西門子S120系列變頻器的調(diào)試研究

摘要：西門子公司的主流變頻器為西門子S120系列變頻器，其被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。此變頻器的動(dòng)態(tài)特性良好、運(yùn)行穩(wěn)定。為了使處理故障問題時(shí)有相應(yīng)的參考根據(jù)，要求對(duì)西門子S120系列變頻器進(jìn)行研究。因此，對(duì)西門子S120系列變頻器構(gòu)成進(jìn)行研究，并且針對(duì)存在的故障分析，提出西門子S120系列變頻器調(diào)試對(duì)策。

關(guān)鍵詞：西門子變頻器；故障問題；調(diào)試

中圖分類號(hào)：TN77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在現(xiàn)代信息技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，電力電子技術(shù)逐漸與智能科技設(shè)備相結(jié)合，促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。變頻調(diào)速技術(shù)推動(dòng)了電氣傳動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展，并且在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。西門子S120系列變頻器（簡(jiǎn)稱“S120變頻器”）為西門子公司的主要變頻裝置，在實(shí)際應(yīng)用過程中具有較多的優(yōu)點(diǎn)，如系統(tǒng)性能穩(wěn)定、采用良好矢量控制技術(shù)等，因此，市場(chǎng)占有率較高，發(fā)展前景良好[1]。

1 西門子S120變頻器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 西門子S120變頻器的結(jié)構(gòu)

西門子S120變頻器主要針對(duì)直流電和交流電的變換，調(diào)節(jié)電路脈沖，控制電路主要由逆變電路、直流中間電路和整流電路構(gòu)成，圖1為西門子S120變頻器的結(jié)構(gòu)。

西門子S120變頻器的硬件結(jié)構(gòu)中，要求區(qū)分電源和具體控制單位，電機(jī)和電源為主要構(gòu)成模塊，還包括制動(dòng)單元和控制單元。

1.2 西門子S120變頻器的工作原理

在變頻器工作過程中，主要是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^改變變頻器的電壓和頻率，對(duì)電機(jī)內(nèi)部特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果電流較小，對(duì)變頻器的運(yùn)行造成了影響，就要重新啟動(dòng)變頻器。圖2為西門子S120變頻器的工作原理。

變頻器內(nèi)部異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

n=60f（1-s）/p。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中，n為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f為異步電動(dòng)機(jī)頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由式（1）可知，f與n成正比，在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中會(huì)改變電動(dòng)機(jī)頻率參數(shù)，以充分發(fā)揮變頻器的效能[2]。

2 西門子S120變頻器的故障和排除

2.1 電路故障

通常情況下，直流回路故障會(huì)使直流開關(guān)電源電路損壞。開關(guān)電源板、功率轉(zhuǎn)換器和主控制電路板共同構(gòu)成變頻器控制電路，如果該電路出現(xiàn)損壞，就會(huì)引發(fā)變頻器故障。另外，雷電會(huì)對(duì)變頻器功能造成影響，提高變頻器中的電壓，導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)故障。針對(duì)此問題，維修人員可以在等待一定時(shí)間后再接通變頻器電源，以重啟變頻器，這是因?yàn)槔纂娭皇且凰查g作用，所以導(dǎo)致變頻器受到雷電影響的時(shí)間極短。同時(shí)，變頻器的慣性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致過壓故障。針對(duì)此情況，維修人員可以增加變頻器減速時(shí)間的參數(shù)，以處理過壓故障。

2.2 冷卻直流風(fēng)扇故障

冷卻系統(tǒng)包括冷卻風(fēng)扇和散熱片，其中，冷卻風(fēng)扇無法長(zhǎng)時(shí)間使用，如果使用年限過長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇振動(dòng)劇烈，并且存在噪聲。因此，工作人員需重視冷卻風(fēng)扇的使用，在到達(dá)極限時(shí)間之前及時(shí)更換。為了延長(zhǎng)冷卻風(fēng)扇壽命，工作人員可以在變頻器運(yùn)行時(shí)靈活調(diào)整冷卻風(fēng)扇的工作狀態(tài)。

