把变频器减速时间设长一些，尽量保持在减速过程电动机的实际转速低于变频器输出的同步转速；如果是因为负载运转不平衡或平衡无法调至最佳状态，那么可以通过增加再生制动单元来消耗发电电压。再生制动单元包括能量消耗型与能量回馈型，能量消耗型是在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母線电压来控制功率管的通断，以消耗发电类电压。能量回馈型制动单元是将发电类电压通过可逆交流器回馈给电网，由于煤层气井场设备多以发电机组和通用型变频器为主，不具备逆变的条件，暂无法实现能量回馈。
3.过流故障
1）故障描述：变频器器中的电流检测电路主要监测主电路逆变输出电流，当出现电流峰值超过保护值时，变频器显示屏会显示OC故障代码，发出过流保护动作。过流故障可分为加速过流、减速过流、恒速过流等，其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均、输出短路等原因引起的。
2）故障原因：分别按照工作中、加减速、一运行环节出现故障的原因进行分析。
⑴变频器在工作中出现过流的原因分析。
①一是电动机遇到冲击负载或传动机构出现“卡住”现象，引起电动机电流的突然增加，例如煤层气井下出现软卡或卡死现象；
②二是变频器输出端发生短路。例如：输出端到电动机之间的连接线发生相互短路，电动机内部发生短路等、接地（电机烧毁、绝缘劣化、电缆破损而引起的接触、接地等）；
③三是变频器自身工作不正常。例如：如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替的工作过程中出现异常；环境温度过高或逆变器元器件本身老化等原因，使逆变器的参数发生变化，导致在交替导通过程中，一个器件已经导通、而另一个器件却还未来得及关断，引起同一个桥臂的上、下两个器件的“直通”，使直流电压的正、负极间处于短路状态。
⑵变频器在加速、减速时过流的原因分析。
当负载的惯性较大，而变频器的加速时间或减速时间又设定得太短时，也会引起过流。在加速过程中，变频器工作频率上升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是加速电流太大；在减速过程中，减速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以使转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过流。
⑶变频器通电或一运行就过流的原因分析。
这类故障大部分是因变频器内部故障引起的，若负载正常，变频器仍出现过流保护，一般是检测电路所引起，类似于短路故障的排除，如电流传感器、取样电阻或检测电路等。大多为传感器损坏，应更换传感器。
3）处理对策：处理变频器过流故障，首先要找出导致变频器过流的真正原因，通常可以采取以下几步排除故障原因。
第一步：排除过载、卡死现象。通过再次启动抽油机，观察有无卡泵现象，如果抽油机出现悬绳器卸载现象，大致可判断为因过载、卡泵原因导致过电流。
第二步：排除短路。线路短路的一个特别明显的特征是：变频器刚一启动，输入端的空气开关就会自动跳闸。当判断出线路短路时，还要进一步区分是变频器内部短路还是外部短路。变频器内部短路是变频器本身电路短路，外部短路是变频器输端的电缆和电机发生短路。区分内部短路和外部故障，首先要拆下变频器输出端子与电机的连线，再启动变频器升高频率，如果仍跳闸，说明变频器内部短路；如不再跳闸，则说明是电缆或电机存在短路，可使用万用表进一步检测。
第三步：排除升速或降速过电流故障。通常故障发生在抽油机提速或降速过程中，可适当调整变频器内部参数，延长加速或减速时间。
4.过热故障
1）故障描述：这里所指的过热故障主要是因环境温度过高导致变频器出现的故障。通常变频器在出现过热故障时显示OHt，发出过热保护动作。过热保护动作及时的情况下，变频器在消除报警后可正常使用，否则变频器内部元器件损坏。
变频器在高温情况下容易损坏的电路有滤波电路、逆变电路。滤波电路中常用的滤波电容为铝电解电容，其寿命与温度有很大关系，温度每升高10℃寿命就会缩短一半；逆变电路中IGBT模块是由六个大功率开关管组成的三相桥式电路，每一桥臂的上、下两个功率开关管总是处于不断地交替导通或截止状态的。而且，功率开关管受温度变化的影响特别大，一旦出现因高温引起其中一个开关管尚未完全截止，而另一个开关管已经开始导通的状况，将立即导致直流高压经上管和下管“直通”而击穿损坏。
2）故障原因：
变频器使用说明书中明确规定允许的使用环境温度在-10℃～+40℃范围内，以25℃左右为最佳[5]。据有关部门实际调查考证，环境温度超出规定值后每升高10℃，变频器使用寿命减半，所以周围环境温度是影响变频器运行状况的重要因素之一[6]。
