交流異步電機變頻調速異常過流故障分析

徐 謀

1 生產工藝簡述

本重卷機組是平整機組的后續機組，主要功能是切邊、剪切頭尾、重卷分卷、帶鋼表面質量檢查。機組主要設備有：入口鋼卷小車、開卷機、入口轉向輥、切頭剪、夾送輥、圓盤剪、廢邊卷取機、分切剪、出口轉向輥、卷取機、出口鋼卷小車等。

機組工藝過程如下：鋼卷由行車吊至入口鋼卷小車，入口鋼卷小車把鋼卷送到開卷機的卷筒上進行開卷，帶頭經入口轉向輥送到切頭剪，剪去不合格部分，帶鋼進入圓盤剪進行切邊。切下來的2條廢邊由廢料導槽送到廢邊卷取機，卷成球狀拋入廢料箱內。切邊的帶鋼由去毛刺輥將帶鋼2邊毛刺去掉后送到靜電涂油機進行涂油處理，然后經出口轉向夾送輥送到卷取機進行卷取。卷取機上的鋼卷由出口卸卷小車取出，放到出口鋼卷鞍座上完成稱重及打捆，再由行車吊運到鋼卷庫包裝。

2 傳動控制方案

傳動系統采用公用直流母線加逆變器供電方案。采用公用DC母線具有以下顯著優點：由于能量均衡可節能，所需饋電電源容量低于電機總裝機容量，整個速度及負載范圍內功率因素cosφ≈1。整流器和逆變器全部采用 SIEMENS公司的SINAMICSS120系列傳動產品。SINAMICS是西門子的全新系列變頻器，適用于各類系統集成和各種工程應用。SINAMICSS系列特別能滿足對動態性能和精度有較高要求的應用，能將復雜的工藝技術功能集成于傳動控制系統中。基于公共直流母線系統的SINAMICSS120 DC/AC多機傳動，其獨特的結構和特殊的性能專為完成最復雜的傳動任務而開發。

3 故障現象描述

本機組是非連續生產機組，每生產完一卷，都要重新上卷、開卷和穿帶至卷取。在穿帶的過程中有時由于帶頭的形狀不是很完美，在向前穿行過程中，會遇到卡阻，造成帶鋼拱起，這時不得不停住和后退，處理一下帶頭再向前穿行，有時可能要反復幾次。對開卷機電機來說就要面臨頻繁啟停的問題。在調試過程中偶爾遇到開卷機在穿帶需要頻繁啟停時報過電流故障現象。本機組配置了PDA數據采集系統，故障現象記錄如圖1所示。圖中曲線記錄內容表述如下：第一次啟動穩定運行了一小段時間，由于生產操作需要停下來，當再次啟動后，速度剛加起來開卷機就報了過電流故障。然后開卷機就自由停車了。和開卷機一起啟停的還有一個小電機，但是當開卷機電機出現過流時小電機沒有任何故障現象。

4 現象分析

圖1 開卷機異常過流故障記錄

首先這種現象不是每次啟停都出現，而且從前一次正常啟動來看，負載轉矩很小，遠遠小于變頻器額定轉矩，機械也沒有卡阻現象。變頻器的輸出側至電機也沒有短路存在。常規處理過電流的方法不能解決。所以這種過電流屬于異常過電流，需要深入分析。通過一段時間比較多次故障曲線發現如下規律，假如2次啟停間隔時間很短（小于5 s），或是很長（大于10 s）都不會出現這種現象，一旦啟停間隔在5～10 s左右就經常出現過流現象，即使不出現過流故障，啟動時實際速度與設定速度之間的跟隨性也不是很好，即也有異常趨勢。經分析發現這個時間段剛好是電機的去磁時間。西門子參數手冊里關于電機去磁時間參數P0347的注釋說明，去磁時間減小過多，可能會導致異步電機去磁化不成功，并在后面的脈沖使能中出現過流。簡單地說就是去磁沒有完成的情況下再次啟動容易導致過電流現象。其次上述現象只出現在大電機上，小電機從來沒有出現過。該機組電機大小差別很大，開卷機和卷取機大于300 kW，而其余的小電機只有幾千瓦或幾十千瓦。電機大勵磁時間長，電機小勵磁時間短。由變頻器中關于電機勵磁和去磁的參數（該參數由電機辨識自動計算得到），得到開卷機和卷取機的勵磁和去磁時間大概為8 s，小電機有的1 s不到。操作工每次因實際需要停止操作至再次啟動電機的時間間隔，取決于實際生產和個人操作熟練程度。所以時間間隔有長有短，當時間間隔大于電機勵磁時間或間隔時間小于電機使能延遲的時間都不會出現上述現象。由于一般啟停的時間間隔都會大于1 s。所以上述現象只出現在大電機上，小電機從來沒有出現過此現象。據此判斷這種異常過電流是由于啟停控制邏輯存在錯誤，導致電機在沒有完全去磁的情況下再次啟動，從而出現過電流故障。

5 解決措施

由于PLC和變頻器中的控制邏輯在先前機組有類似的應用，而且沒有上述故障現象。剛開始沒有懷疑控制邏輯有問題。對比2條機組，先前的那條機組是一條連續機組，而且機組工藝布置和安裝更合理不需要這種頻繁啟停。如果不用頻繁啟停，出現上述故障現象的概率就會大大減小，這種控制邏輯問題就不會暴露出來。

PLC控制變頻器啟停的流程：PLC向變頻器發送控制字，控制變頻器合閘、脈沖使能、設定使能等動作。變頻器則向PLC返回狀態字反映當前狀態（諸如準備好、運行等）。PLC的控制字是根據變頻器的狀態，按照一定順序發送到變頻器。變頻器根據控制字控制自己的啟停。首先變頻器的控制權限要交給PLC，而PLC要以PLC_REQ控制位響應；變頻器以ON_RDY狀態位告之PLC變頻器已經準備好可以合閘了，PLC可以用ON控制位讓變頻器合閘。變頻器合閘表示變頻器已經受電，但仍處于脈沖封鎖狀態，因此變頻器沒有輸出。變頻器以RDY狀態位告之PLC變頻器已經合閘了可以運行了。當PLC收到變頻器發來的RDY狀態位后可以用INV_EN控制位讓變頻器脈沖使能，此時變頻器就有輸出了。經過勵磁延遲時間PLC就可以發CNTR_EN和SET_EN控制位控制變頻器運轉。經深入研究變頻器內部邏輯控制框圖發現，變頻器內部的控制邏輯確實有一部分沒有考慮到去磁時間。修改參數的記錄如表1所示。

表1 修改參數的記錄

經過上述修改后，機組運行穩定，再也沒有出現這種現象。選取停啟時間間隔在5～10 s左右的運行記錄，如圖2所示。圖2中運行間隔為7 s，2次啟動都很正常。證明對故障現象的分析是正確的，解決措施也是有效的。

圖2 處理后的運行圖

6 結語

本文針對開卷機頻繁啟動過程偶爾出現過電流現象進行了深入分析，經研究發現是變頻器內部的控制邏輯存在問題，導致電機在沒有完全去磁的情況下再次啟動從而出現過電流故障。經過修改相關參數，消除了故障點，保證了機組的穩定運行，同時對其他機組也有一定的借鑒意義。

［1］天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，2005