2.3 大容量濾波電容故障

當(dāng)變頻器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，會(huì)增加變頻器出現(xiàn)故障的概率。變頻器內(nèi)的濾波電容使用2～5年后需要及時(shí)更換，避免出現(xiàn)故障。因?yàn)殡娙輷舸┧鶎?dǎo)致的漏液或鼓起現(xiàn)象，會(huì)引發(fā)電容器的故障。

當(dāng)出現(xiàn)過電壓時(shí)，如果電路存在元件故障，會(huì)導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)高電壓輸出的情況，所以要求對(duì)變頻裝置的電壓故障進(jìn)行及時(shí)分析。在檢測(cè)電壓?jiǎn)栴}的過程中，要對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行逐一檢查。放大電路指的是放大電路規(guī)定比例增加后，分析電壓取樣情況，包括運(yùn)放集成電路。電壓故障主要是由電路故障引起的，S120變頻器的過電壓故障信號(hào)為高電平，而且會(huì)顯示在控制面板中。通過及時(shí)更換運(yùn)放集成電路，可以解決以上問題，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行[3]。

2.4 控制器操作面板故障

如果沒有及時(shí)對(duì)操作面板中顯示的問題做出反應(yīng)，就會(huì)導(dǎo)致控制面板出現(xiàn)故障。此外，操作面板連接主機(jī)出現(xiàn)短路或者接口松弛等問題，也會(huì)導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)故障。變頻器中的機(jī)器零件也會(huì)導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)短路等問題，因此，維修人員在處理過程中要對(duì)變頻器電路情況進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。如果出現(xiàn)短路問題，有可能是因?yàn)楣β誓K故障，所以需要對(duì)修復(fù)功率模塊進(jìn)行整定，再更換驅(qū)動(dòng)電路。

2.5 通信失聯(lián)

當(dāng)變頻器內(nèi)部中心面板中顯示通信失聯(lián)時(shí)，操作人員可以檢測(cè)變頻器中的信號(hào)傳輸裝置。調(diào)查結(jié)果顯示，芯片75156B是導(dǎo)致通信失聯(lián)的主要原因。在通信設(shè)施連接信號(hào)的過程中，變頻器內(nèi)部芯片較為重要。芯片長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生磨損，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)施老化，限制芯片發(fā)揮作用，從而使變頻器出現(xiàn)信號(hào)無法精準(zhǔn)傳導(dǎo)或者通信失聯(lián)等問題。通過及時(shí)調(diào)換故障的芯片，可以維持變頻器的正常運(yùn)行，并且避免通信失聯(lián)等問題[4]。

3 西門子S120變頻器的調(diào)試

3.1 設(shè)置裝置參數(shù)

利用實(shí)際向?qū)гO(shè)置變頻器參數(shù)，在控制器中下載項(xiàng)目，這些參數(shù)包括：①裝置負(fù)載類型表示為P205；②變頻的控制、供電電壓分別表示為P1300、P210；③電機(jī)額定電壓、電流、功率分別表示為P304、P305、P307；④電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和頻率分別表示為P311、P310。

3.2 啟動(dòng)方式

變頻器輸出在轉(zhuǎn)變?yōu)閱?dòng)變頻交流電壓時(shí)，根據(jù)加速曲線能夠提高輸出頻率與電壓。此時(shí)，降低變頻器的啟動(dòng)頻率，需要避免出現(xiàn)啟動(dòng)沖擊或者過流等問題。利用變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)通脈沖直流的功能，使得電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，再以啟動(dòng)頻率直接啟動(dòng)。在負(fù)載的初始狀態(tài)下，此種方式能夠?qū)⒆冾l器應(yīng)用于各種不確定的場(chǎng)所中。例如，如果風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉不穩(wěn)定，則需要先直流制動(dòng)后再啟動(dòng)。此外，還要連接光纜，利用屏蔽雙絞線電纜和變頻器連接端子，從而實(shí)現(xiàn)通信。

