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 機械廠，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，其能夠通過繞組變化調(diào)整輸出電壓，從而達到變壓的目的[1]?；诮涣魉欧到y(tǒng)的工作原理，電源變壓器的故障率相對偏高，嚴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、制動電阻及逆變單元組成，能夠自動完成缺相檢測，從而實現(xiàn)對伺服電機的精準控制。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。在實際使用過程中，部分電源變壓器為220 V單項接入。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，在長期工作過程中發(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

在實際使用過程中，交流伺服系統(tǒng)需要頻繁動作，對可靠性要求較高，導(dǎo)致交流伺服系統(tǒng)電源變壓器的故障率相對較高。在實際使用過程中，通過交流伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)和電源變壓器相關(guān)參數(shù)的變化情況，對其故障進行預(yù)判，從而及時進行系統(tǒng)維護，避免突發(fā)故障對系統(tǒng)造成影響。

2.1 電源變壓器高溫報警

在實際使用過程中，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)高溫報警系統(tǒng)，導(dǎo)致交流伺服系統(tǒng)進入自保護狀態(tài)。針對這一情況，需要分析電源變壓器溫度變化曲線。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。電源變壓器濾波單元設(shè)計如圖2 所示。

圖2 電源變壓器濾波單元設(shè)計

根據(jù)電源變壓器的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部短路將導(dǎo)致母線電壓降低，此時電源變壓模塊驅(qū)動器電壓將無法響應(yīng)控制信號。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直流電，從而得到相對純凈的直流電[3]。為避免輸入電壓過高破壞逆變模塊、伺服電機等，電容濾波器的額定直流電壓多為500 ～800 V。當電容濾波器兩端電壓降超過額定直流電壓時，電容濾波器將被擊穿導(dǎo)致短路，同時短路電流增大，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線性過程，從實際使用的角度來看，該故障可以采用以下2 種方式進行預(yù)防。第一，在濾波器電容兩側(cè)增加高壓報警裝置，當電壓高于閾值時，系統(tǒng)將進行預(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，需要及時切斷電源，并上報輸入電壓異常，以避免變壓器遭受更加嚴重的損壞。

2.2 電源變壓器過電壓故障

在交流伺服系統(tǒng)工作過程中，經(jīng)常出現(xiàn)習(xí)伺服電機突然掉電的情況，且掉電時間相對較短，多為無規(guī)律的頻發(fā)現(xiàn)象。若該現(xiàn)象不能及時處理，則會導(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)動模塊反復(fù)啟動的情況下，將會損壞軟啟動電路。對一些帶有信號指示的交流伺服系統(tǒng)，主電路欠壓時，伺服ON 信號將提前打開。在此狀態(tài)下，使用萬用表檢測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，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)在伺服電機工作過程中。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)動板。當故障出現(xiàn)在伺服電機工作過程中，則意味著負載阻值增加，電源容量無法滿足高負載的需求。尤其是在交流伺服系統(tǒng)溫度持續(xù)升高的情況下，電源變壓器過電壓故障現(xiàn)象更加頻繁。此時，維修人員需要檢查系統(tǒng)，并關(guān)注伺服電機是否存在卡滯等問題。

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

圖3 電源變壓器過電壓保護設(shè)計

基于壓敏電阻的特殊性，可將其視作開關(guān)。當電壓低于壓敏電阻閾值時，開關(guān)為打開狀態(tài)；當壓敏電阻兩段電壓過高時，開關(guān)為閉合狀態(tài)。與熔斷機制相比，壓敏電阻這一解決方案適用于輸入電壓波動較大或偶發(fā)過電壓的情況，若過電壓狀態(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)通過驅(qū)動器控制伺服電機，而絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）會影響驅(qū)動器的信號輸出質(zhì)量，直接關(guān)系到伺服電機的工作狀態(tài)。IGBT 模塊不僅具有傳統(tǒng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）高輸入阻抗優(yōu)勢，還具有電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導(dǎo)通壓降等特點，被廣泛應(yīng)用于電源變壓器設(shè)計。

IGBT 模塊常見的故障還包括過電流、逆變故障以及靜電破壞等。當經(jīng)過IGBT模塊的電流超過閾值時，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模塊的電壓波動范圍同樣存在晶體管擊穿風(fēng)險，可以通過電壓平滑電路設(shè)計來避免。

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 溝道在負偏壓狀態(tài)下將會被禁止，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)閉最終取決于負偏壓的持續(xù)時間與變化趨勢。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)電動勢有關(guān)，即電磁干擾導(dǎo)致的反向電動勢。針對電磁感應(yīng)導(dǎo)致的干擾問題，應(yīng)采取合理的抗干擾措施。一方面，濾波電容與IGBT 模塊連接時采用雙層鍍錫銅板疊加技術(shù)，并在輸入、輸出母線和其他輸入、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IGBT 模塊造成的電流沖擊。尤其是在相對干燥的地區(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。在維修過程中，技術(shù)人員需要采取必要的防靜電措施，并及時清潔IGBT 模塊端子，避免表面過度氧化而產(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，交流整流模塊可以調(diào)整輸出電壓，實現(xiàn)穩(wěn)壓的功能，還可以抑制過電壓。

交流整流模塊的常見故障為短路，主要由電路元器件損壞或過載運行導(dǎo)致。由于整流模塊中含有大量的電子元器件，當交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)過高壓情況時，這些電子元器件將會發(fā)生短路故障[5]。此外，當整流模塊輸入電流超出額定范圍時，長時間的過載運行同樣會造成整流模塊短路，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，則需要檢測輸入電壓大小和極性，從而在判定是否存在過高壓故障，避免輸入極性反接等問題。

3 結(jié) 論

作為機械自動控制系統(tǒng)中常見的設(shè)備，交流伺服系統(tǒng)電源變壓器的構(gòu)造復(fù)雜，在實際使用過程中發(fā)生故障的概率較高?；诮涣魉欧娫醋儔浩鞯募夹g(shù)特點，參考相關(guān)維修經(jīng)驗，不僅要加強重點故障維修技術(shù)能力建設(shè)，還要完善巡檢制度，從而及時發(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。