岸邊集裝箱起重機安川變頻器故障判斷及處理

崔偉　劉明華

自1974年晶體管變頻器投入市場以來，安川變頻控制系統(tǒng)已從以前的直流驅動發(fā)展到現(xiàn)在的交流驅動，從最初的小功率變頻器發(fā)展到現(xiàn)在的大功率變頻器。用于安川變頻控制系統(tǒng)的直流驅動器主要有VS-505WII、WS-505ZIII、VS-520B、VS-585和 VS-590;小功率交流驅動器主要有VS-676VH3、VS- 616G5、VS-616G7A/B、YS-1000、H1000和A1000;大功率交流驅動器主要有VS-676H5（逆變）、VS- 656DC5（整流）和FSDrive。港口岸邊集裝箱起重機（以下簡稱“岸橋”）上配備的安川變頻控制系統(tǒng)主要包括676H5變頻器和656DC5整流器，由VS-656DC5（整流單元）將440 V交流電整流成660 V直流電為變頻器提供電源。岸橋上使用的DC5系列整流器和H5系列變頻器一般以組合形式成對出現(xiàn)，單個整流器或整流單元的功率為200 kW，通過組合并聯(lián)（最多4組）可以將功率增至800 kW，以滿足岸橋不同機構對功率的要求。一方面，岸橋上所用安川變頻器與驅動器的型號不同，但其主回路大致相同，只是其中的控制板與主控板略有差異;另一方面，雖然DC5系列整流器與H5系列變頻器的外型相似，但絕不能互換，當需要整組更換時一定要核對

單元型號，以免引發(fā)故障。本文介紹安川變頻器控制原理和結構、常用參數及電氣特性，分析安川變頻器故障判斷和處理方法，以期助益港口提升集裝箱裝卸效率。

1 岸橋安川變頻器組成與結構

1.1 主回路

（1）整流器 整流器的作用是將工頻電源轉變成直流電源供給變頻器，電功率傳輸不可逆。

（2）濾波器 濾波器是由電容器、電感器、電阻器組成的無源器件。整流器將交流電源整流成直流電源后，直流電壓中含有脈動電壓，同時逆變器產生的脈動電流也會使直流電壓波動。為了抑制這種波動，使用濾波器吸收脈動電壓。

（3）逆變器 逆變器的主要組成器件為絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。作為變頻器的核心器件，逆變器在電路中通過IGBT的開斷來調整變頻器的輸出電壓和頻率，其實現(xiàn)原理是在規(guī)定時間內使6個相同的IGBT有規(guī)則地導通和關斷（見圖1）。

1.2 控制回路

（1）運算回路 首先，比較運算外部的轉速、轉矩等電信號與檢測回路的電壓、電流，將運算結果傳輸至主控板;然后，可編程邏輯控制器（programm-able logic controller，PLC）將控制指令傳送至變頻器，變頻器輸出相應的電壓和頻率。

（2）檢測回路 檢測主回路的電壓和電流，電流互感器采集主電路電流供自動電流調節(jié)器使用，當發(fā)生過載等異常情況時，可使逆變器停止工作或抑制電壓和電流值，以防異步電動機和逆變器受損。

（3）驅動電路 驅動電路是驅動逆變器主器件IGBT的電路，其關鍵部件是驅動板。驅動電路與控制電路隔離，驅動主回路功率開關器件導通或關斷。一般情況下，如果IGBT損壞，須連帶更換驅動板。

