隆賢生

摘 要：地鐵車輛檢修段廣泛采用鏇床進(jìn)行客車車輪的不落輪鏇修，其控制設(shè)備由西門子MICROMASTER 440變頻器及相應(yīng)的外圍接線組成，在鏇床工作過程中出現(xiàn)的問題大部分來自于其控制系統(tǒng)。該文介紹了西門子440變頻器的工作原理和保護(hù)構(gòu)成原理，結(jié)合實(shí)際的接線，對(duì)變頻器可能出現(xiàn)的故障和故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析。然后對(duì)實(shí)際的維修經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，介紹了變頻器實(shí)際故障的檢修順序與檢修步驟。最后，通過一起鏇床突然停機(jī)的故障維修實(shí)例，說明了變頻器的故障處理方法。在此基礎(chǔ)上，該文給出了變頻器的日常維護(hù)建議。

關(guān)鍵詞：鏇床 變頻器 分析 故障 維修

中圖分類號(hào)：TN77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（b）-0054-03

成都地鐵2號(hào)線洪柳車輛段，使用廣漢快速鐵路設(shè)備有限公司CAK-13精密數(shù)控不落輪鏇床，它是車輛段三大檢修設(shè)備之一，對(duì)電客車缺陷輪對(duì)進(jìn)行不落輪鏇修。CAK-13精密數(shù)控不落輪鏇床摩擦輪電機(jī)是該機(jī)床車輪加工主傳動(dòng)的動(dòng)力源，它由西門子MICROMASTER 440變頻器[1]控制。

變頻器通過控制左、右兩臺(tái)30 kW的三相變頻電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)鏇床對(duì)機(jī)車車輪的鏇修校正。由于它采用電力電子器件IGBT控制輸出功率，并且利用PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)控制IGBT的通斷，確保了兩臺(tái)電機(jī)安靜可靠的運(yùn)行。

但在鏇床鏇修時(shí)，如果變頻器本身或聯(lián)接設(shè)備有故障，都會(huì)導(dǎo)致鏇床無法正常運(yùn)行。該公司就出現(xiàn)過一次變頻器外圍接線的故障，導(dǎo)致鏇床中斷工作，影響了機(jī)車車輪的維護(hù)。由于變頻器原理和接線隨著變頻器型號(hào)的變化而不同，該文提到變頻器時(shí)指的就是MICROMASTER 440變頻器。要修好鏇床，就需要知道變頻器的原理接線，以下就針對(duì)該次維修過程加以說明。

1 變頻器工作原理分析

圖1為變頻器工作原理圖[1]，由主電路和控制電路組成，整流橋和全控逆變電路都是三相的，圖中只畫出了示意。變頻器的主電路包括整流電路和逆變電路，有的型號(hào)的變頻器還包括制動(dòng)斬波器電路（小功率的變頻器）和濾波器?？刂齐娐酚蓡纹瑱C(jī)組成的微機(jī)系統(tǒng)來完成，它控制PWM發(fā)生器的脈沖寬度，也就改變了IGBT通、斷時(shí)間，另外通過一系列檢測(cè)電路和互感器完成對(duì)主電路的監(jiān)測(cè)與保護(hù)。另外，為方便人機(jī)交互，變頻器還配置了顯示與輸入輸出接口電路。

整流電路[2]將三相交流電通過6個(gè)二極管進(jìn)行全波整流，從而將交流轉(zhuǎn)為直流。由于采用的是三相全波整流，直流波形中就會(huì)含有300 Hz整數(shù)倍的諧波分量，為了減小紋波，使電機(jī)能夠低噪音運(yùn)行，需要濾除諧波。一般的變頻器都配有專門的濾波器來濾除特定的300 Hz諧波，小容量變頻器也可通過電容來濾除高頻。逆變電路[2]由PWM脈沖控制6個(gè)IGBT的通斷，從而將直流變?yōu)殡妷悍?、頻率大小可控的三相交流，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。在需要緊急制動(dòng)時(shí)，可通過斬波器電路和制動(dòng)電阻將電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速降低，降低慣性帶來的危害。