通过对韩城分公司122台故障损坏变频器统计分析，近60%的故障变频器都是在夏季高温情况下损坏的。其导致变频器周围环境高温的主要原因有：
⑴吸收热量较多。煤层气井场变频柜几乎全部暴露在井场，没有任何遮阳避雨的建筑或敞篷。
⑵散热效果较差。变频器使用说明书明确规定在组装变频器控制时，必须优先考虑通风条件，至少在变频器柜底部侧面设置两个进风口、在变频柜的顶部侧面设置两个出风口（并且安装排风扇）。而韩城分公司变频柜只在底部、顶部侧面开设两个风口，而没有在排风口安装排风扇，导致变频柜内大部分热量散不出去而出现高温现象。在韩城分公司生产现场夏季变频柜内最高温度可达60℃，严重超出了变频器允许的最高环境温度。 3）处理对策：
⑴避免日光直射。夏季，变频柜接受日照最强的时间段主要集中在中午，我们可以采用反光纸将变频器顶部和朝向南的一侧贴好，将大部分热反射出去，以降低变频柜吸热量。
⑵加装散热风扇。在变频柜顶部的出风口安装排风扇，快速将变频器产生的热量排出，以保障变频柜内的温度持续处于允许的环境温度范围内。
5.操作类故障
1）故障描述：变频器之所以能够使电机处于最佳的工作状态，并实现对电机的精确控制，前提是必须满足变频器内部的各项参数设置以及规范使用。而煤层气变频器在使用过程中，存在因不科学、违规操作造成变频器损坏的现象，最为突出的有两种情况：一是为获得更高冲次将变频器的输出频率调至60HZ后损坏电动机或变频器；二是变频器在停机操作是未按规范操作而是直接断开空气开关损坏变频器。
2）故障原因：
⑴变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低，可能出现过载停机现象。通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。
对一个特定的电机来说， 其额定电压和额定电流是不变的.如变频器和电机额定值都是： 15kW/380V/30A， 电机可以工作在50Hz以上。当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A。这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。因为P=U*I，所以输出功率不变。
电机的定子电压U=E+I×R（I为电流，R为电子电阻， E为感应电势）。
可以看出，U，I不变时，E也不变。
而E=k×f×X，（k：常数，f：频率，X：磁通），所以当f由50-->60Hz时，X会相应减小。
对于电机来说，T=K×I×X，（K：常数，I：电流，X：磁通），因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。
⑵变频器在停机时直接断开空气开关容易烧毁逆变模块。变频器停机时直接断开空气开关，变频器内容电容会瞬间释放大电流，极容易击穿逆变模块中的功率开关管。
3）处理对策：从根本上解决操作类故障，必须严格按照变频器的设计要求、操作规范使用，杜绝任何野蛮或不科学的操作。
6.其它故障
1）欠压故障。通常欠压故障出现在发电机运行不平稳或发电电压低的情况，与变频器没有直接关系，调整好发电机后，故障消除，变频器恢复正常工作。
2）过载故障。过载故障分为两种，一种是变频器与电机匹配的容量较小，无法满足电机最大功率输出；另一种是电机所带负载遇阻，出现故障现象。而韩城分公司初始设计时，变频器所选用的规格就比匹配的电机规格稍大，完全避免了第一种过载故障的出现；电机过载通常出现在井下负载突然增大的情况下（卡泵），通过采取解卡或修井措施，可以解决此类故障。
三、变频器技术发展趋势[7]
1.网络智能化
智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。
2.专门化和一體化
变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。
3.环保无公害
保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。
4.适应新能源
现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结构的小型化一些方面。
四、建议
韩城分公司的变频器在使用过程中没有采取任何的维护保养措施，这是导致变频器整体使用寿命降低的根本原因之一。通常变频器在保养得当的情况下能够使用5-8年，而韩城分公司变频器在使用3年后出现大量损坏的现象。为了能逐步改善韩城分公司变频器的使用现状，降低故障率。同时，考虑到韩城分公司在变频器使用方面缺乏丰富经验，不宜贸然增加过于复杂、繁琐的保养检测措施，建议增加除尘环节。