2 岸橋安川變頻器工作原理與控制方式

2.1 異步電動機調速原理

異步電動機的同步轉速即旋轉磁場的轉速為

n1=

式中：n1為同步轉速，r/min;f1為定子頻率，Hz;P為磁極對數。異步電動機的軸轉速為

n=n1祝？ s）=祝？ s）

式中：s為異步電動機轉差率，s=（n1 n）/n1。

可見，在異步電動機磁極對數不變的情況下，改變電動機定子側供電電源頻率，即可改變其同步轉速，從而實現(xiàn)無級調速。在異步電動機調速時，常常使主磁通量保持恒定值，其原因在于：如果主磁通量太小，鐵芯利用不充分，在相同的轉子電流下，電磁轉矩小，電機負載能力下降;反之，如果主磁通量太大，鐵芯處于過勵磁狀態(tài)，勵磁電流過大，限制定子電流的負載分量，電機負載能力下降。主磁通量可以由定子電流單獨決定，也可以由定子電流和轉子電流共同決定。三相異步電動機定子每相電動勢的計算公式為

E1=4.44譮1 譔1住

式中：N1為定子相繞組有效匝數; m為每極磁通量，Wb。由此可見，主磁通量是由E1和f1共同決定的， 只要適當控制E1和f1，就可以使主磁通量保持最佳額定值不變。[1]

2.2 異步電動機控制方式

當在基頻（電動機額定頻率）以下調速時，要保證電動機的輸出功率，就應盡量保持主磁通量恒定不變，這就要求在降低供電電源頻率f1的同時降低感應電動勢E1，使E1/f1為恒定值，這種恒磁通控制屬于恒轉矩調速;當在基頻以上調速時，由于電動機額定電壓不能一直升高，只能通過減小磁通量來獲得基頻以上調速特性，這種調速方法為恒功率調速，此時電動機輸出轉矩隨速度升高而減小。目前，變頻器對電動機的控制大體可分為恒壓頻比控制、帶PG 恒壓頻比控制、開環(huán)矢量控制和閉環(huán)矢量控制。

2.2.1 恒壓頻比控制

恒壓頻比控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源電壓，使電動機磁通量保持恒定，且在一定范圍內電動機的效率和功率因數不會下降。恒壓頻比控制的主要問題如下：一是低速性能較差，當轉速極低時，電磁轉矩無法克服較大的靜摩擦力，不能恰當地調整電動機的轉矩補償和適應負載轉矩的變化;二是采取轉速開環(huán)控制，無法準確控制電動機的實際轉速，電動機的實際轉速由轉差率決定。

2.2.2 帶PG 恒壓頻比控制

在穩(wěn)定情況下，當氣隙磁通恒定時，異步電動機電磁轉矩近似與轉差角頻率成正比;此時，控制轉差角頻率就相當于控制轉矩，需要檢測電動機的轉速，構成速度閉環(huán)控制。與恒壓頻比控制相比，帶PG 恒壓頻比控制的加減速特性和限制過電流能力提升，并且其利用速度反饋形成閉環(huán)控制，速度的靜態(tài)誤差較小。

2.2.3 開環(huán)矢量控制

恒壓頻比控制和帶PG 恒壓頻比控制是基于異步電動機的靜態(tài)數學模型，因此其動態(tài)指標不高;而追求高效率的港口行業(yè)需要高品質動態(tài)指標控制方式。矢量控制指根據交流電動機的動態(tài)數學模型，利用坐標變換手段，將電動機的定子電流分解成磁場分量電流和轉矩分量電流，通過適當控制一次定子電流的大小、頻率及相位，實現(xiàn)矢量分解及控制。實際上，開環(huán)矢量控制的速度反饋值并不是電動機真正的速度反饋值，而是變頻器根據電動機轉速計算出來的速度值并將其作為反饋信號，從而達到對電動機轉速的控制。

2.2.4 閉環(huán)矢量控制

閉環(huán)矢量控制將電動機實際速度值反饋至變頻器，變頻器通過頻率信號實現(xiàn)對電動機的控制。閉環(huán)矢量控制的控制精度高，要求實施位置控制或轉矩控制，并對轉矩的穩(wěn)定性和精度有較高的要求，需要在電動機尾部安裝增量型編碼器。

2.2.5 小結

由表1可見，變頻器4種控制方式各有優(yōu)缺點。岸橋四大機構選擇控制方式遵循以下原則：岸橋大車和俯仰機構要求負載恒定，可以采用恒壓頻比控制;岸橋小車和起升機構控制對外圍負載有變化要求，并且對控制精度要求較高，可以采用閉環(huán)矢量控制。

