KCF-2 500 A/350 V大功率直流充電機(jī)的故障分析

摘 要：本文以KCF-2 500 A/350 V大功率充電機(jī)為例，闡述了充電機(jī)的工作原理、常見故障修理方法，以便與同行共同學(xué)習(xí)、共同分享。

關(guān)鍵詞：直流；充電機(jī)；工作原理；故障；分析

Maintenance Analysis of KCF-2 500 A/350 V High-Power Direct-Current Charging Equipment

ZHU Guixi

( NO.4801 Factory of CPLA， Guangzhou 510715 )

Abstract: By the example of KCF -2 500 A/350 V high-power charger， this paper states the working principle and repair methods for common failures of charging machine.

Key words: Direct current; Charging machine; Working principle; Fault; Analysis

KCF-2 500 A/350 V大功率直流充電機(jī)是我廠為中大型蓄電池周期治療時的全充電，維護(hù)保養(yǎng)時的補(bǔ)充充電提供直流電源的大功率設(shè)備。本設(shè)備主回路采用十二脈沖波，雙三相橋式整流電路帶平衡電抗器；整機(jī)控制方式采用PLC作為監(jiān)控核心，用西門子S7-200PLC實(shí)現(xiàn)與操作面板TD-200進(jìn)行通訊，以達(dá)到可以用手動、自動兩種控制方式；通過S7-200PLC端口組成繼電操作系統(tǒng)；采用美國進(jìn)口的ENERPRO 12脈沖波觸發(fā)控制單元和控制板實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流、穩(wěn)壓（見圖1）。

1 大功率直流充電機(jī)的工作原理

1.1 主回路

見圖2。KCF-2 500 A/350 V大功率直流充電機(jī)主回路包括斷路器、整流變壓器、兩路三相橋式全控整流電路、直流電抗器、直流快速斷路器。由斷路器ZK將380 V三相交流電送至整流變壓器，經(jīng)整流變壓器變換，在副邊產(chǎn)生300 V相差30°相位的電壓，副邊共有兩個繞組，其中一個星形繞組構(gòu)成一路三相橋式全控整流電路，另一個三角形繞組構(gòu)成一路三相橋式全控整流電路，兩路三相橋式整流電路經(jīng)平衡電抗器并聯(lián)后形成12脈波直流，經(jīng)快速直流開關(guān)DK輸出。

1.2 控制回路

見圖3。穩(wěn)壓、穩(wěn)流回路通過采用電壓、電流雙閉環(huán)控制。通過在輸出端采樣電壓U-FV與給定電壓U+GD進(jìn)行比較，經(jīng)控制板B1處理后發(fā)出信號給脈沖控制板，調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)角，從而達(dá)到調(diào)壓、穩(wěn)壓的目的；通過在輸出端采樣電流信號I-FV與給定電流I+GD進(jìn)行比較，經(jīng)控制板B1處理后發(fā)出信號給脈沖觸發(fā)控制板B2，調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)角，從而達(dá)到電流調(diào)節(jié)、穩(wěn)流的目的。

1.3 保護(hù)回路

見圖1、圖2。采用交流斷路器ZK，在設(shè)備出現(xiàn)短路、過載、欠壓時快速切斷供電回路，有效避免設(shè)備故障進(jìn)一步擴(kuò)大，同時也保護(hù)了工廠電網(wǎng)安全；快速直流開關(guān)DK，可以防止過電流沖擊，在極短的時間內(nèi)切斷直流回路故障，防止故障進(jìn)一步向整流變壓器蔓延；在每個橋臂都串有快速熔斷器，一旦可控硅上流過的電流超過額定電流時，快速熔斷器會在極短的時間內(nèi)熔斷切斷短路電流，保護(hù)可控硅，防止故障向其它可控硅和整流變壓器蔓延；核心控制板端口通過接受快熔、快斷、超溫等信號，迅速發(fā)出指令及聲光報(bào)警，自動關(guān)機(jī)和提醒操作人員注意。

2 故障現(xiàn)象及分析

2.1 配電開關(guān)額定電流不能滿足設(shè)備要求

故障現(xiàn)象：充電機(jī)投入使用，充電電流上到1600A左右再往上增加電流時，馬上引起配電房開關(guān)DW1分閘，設(shè)備無聲光報(bào)警故障，設(shè)備無法受電。

