西門子S120變頻器的應(yīng)用與排故

陳篤超 李曉龍 董云鵬 季寶偉

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津市 300180）

1 引言

西門子公司主流的變頻器品牌之一就是西門子S120 變頻器，對于其應(yīng)用有著很多的優(yōu)點(diǎn)，因其穩(wěn)定的系統(tǒng)性能以及高性能的矢量控制技術(shù)和優(yōu)秀的市場動態(tài)特性，使得西門子S120 變頻器在國內(nèi)市場中占有較大的份額，應(yīng)用范圍十分廣泛，發(fā)展前景良好。通過對西門子S120 系列進(jìn)行理論研究以及實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的研究，了解判斷并分析變頻器在實(shí)際生產(chǎn)生活中常見的故障問題以及制定一個對出現(xiàn)常見的故障的針對性解決方案，使變頻器擁有較好的發(fā)展前景以及較高的應(yīng)用效率。

2 西門子S120介紹

西門子Sinamics S120 作為主要針對多機(jī)傳動這一細(xì)分市場而研制的一款高性能全新變頻器，是新一代傳動的巨大進(jìn)步，應(yīng)用了更多的革新技術(shù)，基于了最新的傳動理念，擁有更好的性能，更安靜的運(yùn)行，更環(huán)保的理念，更小的體積。

西門子 S120 系列變頻器的硬件配置組成較多，是直流中間電路、逆變電路和整流電路等組成主要為正弦脈沖寬度調(diào)節(jié)器的變頻器，在造紙、提升、印刷、機(jī)床等設(shè)備以及試驗(yàn)臺中均有良好的應(yīng)用。其硬件配置包括外部編碼器，數(shù)據(jù)儲存器電機(jī)模塊及制動單元等，外部編碼器針對CPU 變量提供廣泛的跟蹤功能，可以對閉環(huán)系統(tǒng)和驅(qū)動器進(jìn)行優(yōu)化以及調(diào)試，使系統(tǒng)的實(shí)時診斷和定時故障檢測得以實(shí)現(xiàn)。作為操控器進(jìn)程操作的重要接口信號模塊裝置較為簡潔，不同模擬與數(shù)字量結(jié)合不同命令提出輸入以及輸出要求，擁有簡略參數(shù)設(shè)置和高拼裝密度等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)/程序儲存器挑選合適CPU 加以應(yīng)用則是取決于集成作業(yè)儲存區(qū)的巨細(xì)。

西門子 S120 系列變頻器能通過相對比較小的啟動電流獲得大的啟動轉(zhuǎn)矩，在運(yùn)行作業(yè)過程中將單相以及三相的交流電轉(zhuǎn)變成直流電再轉(zhuǎn)變成單相以及三相的交流電，為保證電機(jī)的運(yùn)行曲線保持平行下移，改變輸出的電壓以及頻率以改變電機(jī)運(yùn)行曲線轉(zhuǎn)速。在同步轉(zhuǎn)速中電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍比較寬泛的交流異步電機(jī)可以改變電動機(jī)電源頻率從而實(shí)現(xiàn)控制的作用。

西門子SINAMICS S120 分為DC/AC 與AC/AC 兩種類型，集矢量控制與伺服控制于一身。西門子 SINAMICS S120 適合復(fù)雜協(xié)同傳動以及高精度控制、高動態(tài)響應(yīng)等場合，其中AC/AC 單軸驅(qū)動在控制普通三相異步電動機(jī)的基礎(chǔ)上，還可以控制同步以及異步伺服機(jī)，直線電機(jī)、扭矩電機(jī)等，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高性能的伺服控制功能，包括通常的V/F、矢量控制，是集整流和逆變于一體的新型驅(qū)動器，擁有實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸的絕對、相對定位的強(qiáng)大功能。AC/AC 單軸驅(qū)動器，整流部分和逆變部分是一個整體結(jié)構(gòu)而DC/AC 多軸驅(qū)動器其整流部分與逆變部分都是獨(dú)立的模塊，AC/AC 單軸驅(qū)動器功率范圍從0.12kW 到250kW，一個控制單元控制一個軸，DC/AC 多軸驅(qū)動器功率范圍從0.9kW 到1200kW 可以同時控制一個整流和6 個伺服軸或4 個矢量軸。