控制電路[3]中CPU對(duì)監(jiān)測(cè)到的電壓、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而對(duì)PWM發(fā)生器電路發(fā)出調(diào)節(jié)指令，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率，最終使電機(jī)按照預(yù)期運(yùn)動(dòng)；如果鏇床發(fā)生異?；蚬收?，電壓、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生跳變，比如電流的增大或電壓的下降等，CPU就根據(jù)相應(yīng)的保護(hù)功能作出對(duì)應(yīng)決策，要么發(fā)告警信號(hào)，要么停機(jī)。

2 故障現(xiàn)象與分析

2.1 故障現(xiàn)象

2014年8月11日，洪柳車輛段在使用不落輪鏇床進(jìn)行用檢作業(yè)時(shí)，接通主驅(qū)動(dòng)裝置并使驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)行，在運(yùn)行十分鐘后，驅(qū)動(dòng)輪突然停止，操作臺(tái)顯示屏報(bào)變頻器故障。查看變頻器，發(fā)現(xiàn)故障代碼為F0001，查閱廠家手冊(cè)確定F0001為過電流。手冊(cè)中說明，造成F0001過流故障原因如下：

（1）變頻器輸出短路或有接地故障。

（2）電機(jī)與變頻器是否匹配。

（3）負(fù)載處于過載狀態(tài)。

2.2 故障原因分析

上述故障現(xiàn)象表明，變頻器是在工作中產(chǎn)生了過電流。通過對(duì)變頻器工作原理及外圍的接線情況進(jìn)行分析，按照主電路中電流的流經(jīng)順序，造成過電流的原因有以下幾方面[4]。

（1）首先，可能是電動(dòng)機(jī)的原因，比如繞組出現(xiàn)匝間短路或者在接近中性點(diǎn)處發(fā)生相間短路，此時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)端電流互感器測(cè)量到的電流會(huì)增大；或者電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中受到限位，造成電動(dòng)機(jī)“堵轉(zhuǎn)”，電動(dòng)機(jī)的電流也會(huì)增大。

（2）其次，變頻器與電動(dòng)機(jī)的聯(lián)接回路可能發(fā)生短路，出現(xiàn)的故障可能是聯(lián)接電纜破損造成接地或相間短路，也可能是線路絕緣下降造成漏電。

（3）最后，可能是變頻器本身損壞，如果變頻器中的某個(gè)開關(guān)元件損壞，造成直流短路，直流互感器測(cè)量到的電流就增大；也可能是某些元件在溫度升高時(shí)參數(shù)發(fā)生大的變化等造成的。

（4）在主電路沒有故障時(shí)，如果檢測(cè)系統(tǒng)、或微機(jī)接口電路等控制系統(tǒng)原因也不能忽略。比如互感器、PWM發(fā)生器如果發(fā)生故障也會(huì)造成過電流。

3 故障排查與維修

3.1 故障排查

圖2為鏇床變頻器接線圖，發(fā)生上述故障，要做到“一聞二看三檢查”，聞一聞?dòng)袩o電線或器件燒焦的味道，看一看有無電線或器件跌落、各個(gè)設(shè)備外觀有無異常，接下來可按如下順序檢查。

（1）負(fù)載側(cè)檢查

引起變頻器過流的最主要因素是負(fù)載，一旦發(fā)生過流故障，應(yīng)當(dāng)檢查：

①首先檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以用手盤電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪試試是否轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，用以判斷電機(jī)是否“堵轉(zhuǎn)”或限位。

②其次斷開變頻器與電機(jī)間的接插件，測(cè)試三相負(fù)載的阻抗是否對(duì)稱、是否短路，還需要用兆歐表等測(cè)試對(duì)地及相間絕緣的儀器測(cè)試有無軟擊穿故障。例如絕緣下降時(shí)用萬用表測(cè)量可能顯示為正常，但用搖表測(cè)量時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)耐壓下降了。endprint

（2）輸入輸出線路檢查

根據(jù)電動(dòng)機(jī)原理，缺相是造成過流保護(hù)動(dòng)作的一個(gè)主要原因。如果是變頻器整流側(cè)缺相，會(huì)導(dǎo)致直流電壓降低，且電壓波形不再平滑，這樣會(huì)引起逆變側(cè)輸出電壓下降，輸出相同功率時(shí)電流必然增大，從而引起過電流。