3 岸橋安川變頻器常見故障及處理方法

岸橋安川變頻器自帶檢測保護程序，可以在故障發(fā)生后記錄故障代碼和類別，便于維修人員準確判斷和分析故障原因。對于不常見的故障，需要維修人員查閱相關故障代碼說明，根據代碼提示找到故障單元并確認故障單元狀態(tài)，更換或修復故障部位。

3.1 UV故障

安川變頻器報UV故障表示主回路欠電壓，指主回路直流電壓低于L2-05（主回路欠電壓檢測值）的設定值。導致安川變頻器UV故障的原因包括輸入電壓缺相、送電錯誤、變頻器內部接觸器故障、變頻器內部回路老化、變頻器內部溫度異常等。針對輸入電壓缺相問題，可用萬用表測量具體的缺相線路，確認接線是否正確或是否斷線;對于變頻器斷電后的送電，需要先送主電源，再送控制電源，以免外部控制接觸器吸合過早而導致故障;對于變頻器內部接觸器問題，可以通過更換接觸器來解決;對于變頻器回路老化、內部溫度異常等問題，可以通過定期實施變頻器內部點檢來解決。[2]

3.2 PGO故障

安川變頻器PGO故障指變頻器在有輸出頻率的狀態(tài)下，主控板沒有檢測到編碼器脈沖信號，只能通過變頻器面板查看是否有速度反饋值。導致安川變頻器PGO故障的原因主要有：（1）機械或電氣故障，如制動器抱閘未打開、電動機機械性卡死、編碼器電源脫落或虛接等;（2）編碼器故障，如編碼器電源異常、編碼器電源線斷開、編碼器插頭松動等，此時電動機有抖動現(xiàn)象。岸橋安川變頻器PGO故障應急處理方法如下：更改變頻器A1-02參數為2，測試變頻器開環(huán)控制;如果開環(huán)運行正常，則可以確定為編碼器故障，更換編碼器即可;如果更換編碼器后仍未解除故障，則需要進一步確定編碼器接線、編碼器與變頻器連線及屏蔽線是否正常。

3.3 UNBC故障

安川變頻器UNBC故障表現(xiàn)為三相電流不平衡或功率單元組間輸出電流不平衡，一般在岸橋重載運行過程中容易出現(xiàn)此類故障。若不及時處理，故障會越來越頻繁，直至變頻器受損。導致安川變頻器UNBC故障的主要原因包括：（1）驅動板老化，其內部電子元件性能下降，導致驅動板接收電流互感器的反饋值后傳給主控板的數值不準確;（2）電流互感器測量不準確;（3）外圍線路異常;（3）功率組件IGBT和阻容故障。岸橋安川變頻器UNBC故障應急處理方法如下：在岸橋重載運行過程中，調整P1-05參數，將10改為20，使組間電流不平衡增加到20%以內;待岸橋作業(yè)結束后，及時查找故障原因，恢復調整參數。

3.4 DEV故障

安川變頻器DEV故障即速度偏差故障：比較PLC給到變頻器的速度值與變頻器反饋的速度值，如果數值偏差超過10%，報DEV故障。導致安川變頻器DEV故障的原因包括電機增量型編碼器故障、編碼器與電機連接軸有滑差、PG卡故障、變頻器本身問題、加減速時間設置錯誤、機械系統(tǒng)故障等。岸橋安川變頻器DEV故障應急處理方法如下：首先，檢查外圍機械、負載機構等是否存在故障;然后，排查電氣元件，如增量編碼器、PG卡和變頻器等;最后，排查線路，可以通過TRACE波形輔助分析。

