廈門集裝箱碼頭集團(tuán)有限公司海天分公司 林和鵬

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變頻器在港口機(jī)械上的應(yīng)用

廈門集裝箱碼頭集團(tuán)有限公司海天分公司 林和鵬

目前，變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域。該文以安川變頻器為例，介紹其在廈門集裝箱碼頭集團(tuán)有限公司海天分公司機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用，并結(jié)合工作實(shí)踐和體會(huì)，著重介紹在使用變頻器過程中遇到問題的解決辦法和注意事項(xiàng)，以供變頻器初學(xué)者參考。

變頻器 IGBT 常見故障 注意事項(xiàng)

0 引言

隨著交流變頻控制系統(tǒng)及通訊技術(shù)的發(fā)展，交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)因其調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能好、節(jié)電、操作簡(jiǎn)便，在港口機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用越來越廣泛。廈門集裝箱碼頭集團(tuán)有限公司海天分公司（后簡(jiǎn)稱海天公司）在輪胎式起重機(jī)（RTG）、軌道式起重機(jī)（RMG）、門座式起重機(jī)、岸邊裝卸橋（C/C）等港口機(jī)械設(shè)備中也廣泛使用了變頻調(diào)速器，隨著使用數(shù)量的不斷增加，遇到了故障維修問題。本文結(jié)合筆者多年的維修經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，就變頻器使用過程中的注意事項(xiàng)和遇到變頻器故障時(shí)的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行分析和探討。

1 變頻器的種類及周邊設(shè)備

1.1 變頻器種類

日本安川的變頻器主要有VS-686 CR5、VS-676 H5、VS-616 G5、VS-616 G7。這里以VS-616 G7為例簡(jiǎn)要介紹該類變頻器的構(gòu)造。

VS-616 G7是以先進(jìn)技術(shù)的控制理論為基礎(chǔ)，真正的電流矢量控制，首次采用“3電平控制方式”，解決了沖擊波問題，可更安全地驅(qū)動(dòng)設(shè)備上的電機(jī)。真正的電流矢量控制所擁有的高性能、多功能，可以使各式各樣的機(jī)械設(shè)備在高效率、高精度狀態(tài)下運(yùn)行。由于有自學(xué)習(xí)功能，可輕松實(shí)現(xiàn)矢量控制運(yùn)行；在數(shù)字式操作器的顯示部分，采用了16文字×2行的液晶顯示屏。參數(shù)設(shè)定、監(jiān)視項(xiàng)目、變更參數(shù)等一目了然，人機(jī)對(duì)話容易理解。VS-616 G7有200V和400V兩種電壓等級(jí)，適合電機(jī)功率在0.4~300kW，其控制方式有4種，即：無PG矢量控制、帶PG矢量控制、無PG v/f 控制、帶PG v/f 控制。

1.2 變頻器的周邊設(shè)備

周邊設(shè)備如圖1所示。

(1) 電源一般是變壓器，將電網(wǎng)的電壓轉(zhuǎn)換為變頻器所需的電壓，容量選擇為變頻器容量的1.5倍左右。

(2) 斷路器是為了防止發(fā)生過載和短路時(shí)的大電流燒毀設(shè)備。其額定電流要大于變頻器的額定電流，短路能力要大于發(fā)生短路時(shí)的短路電流。

(3) 接觸器的作用是在變頻器發(fā)生跳閘時(shí)將變頻器從電源切斷。其額定電流的選擇要大于變頻器的輸入電流值。

(4) AC電抗器與電源匹配，可改善功率因素，降低高次諧波對(duì)其他設(shè)備的影響。

(5) DC電抗器可降低電動(dòng)機(jī)的噪聲，降低輸出高次諧波的不良影響。

(6) 電磁噪聲濾波器可降低變頻器傳至電源一側(cè)的噪聲。

圖1 變頻器的周邊設(shè)備

1.3 制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻

在起升機(jī)構(gòu)中，當(dāng)集裝箱被懸吊在空中時(shí)，起升電機(jī)將產(chǎn)生反向電勢(shì)，反向電勢(shì)經(jīng)逆變單元反加至濾波電容兩端，變頻器直流側(cè)電壓將上升，為避免變頻器過電壓保護(hù)，因此要求依據(jù)變頻器功率型號(hào)在直流側(cè)加裝配套的制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻，變頻器、制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻接線如圖2所示。