韩城分公司变频器使用环境大多为露天井场，常年有风沙天气，很容易使变频器内部沉积大量灰尘。待出现阴雨潮湿天气，附着在变频器电路板上的灰尘会因潮湿而导电，严重破坏变频器电路。
结合韩城地区的天气特点，建议每个月对变频器进行一次除尘保养。清理时只需将变频器正面端盖拆下，用风速较大的吹风机对准电路板吹净即可，操作简便，效果显著。
五、结论
准确判断变频器的故障类型，深入分析变频器的故障原因，只有弄清楚变频器故障的根本原因，才能对症下药，快速、有效的排除故障，保障生产设备的正常运行；同时，加强变频器专项问题整治和日常维护，不仅可以进一步优化整套电力拖动系统，而且能够延缓变频器的老化速度，降低变频器的使用成本，实现生产效益的最大化。
八、参考文献
[1]陈明德，魏（王美）琪.直流电动机的特性研究[J].？微特电机，1981，（01）
[2]中国电器工业协会变频器分会.变频器2010年市场调研分析报告，2010
[3]邓星钟.机电传动控制[M].第四版.湖北：华中科技大学出版社，2007：（372-385）
[4]张永利，李利华.三相异步电动机变频调速的原理及发展[J].科苑论坛，2010
[5]普传科技.PI8000/8100系列电流矢量变频器用户手册.第六版.2011：第二章安装及备用电路
[6]赵海兵.环境温度对变频器运行状况的影响[J].今日科苑，
[7]韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000（164）
作者简介
陈贵平，1984，男，湖南永州人，2010毕业于西安石油大学机械设计制造及其自动化专业，现从事中石油煤层气的排采技术工作
高波，1987，男，河北保定人，2009年毕业于张家口职业技术学院工程机械应用与维护专业，现从事中石油煤层气的排采技术工作
武旭，1984，男，山西临猗人，2006年毕业于中国石油大学（北京）机械设计制造及其自动化专业，现从事石油抽油机、抽油泵、抽油杆的销售以及售后技术工作
[关键词]煤层气 变频器 行业现状 结构原理 常见故障
中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0034-03
一、韩城分公司变频器使用现状
1.用途
韩城分公司现场主要抽采设备为抽油机，变频器主要为了精确控制电动机的转速来调节抽油机的快慢运转，从而实现对抽油机冲次的精确控制，达到精细化排采目的。
2.变频器品牌、规格及数量
1）韩城分公司使用的变频器主要有三个品牌：普传、英威腾、伟创，涉及的规格有7.5KW、11KW、15KW。
2）变频器使用数量
韩城分公司在用变频器共计868台，其中7.5KW变频器60台、11KW变频器670台、15KW变频器138台（见表1）。
表1 韩城分公司变频器在用数量统计表
圖4 品牌占比
图5 规格占比
以上所示，韩城分公司变频器品牌占有率分别为：普传56.80%、英威腾25.69%、伟创14.06%、其它3.45%（见图4）；变频器规格占有率分别为7.5KW：6.91%、11KW：77.19%、15KW：15.90%（见图5）。
3.变频器的损坏率
韩城分公司自2010年底开始使用变频以来，累计采购、使用变频器约1000台。在使用过程中，由于各种原因导致变频器无法正常工作而被更换、闲置，3年来累计积压损坏的变频器122台（见表2）。
表2 库存故障变频器统计表
随着变频器使用年限越来越长，变频器出现的故障也越来越多。自2010年至2013年，变频器的年度故障损坏台数逐年增多，从2010年的0台增长到2013年的64台（见表3），故障损坏率从2010年的零增长到2013年的7.37%（见图6）。
表3 近年来变频器年度损坏台数统计表
图6 2010-2013年变频器损坏率
二、常见故障类型、原因分析及处理对策
1.参数设置类故障
1）故障描述：常用变频器在使用中，是否能够满足传动系统的要求，变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确，会导致变频器不能正常工作。
2）故障原因：通常变频器出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。变频器的工厂值设定是根据同规格异步电动机的参数设置的，如11KW变频器的默认参数是根据11KW异步电动机的铭牌参数设置的。而煤层气行业在变频器选型配套时，考虑到煤层气井的软卡现象较多，特意留出更大富余量，选用的变频器规格要比配套的电动机规格偏大，如7.5KW的电动机选用11KW的变频器控制。所以每一台新的变频器投入使用时，都必须重新设定内部参数，以求得最佳调速效果。
3）处理对策：在新井投产或怀疑变频器存在参数设置类故障时，要根据产品说明书重新对变频器的内部参数进行设置，设置流程如下；
⑴确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
