變頻器故障實例分析和處理

尹天平

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司第四鋼軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

交流變頻器調速技術，隨著新型大功率電力電子、集成電路和微機技術的持續發展，已日趨完善和提高，它以調速范圍寬、動態響應快、調速精度高、保護功能完善和操作簡單等優點，已在冶金、石化、電力、家用電器等行業得到廣泛的應用。交流變頻器主要由控制處理器、整流、逆變、制動單元和濾波等組件構成，可實現對電動機轉速和轉矩的控制。

故障排除作為變頻器維護工作的重點，不僅要求專業維護人員必須全面了解其原理、結構和控制方式，而且還要具備豐富的實踐經驗和扎實的電氣理論基礎。通常，變頻器故障可分兩類：一種是由于高溫、粉塵和潮濕環境引起的組件損壞等硬件故障，其處理方法是對變頻器停機解體查找更換損壞件后，恢復系統即可；另一類是由于操作、工況變化或參數設置不當所產生的保護性停機故障，屬于軟故障，其特點為偶發或頻發但故障復位后仍可以啟動或運行，一般根據變頻器說明書上提供的方法進行解決。除此之外，還有一些特殊故障，通過變頻器自我診斷功能仍無法輕易找出故障原因，需要深入分析各種潛在因素，辯證地解決問題。

以下對馬鞍山鋼鐵股份有限公司（以下簡稱馬鋼）煉鋼300 t轉爐本體傾動所用西門子SINAMICS S120變頻器，在實際使用中出現的特殊故障進行研究分析，并介紹處理過程。

1 轉爐傾動結構介紹

馬鋼煉鋼300 t轉爐本體傾動系統主要由4臺710 kW變頻柜、4臺400 kW三相變頻電機、1套四合一減速機、傳動軸和爐體構成。每臺變頻柜驅動電機，將電能轉化為機械能后，再經1套四合一減速機耦合成一傳動軸來帶動爐體360°自由轉動，以滿足裝料、吹煉、出鋼、倒渣和爐體維護等不同工藝對不同轉爐角度的要求。其驅動裝置為西門子最新SINAMICS S120低壓交流變頻器，功率710 kW，采用單機傳動和矢量控制模式，電機制動為外置式抱閘由PLC控制方式，可以很好地實現同步運行。

驅動配置詳見圖1轉爐本體傾動系統示意圖。正常工作時，首先滿足轉爐傾動合閘條件，待傾動選擇開關置于工作位（另一為檢修位）時，進線斷路器自動合閘，同時變頻器上電經預充電后進入等待狀態，操作人員通過操作臺上的搖爐手柄觸發PLC控制程序執行相應指令，再通過DP網絡把控制字和速度給定送至4臺變頻器，通過驅動4臺變頻電機，從而操控轉爐正反轉以及速度變化；當轉爐傾動條件異常時包括設備故障時，系統會立即采取斷開進線斷路器、關閉抱閘，同時封鎖脈沖等急停措施，防止失控造成爐內液態金屬外溢等安全事故的發生。

圖1 轉爐本體傾動系統示意圖

2 轉爐傾動變頻器故障現象描述

2012年投產后，馬鋼轉爐傾動變頻器的進線斷路器偶爾發生跳電現象。檢查變頻器的整流器正常，但逆變器報F7802即整流或驅動單元未準備好故障，經故障復位又可啟動運行。由于變頻器和進線斷路器故障連鎖均可導致斷路器跳電，為查清故障原因，借助PDA信號采集軟件，在同一時間坐標下，跟蹤變頻器和斷路器的故障反饋信號，最終確認進線斷路器的跳電源于變頻器F7802故障。

