交流伺服系統(tǒng)電源變壓器故障分析及處理

孫克虎，謝 俊

（青島4308 機(jī)械廠(chǎng)，山東 青島 266000）

0 引 言

電源變壓器是交流伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其能夠通過(guò)繞組變化調(diào)整輸出電壓，從而達(dá)到變壓的目的[1]。基于交流伺服系統(tǒng)的工作原理，電源變壓器的故障率相對(duì)偏高，嚴(yán)重影響交流伺服系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，因此掌握交流伺服系統(tǒng)電源變壓器常見(jiàn)故障分析與處理方法尤為重要。

1 交流伺服系統(tǒng)電源變壓器概述

與傳統(tǒng)變壓器相比，交流伺服系統(tǒng)電源變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的電壓調(diào)節(jié)，具備電流變換、阻抗適配及隔離等功能，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)[2]。交流伺服系統(tǒng)電源變壓器主要由電源、整流模塊、濾波器、制動(dòng)電阻及逆變單元組成，能夠自動(dòng)完成缺相檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的精準(zhǔn)控制。交流伺服系統(tǒng)電源變壓器的原理如圖1 所示。

圖1 交流伺服系統(tǒng)電源變壓器原理

該電源變壓器為三相交流輸入，接入電壓為380 V、220 V。在實(shí)際使用過(guò)程中，部分電源變壓器為220 V單項(xiàng)接入。為避免高次諧波影響電源變壓器的工作質(zhì)量，采用“Y”型電容并聯(lián)，顯著提升電源變壓器的抗干擾能力。然而交流伺服系統(tǒng)電源變壓器也存在一定的局限性，在長(zhǎng)期工作過(guò)程中發(fā)生故障的概率明顯高于傳統(tǒng)變壓器。

2 交流伺服系統(tǒng)電源變壓器故障分析及處理

在實(shí)際使用過(guò)程中，交流伺服系統(tǒng)需要頻繁動(dòng)作，對(duì)可靠性要求較高，導(dǎo)致交流伺服系統(tǒng)電源變壓器的故障率相對(duì)較高。在實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)交流伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)和電源變壓器相關(guān)參數(shù)的變化情況，對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)判，從而及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，避免突發(fā)故障對(duì)系統(tǒng)造成影響。

2.1 電源變壓器高溫報(bào)警

在實(shí)際使用過(guò)程中，交流伺服系統(tǒng)電源變壓器出現(xiàn)溫度異常的情況較為普遍，甚至?xí)|發(fā)高溫報(bào)警系統(tǒng)，導(dǎo)致交流伺服系統(tǒng)進(jìn)入自保護(hù)狀態(tài)。針對(duì)這一情況，需要分析電源變壓器溫度變化曲線(xiàn)。若溫度升高速度較慢，多是由散熱不良導(dǎo)致；若電源變壓器短時(shí)間內(nèi)溫度劇烈變化，多是內(nèi)部短路導(dǎo)致電流異常增大，較為危險(xiǎn)。電源變壓器濾波單元設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 電源變壓器濾波單元設(shè)計(jì)

根據(jù)電源變壓器的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部短路將導(dǎo)致母線(xiàn)電壓降低，此時(shí)電源變壓模塊驅(qū)動(dòng)器電壓將無(wú)法響應(yīng)控制信號(hào)。該故障多由濾波器擊穿導(dǎo)致，但該濾波器可以平滑處理三相全橋整流電路輸出的波動(dòng)直流電，從而得到相對(duì)純凈的直流電[3]。為避免輸入電壓過(guò)高破壞逆變模塊、伺服電機(jī)等，電容濾波器的額定直流電壓多為500 ～800 V。當(dāng)電容濾波器兩端電壓降超過(guò)額定直流電壓時(shí)，電容濾波器將被擊穿導(dǎo)致短路，同時(shí)短路電流增大，從而導(dǎo)致電源變壓器內(nèi)部溫度快速升高。