⑵变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
⑶设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。
⑷给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。
2.过压类故障
1）故障描述：变频器的过电压集中表现在直流母线的支流电压上。正常情况下，变频器直流电为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线=513V。在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上至760V左右时，变频器过电压保护动作。
2）故障原因：造成变频器过压的原因主要有两种：一是输入交流电源过压；二是发电类过电压。
⑴输入交流电源过压。煤层气井场主要以发电机组作为发电源，电压等级为三相380V，电压稳定性远不如市电，所以一旦发电机组的电压出现大的波动时，就会导致变频器过压保护而停机。同时，变频柜的组装工艺上存在缺陷，变频器的输入端没有安装电抗器类的元件来削弱过电压故障给变频器的冲击。
⑵发电类过电压。这种现象出现的概率较高，主要是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态。电机同步转速比实际转速还高的现象一般出现在电机减速过程或负载运动不平衡的情况下：在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而负载靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态；在负载运动不平衡过程中，如抽油机在不平衡的状态下运转，在上冲程或下冲程的某一阶段，抽油机的转速高于电机的实际转速时，电动机被抽油机拖动处于发电状态。 3）处理对策：
⑴处理输入交流电源过压故障，可在变频器的输入端安装电抗器以缓解电源过压给变频器的冲击。
⑵处理发电类过电压故障首先要区分导致发电原因是因为加减速时间太短还是因为负责运转不平衡造成的。如果是因为变频器的减速时间太短，那么可以修改变频器参数，把变频器减速时间设长一些，尽量保持在减速过程电动机的实际转速低于变频器输出的同步转速；如果是因为负载运转不平衡或平衡无法调至最佳状态，那么可以通过增加再生制动单元来消耗发电电压。再生制动单元包括能量消耗型与能量回馈型，能量消耗型是在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母線电压来控制功率管的通断，以消耗发电类电压。能量回馈型制动单元是将发电类电压通过可逆交流器回馈给电网，由于煤层气井场设备多以发电机组和通用型变频器为主，不具备逆变的条件，暂无法实现能量回馈。
3.过流故障
1）故障描述：变频器器中的电流检测电路主要监测主电路逆变输出电流，当出现电流峰值超过保护值时，变频器显示屏会显示OC故障代码，发出过流保护动作。过流故障可分为加速过流、减速过流、恒速过流等，其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均、输出短路等原因引起的。
2）故障原因：分别按照工作中、加减速、一运行环节出现故障的原因进行分析。
⑴变频器在工作中出现过流的原因分析。
①一是电动机遇到冲击负载或传动机构出现“卡住”现象，引起电动机电流的突然增加，例如煤层气井下出现软卡或卡死现象；
②二是变频器输出端发生短路。例如：输出端到电动机之间的连接线发生相互短路，电动机内部发生短路等、接地（电机烧毁、绝缘劣化、电缆破损而引起的接触、接地等）；
③三是变频器自身工作不正常。例如：如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替的工作过程中出现异常；环境温度过高或逆变器元器件本身老化等原因，使逆变器的参数发生变化，导致在交替导通过程中，一个器件已经导通、而另一个器件却还未来得及关断，引起同一个桥臂的上、下两个器件的“直通”，使直流电压的正、负极间处于短路状态。
⑵变频器在加速、减速时过流的原因分析。
当负载的惯性较大，而变频器的加速时间或减速时间又设定得太短时，也会引起过流。在加速过程中，变频器工作频率上升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是加速电流太大；在减速过程中，减速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以使转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过流。