將歷次故障統計后發現，該故障均發生在變頻器停機期間，詳見圖2轉爐傾動S120變頻器F7802故障 PDA采樣圖，圖中 get torque、get current、get_speed、brake FB、SP_Total、CTW_3 和 STW_3 分別為電機的轉矩、電流、速度、抱閘反饋、斜坡發生器輸出速度設定值的變頻器控制字和狀態字。從圖2變頻器狀態字STW_3中的故障位的上升沿，可輕易地推出該故障發生在標尺位置，同時也是控制字CTW_3中變頻器由接通指令轉停機的時刻；顯然，這與S120變頻器說明書中關于F7802故障的解釋，即“整流單元或者驅動單元在內部接通指令后沒有回饋就緒所引起的故障”相矛盾。為一探究竟，我們還是決定對說明書中關于該故障給出的具體原因進行逐條分析。

一是功率單元監控時間短，查詢變頻器該參數原設置為6 s，將其延長至最大值60 s后，但故障依然會發生；二是直流母線電壓不存在，但實際電壓根據PDA采樣顯示正常；三是驅動組件硬件故障，這顯然與故障復位又可以繼續運行的結果相矛盾；四是輸入電壓設置錯誤，事實該參數為560 V完全符合變頻器技術標準。通過以上對每項故障原因的分析和驗證，可以得出結論，馬鋼300 t轉爐傾動S120變頻器發生的F7802是一種軟故障中的特例，需進一步分析和探討。

圖2 轉爐傳動S120變頻器F7802故障跟蹤趨勢圖

3 故障原因分析和處理過程

3.1 操作和工況原因分析

將最近6次故障采集數據整理得出表1。如果將轉爐傳動角度0～360°轉化為直角坐標系下的四個象限；將0°定義為轉爐垂直位，0°→360°轉動方向為正轉，而轉爐360°→0°視為反轉，那么由表1可以看出故障在四個象限均有分布；無論正反轉操作，還是變頻器接通即運行時間的長短均有故障發生；另外，4臺變頻器均發生了故障，從而可以得出結論，S120變頻器的F7802故障與轉爐的旋轉方向、角度以及操作時間長短無任何關聯，由此可以排除操作和工況變化因素。

其次，為消除接觸不良通訊間斷造成的故障，利用檢修時間停機檢查并緊固接線，尤其對控制單元與整流、逆變和編碼器接口模塊之間的DRIVE-CLiQ連線插頭進行重新連接，同時檢查驅動柜構造和布線，完全符合EMC技術標準。

表1 轉爐傳動變頻器故障運行信息表

3.2 驅動同步性原因分析

馬鋼300 t轉爐本體傾動由4臺而非1臺電機拖動；相對于每次故障僅限于1臺變頻器而非2臺或2臺以上同時發生；那么，該系統的4臺電機的同步性如何，會不會是F7802故障的潛在原因，通過分析，我們確認現場總線通訊傳輸、PLC同一控制電機抱閘以及上位機做轉矩平衡的方式完全可以滿足同步性能的要求，具體分析如下：

首先，4臺變頻器與上位機PLC以現場總線通訊的方式，雖然先天決定了命令源無法做到絕對同步傳輸，但相對于1.5 Mbit/s的總線傳輸速率以及幾十毫秒的PLC掃描周期，4臺變頻器接受PLC命令源的時間偏差可以忽略不計，完全可以滿足技術要求。其次，4臺電機抱閘全部采用PLC的同一位數字量輸出點DO控制的方式，可以保證抱閘開關動作的一致性；還有，通過PLC讀取4臺電機的轉矩實時值在程序中作轉矩平衡運算，同時將計算結果以速度給定的形式給電機進行補償，從而實現電機轉矩同步。

另外，可以從抱閘、速度和電流等參數曲線客觀地衡量該系統的同步性能，詳見圖2傾動4臺電機的電流、速度和抱閘跟蹤。此圖由PDA軟件取樣所得，圖中get current、get speed和brake FB分別為轉爐傾動每臺機電流、速度反饋值以及抱閘反饋信號，其掃描周期為10 ms，電流和速度滿量程信號為16384。從4臺電機跟蹤曲線可清晰地反映出電流、速度和抱閘的同步性很好，完全滿足系統要求，可以排除系統同步性原因引起的故障。