西門子S120 驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用了與西門子下代PLC開發(fā)的PROFINET 通訊協(xié)議相對應(yīng)的DRIVE-CLIQ 通訊協(xié)議，DRIVE-CLIQ 總線傳輸速率快，抗干擾能力強(qiáng)在硬件上接口都是我們熟悉的網(wǎng)線RJ45，通訊速度和穩(wěn)定性都提高很多。無論是了解整個驅(qū)動系統(tǒng)的各個細(xì)節(jié)還是驅(qū)動控制框圖我們都離不開STARTER軟件，它為我們對于驅(qū)動故障的排查進(jìn)行了簡化。如今，越來越多的精準(zhǔn)傳動的場所如工廠企業(yè)之類都選擇使用西門子 S120 變頻器，皆因其更具人性化操作，更加簡單與方便快捷，作為西門子公司全新的一代變頻器，優(yōu)勢明顯。

3 西門子S120變頻裝置的調(diào)試應(yīng)用

西門子S120 變頻裝置的調(diào)試分為傳動系統(tǒng)檢查、搭建傳動系統(tǒng)、生成傳動系統(tǒng)配置項(xiàng)目、設(shè)置裝置相關(guān)參數(shù)、啟動方式、調(diào)速設(shè)置、電機(jī)參數(shù)優(yōu)化幾個過程。前期準(zhǔn)備為系統(tǒng)檢查、搭建傳動系統(tǒng)、生成傳動系統(tǒng)配置項(xiàng)目。只有具有 S120 變頻裝置的組件，組件固件版本信息存儲在CF 卡中，變頻器才能進(jìn)行調(diào)試其中傳動系統(tǒng)檢查分為裝置外觀檢査以及動力電纜和電機(jī)的絕緣檢査，需要確定系統(tǒng)設(shè)備和圖紙配置一致，確定連線與接地正確無誤。

檢查無誤之后進(jìn)行搭建，Drive-Cliq 網(wǎng)絡(luò)是連接各個組件與內(nèi)部控制的網(wǎng)絡(luò)需要滿足所對應(yīng)的配置規(guī)則。按照設(shè)計(jì)思路通過Drive-Cliq 網(wǎng)絡(luò)將輸入輸出接口部分、功率部分、編碼器接口部分與控制器連接起來。

完成以上工作后，便可生成傳動系統(tǒng)配置項(xiàng)目。各個系統(tǒng)組件的固件版本信息存儲在CF 卡中，由控制器進(jìn)行掃描與升級，掃描與升級過程中不可以斷開電源，升級成功之后才可以正常運(yùn)行，大約需要一分鐘左右，升級成功之后，需要停止控制電源并重新輸電，才可使用。

到目前為止，我們便得到了一個擁有工廠設(shè)置的 S120 變頻裝置項(xiàng)目，并可以以這個項(xiàng)目為基礎(chǔ)項(xiàng)目，進(jìn)行之后的相應(yīng)操作。還可以對變頻器進(jìn)行基本的調(diào)試，該調(diào)試包括設(shè)置裝置的相關(guān)參數(shù)、啟動的方式、調(diào)速的設(shè)置、電機(jī)參數(shù)的優(yōu)化等等。SINAMICS S120 所使用的調(diào)試軟件為 Scout 或者是Starter，其中Starter 軟件不需要相關(guān)授權(quán)。

對參數(shù)和控制模式等內(nèi)容的設(shè)定和讀取來說，STARTER 是一款極其方便的軟件，對于修改追蹤以及監(jiān)控都十分方便，可以有效的進(jìn)行故障查找及處理。參數(shù)設(shè)置及監(jiān)控是通過PG/PC 的串口與 SINAMICS CU320 通訊實(shí)現(xiàn)的，需要使用標(biāo)準(zhǔn) 232 電纜來通訊。在安裝 CFC 的最新軟件并且獲得使用授權(quán)之后，便可使用 S120 的 DCC 功能。