⑶变频器通电或一运行就过流的原因分析。
这类故障大部分是因变频器内部故障引起的，若负载正常，变频器仍出现过流保护，一般是检测电路所引起，类似于短路故障的排除，如电流传感器、取样电阻或检测电路等。大多为传感器损坏，应更换传感器。
3）处理对策：处理变频器过流故障，首先要找出导致变频器过流的真正原因，通常可以采取以下几步排除故障原因。
第一步：排除过载、卡死现象。通过再次启动抽油机，观察有无卡泵现象，如果抽油机出现悬绳器卸载现象，大致可判断为因过载、卡泵原因导致过电流。
第二步：排除短路。线路短路的一个特别明显的特征是：变频器刚一启动，输入端的空气开关就会自动跳闸。当判断出线路短路时，还要进一步区分是变频器内部短路还是外部短路。变频器内部短路是变频器本身电路短路，外部短路是变频器输端的电缆和电机发生短路。区分内部短路和外部故障，首先要拆下变频器输出端子与电机的连线，再启动变频器升高频率，如果仍跳闸，说明变频器内部短路；如不再跳闸，则说明是电缆或电机存在短路，可使用万用表进一步检测。
第三步：排除升速或降速过电流故障。通常故障发生在抽油机提速或降速过程中，可适当调整变频器内部参数，延长加速或减速时间。
4.过热故障
1）故障描述：这里所指的过热故障主要是因环境温度过高导致变频器出现的故障。通常变频器在出现过热故障时显示OHt，发出过热保护动作。过热保护动作及时的情况下，变频器在消除报警后可正常使用，否则变频器内部元器件损坏。
变频器在高温情况下容易损坏的电路有滤波电路、逆变电路。滤波电路中常用的滤波电容为铝电解电容，其寿命与温度有很大关系，温度每升高10℃寿命就会缩短一半；逆变电路中IGBT模块是由六个大功率开关管组成的三相桥式电路，每一桥臂的上、下两个功率开关管总是处于不断地交替导通或截止状态的。而且，功率开关管受温度变化的影响特别大，一旦出现因高温引起其中一个开关管尚未完全截止，而另一个开关管已经开始导通的状况，将立即导致直流高压经上管和下管“直通”而击穿损坏。
2）故障原因：
变频器使用说明书中明确规定允许的使用环境温度在-10℃～+40℃范围内，以25℃左右为最佳[5]。据有关部门实际调查考证，环境温度超出规定值后每升高10℃，变频器使用寿命减半，所以周围环境温度是影响变频器运行状况的重要因素之一[6]。
通过对韩城分公司122台故障损坏变频器统计分析，近60%的故障变频器都是在夏季高温情况下损坏的。其导致变频器周围环境高温的主要原因有：
⑴吸收热量较多。煤层气井场变频柜几乎全部暴露在井场，没有任何遮阳避雨的建筑或敞篷。
⑵散热效果较差。变频器使用说明书明确规定在组装变频器控制时，必须优先考虑通风条件，至少在变频器柜底部侧面设置两个进风口、在变频柜的顶部侧面设置两个出风口（并且安装排风扇）。而韩城分公司变频柜只在底部、顶部侧面开设两个风口，而没有在排风口安装排风扇，导致变频柜内大部分热量散不出去而出现高温现象。在韩城分公司生产现场夏季变频柜内最高温度可达60℃，严重超出了变频器允许的最高环境温度。 3）处理对策：
⑴避免日光直射。夏季，变频柜接受日照最强的时间段主要集中在中午，我们可以采用反光纸将变频器顶部和朝向南的一侧贴好，将大部分热反射出去，以降低变频柜吸热量。
⑵加装散热风扇。在变频柜顶部的出风口安装排风扇，快速将变频器产生的热量排出，以保障变频柜内的温度持续处于允许的环境温度范围内。
5.操作类故障
1）故障描述：变频器之所以能够使电机处于最佳的工作状态，并实现对电机的精确控制，前提是必须满足变频器内部的各项参数设置以及规范使用。而煤层气变频器在使用过程中，存在因不科学、违规操作造成变频器损坏的现象，最为突出的有两种情况：一是为获得更高冲次将变频器的输出频率调至60HZ后损坏电动机或变频器；二是变频器在停机操作是未按规范操作而是直接断开空气开关损坏变频器。
2）故障原因：
⑴变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低，可能出现过载停机现象。通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。
对一个特定的电机来说， 其额定电压和额定电流是不变的.如变频器和电机额定值都是： 15kW/380V/30A， 电机可以工作在50Hz以上。当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A。这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。因为P=U*I，所以输出功率不变。
电机的定子电压U=E+I×R（I为电流，R为电子电阻， E为感应电势）。
可以看出，U，I不变时，E也不变。
而E=k×f×X，（k：常数，f：频率，X：磁通），所以当f由50-->60Hz时，X会相应减小。
