林賢洪

福建三鋼閩光股份有限公司棒材廠 福建三明 365000

1 概述

近年來,隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,變頻調(diào)速也發(fā)生根本性的變革,使得其在工業(yè)領域應用越來越廣泛。目前在冶金、造紙、石油、化工等行業(yè)上采用變頻器實現(xiàn)對電力拖動設備的無級調(diào)速,在眾多品牌系列中,S120系列變頻器使用范圍最廣。S120系列變頻器是一種帶有V/f控制、矢量控制和伺服控制的模塊化傳動系統(tǒng),應用于高動態(tài)性能和高精度要求的環(huán)境[1]。此系列變頻器因其具有高性能的矢量控制技術(shù)、高動態(tài)性能、可在難度系數(shù)更高場合應用等特性,且內(nèi)部功能具有無與倫比的靈活性,在市場上具有廣泛的應用。

因使用方法有誤或者某部分參數(shù)設置與實際應用不匹配,極易產(chǎn)生誤動作及故障,或者與預期的效果相差甚遠。為了避免上述異常狀態(tài)的發(fā)生,需認真對故障原因進行深入的分析研究。文中介紹了S120系列變頻器的結(jié)構(gòu)及工作原理,對現(xiàn)場變頻器在使用過程中出現(xiàn)的常見故障問題進行詳細的分析,提出了相應的解決方法。

2 S120系列變頻器的結(jié)構(gòu)及其硬件組成

2.1 S120系列變頻器的結(jié)構(gòu)

S120 系列變頻器是電壓型交直交變頻器,整流單元用于將電網(wǎng)的三相交流電變成直流,直流部分由電容存儲容量;逆變單元用于將直流變?yōu)椴煌l率的三相交流電,如圖1所示。S120系統(tǒng)可分成AC/AC單軸驅(qū)動與DC/AC多軸驅(qū)動系統(tǒng)兩類。單軸驅(qū)動系統(tǒng)是將整流單元和逆變單元集成在一起,適用于單軸的模塊化驅(qū)動系統(tǒng)。多軸驅(qū)動系統(tǒng)中整流單元和逆變單元分開,這樣可將多個逆變單元連接到直流母線上,實現(xiàn)多軸控制,多個逆變單元之間也可實現(xiàn)能量交換。

S120變頻器結(jié)構(gòu)圖

2.2 S120系列變頻器的硬件組成

S120系列變頻器硬件由電源模塊、電機模塊、控制單元-CU320、外圍設備組成。其中控制單元為核心部件,完成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)(或位置轉(zhuǎn)速電流三閉環(huán))控制,與電機模塊通過DRIVE-CLiQ電纜連接,并傳遞控制信息和狀態(tài)信息。電機模塊通過PWM脈寬調(diào)制方式將直流母線電壓變?yōu)轭l率大小可調(diào)的交流電,為電動機供電。

3 S120系列變頻器的工作原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。控制電路完成對主電路的控制,而且它的整流電路將交流電變換成直流電,S120變頻器在工作時,直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波,此時使得它的逆變電路將直流電再逆成交流電。它在工作的時候還主要是對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說,還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應的電路。此時就可以使得變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的[2]。

交流異步電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式為:

n=60f(1-s)/p

式中:n—異步電動機的轉(zhuǎn)速;f—異步電動機的頻率;s—異步電動機的轉(zhuǎn)差率;p—異步電動機的極對數(shù)。

由上式可知,轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比,只需改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速。當頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時,電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的,是一種理想的高效率、高性能的調(diào)試手段[3]。

4 S120系列變頻器常見故障案例分析與解決方法

S120系列變頻器在設計時已經(jīng)將各種保護功能考慮在內(nèi),這樣對變頻器本身及其所驅(qū)動的設備將得到有效的保護。若發(fā)生故障,變頻器將自動切斷電路,控制面板將顯示當前的故障報警代碼。變頻器在實際現(xiàn)場運行過程中,會發(fā)生一些較常見的故障等。以下通過具體案例對故障產(chǎn)生的現(xiàn)象、解決方法及原因進行分析。

4.1 過電流

4.1.1 故障現(xiàn)象

通過對故障類別的統(tǒng)計分類,發(fā)現(xiàn)“過電流”是故障發(fā)生頻率較多的。設備在工作過程中會經(jīng)常出現(xiàn)過電流,主要指變頻器上電后是正常的,但開始工作就會報出過流故障代碼。即使操作面板上的運行數(shù)據(jù)是正常的,也會報出故障代碼。若是出現(xiàn)空載時,依然會報過流故障。

4.1.2 解決方法

首先排查故障是否在主回路中,排除主回路后,對控制回路中的各個元器件加電測試無異常。最后檢查驅(qū)動電路絕緣情況,均正常。初步判斷電流傳感器可能有問題,于是先更換電流互感器,測試后過流故障依舊,因此故障原因不在電流互感器上。同時其供給3個電流傳感器的±15V電源都在正常范圍內(nèi)。則可進一步判斷故障原因的最大可能性出在電流檢測放大處理部分。檢查運算放大電路LM084,發(fā)現(xiàn)輸出回路有問題。隨后更換LM084,重新上電測試,變頻器故障報警消除。

