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,隨著電力電子技術的迅猛發展,變頻調速也發生根本性的變革,使得其在工業領域應用越來越廣泛。目前在冶金、造紙、石油、化工等行業上采用變頻器實現對電力拖動設備的無級調速,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系統,應用于高動態性能和高精度要求的環境[1]。此系列變頻器因其具有高性能的矢量控制技術、高動態性能、可在難度系數更高場合應用等特性,且內部功能具有無與倫比的靈活性,在市場上具有廣泛的應用。

因使用方法有誤或者某部分參數設置與實際應用不匹配,極易產生誤動作及故障,或者與預期的效果相差甚遠。為了避免上述異常狀態的發生,需認真對故障原因進行深入的分析研究。文中介紹了S120系列變頻器的結構及工作原理,對現場變頻器在使用過程中出現的常見故障問題進行詳細的分析,提出了相應的解決方法。

2 S120系列變頻器的結構及其硬件組成

2.1 S120系列變頻器的結構

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的三相交流電變成直流,直流部分由電容存儲容量;逆變單元用于將直流變為不同頻率的三相交流電,如圖1所示。S120系統可分成AC/AC單軸驅動與DC/AC多軸驅動系統兩類。單軸驅動系統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動系統。多軸驅動系統中整流單元和逆變單元分開,這樣可將多個逆變單元連接到直流母線上,實現多軸控制,多個逆變單元之間也可實現能量交換。

S120變頻器結構圖

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、電機模塊、控制單元-CU320、外圍設備組成。其中控制單元為核心部件,完成轉速電流雙閉環(或位置轉速電流三閉環)控制,與電機模塊通過DRIVE-CLiQ電纜連接,并傳遞控制信息和狀態信息。電機模塊通過PWM脈寬調制方式將直流母線電壓變為頻率大小可調的交流電,為電動機供電。

3 S120系列變頻器的工作原理

變頻器是利用電力半導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)、制動單元、驅動單元、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,直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波,此時使得它的逆變電路將直流電再逆成交流電。它在工作的時候還主要是對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說,還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。此時就可以使得變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的[2]。

交流異步電動機的同步轉速表達式為:

n=60f(1-s)/p

式中:n—異步電動機的轉速;f—異步電動機的頻率;s—異步電動機的轉差率;p—異步電動機的極對數。

由上式可知,轉速n與頻率f成正比,只需改變頻率f即可改變電動機的轉速。當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時,電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的,是一種理想的高效率、高性能的調試手段[3]。

4 S120系列變頻器常見故障案例分析與解決方法

S120系列變頻器在設計時已經將各種保護功能考慮在內,這樣對變頻器本身及其所驅動的設備將得到有效的保護。若發生故障,變頻器將自動切斷電路,控制面板將顯示當前的故障報警代碼。變頻器在實際現場運行過程中,會發生一些較常見的故障等。以下通過具體案例對故障產生的現象、解決方法及原因進行分析。

4.1 過電流

4.1.1 故障現象

通過對故障類別的統計分類,發現“過電流”是故障發生頻率較多的。設備在工作過程中會經常出現過電流,主要指變頻器上電后是正常的,但開始工作就會報出過流故障代碼。即使操作面板上的運行數據是正常的,也會報出故障代碼。若是出現空載時,依然會報過流故障。

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元器件加電測試無異常。最后檢查驅動電路絕緣情況,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。同時其供給3個電流傳感器的±15V電源都在正常范圍內。則可進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。檢查運算放大電路LM084,發現輸出回路有問題。隨后更換LM084,重新上電測試,變頻器故障報警消除。

4.1.3 故障原因分析

出現上述的故障,一般原因是變頻器頻繁出現過載或者是電源電壓因某種原因出現較大波動,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,而不能夠及時去采取相應的保護措施所導致的。還有可能原因為機械部位有卡住、逆變模塊損壞、電流檢測電路壞、電動機的轉矩過小、加速時間設置太短、電流上限設置太小、轉矩補償設定較高。

此外,在變頻器發生過電流時,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的參數,避免再次發生過流。另外,在變頻器外圍電路中,可在其輸出端增設交流電抗器,以降低輸出電流突變的強度,避免發生過流故障。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 故障現象

變頻器通電后,傳動柜控制PMU面板報故障,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行觀察與測量,未發現有燒損等異常現象。再檢查運算放大電路,發現其JFET輸入運算放大器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

對運算放大器TL082進行更換,重新上電后,未再報此故障。若排除了集成電路、運算放大器等故障,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電阻路與變頻器的直流回路相并聯,在變頻器正常運行時檢測直流母線電壓,以及設置閾值,通過兩者結合起來,加強對功率器件的控制,當直流母線的電壓超過設定值時,功率器件會開通,將能量輸送到電阻,電阻將此能量全部轉化成熱能消耗,最終解決了過電壓故障。

4.2.3 故障原因分析

S120變頻器中的電壓監控模塊(VSM),內部核心器件是運算放大集成電路,其作用是將小電壓信號進行功率放大。現場在用變頻器采用TL082作為運算放的集成電路,當TL082有故障后一直保持為“1”,該“1”信號便是產生過壓的信號。因此變頻器控制單元在接收到過壓的信號后,傳動柜PMU報過電壓故障。