進(jìn)行基本調(diào)試時，我們首先需要對需要設(shè)置參數(shù)的相關(guān)配置根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，需要進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)包含：變頻器的控制方式和供電電壓，裝置負(fù)載的類型，電機(jī)的額定電壓、電流、功率、功率因數(shù)以及頻率轉(zhuǎn)速等參數(shù)。之后可設(shè)置啟動頻率啟動，啟動頻率一般設(shè)置為0Hz。在輸出突變?yōu)閱宇l率對應(yīng)的交流電壓之后，在設(shè)定頻率到達(dá)前，按照加速曲線逐步提高輸出頻率和輸出電壓。

為防止過流和啟動沖擊，啟動頻率應(yīng)不宜過大。也可由先制動后從啟動頻率再啟動，一般在不確定負(fù)載初始狀態(tài)的場合應(yīng)用。之后由于給定速度或負(fù)載的變化會使轉(zhuǎn)速變化受到影響，需要按“V/F”或“矢量”控制方式進(jìn)行調(diào)速，需要設(shè)定“速度限幅”和“轉(zhuǎn)矩限幅”，通常正向最大速度、反向最大速度、正向最大轉(zhuǎn)矩、反向最大轉(zhuǎn)矩都為100%。之后進(jìn)行完停車過程之后，我們需要對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)優(yōu)化需要在負(fù)載已經(jīng)脫開，抱閘沒有閉合，電機(jī)冷態(tài)的情況下進(jìn)行。參數(shù)優(yōu)化一般分為三個步驟，首先為生成新的參量，進(jìn)行變頻器的內(nèi)部計(jì)算，之后進(jìn)行靜態(tài)辨識，最后才是電機(jī)的動態(tài)優(yōu)化，進(jìn)行靜態(tài)辨識時在軸端無轉(zhuǎn)矩的情況下，變頻器有輸出電壓，輸出電流電機(jī)可能轉(zhuǎn)動。在以上步驟完成之后，西門子S120 變頻裝置的調(diào)試便基本完成。

4 西門子S120變頻器常見故障及解決措施

4.1 西門子S120變頻器的常見故障

西門子S120 變頻器故障保護(hù)功能的設(shè)計(jì)相對比較完善，在使用過程中，如若發(fā)生故障，也可以盡最大可能的保障驅(qū)動設(shè)備的安全。在發(fā)生的故障中，過電流、過電壓以及欠電壓都屬于常見的故障。

過電流故障的具體表現(xiàn)為，變頻器通電未運(yùn)行時控制面板顯示正常，負(fù)載運(yùn)行或者空載運(yùn)行時控制面板卻顯示過流，同時，控制面板上顯示F30001 的故障代碼。過電流是由于在電源電壓大范圍的波動時或者變頻器過載頻繁時，導(dǎo)致主控板的電流小于變頻器的脈動電流，以至于保護(hù)措施未能及時反應(yīng)，采取對應(yīng)的保護(hù)措施。

當(dāng)控制面板上顯示F30002 的故障代碼時，表示該故障為過電壓。當(dāng)變頻器出現(xiàn)電壓故障時，很大程度上是因?yàn)殡娐分械哪硞€元件已經(jīng)損壞，造成了輸出端，總是輸出高電平，這時變頻器發(fā)生電壓故障的信號就是這個高電平。通常要對變頻器的電路進(jìn)行故障排除與診斷。放大電路通常存在于電壓檢測電路中，放大電路將電壓取樣信號放大到一定比例之后，對其進(jìn)行故障分析，運(yùn)放集成電路就是放大電路的核心元器件。