3.3 停車過程

自由停車：在變頻器接收停止指令之后，輸出停止。如果變頻器故障，則采用自由停車。

減速停車：在變頻器中發(fā)送停止命令，根據(jù)減速曲線和減速停車的時(shí)間能夠降低輸出頻率，然后停機(jī)。在此種停車方式中，如果直流母線存在高電壓，則可以自動(dòng)開啟能耗制動(dòng)。通過設(shè)置制動(dòng)單元，從而降低減速產(chǎn)生過電壓故障的概率。

減速結(jié)合直流制動(dòng)停車：將運(yùn)行停止命令發(fā)送到變頻器中，要求按照減速時(shí)間降低輸出頻率，根據(jù)設(shè)置的頻率進(jìn)行直流制動(dòng)，以避免電機(jī)出現(xiàn)問題。該停車方式能夠應(yīng)用于大慣量負(fù)載或者有定位需求的場(chǎng)合中。

將停車過程完成之后，需實(shí)現(xiàn)電機(jī)和變頻器的優(yōu)化，具體措施如下：①實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的脫離負(fù)載；②對(duì)控制方式進(jìn)行選擇，一般使用矢量控制；③實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)優(yōu)化。

確認(rèn)負(fù)載脫開后對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化并且啟動(dòng)，優(yōu)化控制面板后執(zhí)行P1910程序，從而驅(qū)使變動(dòng)器運(yùn)動(dòng)。在設(shè)置輸出電壓后，輸出電流電機(jī)后轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。

3.4 調(diào)速設(shè)置

在給定速度改變時(shí)，變頻器轉(zhuǎn)速也會(huì)改變，變頻器內(nèi)部需要采用比例積分（proportional integral，PI）調(diào)節(jié)的方式，實(shí)現(xiàn)兩者平衡。一般來說，電機(jī)的轉(zhuǎn)速包括設(shè)定的頻率和轉(zhuǎn)速。在調(diào)速時(shí)，要避免扭矩超過設(shè)定值，使負(fù)載能夠正常運(yùn)行。因此，可以將轉(zhuǎn)矩限幅和速度限幅設(shè)置到變頻器中。因?yàn)檗D(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速具有方向性，一般正反向的最大速度設(shè)置為100%。在調(diào)速時(shí)，可以根據(jù)矢量控制或者V/F按鍵（保證輸出電壓與頻率成正比的按鍵）實(shí)現(xiàn)。

為了避免變頻裝置出現(xiàn)啟動(dòng)沖擊或者過流，要求將啟動(dòng)頻率設(shè)置在合理的范圍內(nèi)。此外，負(fù)載變化和給定速度會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)速造成影響，需要根據(jù)矢量調(diào)整速度，合理設(shè)置轉(zhuǎn)矩。通常情況下，正向和反向都規(guī)定最大的速度。在結(jié)束停車程序時(shí)，要求合理優(yōu)化系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)，滿足條件為電機(jī)冷態(tài)、抱閘閉合、負(fù)載脫開等。優(yōu)化參數(shù)包括電機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、靜態(tài)分析辨識(shí)和變頻器精準(zhǔn)計(jì)算，在靜態(tài)分析辨識(shí)過程中，避免軸端轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)有效調(diào)試工作[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

西門子S120變頻器屬于強(qiáng)弱電為一體的設(shè)備，在各領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。在變頻器運(yùn)行時(shí)會(huì)存在多種故障，對(duì)生產(chǎn)過程造成嚴(yán)重影響。因此，要求針對(duì)變頻器故障進(jìn)行處理和有效調(diào)試，充分發(fā)揮變頻器的功能。西門子S120變頻器在應(yīng)用過程中的效果良好，未來還需要考慮變頻器可能出現(xiàn)的問題和解決對(duì)策，充分發(fā)揮其作用，以提高經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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