3.5 PUF故障

安川變頻器PUF故障表現(xiàn)為熔斷器斷開或晶體管故障，導致該故障的原因包括變頻器與電機之間對地短路或相間短路、電機絕緣不良、變頻器驅動板積灰過多等。安川變頻器PUF故障后果表現(xiàn)為：熔斷器受損，驅動板和IGBT不同程度損壞;產生瞬間大電流，IGBT被擊穿，促使直流母線與輸出相之間的熔斷器動作，以免產生更大故障。如果岸橋安川變頻器發(fā)生PUF故障，不可盲目更換熔斷器后送電試車，應當先測試變頻器功率組件，找到損壞的器件;若IGBT受損，須連同驅動板一起更換，以確保安全。[3]

3.6 OV故障

安川變頻器OV故障即主回路直流母線電壓超過過電壓設定值，導致該故障的原因包括雷電引起過電壓、補償電容引起過電壓和電動機再生發(fā)電引起過電壓等，其中：前兩者引起的OV故障可以通過增加吸收裝置來降低過電壓影響;后者引起的故障一般出現(xiàn)在岸橋吊具下降過程中，當電動機下降時，電動機為發(fā)電狀態(tài)，電能通過6個續(xù)流IGBT回饋到變頻器中間直流回路，如果能量回饋裝置未運行，致使電能不能回饋至電網，直流母線過電壓達到限值后跳閘。為了排除岸橋安川變頻器OV故障，需要檢查變頻器加減速時間設置是否正確、變頻器中間直流回路電容量是否下降等。

4 岸橋安川變頻器功率單元故障判斷與功率組件測量

4.1 功率單元故障判斷及測量

驅動器功率單元包括3～4個組別，安川變頻器在診斷功率單元故障組別方面存在一定缺陷，需要維修人員人工判斷功率單元故障組別。對于操作面板顯示的故障，可以通過主控板指示燈狀態(tài)來判斷故障組別（見表2）。主控板右下側有5個指示燈，從下往上分別為（M）DS1、（M）DS2、（SL1）DS3、（SL2）DS4和（SL3）DS5，其中，（M）DS1指示燈為紅色，其他指示燈均為綠色。當變頻器停止運行時，（M）DS1指示燈閃爍;當變頻器正常運行時，只有（M）DS2指示燈常亮。在通過指示燈來判斷故障組別時，須特別留意指示燈的狀態(tài)，因為指示燈的狀態(tài)只停留2 s左右;此外，有些故障只偶爾報一次，并且需要人員長時間觀察指示燈，從而增加人員工作量。為此，可以在主控板柜門處合適位置安裝記錄儀，當功率單元發(fā)生故障時，可以通過回放畫面來查找故障組別。

有些故障僅通過指示燈來判斷不一定準確，可以隨機切除其中一組功率單元后，測試剩下的功率單元。如果測試未報故障，基本可以確定切除組為故障單元;如果測試仍報故障，則重復上述步驟。需要注意的是：操作時須移除拆除組的電源線和通信線，將其他組別從下往上依次接好，同時修改組別參數O2-04（根據功率單元的組數相應減一即可），并通過PLC限制變頻器的最高頻率。當故障單元修復后恢復變頻器參數時，由于組別參數O2-04的更改可能導致E參數變動，有必要一一核對參數，以免參數變化導致變頻器再報故障。

除了上述通過變頻器帶載測試來排除故障組的方法外，在因內部短路、IGBT被擊穿等而無法通過送電來判斷故障單元的情況下，可以通過萬用表測量來判斷具體故障單元。采用指針式萬用表的R？0 k 擋分別測量變頻器或變流器輸出端對直流母排的P+/N 阻值和變頻器出線端的相間阻值（見圖2），測量時注意使變頻器直流母排與出線端脫離，以獲得相對準確的測量結果。測量方法與經驗值見表3。

