S120系列變頻器常見故障分析及其解決方法

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(lǐng)域應(yīng)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(shí)現(xiàn)對電力拖動(dòng)設(shè)備的無級(jí)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(dòng)系統(tǒng),應(yīng)用于高動(dòng)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(dòng)態(tài)性能、可在難度系數(shù)更高場合應(yīng)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(yīng)用。

因使用方法有誤或者某部分參數(shù)設(shè)置與實(shí)際應(yīng)用不匹配,極易產(chǎn)生誤動(dòng)作及故障,或者與預(yù)期的效果相差甚遠(yuǎn)。為了避免上述異常狀態(tài)的發(fā)生,需認(rèn)真對故障原因進(jìn)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(jìn)行詳細(xì)的分析,提出了相應(yīng)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(chǔ)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(dòng)與DC/AC多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩類。單軸驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中整流單元和逆變單元分開,這樣可將多個(gè)逆變單元連接到直流母線上,實(shí)現(xiàn)多軸控制,多個(gè)逆變單元之間也可實(shí)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(jī)模塊、控制單元-CU320、外圍設(shè)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(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)供電。

3 S120系列變頻器的工作原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)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(shí),直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波,此時(shí)使得它的逆變電路將直流電再逆成交流電。它在工作的時(shí)候還主要是對于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說,還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。此時(shí)就可以使得變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的[2]。

交流異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為:

n=60f(1-s)/p

式中:n—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;f—異步電動(dòng)機(jī)的頻率;s—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率;p—異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)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(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)將各種保護(hù)功能考慮在內(nèi),這樣對變頻器本身及其所驅(qū)動(dòng)的設(shè)備將得到有效的保護(hù)。若發(fā)生故障,變頻器將自動(dòng)切斷電路,控制面板將顯示當(dāng)前的故障報(bào)警代碼。變頻器在實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行過程中,會(huì)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(jìn)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(jì)分類,發(fā)現(xiàn)“過電流”是故障發(fā)生頻率較多的。設(shè)備在工作過程中會(huì)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(huì)報(bào)出過流故障代碼。即使操作面板上的運(yùn)行數(shù)據(jù)是正常的,也會(huì)報(bào)出故障代碼。若是出現(xiàn)空載時(shí),依然會(huì)報(bào)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(gè)元器件加電測試無異常。最后檢查驅(qū)動(dòng)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(shí)其供給3個(gè)電流傳感器的±15V電源都在正常范圍內(nèi)。則可進(jìn)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(yùn)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(bào)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(dòng),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(shí)去采取相應(yīng)的保護(hù)措施所導(dǎo)致的。還有可能原因?yàn)闄C(jī)械部位有卡住、逆變模塊損壞、電流檢測電路壞、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過小、加速時(shí)間設(shè)置太短、電流上限設(shè)置太小、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償設(shè)定較高。

此外,在變頻器發(fā)生過電流時(shí),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(yīng)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(shè)交流電抗器,以降低輸出電流突變的強(qiáng)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(dòng)柜控制PMU面板報(bào)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(jìn)行觀察與測量,未發(fā)現(xiàn)有燒損等異?，F(xiàn)象。再檢查運(yùn)算放大電路,發(fā)現(xiàn)其JFET輸入運(yùn)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(yùn)算放大器TL082進(jìn)行更換,重新上電后,未再報(bào)此故障。若排除了集成電路、運(yùn)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(dòng)電阻路與變頻器的直流回路相并聯(lián),在變頻器正常運(yùn)行時(shí)檢測直流母線電壓,以及設(shè)置閾值,通過兩者結(jié)合起來,加強(qiáng)對功率器件的控制,當(dāng)直流母線的電壓超過設(shè)定值時(shí),功率器件會(huì)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(yùn)算放大集成電路,其作用是將小電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大?，F(xiàn)場在用變頻器采用TL082作為運(yùn)算放的集成電路,當(dāng)TL082有故障后一直保持為“1”,該“1”信號(hào)便是產(chǎn)生過壓的信號(hào)。因此變頻器控制單元在接收到過壓的信號(hào)后,傳動(dòng)柜PMU報(bào)過電壓故障。