制動(dòng)單元將監(jiān)視直流母線電壓，當(dāng)直流電壓UPN上升到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)切斷IGBT，將電機(jī)下降或制動(dòng)時(shí)的位能、負(fù)載的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為制動(dòng)電流，消耗在制動(dòng)電阻上，但如調(diào)節(jié)不當(dāng)，制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻吸收過多的能量對(duì)于節(jié)能運(yùn)行是不利的。

2 變頻器構(gòu)造

2.1 基本構(gòu)成

外觀和各部名稱有：上、下保護(hù)罩、前外罩、數(shù)字式操作器、塑料模壓箱體、控制回路端子、主回路端子。

其中數(shù)字式操作器上部為運(yùn)行方式指示燈：DRIVE——驅(qū)動(dòng)方式時(shí)亮；FWD——輸入正轉(zhuǎn)指令時(shí)亮；REV——輸入反轉(zhuǎn)指令時(shí)亮；SEQ——從控制回路端子輸入的運(yùn)行指令有效時(shí)亮；REF——從控制回路端子13、14輸入的頻率指令有效時(shí)亮。

中間是液晶顯示屏，數(shù)據(jù)表示部分，顯示參數(shù)名稱及其設(shè)定值。

下部分為操作鍵，為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、監(jiān)視、JOG運(yùn)行、自學(xué)習(xí)等用鍵。

底部有RUN、STOP兩指示燈，對(duì)應(yīng)有點(diǎn)亮、閃爍、熄滅運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 主回路構(gòu)成

如圖3所示，①為一組大功率絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管IGBT，其特點(diǎn)是開關(guān)頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，觸發(fā)電壓低，但在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)并發(fā)生外部短路時(shí)容易擊穿。②為阻容吸收模塊，有P型、N型兩種。其功能是吸收高次諧波，使諧波污染降低，凈化輸出電流的品質(zhì)，也保護(hù)IGBT模塊不會(huì)誤觸發(fā)。

圖3中只畫出一組IBGT，共有三組，如圖4所示。

2.3 IGBT的測(cè)量判斷

若圖3中的保險(xiǎn)絲FU斷，一定要先檢查IGBT。方法如下：

(1) 針式萬用表，打在100kΩ檔，紅黑表筆按圖5方法測(cè)量，應(yīng)導(dǎo)通，反向不通。

(2) 用手指短接G和E，觀察萬用表指針是否指在中間位置，手放開，指針保持。否則，該IGBT已損壞。

(3) G和E短接，又回到原來的位置。

(4) 封存IGBT時(shí)，G和E應(yīng)用銅導(dǎo)線短接。

(5) 更換IGBT應(yīng)配對(duì)使用。

圖5

2.4 驅(qū)動(dòng)板的判斷

(1) IGBT損壞時(shí)若外觀良好，則需檢測(cè)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)插座的阻值的一致性。用數(shù)字式萬用表測(cè)量G和E，阻值應(yīng)在12.8~12.9kΩ。

(2) IGBT損壞時(shí)，若外殼炸裂，這時(shí)需要更換驅(qū)動(dòng)板，同時(shí)仔細(xì)測(cè)量吸收電阻R（為1Ω 90W）。

3 變頻器常見故障分析

由于使用方法不正確或設(shè)置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動(dòng)作及發(fā)生故障，或者無法滿足預(yù)期的運(yùn)行效果，為防患于未然，需事先對(duì)故障原因進(jìn)行認(rèn)真分析。

