變頻器在港口機械上的應(yīng)用

廈門集裝箱碼頭集團有限公司海天分公司 林和鵬

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變頻器在港口機械上的應(yīng)用

廈門集裝箱碼頭集團有限公司海天分公司 林和鵬

目前，變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域。該文以安川變頻器為例，介紹其在廈門集裝箱碼頭集團有限公司海天分公司機械設(shè)備上的應(yīng)用，并結(jié)合工作實踐和體會，著重介紹在使用變頻器過程中遇到問題的解決辦法和注意事項，以供變頻器初學(xué)者參考。

變頻器 IGBT 常見故障 注意事項

0 引言

隨著交流變頻控制系統(tǒng)及通訊技術(shù)的發(fā)展，交流變頻傳動系統(tǒng)因其調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能好、節(jié)電、操作簡便，在港口機械設(shè)備上的應(yīng)用越來越廣泛。廈門集裝箱碼頭集團有限公司海天分公司（后簡稱海天公司）在輪胎式起重機（RTG）、軌道式起重機（RMG）、門座式起重機、岸邊裝卸橋（C/C）等港口機械設(shè)備中也廣泛使用了變頻調(diào)速器，隨著使用數(shù)量的不斷增加，遇到了故障維修問題。本文結(jié)合筆者多年的維修經(jīng)驗和體會，就變頻器使用過程中的注意事項和遇到變頻器故障時的應(yīng)對措施進行分析和探討。

1 變頻器的種類及周邊設(shè)備

1.1 變頻器種類

日本安川的變頻器主要有VS-686 CR5、VS-676 H5、VS-616 G5、VS-616 G7。這里以VS-616 G7為例簡要介紹該類變頻器的構(gòu)造。

VS-616 G7是以先進技術(shù)的控制理論為基礎(chǔ)，真正的電流矢量控制，首次采用“3電平控制方式”，解決了沖擊波問題，可更安全地驅(qū)動設(shè)備上的電機。真正的電流矢量控制所擁有的高性能、多功能，可以使各式各樣的機械設(shè)備在高效率、高精度狀態(tài)下運行。由于有自學(xué)習(xí)功能，可輕松實現(xiàn)矢量控制運行；在數(shù)字式操作器的顯示部分，采用了16文字×2行的液晶顯示屏。參數(shù)設(shè)定、監(jiān)視項目、變更參數(shù)等一目了然，人機對話容易理解。VS-616 G7有200V和400V兩種電壓等級，適合電機功率在0.4~300kW，其控制方式有4種，即：無PG矢量控制、帶PG矢量控制、無PG v/f 控制、帶PG v/f 控制。

1.2 變頻器的周邊設(shè)備

周邊設(shè)備如圖1所示。

(1) 電源一般是變壓器，將電網(wǎng)的電壓轉(zhuǎn)換為變頻器所需的電壓，容量選擇為變頻器容量的1.5倍左右。

(2) 斷路器是為了防止發(fā)生過載和短路時的大電流燒毀設(shè)備。其額定電流要大于變頻器的額定電流，短路能力要大于發(fā)生短路時的短路電流。

(3) 接觸器的作用是在變頻器發(fā)生跳閘時將變頻器從電源切斷。其額定電流的選擇要大于變頻器的輸入電流值。

(4) AC電抗器與電源匹配，可改善功率因素，降低高次諧波對其他設(shè)備的影響。

(5) DC電抗器可降低電動機的噪聲，降低輸出高次諧波的不良影響。

(6) 電磁噪聲濾波器可降低變頻器傳至電源一側(cè)的噪聲。

圖1 變頻器的周邊設(shè)備

1.3 制動單元與制動電阻

在起升機構(gòu)中，當(dāng)集裝箱被懸吊在空中時，起升電機將產(chǎn)生反向電勢，反向電勢經(jīng)逆變單元反加至濾波電容兩端，變頻器直流側(cè)電壓將上升，為避免變頻器過電壓保護，因此要求依據(jù)變頻器功率型號在直流側(cè)加裝配套的制動單元與制動電阻，變頻器、制動單元與制動電阻接線如圖2所示。

制動單元將監(jiān)視直流母線電壓，當(dāng)直流電壓UPN上升到設(shè)定值時，自動切斷IGBT，將電機下降或制動時的位能、負載的勢能轉(zhuǎn)化為制動電流，消耗在制動電阻上，但如調(diào)節(jié)不當(dāng)，制動單元與制動電阻吸收過多的能量對于節(jié)能運行是不利的。