圖3 傾動4臺電機的電流、速度和抱閘跟蹤

3.2 抱閘功能的停機識別原因分析

對照6SE70與S120變頻器的順序控制圖可知，后者除了故障、OFF2等信息外，還存在著與斜坡發生器相關的S5a步引起故障的可能性，詳見圖4西門子S120變頻器順控圖中空心箭頭標示部分。

空心箭頭所指的故障形成過程可簡單描述為，變頻器在停機零速檢測（S120變頻器擴展抱閘的功能）期間，某種條件下，有可能發生故障；這恰好與圖2反映的轉爐傾動S120變頻器停機時所報F7802故障相吻合。顯而易見，上述條件特指Pulse enable HW即脈沖使能信號為“0”時。總之，在停機零速檢測期間，如果發生脈沖使能丟失情況，S120變頻器有可能發生故障，原因如下：

圖4 西門子S120變頻器順序控制

追溯Pulse enable HW信號至圖5西門子S120變頻器抱閘控制邏輯，該信號邏輯結果是變頻器OFF1正常停機期間，電機的轉速實際值低于轉速閾值20 r/min，并且該情況持續超出了監控時間，變頻器會自動判定為停機，該過程稱之為停機識別。因此，當上位機PLC停機命令先于停機識別有效時，變頻器則由運行狀態回到準備運行狀態，屬正常停機過程；否則，變頻器觸發OFF信號出現保護性停機故障。

圖5 西門子S120變頻器抱閘控制邏輯

4 停機識別故障處理過程

掌握S120變頻器抱閘功能的停機識別原理后，根據上位機PLC控制指令中接通斷電延時時間2.4 s、最大速度給定39.673 Hz以及變頻器中斜坡發生器的下降沿時間3 s，理論上推算出所需停機識別的監控時間最小值為：2.4 s-39.673 Hz/50 Hz×3.0 s=0.02 s。

另外，因沒有啟用抱閘控制功能，變頻器中有關抱閘的所有參數均為出廠默認值，由圖5可知停機識別的總監控默認時間等于電機轉速實際值低于轉速閾值的過濾時間（p1228）加上關抱閘延時時間（p1217）為0.1 s，非常接近上述理論最小值，理論上基本滿足要求；但是，考慮到速度跟隨偏差和速度反饋編碼器檢測誤差，實際上停機識別監控時間的出廠默認設定值無法完全滿足目前使用要求。因此，變頻器發生故障的概率還是存在的。

按照上述理論計算的結果，將電機轉速實際值低于轉速閾值的過濾時間P1228參數修改為1.5 s后，從而解決了馬鋼轉爐傾動SINAMICS S120變頻器所發生的F7802故障。

5 結論

300 t轉爐傾動S120變頻器發生F7802特殊故障后，經全面分析和研究，最終確認故障原因，并于2013年5月優化參數后運行至今，實現了平穩無故障運行，保證了煉鋼轉爐高效安全生產。

西門子6SE70與S120變頻器 在抱閘控制上有本質上的區別，前者可以不用抱閘控制功能，而且不對變頻器造成影響；但是，SINAMICS S120變頻器卻截然相反，即使不啟用抱閘控制功能，該部分參數仍然會參與順控控制。因此，調試和維護變頻器工作中要注意區別和選定。

另外，為研究SINAMICS S120停機識別與F7802故障的必然性，將S120變頻器的負載由轉爐類改為氧槍勢能性負載，在停機識別先于操作停機指令有效的條件下，變頻器會發生電機轉速過快F7901故障。因此，SINAMICS S120停機識別有效時會引起何種故障，因驅動負載類型的不同而變化，并非一定會發生F7802故障；所以，解決變頻器故障遇阻時，可將抱閘功能的停機識別納入考慮范疇。