在日常檢修維護(hù)中,需要對變頻器的電路進(jìn)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(hào)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(yùn)行時(shí),傳動(dòng)柜上的PMU報(bào)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(shí)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(guān)元器件進(jìn)行檢查,也無異常。最后對集成運(yùn)算放大電路TL084進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)輸出電壓異常,立即對集成放大電路進(jìn)行更換,再次上電后顯示正常。通過控制面板啟動(dòng)變頻器,三相輸出電壓平衡,變頻器在運(yùn)行數(shù)十分鐘后,傳動(dòng)柜散發(fā)出焦味,打開柜門看見變頻器本體冒煙,此時(shí)立刻分閘進(jìn)線電源。拆下變頻器防護(hù)板,細(xì)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(dòng)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(gè)管腳燒損,已無法工作。

4.3.2 解決方法

對TL084板進(jìn)行更換,重新上電運(yùn)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(jìn)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(guān),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(hù)電路中的集成放大器TL084燒損及輸出信號(hào)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(shí),運(yùn)行數(shù)十分鐘后出現(xiàn)過熱問題,原因?yàn)橄蘖麟娮柽^熱。而導(dǎo)致其過熱的直接原因是繼電器無法正常動(dòng)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(yùn)行時(shí),傳動(dòng)柜上的PMU報(bào)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(shè)定值(內(nèi)部通信故障)。檢查RS485接口及與其相連接的信號(hào)線,未發(fā)現(xiàn)有問題。同時(shí)再對濾波器進(jìn)行檢查,也未發(fā)現(xiàn)異常。最后對差分總線收發(fā)器SN75176B進(jìn)行檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)其工作不正常,判斷該故障與此收發(fā)器有關(guān)。

4.4.2 解決方法

對差分總線收發(fā)器SN75176B進(jìn)行更換,未再報(bào)通信故障,變頻器運(yùn)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(shí)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(bào)通信故障。

4.5 進(jìn)風(fēng)過熱

4.5.1 故障現(xiàn)象

變頻器通電后未報(bào)故障,但一開機(jī)運(yùn)行就報(bào)F30035或顯示“----”,查詢S120故障代碼手冊,注釋為功率單元進(jìn)風(fēng)過熱。通過認(rèn)真檢查,發(fā)現(xiàn)變頻器冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速異常,將風(fēng)扇電源拔掉依然報(bào)F30035,時(shí)而還會(huì)報(bào)出其他故障。若是先給定運(yùn)行信號(hào),后將風(fēng)扇電源接入則不會(huì)報(bào)F30035或“----”。當(dāng)只接上一個(gè)風(fēng)扇時(shí),風(fēng)扇運(yùn)行正常且三相輸出也正常,接入兩個(gè)風(fēng)扇時(shí),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(hào)的電容后,風(fēng)扇運(yùn)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(fù)載過大;(2)工作環(huán)境溫度過高;(3)散熱片積灰太多;(4)風(fēng)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(bào)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(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時(shí),在閉環(huán)調(diào)節(jié)中,將會(huì)增大轉(zhuǎn)矩輸出使得實(shí)際速度跟隨給定。但是當(dāng)轉(zhuǎn)矩已達(dá)到設(shè)定值時(shí),實(shí)際速度依然低于設(shè)定閾值p2175,且超出了設(shè)置的延時(shí)時(shí)間p2177,便會(huì)產(chǎn)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障F07900。主要檢查現(xiàn)場軋機(jī)、減速機(jī)是否存在機(jī)械故障,如軋機(jī)或減速機(jī)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(bào)F07902為電機(jī)失步故障。變頻器檢測出電機(jī)失步的時(shí)間長于p2178設(shè)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(hào)(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(shí)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(dòng)是否在開環(huán)運(yùn)行(r1750.0)中;檢查轉(zhuǎn)速設(shè)定值仍為零時(shí),驅(qū)動(dòng)是否會(huì)由于負(fù)載而停轉(zhuǎn)。如果出現(xiàn)該情況,可以通過p1610提高電流設(shè)定值或設(shè)置p1750.2=1(無編碼器的矢量控制,直至被動(dòng)負(fù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)顯著降低,應(yīng)再次提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)[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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[5]。盡管其采用先進(jìn)的工藝制造,但在使用中依然會(huì)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(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和分析,在使用中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),摸索出快速解決故障的方法。