3.1 OC過電流

(1) 若負(fù)載太大，加速時(shí)間過短，則變頻器輸出頻率的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電機(jī)頻率的變化，變頻器將因過流而跳閘。依據(jù)不同的負(fù)載情況相應(yīng)地調(diào)整加速時(shí)間，就能消除此故障。

(2) 增量型編碼器損壞或連接軟軸松脫。對(duì)策：更換編碼器或連接軟軸。

(3) PG卡連接端子或PG卡與主控板連接松脫（開環(huán)的沒有PG卡）。對(duì)策：緊固連接部件。

(4) 輸出負(fù)載發(fā)生短路，如電機(jī)線對(duì)地短路、電機(jī)相間絕緣損壞、接觸器觸點(diǎn)接觸不良、電纜接頭接觸不良，開機(jī)時(shí)容易發(fā)生電弧，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作。對(duì)策：定期仔細(xì)檢查回路中的每個(gè)電氣元件，特別是電機(jī)的相間絕緣。

圖6

3.2 OV直流母線過電壓

(1) 變頻器減速時(shí)間設(shè)置過短，從電機(jī)再生的能量太大。應(yīng)對(duì)措施是延長(zhǎng)減速時(shí)間或連接制動(dòng)電阻單元。

(2) 無變頻器裝置的系統(tǒng)中，制動(dòng)電阻接線處接觸電阻過大。應(yīng)對(duì)措施：檢查緊固各個(gè)接線處。

(3) 有變流器裝置的系統(tǒng)中，電源側(cè)變壓器容量偏小，當(dāng)多臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，能量不能及時(shí)回饋到網(wǎng)側(cè)。應(yīng)對(duì)措施：增大變壓器容量。

(4) 在門機(jī)系統(tǒng)中有時(shí)會(huì)因?yàn)榍袚Q時(shí)間設(shè)置異常，造成制動(dòng)單元監(jiān)測(cè)異常。應(yīng)對(duì)措施：正確設(shè)置切換時(shí)間。

