ABB变频器ACS880系列制动单元原理及故障解析

ABB变频器ACS880系列制动单元原理及
故障解析
摘要：ACS880变频器是近年来石油钻机配套的主流传动控制系统，其宽泛的功率和电
压范围可适用于驱动多种类型的电机，多传动的性质可节约设备配套空间。

绞车在上提下放
的过程中会发生电机的快速加减速，减速过程中电机产生的能量可通过制动单元及制动电阻
进行消耗。

随着设备年限的增加和频繁的使用，制动单元故障率也随着增加。

关键词：绞车；变频器；制动单元；原理；故障
引言：
ACS880系列变频器选择的制动单元为ACS880-607型，是一种空冷柜体式制
动单元，此装置是 ACS880 多传动系统的一个重要组成部分。

作为标准配置，其
中包含制动斩波器，制动斩波器控制电机产生的能量。

只要电路中的电压超过控
制程序定义的限值，斩波器便会将制动电阻连接到中间直流电路，制动电阻消耗
的能量会使直流母电压下降到可以断开与电阻连接的水平，从而保护母排不受高
电压冲击。

1制动单元的结构及原理
1.1目前石油钻井主流设备配套的70及以上电动钻机，绞车电机基本选用的
是两台1000KW或两台1200KW的交流电机，正常制动单元选择两组式制动，每组
包含6个制动斩波器单元，统一配备在VFD房1内。

同时在房头配置制动电阻室，配备与制动单元匹配的制动电阻两组，每组有六个制动电阻，组成能耗制动的控
制和能耗单元。

1.2 制动斩波器模块可以处理绞车在起下钻过程中，电机减速产生的能量。

电机减速使直流母线电压升高，当直流电压增加到足够高时，与斩波器连接的外
部制动电阻将消耗掉多余的能量，斩波器按照脉冲宽度调制原理运行。

当母排直
流电压达到1.156 × UDCmax 时， ACS880 传动的内部制动斩波器启动导通功
能，制动电阻开始消耗电能；当母排直流电压达到 1.2 × UDCmax 时，制动达到 100% 脉冲宽度。

1.3 制动斩波器单元包括与直流母排相连接的直流熔断器、制动斩波器模块NBRA、制动斩波器冷却风机及制动控制附件等。

制动斩波器模块包括带控制端子的斩波器控制板 (NBRC)，整流桥、功率连接端子、使能输入端子、可控硅、二极管和阻容吸收装置等，如下图图1所示。

NBRC为制动斩波器的控制板，是整个控制系统的中枢，其上面共有3个连接端子和两个光纤连接端子，还有一个电压选择跳线。

如下图图2所示；
图1：斩波器模块
图图2：NBRC介绍图
1.4每个制动斩波器柜体配备有冷却风机，共12个，用于制动单元的散热，风机从传动的辅助控制柜 (ACU) 取电，风机的正常运行同时作为变频器的一个使能条件。

为防止电阻电缆等短路，作为系统标准配置，制动单元配备有直流熔断器，发生电缆短路时，熔断器可以保护制动斩波器和制动电路电缆。

1.5一个斩波器链路中的第一个斩波器单元可用作另外其他斩波器的主机，从机的开关由主机通过光纤链路进行控制。

我们石油钻机配备的系统中，共两组斩波器链路，每组有六个斩波器模块。

主机的电压选择跳线在出厂时设置为相应
的电压，根据实际情况我们设置为“500V”，而其他五个从机全部设置为“FIBER”。

主机和从机之间全部是通过光纤进行通讯连接。

1.6制动单元的动力线和控制线连接如下图图3所示。

其中端子排X1为使能
输入端子，在现场实际应用为短接状态;端子排X2为NBRC上与端子排X1的连接
端子；端子排X3为故障指示继电器输出端子，与控制附件连接；V22是光纤连接
端子，到另一个斩波器（发送器）的斩波器控制信号；V23是光纤连接端子，来
自另一个斩波器（接收器）的斩波器控制信号；UDC+和UDC-分别结直流母排的正
负极；R+和R-分别接制动电阻两端；现场实际应用中，在制动电阻柜内，每组制
动电阻接了一个温度传感器PT100，信号直接回PLC，进行保护控制，。