在日常檢修維護中,需要對變頻器的電路進行除塵清掃。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放大。

4.3 欠電壓

4.3.1 故障現象

變頻器在正常生產運行時,傳動柜上的PMU報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直流電壓,數值在正常范圍內,同時測量低壓側直流供電電壓,數值也是正常的,對電壓采集采樣電路相關元器件進行檢查,也無異常。最后對集成運算放大電路TL084進行檢查,發現輸出電壓異常,立即對集成放大電路進行更換,再次上電后顯示正常。通過控制面板啟動變頻器,三相輸出電壓平衡,變頻器在運行數十分鐘后,傳動柜散發出焦味,打開柜門看見變頻器本體冒煙,此時立刻分閘進線電源。拆下變頻器防護板,細致檢查,發現限流電阻顏色發生變化,且有發熱,初步懷疑為短接在限流電阻的繼電器動作有問題。先排查繼電器,檢查其線圈是否有燒損及觸頭是否有黏死,未發現有以上問題。繼而檢查繼電器電源電路,查出電路中的TL084板的幾個管腳燒損,已無法工作。

4.3.2 解決方法

對TL084板進行更換,重新上電運行后正常。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行深入的分析。發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,檢查電容是否存在漏電現象,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電路中的集成放大器TL084燒損及輸出信號異常所引起的。變頻柜有異味,觀察到變頻器限流電路的發熱量超過正常值時,運行數十分鐘后出現過熱問題,原因為限流電阻過熱。而導致其過熱的直接原因是繼電器無法正常動作,根本原因是繼電器電源電路出現故障,最終使得變頻器無法正常工作。

4.4 內部通信故障

4.4.1 故障現象

變頻器在正常生產運行時,傳動柜上的PMU報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定值(內部通信故障)。檢查RS485接口及與其相連接的信號線,未發現有問題。同時再對濾波器進行檢查,也未發現異常。最后對差分總線收發器SN75176B進行檢查時,發現其工作不正常,判斷該故障與此收發器有關。

4.4.2 解決方法

對差分總線收發器SN75176B進行更換,未再報通信故障,變頻器運行正常。

4.4.3 故障原因分析

因變頻器內差分總線收發器SN75176B使用較長時間后,元器件出現老化,使得數據無法正常傳輸,最終報通信故障。

4.5 進風過熱

4.5.1 故障現象

變頻器通電后未報故障,但一開機運行就報F30035或顯示“----”,查詢S120故障代碼手冊,注釋為功率單元進風過熱。通過認真檢查,發現變頻器冷卻風扇轉速異常,將風扇電源拔掉依然報F30035,時而還會報出其他故障。若是先給定運行信號,后將風扇電源接入則不會報F30035或“----”。當只接上一個風扇時,風扇運行正常且三相輸出也正常,接入兩個風扇時,轉速異常。

4.5.2 解決方法

通過檢查電路板,發現是從穩壓電源輸出的供電濾波電容器出現漏電,更換同型號的電容后,風扇運行正常。

4.5.3 故障原因分析

出現上述故障原因一般有如下幾種:(1)負載過大;(2)工作環境溫度過高;(3)散熱片積灰太多;(4)風扇工作異常;(5)散熱片堵塞等。

4.6 其他故障

4.6.1 堵轉故障

變頻器報F07900為堵轉故障。堵轉監控使能參數p2144啟用后,若電機實際轉速低于設定值時,在閉環調節中,將會增大轉矩輸出使得實際速度跟隨給定。但是當轉矩已達到設定值時,實際速度依然低于設定閾值p2175,且超出了設置的延時時間p2177,便會產生電機堵轉故障F07900。主要檢查現場軋機、減速機是否存在機械故障,如軋機或減速機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F07902為電機失步故障。變頻器檢測出電機失步的時間長于p2178設定的值。

在帶轉速編碼器的轉速控制和轉矩控制中,檢查轉速信號(斷線、極性、線數、編碼器芯軸斷裂)。如果失步發生在觀察者模型范圍內,并且在額定轉速30%以下發生失步,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%)。

在不帶轉速編碼器的轉速控制和轉矩控制中,檢查驅動是否在開環運行(r1750.0)中;檢查轉速設定值仍為零時,驅動是否會由于負載而停轉。如果出現該情況,可以通過p1610提高電流設定值或設置p1750.2=1(無編碼器的矢量控制,直至被動負載停止)。檢查電流環(p1715,p1717)及轉速適配控制器(p1764,p1767)。如果動態響應顯著降低,應再次提高動態響應[4]。

結語

S120系列變頻器科技含量高,控制性能優越,已在較多領域得到廣泛的應用[5]。盡管其采用先進的工藝制造,但在使用中依然會出現一些常見的故障。若要使用好變頻器,需要對其結構原理進行深入的學習和分析,在使用中不斷總結經驗,摸索出快速解決故障的方法。