(5) 制動(dòng)單元的硬件跳線設(shè)置不正確造成制動(dòng)過早。應(yīng)對(duì)措施：更改跳線位置。

3.3 OS 變頻器檢測(cè)電機(jī)超速

(1) 減速箱側(cè)制動(dòng)器失靈。應(yīng)對(duì)措施：調(diào)整制動(dòng)器。

(2) 電機(jī)軸端編碼器故障（如光柵盤裂紋）。應(yīng)對(duì)措施：更換編碼器。

(3) 編碼器與PG 卡連接松脫，PG卡與主控板連接松脫。應(yīng)對(duì)措施：緊固或重新安裝編碼器。

(4) 編碼器屏蔽線接地位置不正確，應(yīng)對(duì)措施：引入干擾信號(hào)。

3.4 UV 欠壓故障

(1) 直流母線側(cè)接觸器不能正常工作。

①無線圈電壓異常。應(yīng)對(duì)措施：檢查接線端子是否松動(dòng)、輸入電源的電壓變化是否太大。

②接觸器反饋觸點(diǎn)接觸不良，應(yīng)對(duì)措施：更換觸點(diǎn)或更換接觸器。

(2) 控制電源電壓低。檢查輸出220V是否正常、查找電源板的輸入電壓和反饋電壓。

(3) 控制電源的外部控制接觸器吸合過早（主回路應(yīng)比控制回路早吸合）。應(yīng)對(duì)措施：將電源ON/OFF試一下。

(4) 外部網(wǎng)側(cè)交流電壓過低。對(duì)策：檢查電源有否發(fā)生缺相。

(5) 發(fā)生了防止浪涌回路故障。對(duì)策：將電源ON/OFF試一下。

3.5 PGO 編碼器斷線

(1) 編碼器至PG卡之間的連線斷線。對(duì)策：修理斷線處。

(2) PG卡與主控板連接松動(dòng)。對(duì)策：重新連接。

(3) PG的連線有錯(cuò)誤。對(duì)策：修改接線。

(4) 沒有給PG供電。對(duì)策：正確供電。

(5) 制動(dòng)器未能可靠打開：

①當(dāng)檢測(cè)到起升電機(jī)有一定的電流或力矩值時(shí)，制動(dòng)器才打開。

② 檢查PLC與INV電流反饋。

③ 制動(dòng)片制動(dòng)力過松。對(duì)策：調(diào)整制動(dòng)器。

3.6 OL變頻器過載

(1) 電機(jī)過載

①負(fù)載太大、加減速時(shí)間和周期時(shí)間太短引起電子熱保護(hù)動(dòng)作。應(yīng)對(duì)措施：修正負(fù)載大小、加減速時(shí)間、周期時(shí)間。檢測(cè)電機(jī)的額定電流值，檢測(cè)電流基準(zhǔn)是在電機(jī)參數(shù)E2中的電機(jī)額定電流的設(shè)置值(E1是電機(jī)輸入輸出設(shè)置)。

②制動(dòng)器不能正常打開。對(duì)策：調(diào)整制動(dòng)器。

(2) 變頻器過載

①加速時(shí)間和周期時(shí)間太短引起電子熱保護(hù)、變頻器過負(fù)載保護(hù)動(dòng)作。對(duì)策：修正加速時(shí)間和周期時(shí)間。

V/f特性的電壓過高。對(duì)策：修正V/f特性。

(3) 過力矩

電流超過檢測(cè)電流值并持續(xù)超過力矩檢測(cè)的檢測(cè)時(shí)間。應(yīng)對(duì)措施：檢查設(shè)定值（L6-05,L6-06）是否適當(dāng)。

3.7 OH散熱片過熱

由于冷卻風(fēng)扇故障、周圍溫度過高、過濾網(wǎng)堵塞等導(dǎo)致變頻器散熱片的溫度超過了設(shè)定值。應(yīng)對(duì)措施：可通過更換冷卻風(fēng)扇或清理過濾網(wǎng)，將環(huán)境溫度控制在40℃以下。

3.8 GF接地故障

變頻器輸出側(cè)發(fā)生接地短路（電機(jī)燒毀、絕緣老化、電纜破損等引起接地）。應(yīng)對(duì)措施：檢查電機(jī)或負(fù)載側(cè)接線是否與地之間有短路。

3.9 PUF保險(xiǎn)絲熔斷

由于變頻器輸出側(cè)的短路、接地而造成輸出晶體管損壞。應(yīng)對(duì)措施：排除故障，確定主回路的晶體管無損壞后方可更換保險(xiǎn)絲，再進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.10 CPFx 控制回路有異常

(1) 數(shù)字式操作器傳送異常?？赡苁遣僮髌鞯亩俗咏佑|不良或變頻器控制回路不良引起，可取下操作器再重新安裝。

(2) 外來的干擾、過強(qiáng)的振動(dòng)沖擊造成控制電路故障，連接接觸不良?？蓪㈦娫辞袛啵偎碗娫矗∣N/OFF）試試。

(3) 通訊電纜接觸不良。檢查通訊電纜連接是否正確。重新確認(rèn)系統(tǒng)參數(shù)，記下全部數(shù)據(jù)后進(jìn)行初始化。

3.11 OPEx 操作出錯(cuò)

變頻器不能啟動(dòng)。這樣的場(chǎng)合，一定要按照出廠設(shè)定范圍修正參數(shù)設(shè)定值。

4 變頻器硬件更換注意事項(xiàng)

4.1 IGBT的更換

(1) 在不通電的情況下，用萬用表測(cè)量P、N分別與u、v、w的兩端阻值,再測(cè)量輸出三相之間的平衡，以檢測(cè)輸出三相與直流母線的阻抗是否對(duì)稱。