1.7 现场实际应用中，由于制动电阻持续消耗能量，使电阻产生大量热量。

因此，在房头制动电阻室内，每组制动电阻共安装了四个散热风机用于整个电阻
柜的散热，并将风压信号接入PLC控制系统，用于制动电阻的散热保护。

同时制
动电阻的温度信号和四个风机的风压信号也是绞车电机启动的一个重要使能信号，平时在检查和处理问题时要着重注意。

图3：动力线和控制线连接简图
2出现的典型故障及解决办法
2.1故障现象及描述
2022年7月某井开钻5小时后绞车突然停机，制动柜报故障，故障灯指示
1号制动柜的1号斩波器制动模块和5号斩波器制动模块故障灯亮起。

整个变频
器停机，且故障无法通过复位消除，绞车处于无法使用状态。

PLC控制系统正常，
所有指示灯光显示正常，1号斩波器制动模块和5号斩波器制动模块风机停止工作。

2.2故障处理过程
2.2.1打开制动柜门，拆开防护板和NBRA的外壳，检查发现1号模块控制板NBRC烧坏，其中左侧整流桥位置烧坏并脱落，X1端子排有烧毁现象；5号柜内模
块肉眼未发现异常。

接着观察测量两个模块的直流熔断器，发现两个模块的四个
熔断器全部烧坏。

为保障尽快恢复生产，现场决定将1号和5号模块先甩掉，跳
过不用，先使其他4个制动模块恢复工作，尽快恢复生产，避免井下出现复杂情况。

2.2.2首先检查所有光纤的使用情况，通过用手电筒检查，两个制动柜的所
有光纤都没有问题，并按标准恢复安装。

其次，通过调整光纤的连接，甩掉1号
和5号两个模块。

即将4号模块发送信号的光纤直接接到6号模块，将5号模块
甩掉；1号模块发送信号的光纤直接接甩掉，不用的光纤接头用绝缘胶布包好后，包扎在合适的位置。

2.2.3 将1号模块和5号模块上的功率连接端子到直流母排和制动电阻的动
力电缆全部拆掉，并用绝缘胶带包扎做好防护；再次按着应急处置程序检查制动
柜内所有改动过的位置，在确认无误后，拍照、记录，最后将制动柜内的各种护
罩和防护板还原。

2.2.4 由于两个制动柜完好时变频器会给PLC一个确认运行信号到DI模块，作为绞车的一个使能信号。

因此在将两个制动模块甩掉后需要直接给PLC一个确
认信号，控制系统才能确认使能完成。

在PLC综合柜内的备用STOP电源上直接
找到一个24V电，按照图纸指示的点位接到PLC的DI模块，使PLC控制系统默
认制动模块使能。

2.2.5按照应急处置程序，检查确认所有应急改动无误后。

启动变频器、启
动绞车，制动单元恢复到了临时使用状态，绞车使用恢复正常，故障初步解除。

但这是只是应急处置，需要紧急备货对制动单元进行更换维修。

因处置中甩开了
两组NBRA制动模块，提醒司钻等操作人员在绞车上提下放过程中一定要注意控
制速度，切不可猛刹猛放，再次造成制动单元故障。

同时发电工及电气师等要加
强VFD房检查，若发现异常及时通知操作人员停机。

2.2.6 待两个斩波器、四个熔断器到井后，及时对制动单元进行了更换维修，直接更换掉了两个制动斩波器。

并将5号模块两个可控硅和4四二极管进行检查，已无使用价值。

模块更换后，将所有光纤根据图纸恢复正常，并将临时短接的
24V电源等进行了恢复，按照原图纸将所有使能保护项恢复到原来状态，绞车变
频器正常使用。

结论及认识：
1、制动电阻柜虽然不在VFD房内，但作为绞车使用的重要条件，在平时巡
检的过程中同样要加强检查；
2、DB钻机在绞车使用过程中，操作人员要注意上提下放速度，同时变频器
参数设置必须正确无误；
3、变频器制动模块作为电控的重要组成部分，一旦无法使用将使绞车无法
上提下放，耽误生产，严重时可能导致井下复杂，因此一些变频器的常备配件尽
量备齐。

4、VFD房在使用过程中必须做到房内清洁卫生，严禁随意开门，控制房内温
度和湿度。

温度控制在24摄氏度左右、湿度控制在75%一下，使变频器在一个干
燥无尘的环境下运行，可降低变频器故障率。

参考文献：
1.固件手册-ACS880基本控制程序ABB。