4.2 功率組件測量

4.2.1 功率組件組成

通過以上方法判斷出具體的故障單元后，接下來需要測量故障單元內部功率組件。安川變頻器內部功率組件錯綜復雜，元件較多（見表4），在拆解測量之前須做好記錄，以免漏裝備件。拆解功率組件的順序如下：（1）畫出接線草圖，標明接線線號;（2）拆線，注意將螺釘有序放好，拆卸阻容吸收模塊時注意不要擰壞螺釘，拆卸下來的阻容吸收模塊按安裝順序擺放整齊;（3）拆卸母排，注意按照母排走線有序拆卸并擺放整齊;（4）拆卸大電容器，拆下來的元器件按照其安裝位置有序擺放。

4.2.2 功率組件測量

通過測量功率組件查找到故障元件后，用萬用表分別測量U、V、W三相間電阻值以及三相分別對阻容吸收模塊P和N間的電阻值是否平衡;若一切正常，即可通電測試。安川變頻器功率組件基本測量方法及經驗值如下。

（1）IGBT測量 將萬用表指針撥到R？0 k 擋，用黑表筆接IGBT發(fā)射極（E），用紅表筆接IGBT集電極（C），此時萬用表指針偏向右邊（0）。用黑表筆接IGBT集電極（C），紅表筆接IGBT發(fā)射極（E），此時IGBT不導通，萬用表指針在左邊;用手指同時觸碰柵極（G）和集電極（C），IGBT被觸發(fā)導通，萬用表指針擺向阻值較小的方向（大約在中間位置），并穩(wěn)定在某一位置;然后，用手指同時觸碰柵極（G）和發(fā)射極（E），IGBT被阻斷，萬用表指針回到無窮大（即指針在左邊），此時可判斷IGBT無損壞。

（2）大電容器測量 方法一：將萬用表指針撥至100擋，測量大電容器的充電時間為18 s左右。方法二：對大電容器進行充電，萬用表指針瞬間擺向右邊后慢慢向左偏移，此時開始充電;將紅黑表筆對調，指針瞬間偏向右邊后停留，此時開始放電;然后，指針慢慢向左偏移，大電容器反向充電，此時可判斷大電容器無損壞。

（3）小電容器測量 將數字式萬用表撥至測電容擋位，較大一擋是15.0 nF，較小一擋是4.1 nF。

（4）阻容吸收模塊測量 阻容吸收模塊分P和N兩種類型（見圖3）：P型阻容吸收模塊R與E之間是二極管，R對E導通，R與C之間是電容器，電容值為2.1F;N型阻容吸收模塊R與C之間是二極管，C對R導通，R與E之間是電容器，電容值為2.1F。

（5）平衡電阻器測量 平衡電阻器由2個5 k 電阻器組成，兩端對中間電阻值均為5 k ，兩端測量電阻值為10 k ，注意測量電阻對地，不能導通。

（6）吸收電阻器測量 吸收電阻值為10，共12組。注意測量電阻對地，不能導通。

（7）啟動電阻器測量 啟動電阻器接在接觸器上下口，阻值為3。注意測量電阻對地，不能導通。

（8）指示燈電阻測量 指示燈電阻值約。

（9）接觸器和風扇檢測 采用24 V直流電源為繼電器供電，采用220 V交流電源為風扇及接觸器線圈供電，檢查風扇運行是否正常及接觸器是否吸合。接觸器線圈通斷電由24 V交流繼電器常開觸點控制。

5 結束語

本文介紹岸橋安川變頻器故障判斷及功率組件測量維修方法，以期為港口一線技術人員提供參考。在實際維修過程中，港口技術人員必然會遇到各種問題，需要其在工作中不斷積累經驗。此外，變頻器定期維護保養(yǎng)有利于降低變頻器故障發(fā)生概率，縮短停機時間，提高岸橋裝卸效率。

參考文獻：

[1] 黃波. 變頻調速技術簡介及其在電廠中的應用[J]. 山西建筑，2010，36（10）：163-164.

[2] 楊子旭. 港口起重機安川變頻器故障分析[J]. 港口科技，2015（4）：33-35.

[3] 張爽. 安川變頻器PUF的分析與排除[J]. 設備管理與維修，2008（6）：30.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-03-26）