故障分析：（見圖4）因快速直流開關(guān)DK沒有分閘，可以排除設(shè)備負(fù)載故障；設(shè)備交流斷路器ZK沒有分閘，可以排除設(shè)備本身故障；如懷疑斷路ZK功能失靈問題，對設(shè)備進(jìn)行接地和短路檢查，用500 V兆歐表檢測設(shè)備，各部位絕緣都在0.5 MΩ以上，設(shè)備本身沒有出現(xiàn)故障聲光報(bào)警，而且快速熔斷器（保險(xiǎn)絲）沒有燒斷，排除絕緣和短路方面的問題；檢查變、配電房已分閘的DW1開關(guān)，DW1開關(guān)顯示過載故障聲光報(bào)警，經(jīng)進(jìn)一步檢查，開關(guān)本身額定電流為1600A，但人為設(shè)置額定電流為900A，在充電機(jī)負(fù)載達(dá)1600A左右時，交流側(cè)將出現(xiàn)900A的電流，當(dāng)充電機(jī)再往上增加電流時，交流側(cè)電流馬上超過900A，引起變、配電房開關(guān)DW1馬上分閘。將變、配電房開關(guān)DW1額定電流調(diào)回1600A，故障排除，充電機(jī)可以正常投入使用。

2.2 變壓器輸出開關(guān)主觸頭松動，引起故障。

故障現(xiàn)象：充電機(jī)空載，開關(guān)ZK一經(jīng)合閘，配電專用變壓器輸出開關(guān)DW分閘，設(shè)備本身無聲光報(bào)警故障，設(shè)備無法受電。

故障分析：從圖4我們可以看到，充電設(shè)備經(jīng)AK→DW1→DW→變壓器，故障過程中越過AK和DW1兩級開關(guān)，引起一級開關(guān)DW分閘。開關(guān)ZK和DW1沒有可能同時功能失靈，設(shè)備無聲光報(bào)警故障，所以可以判斷設(shè)備本身沒有問題，故障應(yīng)該是開關(guān)DW自身問題。經(jīng)檢查開關(guān)DW，DW聲光故障顯示過載，三相電流在2000～3000A不等，而且三相電流不平衡。分析2000～3000A不是短路電流，短路電流也不止那么少。充電機(jī)只是空載，也不會引起如此大的啟動電流，估計(jì)是開關(guān)主觸頭接觸不良引起供電瞬間搶弧產(chǎn)生大電流，把開關(guān)DW抽出后，重新?lián)u入到位，故障現(xiàn)象排除。

2.3 反饋電阻燒壞，反饋回路開路，引起超電壓穩(wěn)定精度

故障現(xiàn)象：設(shè)備電壓不穩(wěn)定，漂移幅度大，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該設(shè)備穩(wěn)定精度技術(shù)指標(biāo)的±5%。

故障分析：電壓輸出不穩(wěn)定，從充電機(jī)穩(wěn)壓原理（圖3）分析，馬上可以判斷是電壓反饋閉環(huán)控制回路出現(xiàn)故障。檢查控制線路，給定電壓回路到控制板B1是通的，反饋采樣點(diǎn)到控制板B1的回路也是通的，信號回路都沒問題。將充電機(jī)通電啟動運(yùn)行，測量給定電壓U-GD有4～5 V電壓，測量反饋采樣電壓U+FV為0V，按反饋電路計(jì)算U+FV=[350÷（58+5100）]×58=4 V，由此可見反饋回路開路。測量電阻RF1和RF2回路，有幾十MΩ電阻，再把RF1和RF2拆下來測量，RF2為58 Ω，正常，RF1開路，已損壞。故障原因是采樣不到反饋電壓，可控硅觸發(fā)角不受控，引起電壓不穩(wěn)定。更換新的電阻RF1后，電壓穩(wěn)定在設(shè)備電壓穩(wěn)定精度的技術(shù)指標(biāo)內(nèi)。

2.4 多個可控硅短路，S7-200PLC指令禁止，設(shè)備無法投入運(yùn)行

故障現(xiàn)象：設(shè)備雷雨天氣前一直在正常使用，雷雨天氣后設(shè)備自帶的交流開關(guān)AK無法合閘，設(shè)備無法投入使用。

故障分析：從設(shè)備所帶的開關(guān)等級DW→ DW1→ZK→DK分析，設(shè)備在ZK等級不能成功合閘，DK還沒動作，故障范圍可以界定在ZK與DK之間，因?yàn)閆K與DK之間的部分就是充電設(shè)備，也即是可以排除外圍故障，判斷為設(shè)備本身有短路或接地故障。