濾波電容擊穿是一個(gè)線(xiàn)性過(guò)程，從實(shí)際使用的角度來(lái)看，該故障可以采用以下2 種方式進(jìn)行預(yù)防。第一，在濾波器電容兩側(cè)增加高壓報(bào)警裝置，當(dāng)電壓高于閾值時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行預(yù)警。第二，濾波單元設(shè)置熔斷器件，在濾波電容被擊穿的瞬間，熔斷器件能夠立即響應(yīng)。在發(fā)生熔斷后，需要及時(shí)切斷電源，并上報(bào)輸入電壓異常，以避免變壓器遭受更加嚴(yán)重的損壞。

2.2 電源變壓器過(guò)電壓故障

在交流伺服系統(tǒng)工作過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)習(xí)伺服電機(jī)突然掉電的情況，且掉電時(shí)間相對(duì)較短，多為無(wú)規(guī)律的頻發(fā)現(xiàn)象。若該現(xiàn)象不能及時(shí)處理，則會(huì)導(dǎo)致交流伺服系統(tǒng)電源主控電板故障，甚至損壞電源。在電源變壓器驅(qū)動(dòng)模塊反復(fù)啟動(dòng)的情況下，將會(huì)損壞軟啟動(dòng)電路。對(duì)一些帶有信號(hào)指示的交流伺服系統(tǒng)，主電路欠壓時(shí)，伺服ON 信號(hào)將提前打開(kāi)。在此狀態(tài)下，使用萬(wàn)用表檢測(cè)主電源變壓器輸入電壓，發(fā)現(xiàn)電壓明顯偏低。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，需要區(qū)分主電路欠壓故障是出現(xiàn)在接通電源后，還是出現(xiàn)在伺服電機(jī)工作過(guò)程中。如果是出現(xiàn)在接通電源后，則意味著交流伺服系統(tǒng)電源主控電路板出現(xiàn)故障，或者整流器損壞。針對(duì)該故障的主要處理方法是更換交流伺服系統(tǒng)電源驅(qū)動(dòng)板。當(dāng)故障出現(xiàn)在伺服電機(jī)工作過(guò)程中，則意味著負(fù)載阻值增加，電源容量無(wú)法滿(mǎn)足高負(fù)載的需求。尤其是在交流伺服系統(tǒng)溫度持續(xù)升高的情況下，電源變壓器過(guò)電壓故障現(xiàn)象更加頻繁。此時(shí)，維修人員需要檢查系統(tǒng)，并關(guān)注伺服電機(jī)是否存在卡滯等問(wèn)題。

電源變壓器過(guò)電壓故障造成的影響較為嚴(yán)重，為降低這一風(fēng)險(xiǎn)，可以在整流電路之前或伺服電機(jī)輸入端并聯(lián)壓敏電阻，如圖3 所示。

圖3 電源變壓器過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)

基于壓敏電阻的特殊性，可將其視作開(kāi)關(guān)。當(dāng)電壓低于壓敏電阻閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)為打開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)壓敏電阻兩段電壓過(guò)高時(shí)，開(kāi)關(guān)為閉合狀態(tài)。與熔斷機(jī)制相比，壓敏電阻這一解決方案適用于輸入電壓波動(dòng)較大或偶發(fā)過(guò)電壓的情況，若過(guò)電壓狀態(tài)持續(xù)存在，則需要在電路中串聯(lián)熔斷電阻。

2.3 電源變壓器IGBT 模塊異常

交流伺服系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)，而絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出質(zhì)量，直接關(guān)系到伺服電機(jī)的工作狀態(tài)。IGBT 模塊不僅具有傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）高輸入阻抗優(yōu)勢(shì)，還具有電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導(dǎo)通壓降等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電源變壓器設(shè)計(jì)。

IGBT 模塊常見(jiàn)的故障還包括過(guò)電流、逆變故障以及靜電破壞等。當(dāng)經(jīng)過(guò)IGBT模塊的電流超過(guò)閾值時(shí)，將影響其工作狀態(tài)。為控制IGBT 模塊的電流，技術(shù)人員需要在IGBT 模塊中串聯(lián)限流器件。但是，IGBT模塊的電壓波動(dòng)范圍同樣存在晶體管擊穿風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)電壓平滑電路設(shè)計(jì)來(lái)避免。