4.1.3 故障原因分析

出現(xiàn)上述的故障,一般原因是變頻器頻繁出現(xiàn)過載或者是電源電壓因某種原因出現(xiàn)較大波動,致使變頻器瞬間輸出脈沖電流,此脈沖電流超過了主控制板最大允許電流,而不能夠及時去采取相應的保護措施所導致的。還有可能原因為機械部位有卡住、逆變模塊損壞、電流檢測電路壞、電動機的轉(zhuǎn)矩過小、加速時間設置太短、電流上限設置太小、轉(zhuǎn)矩補償設定較高。

此外,在變頻器發(fā)生過電流時,若排除已排除硬件方面的原因,可采取通過軟件的方式修改相應的參數(shù),避免再次發(fā)生過流。另外,在變頻器外圍電路中,可在其輸出端增設交流電抗器,以降低輸出電流突變的強度,避免發(fā)生過流故障。對于電抗器的選擇,需選擇與變頻器功率相匹配的電抗器。

4.2 過電壓

4.2.1 故障現(xiàn)象

變頻器通電后,傳動柜控制PMU面板報故障,代碼為F30002,查詢S120故障代碼手冊,注釋為功率單元檢測出了直流母線過電壓。隨后對電壓采集電路中元器件進行觀察與測量,未發(fā)現(xiàn)有燒損等異?，F(xiàn)象。再檢查運算放大電路,發(fā)現(xiàn)其JFET輸入運算放大器TL082的輸出端一直保持高電平,判斷為此放大器有問題。

4.2.2 解決方法

對運算放大器TL082進行更換,重新上電后,未再報此故障。若排除了集成電路、運算放大器等故障,可通過同能量消耗法來處理過電壓故障。同能量消耗法是將制動電阻路與變頻器的直流回路相并聯(lián),在變頻器正常運行時檢測直流母線電壓,以及設置閾值,通過兩者結(jié)合起來,加強對功率器件的控制,當直流母線的電壓超過設定值時,功率器件會開通,將能量輸送到電阻,電阻將此能量全部轉(zhuǎn)化成熱能消耗,最終解決了過電壓故障。

4.2.3 故障原因分析

S120變頻器中的電壓監(jiān)控模塊(VSM),內(nèi)部核心器件是運算放大集成電路,其作用是將小電壓信號進行功率放大?，F(xiàn)場在用變頻器采用TL082作為運算放的集成電路,當TL082有故障后一直保持為“1”,該“1”信號便是產(chǎn)生過壓的信號。因此變頻器控制單元在接收到過壓的信號后,傳動柜PMU報過電壓故障。

在日常檢修維護中,需要對變頻器的電路進行除塵清掃。集成放大電路一般在電壓檢測電路中,放大電路的目的是將取樣信號放大。

4.3 欠電壓

4.3.1 故障現(xiàn)象

變頻器在正常生產(chǎn)運行時,傳動柜上的PMU報F30003故障。查詢S120故障代碼手冊,注釋為直流母線欠壓。測量變頻器的高壓側(cè)直流電壓,數(shù)值在正常范圍內(nèi),同時測量低壓側(cè)直流供電電壓,數(shù)值也是正常的,對電壓采集采樣電路相關元器件進行檢查,也無異常。最后對集成運算放大電路TL084進行檢查,發(fā)現(xiàn)輸出電壓異常,立即對集成放大電路進行更換,再次上電后顯示正常。通過控制面板啟動變頻器,三相輸出電壓平衡,變頻器在運行數(shù)十分鐘后,傳動柜散發(fā)出焦味,打開柜門看見變頻器本體冒煙,此時立刻分閘進線電源。拆下變頻器防護板,細致檢查,發(fā)現(xiàn)限流電阻顏色發(fā)生變化,且有發(fā)熱,初步懷疑為短接在限流電阻的繼電器動作有問題。先排查繼電器,檢查其線圈是否有燒損及觸頭是否有黏死,未發(fā)現(xiàn)有以上問題。繼而檢查繼電器電源電路,查出電路中的TL084板的幾個管腳燒損,已無法工作。

4.3.2 解決方法

對TL084板進行更換,重新上電運行后正常。此外,若已排除晶體管、集成放大電路原因,則需對變頻器的電源板進行深入的分析。發(fā)生欠電壓故障的原因可能與其中一路供電濾波器的電容有關,檢查電容是否存在漏電現(xiàn)象,若有將其更換,問題便解決。