因?yàn)樵O(shè)備的操作順序是先合主回路斷路器ZK，再合控制回路，控制回路帶小型斷路器，所以可以判定控制回路是沒問題的，應(yīng)從主回路著手。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)可控硅前的部分保險(xiǎn)絲已熔斷，估計(jì)合閘、分閘的瞬間保險(xiǎn)絲同時熔斷，可見短路電流相當(dāng)大，估計(jì)是可控硅擊穿短路，形成橋式全控整流回路短路。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)TH2、TH4、TH6共6個可控硅擊穿短路。事故原因：剛好那天碼頭雷電非常強(qiáng)烈，設(shè)備直流供電回流的電纜在碼頭露天擺放，而直流負(fù)極側(cè)的電纜是沒有開關(guān)隔離的，不能有效避雷，雷電通過電纜竄入到設(shè)備，性能不佳的可控硅被擊穿短路。在檢查過程中我們發(fā)現(xiàn)S7-200PLC程序掉失，指令禁止。

將燒壞的保險(xiǎn)絲、可控硅重新更換，更換S7-200PLC和重裝程序，并在設(shè)備進(jìn)出線處安裝防雷裝置，設(shè)備運(yùn)行正常。

2.5 脈沖觸發(fā)控制板B2松動，影響輸出電壓不可調(diào)

故障現(xiàn)象：連續(xù)幾次設(shè)備運(yùn)行一段時間后，輸出電壓驟降，不能再往上調(diào)壓。

故障分析：據(jù)整流電路的原理Ud=UΦf（α），其中Ud負(fù)載端電壓，即是輸出直流電壓，UΦ輸入側(cè)交流電壓，α可控硅的控制角。在UΦ穩(wěn)定的情況下，直流輸出電壓Ud與可控硅的控制角α有關(guān)系，而α控制角與脈沖控制板有關(guān)系，故障應(yīng)該可以鎖定在脈沖觸發(fā)控制板上。用示波器觀察脈沖觸發(fā)控制板輸出波形，發(fā)現(xiàn)鋸齒波突然變窄，控制角增大。初步估計(jì)是脈沖觸發(fā)控制板故障，更換新的脈沖觸發(fā)控制板，故障排除。為了能證實(shí)原舊的脈沖觸發(fā)控制板是否有問題，我們再次將脈沖觸發(fā)控制板裝上，設(shè)備也能正常工作，之前的故障也不存在。因此故障原因是脈沖觸發(fā)控制板插口松動，設(shè)備運(yùn)行有熱量后進(jìn)一步增加了控制極的接觸電阻，引起控制極電流的變化，影響可控硅導(dǎo)通角變化，引起上述故障現(xiàn)象。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1) 對大功率的、含有較多電子元件的設(shè)備，出現(xiàn)故障時，應(yīng)先從外圍電路入手，首先排除外圍故障，再在細(xì)節(jié)部分下工夫，這樣可以提高排除故障的速度。

2) 在強(qiáng)雷雨時，沒有設(shè)置隔離開關(guān)的設(shè)備外引導(dǎo)線不能暴露在露天場所，防止導(dǎo)線引雷將設(shè)備電子元器件擊壞。設(shè)備外引導(dǎo)線的出、入口處應(yīng)安裝防雷裝置，可以避免雷擊，這一點(diǎn)設(shè)備制造商應(yīng)該考慮周到。

３) 設(shè)備的部分易損件應(yīng)備份，以便在設(shè)備出現(xiàn)故障時可以及時得到替換，同時在故障較復(fù)雜時可以用備件以替換比較法及時排除故障，減輕對設(shè)備原理不那么熟悉的修理者的維修難度。這一點(diǎn)設(shè)備采購商應(yīng)該考慮周到。

４) 設(shè)備修理者在維修設(shè)備時一定要掌握設(shè)備原理，修理時條理清晰。如確實(shí)不懂設(shè)備原理，設(shè)備使用單位或個人在設(shè)備安裝期間就要派專人（有一定基礎(chǔ)知識的人員）跟隨設(shè)備制造商學(xué)習(xí)，這對供需雙方都是有利無弊。

5) 設(shè)備長途運(yùn)輸或久置未經(jīng)使用情況下，在正式投入運(yùn)行前，應(yīng)該詳細(xì)檢查所有導(dǎo)線的連接處和熔斷器是否松動，所有電路焊點(diǎn)是否脫焊、斷裂，導(dǎo)線或線圈絕緣是否受潮，裸露部分是否碰殼接地或短路。如有上述現(xiàn)象，應(yīng)立即進(jìn)行修理，并檢查無誤后方可使用，這樣才能減少設(shè)備故障率和縮小故障范圍。

參考文獻(xiàn)

[1] 西安整流研究所主編. 電機(jī)手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 1978

[2] 可控硅調(diào)查組主編. 可控硅整流器及其應(yīng)用[M].天津: 人民出版社， 1970

作者簡介：朱桂喜（1974-），女，工程師，從事電氣技術(shù)工作

收稿日期：2011-07-25