(2) 檢測(cè)無疑后，通電檢查直流母線電壓是否正常。充電指示燈是否正常。

(3) 更換IGBT應(yīng)配對(duì)使用，封存IGBT時(shí)，G和E應(yīng)用銅導(dǎo)線短接。

4.2 驅(qū)動(dòng)板的更換

需仔細(xì)核對(duì)插頭與插座的編號(hào)是否一致，是否有插座是空的。

4.3 主控板的更換

更換主控板后，需設(shè)置變頻器的應(yīng)用參數(shù)、電機(jī)參數(shù)、保護(hù)參數(shù)。

4.4 PG卡的更換

需核對(duì)接線端子是否正常。如果換卡后，電機(jī)啟動(dòng)有振動(dòng)，不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)要將A、B相對(duì)調(diào)。

4.5 G5或G7 系列通訊板的更換

只需核對(duì)變頻器硬件站號(hào)設(shè)置的撥碼開關(guān)，檢查指示燈是否正常。

676HA5系列變頻器通訊板CP916A是獨(dú)一CPU，更換后，需上傳配置程序。

5 變頻器的保養(yǎng)與檢查

5.1 日常檢查

在系統(tǒng)正常動(dòng)作的狀態(tài)下,要對(duì)以下幾種情況進(jìn)行檢查:

(1) 電機(jī)有否異常聲音及振動(dòng)。

(2) 有否異常發(fā)熱。

(3) 周圍溫度是否過高,如果環(huán)境溫度高，應(yīng)改善柜內(nèi)通風(fēng)情況，有條件的話，可安裝空調(diào)進(jìn)行降溫。

(4) 輸出電流監(jiān)視表示是否與通常值相差很大。

(5) 變頻器下部安裝的冷卻風(fēng)扇是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，若有異常聲音或抖動(dòng)，就要拆下檢修或更換。

5.2 定期檢查

檢查時(shí),一定要先切斷電源并待表面的LED指示燈全部熄滅后，經(jīng)過3min后才可進(jìn)行檢查。倘若在切斷電源后馬上觸摸接線端子，會(huì)有觸電的危險(xiǎn)。

(1) 檢查并緊固安裝在外部的接線端子、連接插件是否松動(dòng)，若有松動(dòng)，則要擰緊或重裝。

(2) 檢查散熱片上有否堆積垃圾或灰塵，若有，則要用電吹風(fēng)吹掉，最好不要用壓縮空氣，因?yàn)閴嚎s空氣一般含有水氣。

(3) 檢查印刷基板、功率元件是否有導(dǎo)電塵?；蛴湍佄?，若有，就用電吹風(fēng)吹掉。

(4) 檢查三相輸出電流是否平衡，如果不平衡,可試著對(duì)調(diào)其中的兩相，如果還是不平衡，需檢查變頻器內(nèi)部電路。

(5) 檢查輸出電壓是否正常。

5.3 定期清潔

定期清理內(nèi)部灰塵，以保證熱風(fēng)道通暢。變頻器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，一般靠自身的風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻?？諝馔ㄟ^散熱通道時(shí)，空氣中的塵埃容易附著或堆積在變頻器內(nèi)部的電子元件上，從而影響散熱。當(dāng)溫度超過允許工作點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成跳閘，嚴(yán)重時(shí)會(huì)縮短變頻器的壽命。在變頻器內(nèi)的電子元件與風(fēng)道無隔離的情況下，由塵埃引起的故障更為普遍。因此，變頻器的防塵問題尤其值得注意，除塵可采用電動(dòng)除塵器。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前的變頻器可靠性很好，具有許多保護(hù)功能，變頻器本身很少發(fā)生破壞性故障。但是，在變頻器的使用過程中會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)、使用不當(dāng)或負(fù)載的突然變化等原因出現(xiàn)系統(tǒng)故障而使變頻器報(bào)警和停止工作。只要使用方法正確，并不間斷地定期檢查、維護(hù)，不但可避免許多繁瑣的人工操作，減少不安全隱患因素，還能使系統(tǒng)始終處在節(jié)能狀態(tài)下安全、可靠地運(yùn)行，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少機(jī)械故障停機(jī)時(shí)間，更好地適應(yīng)生產(chǎn)需求。

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