4.3.3 故障原因分析

上述故障是S120變頻器電壓檢測保護電路中的集成放大器TL084燒損及輸出信號異常所引起的。變頻柜有異味,觀察到變頻器限流電路的發(fā)熱量超過正常值時,運行數(shù)十分鐘后出現(xiàn)過熱問題,原因為限流電阻過熱。而導致其過熱的直接原因是繼電器無法正常動作,根本原因是繼電器電源電路出現(xiàn)故障,最終使得變頻器無法正常工作。

4.4 內(nèi)部通信故障

4.4.1 故障現(xiàn)象

變頻器在正常生產(chǎn)運行時,傳動柜上的PMU報F30072故障。查詢S120故障代碼手冊,注釋為不可再向功率單元傳送設定值(內(nèi)部通信故障)。檢查RS485接口及與其相連接的信號線,未發(fā)現(xiàn)有問題。同時再對濾波器進行檢查,也未發(fā)現(xiàn)異常。最后對差分總線收發(fā)器SN75176B進行檢查時,發(fā)現(xiàn)其工作不正常,判斷該故障與此收發(fā)器有關。

4.4.2 解決方法

對差分總線收發(fā)器SN75176B進行更換,未再報通信故障,變頻器運行正常。

4.4.3 故障原因分析

因變頻器內(nèi)差分總線收發(fā)器SN75176B使用較長時間后,元器件出現(xiàn)老化,使得數(shù)據(jù)無法正常傳輸,最終報通信故障。

4.5 進風過熱

4.5.1 故障現(xiàn)象

變頻器通電后未報故障,但一開機運行就報F30035或顯示“----”,查詢S120故障代碼手冊,注釋為功率單元進風過熱。通過認真檢查,發(fā)現(xiàn)變頻器冷卻風扇轉(zhuǎn)速異常,將風扇電源拔掉依然報F30035,時而還會報出其他故障。若是先給定運行信號,后將風扇電源接入則不會報F30035或“----”。當只接上一個風扇時,風扇運行正常且三相輸出也正常,接入兩個風扇時,轉(zhuǎn)速異常。

4.5.2 解決方法

通過檢查電路板,發(fā)現(xiàn)是從穩(wěn)壓電源輸出的供電濾波電容器出現(xiàn)漏電,更換同型號的電容后,風扇運行正常。

4.5.3 故障原因分析

出現(xiàn)上述故障原因一般有如下幾種:(1)負載過大;(2)工作環(huán)境溫度過高;(3)散熱片積灰太多;(4)風扇工作異常;(5)散熱片堵塞等。

4.6 其他故障

4.6.1 堵轉(zhuǎn)故障

變頻器報F07900為堵轉(zhuǎn)故障。堵轉(zhuǎn)監(jiān)控使能參數(shù)p2144啟用后,若電機實際轉(zhuǎn)速低于設定值時,在閉環(huán)調(diào)節(jié)中,將會增大轉(zhuǎn)矩輸出使得實際速度跟隨給定。但是當轉(zhuǎn)矩已達到設定值時,實際速度依然低于設定閾值p2175,且超出了設置的延時時間p2177,便會產(chǎn)生電機堵轉(zhuǎn)故障F07900。主要檢查現(xiàn)場軋機、減速機是否存在機械故障,如軋機或減速機軸承是否燒損及軋制坯料是否異常等。

4.6.2 失步故障

變頻器報F07902為電機失步故障。變頻器檢測出電機失步的時間長于p2178設定的值。

在帶轉(zhuǎn)速編碼器的轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制中,檢查轉(zhuǎn)速信號(斷線、極性、線數(shù)、編碼器芯軸斷裂)。如果失步發(fā)生在觀察者模型范圍內(nèi),并且在額定轉(zhuǎn)速30%以下發(fā)生失步,則可以直接從電流模型切換到磁通控制中(p1401.5=1)。建議啟用時間控制的模型切換功能(p1750.4=1),或者大大提高模型切換極限(p1752>0.35*p031;p1753=5%)。

在不帶轉(zhuǎn)速編碼器的轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制中,檢查驅(qū)動是否在開環(huán)運行(r1750.0)中;檢查轉(zhuǎn)速設定值仍為零時,驅(qū)動是否會由于負載而停轉(zhuǎn)。如果出現(xiàn)該情況,可以通過p1610提高電流設定值或設置p1750.2=1(無編碼器的矢量控制,直至被動負載停止)。檢查電流環(huán)(p1715,p1717)及轉(zhuǎn)速適配控制器(p1764,p1767)。如果動態(tài)響應顯著降低,應再次提高動態(tài)響應[4]。

結(jié)語

S120系列變頻器科技含量高,控制性能優(yōu)越,已在較多領域得到廣泛的應用[5]。盡管其采用先進的工藝制造,但在使用中依然會出現(xiàn)一些常見的故障。若要使用好變頻器,需要對其結(jié)構(gòu)原理進行深入的學習和分析,在使用中不斷總結(jié)經(jīng)驗,摸索出快速解決故障的方法。