如果變頻器逆變側(cè)輸出電壓缺相，健全相電流會(huì)增大，且三相電壓不平衡，電機(jī)運(yùn)行也不平穩(wěn)，可能會(huì)振動(dòng)。

因此，在帶電的情況下，可以用萬用表檢查電壓，如果有相序表，檢查會(huì)更方便。在斷電時(shí)，也可用萬用表電阻檔檢查外部接線的通斷，檢查繼電器工作狀態(tài)是否正常。

（3）變頻器檢查

變頻器部分主要檢查整流器、逆變器，其中的元件故障可造成過電流，整流電路中二極管可能損壞，逆變電路IGBT模塊也可能存在元器件的接觸不良甚至損壞的情況。

在帶電情況下，用示波器檢查直流和交流波形，可觀察直流電壓波形是否平直，測(cè)量直流電壓大小是否異常；對(duì)各路交流波形要檢查其波形、頻率與大小。通過這些檢測(cè)，可判斷器件有無損壞。在發(fā)現(xiàn)有器件損壞時(shí)，可在斷電的情況下，用萬用表檢查具體的器件，如果整流電路有異常，就檢查整流回路，查找出故障二極管并更換；如果只是逆變電路有問題，就檢查IGBT模塊，如果IGBT損壞就更換，如果驅(qū)動(dòng)脈沖沒有就要檢查驅(qū)動(dòng)電路。

（4）電流輸入回路檢查

在主回路及其外圍回路沒有故障時(shí)，保護(hù)的電流輸入回路就需要檢查。電流輸入回路包括電流互感器與連接電線、接插件等，還包括對(duì)電流進(jìn)行采樣與A/D轉(zhuǎn)換的硬件電路板。

檢查時(shí)，先斷開主回路，如果指示燈或顯示器表明有電流，則說明電流輸入回路有故障，而且極可能是控制器內(nèi)部電路板的問題，可按照回路的走線逐級(jí)檢查。也可以斷開電流互感器，從斷開處加一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)電流，觀察顯示器顯示的電流有無誤差，如果誤差很大，則檢查測(cè)量回路；如果誤差很小，就可判為電流互感器的故障。檢查測(cè)量回路時(shí)，可用替換法快速查找，用好的備用插件或電路板逐一更換相同插件，當(dāng)電流顯示值與輸入電流一致時(shí)，就可對(duì)替換下的插件再進(jìn)行檢查維修。如果是互感器原因，需要對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)判斷，如確實(shí)是損壞，則需更換，如沒有問題，這需要檢查各連接處是否接觸可靠。

3.2 故障維修

通過以上故障點(diǎn)逐一排查，負(fù)載側(cè)檢查和輸入輸出線路檢查正常，變頻器主回路也沒有問題，在進(jìn)行上述第（4）項(xiàng)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的測(cè)量回路也沒問題，在檢查電流互感器本身時(shí)，發(fā)現(xiàn)接插件沒有連接到位，有松動(dòng)跡象。

重新安裝電流互感器接插件，插緊、插牢，上電、裝置自檢正常，故障排除，設(shè)備也恢復(fù)正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

變頻器在工業(yè)企業(yè)應(yīng)用廣泛，它聯(lián)接強(qiáng)電與弱電，發(fā)生故障的位置較多，且故障排查困難。只有不斷學(xué)習(xí)理論知識(shí)，熟悉設(shè)備的原理與接線，掌握故障檢查的方法，不斷總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，才能快速完成故障的定位與維修。

同時(shí)在變頻器日常運(yùn)行過程中，要加強(qiáng)日常的保養(yǎng)與維護(hù)：

（1）變頻器必須保持干凈整潔，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況隨時(shí)清掃。

（2）確保周圍空氣中不含有過量的塵埃、酸、鹽、腐蝕性氣體。

（3）加強(qiáng)變頻器安裝場(chǎng)地的通風(fēng)散熱。變頻器運(yùn)行情況是否良好，只有通過良好的維護(hù)保養(yǎng)工作，才能夠減少設(shè)備故障的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 西門子MICROMASTER 440型變頻器使用說明書[EB/OL].2013.

[2] 黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)（第四版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：49-56.

[3] 李傳珊，劉永軍，吳建寧.電工基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：171-173.

[4] 李方園.變頻器原理與維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：65-71.endprint