对于电机来说，T=K×I×X，（K：常数，I：电流，X：磁通），因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。
⑵变频器在停机时直接断开空气开关容易烧毁逆变模块。变频器停机时直接断开空气开关，变频器内容电容会瞬间释放大电流，极容易击穿逆变模块中的功率开关管。
3）处理对策：从根本上解决操作类故障，必须严格按照变频器的设计要求、操作规范使用，杜绝任何野蛮或不科学的操作。
6.其它故障
1）欠压故障。通常欠压故障出现在发电机运行不平稳或发电电压低的情况，与变频器没有直接关系，调整好发电机后，故障消除，变频器恢复正常工作。
2）过载故障。过载故障分为两种，一种是变频器与电机匹配的容量较小，无法满足电机最大功率输出；另一种是电机所带负载遇阻，出现故障现象。而韩城分公司初始设计时，变频器所选用的规格就比匹配的电机规格稍大，完全避免了第一种过载故障的出现；电机过载通常出现在井下负载突然增大的情况下（卡泵），通过采取解卡或修井措施，可以解决此类故障。
三、变频器技术发展趋势[7]
1.网络智能化
智能化的变频器买来就可以用，不必进行那么多的设定，而且可以进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而保证变频器的长寿命。利用互联网可以实现多台变频器联动，甚至是以工厂为单位的变频器综合管理控制系统。
2.专门化和一體化
变频器的制造专门化，可以使变频器在某一领域的性能更强，如风机、水泵用变频器、电梯专用变频器、起重机械专用变频器、张力控制专用变频器等。除此以外，变频器有与电动机一体化的趋势，使变频器成为电动机的一部分，可以使体积更小，控制更方便。
3.环保无公害
保护环境，制造“绿色”产品是人类的新理念。21世纪的电力拖动装置应着重考虑：节能，变频器能量转换过程的低公害，使变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减少到最小程度。
4.适应新能源
现在以太阳能和风力为能源的燃料电池以其低廉的价格崭露头角，有后来居上之势。这些发电设备的最大特点是容量小而分散，将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结构的小型化一些方面。
四、建议
韩城分公司的变频器在使用过程中没有采取任何的维护保养措施，这是导致变频器整体使用寿命降低的根本原因之一。通常变频器在保养得当的情况下能够使用5-8年，而韩城分公司变频器在使用3年后出现大量损坏的现象。为了能逐步改善韩城分公司变频器的使用现状，降低故障率。同时，考虑到韩城分公司在变频器使用方面缺乏丰富经验，不宜贸然增加过于复杂、繁琐的保养检测措施，建议增加除尘环节。
韩城分公司变频器使用环境大多为露天井场，常年有风沙天气，很容易使变频器内部沉积大量灰尘。待出现阴雨潮湿天气，附着在变频器电路板上的灰尘会因潮湿而导电，严重破坏变频器电路。
结合韩城地区的天气特点，建议每个月对变频器进行一次除尘保养。清理时只需将变频器正面端盖拆下，用风速较大的吹风机对准电路板吹净即可，操作简便，效果显著。
五、结论
准确判断变频器的故障类型，深入分析变频器的故障原因，只有弄清楚变频器故障的根本原因，才能对症下药，快速、有效的排除故障，保障生产设备的正常运行；同时，加强变频器专项问题整治和日常维护，不仅可以进一步优化整套电力拖动系统，而且能够延缓变频器的老化速度，降低变频器的使用成本，实现生产效益的最大化。
八、参考文献
[1]陈明德，魏（王美）琪.直流电动机的特性研究[J].？微特电机，1981，（01）
[2]中国电器工业协会变频器分会.变频器2010年市场调研分析报告，2010
[3]邓星钟.机电传动控制[M].第四版.湖北：华中科技大学出版社，2007：（372-385）
[4]张永利，李利华.三相异步电动机变频调速的原理及发展[J].科苑论坛，2010
[5]普传科技.PI8000/8100系列电流矢量变频器用户手册.第六版.2011：第二章安装及备用电路
[6]赵海兵.环境温度对变频器运行状况的影响[J].今日科苑，
[7]韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000（164）
作者简介
陈贵平，1984，男，湖南永州人，2010毕业于西安石油大学机械设计制造及其自动化专业，现从事中石油煤层气的排采技术工作
高波，1987，男，河北保定人，2009年毕业于张家口职业技术学院工程机械应用与维护专业，现从事中石油煤层气的排采技术工作
武旭，1984，男，山西临猗人，2006年毕业于中国石油大学（北京）机械设计制造及其自动化专业，现从事石油抽油机、抽油泵、抽油杆的销售以及售后技术工作