當(dāng)控制面板上顯示F30003 的故障代碼時，表示該故障為欠電壓。在對高壓直流電壓以及低壓直流電壓和對電壓取樣電路進(jìn)行檢查后，發(fā)現(xiàn)無問題的情況下，再檢查集成放大電路，即可發(fā)現(xiàn)存在的異常情況。如果在變頻器機(jī)柜中聞到異味，并觀察到變頻器內(nèi)的限流電阻發(fā)出的熱量超過正常值，則故障就是短接在發(fā)熱電阻上的繼電器不工作。此外，在運(yùn)行過程中還有可能因發(fā)熱電阻過熱導(dǎo)致產(chǎn)生過熱故障，而這些故障的主要原因都是因?yàn)槔^電器未工作，從而不利于變頻器的正常工作。

4.2 西門子S120變頻器常見故障的解決措施

針對以上在變頻器實(shí)際應(yīng)用中遇到的故障，提出具有針對性的解決方案，使變頻器在工廠應(yīng)用中能更加有效，變頻器的安全更有保障。

對于過電流的故障，通常的解決措施為按順序檢查回路元器件，并且利用加電測試來檢查回路中的元器件是否存在問題。假若是電路中的某一回路的輸出發(fā)生故障，可以更換回路中發(fā)生故障的相關(guān)元器件，以保障變頻器可以正常工作；如果是電路中的電流傳感器存在故障，可以更換對應(yīng)的傳感器。在變頻器發(fā)生過電流故障時，還可以通過修改變頻器的參數(shù)來避免過電流的現(xiàn)象再次發(fā)生，可以選擇將輸出頻率降低或者將高頻的損耗減小并降低。除此之外，還可以為變頻器的輸出端添加交流電抗器，它可以使電流突變的強(qiáng)度降低，預(yù)防過電流故障的發(fā)生。而關(guān)于如何選擇電抗器，則需要選擇與變頻器同功率的電抗器。

對于過電壓的故障，通常需要結(jié)合實(shí)際情況分析，將集成電路進(jìn)行更換以保障變頻器的撐場工作。除此之外，還可以采用同能量消耗法來解決過電壓的故障問題。此方法試將制動電阻并聯(lián)在變頻器的直流回路上，并在變頻器工作的過程中判斷主流母線電壓，和對閾值進(jìn)行設(shè)置從而加強(qiáng)功率管的控制。當(dāng)設(shè)定值被直流母線的電壓超過時，功率管就會導(dǎo)通，將能量送入電阻，電阻以熱能的形式，將這部分能量消耗殆盡，最終解決了過電壓的故障問題。

對于欠電壓的故障問題， 經(jīng)常與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合。發(fā)生故障后，按照高壓直流電壓、低壓直流電壓、電壓取樣電路以及集成放大電路進(jìn)行故障檢查并排除。如果檢查發(fā)現(xiàn)集成放大電路的電壓異常，將集成放大電路進(jìn)行更換后即正常，但是過一段時間，又顯示故障，則需要將集成放大電路進(jìn)行更換，能有效的處理欠電壓的故障問題。另外，若該故障已經(jīng)發(fā)生，則要對變頻器的電源板進(jìn)行深度的問題分析，欠電壓故障發(fā)生的原因可能是由于開關(guān)出來一路供電濾波器中的電容出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，將這個電容更換后，就可以解決欠電壓的古箏問題了。不僅如此，在使用西門子S120 變頻器時，還要經(jīng)常對變頻器電纜鋪設(shè)以及接地情況進(jìn)行不定期的檢查，將維護(hù)工作實(shí)施做到最好，盡量避免變頻器故障的發(fā)生。

5 總結(jié)

目前，針對變頻器使用的時候要因地制宜，首先要考慮的就是設(shè)備的質(zhì)量和產(chǎn)品的可靠性。只有自主研發(fā)能力的提高和產(chǎn)品可靠性的提高，才能使產(chǎn)品步入世界領(lǐng)先水平，才能滿足國內(nèi)甚至世界上廣闊需求的市場。并且在變頻器發(fā)生故障后，要發(fā)現(xiàn)并分析變頻器發(fā)生故障的原因，并針對相應(yīng)的故障做出對應(yīng)的解決措施。通過本次對西門子S120 變頻器的常見故障問題分析，能有效的解決實(shí)際生產(chǎn)生活中所發(fā)生的故障。