逆變故障指交流伺服系統(tǒng)電源變壓器反饋回路異常，導(dǎo)致反向電流增加，是影響IGBT 模塊輸出的重要因素之一。IGBT 模塊的N 溝道在負(fù)偏壓狀態(tài)下將會(huì)被禁止，使N 基區(qū)內(nèi)空穴數(shù)量持續(xù)減少。因此，N 溝道內(nèi)電子密度會(huì)隨之下降，電子流逐漸減小，但N 溝道是否完全關(guān)閉最終取決于負(fù)偏壓的持續(xù)時(shí)間與變化趨勢(shì)。電源變壓器回路異常導(dǎo)致的反向電流增加與交流伺服系統(tǒng)自身所形成的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有關(guān)，即電磁干擾導(dǎo)致的反向電動(dòng)勢(shì)。針對(duì)電磁感應(yīng)導(dǎo)致的干擾問(wèn)題，應(yīng)采取合理的抗干擾措施。一方面，濾波電容與IGBT 模塊連接時(shí)采用雙層鍍錫銅板疊加技術(shù)，并在輸入、輸出母線(xiàn)和其他輸入、輸出端子間將銅端子改為寬幅銅條，從而提高系統(tǒng)兼容性。另一方面，為避免IGBT 模塊與交流伺服系統(tǒng)電源變壓器共地導(dǎo)致感應(yīng)電壓，需要將IGBT 模塊獨(dú)立接地，消除回路噪聲。

靜電破壞是由于大量積累的靜電電荷集中釋放對(duì)IGBT 模塊造成的電流沖擊。尤其是在相對(duì)干燥的地區(qū)，交流伺服系統(tǒng)電源變壓器IGBT 模塊出現(xiàn)靜電破壞的概率明顯增大。在維修過(guò)程中，技術(shù)人員需要采取必要的防靜電措施，并及時(shí)清潔IGBT 模塊端子，避免表面過(guò)度氧化而產(chǎn)生電荷積累。

2.4 交流整流模塊故障

整流模塊作為交流伺服系統(tǒng)電源變壓器的重要模塊之一，能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電。根據(jù)整流模塊輸入線(xiàn)路的數(shù)量，可以將其分為單相整流模塊和三相整流模塊。整流模塊可以更好地過(guò)濾交流電產(chǎn)生的雜波，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[4]。同時(shí)，交流整流模塊可以調(diào)整輸出電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的功能，還可以抑制過(guò)電壓。

交流整流模塊的常見(jiàn)故障為短路，主要由電路元器件損壞或過(guò)載運(yùn)行導(dǎo)致。由于整流模塊中含有大量的電子元器件，當(dāng)交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)高壓情況時(shí)，這些電子元器件將會(huì)發(fā)生短路故障[5]。此外，當(dāng)整流模塊輸入電流超出額定范圍時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載運(yùn)行同樣會(huì)造成整流模塊短路，甚至?xí)p壞后置模塊等。

交流整流模塊發(fā)生短路故障后，應(yīng)及時(shí)切斷輸入，并更換整流模塊。若發(fā)現(xiàn)二極管和電容大量損壞，則需要檢測(cè)輸入電壓大小和極性，從而在判定是否存在過(guò)高壓故障，避免輸入極性反接等問(wèn)題。

3 結(jié) 論

作為機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的設(shè)備，交流伺服系統(tǒng)電源變壓器的構(gòu)造復(fù)雜，在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)生故障的概率較高。基于交流伺服電源變壓器的技術(shù)特點(diǎn)，參考相關(guān)維修經(jīng)驗(yàn)，不僅要加強(qiáng)重點(diǎn)故障維修技術(shù)能力建設(shè)，還要完善巡檢制度，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障隱患，保證交流伺服電源變壓器的工作狀態(tài)良好。