2 變頻器構(gòu)造

2.1 基本構(gòu)成

外觀和各部名稱有：上、下保護罩、前外罩、數(shù)字式操作器、塑料模壓箱體、控制回路端子、主回路端子。

其中數(shù)字式操作器上部為運行方式指示燈：DRIVE——驅(qū)動方式時亮；FWD——輸入正轉(zhuǎn)指令時亮；REV——輸入反轉(zhuǎn)指令時亮；SEQ——從控制回路端子輸入的運行指令有效時亮；REF——從控制回路端子13、14輸入的頻率指令有效時亮。

中間是液晶顯示屏，數(shù)據(jù)表示部分，顯示參數(shù)名稱及其設(shè)定值。

下部分為操作鍵，為了實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、監(jiān)視、JOG運行、自學(xué)習(xí)等用鍵。

底部有RUN、STOP兩指示燈，對應(yīng)有點亮、閃爍、熄滅運行狀態(tài)。

2.2 主回路構(gòu)成

如圖3所示，①為一組大功率絕緣柵場效應(yīng)管IGBT，其特點是開關(guān)頻率很高，動態(tài)響應(yīng)快，觸發(fā)電壓低，但在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)并發(fā)生外部短路時容易擊穿。②為阻容吸收模塊，有P型、N型兩種。其功能是吸收高次諧波，使諧波污染降低，凈化輸出電流的品質(zhì)，也保護IGBT模塊不會誤觸發(fā)。

圖3中只畫出一組IBGT，共有三組，如圖4所示。

2.3 IGBT的測量判斷

若圖3中的保險絲FU斷，一定要先檢查IGBT。方法如下：

(1) 針式萬用表，打在100kΩ檔，紅黑表筆按圖5方法測量，應(yīng)導(dǎo)通，反向不通。

(2) 用手指短接G和E，觀察萬用表指針是否指在中間位置，手放開，指針保持。否則，該IGBT已損壞。

(3) G和E短接，又回到原來的位置。

(4) 封存IGBT時，G和E應(yīng)用銅導(dǎo)線短接。

(5) 更換IGBT應(yīng)配對使用。

圖5

2.4 驅(qū)動板的判斷

(1) IGBT損壞時若外觀良好，則需檢測驅(qū)動板驅(qū)動插座的阻值的一致性。用數(shù)字式萬用表測量G和E，阻值應(yīng)在12.8~12.9kΩ。

(2) IGBT損壞時，若外殼炸裂，這時需要更換驅(qū)動板，同時仔細測量吸收電阻R（為1Ω 90W）。

3 變頻器常見故障分析

由于使用方法不正確或設(shè)置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動作及發(fā)生故障，或者無法滿足預(yù)期的運行效果，為防患于未然，需事先對故障原因進行認真分析。

3.1 OC過電流

(1) 若負載太大，加速時間過短，則變頻器輸出頻率的變化遠遠超過電機頻率的變化，變頻器將因過流而跳閘。依據(jù)不同的負載情況相應(yīng)地調(diào)整加速時間，就能消除此故障。

(2) 增量型編碼器損壞或連接軟軸松脫。對策：更換編碼器或連接軟軸。

(3) PG卡連接端子或PG卡與主控板連接松脫（開環(huán)的沒有PG卡）。對策：緊固連接部件。

(4) 輸出負載發(fā)生短路，如電機線對地短路、電機相間絕緣損壞、接觸器觸點接觸不良、電纜接頭接觸不良，開機時容易發(fā)生電弧，導(dǎo)致保護動作。對策：定期仔細檢查回路中的每個電氣元件，特別是電機的相間絕緣。

圖6

3.2 OV直流母線過電壓

(1) 變頻器減速時間設(shè)置過短，從電機再生的能量太大。應(yīng)對措施是延長減速時間或連接制動電阻單元。

(2) 無變頻器裝置的系統(tǒng)中，制動電阻接線處接觸電阻過大。應(yīng)對措施：檢查緊固各個接線處。

(3) 有變流器裝置的系統(tǒng)中，電源側(cè)變壓器容量偏小，當(dāng)多臺設(shè)備同時工作時，能量不能及時回饋到網(wǎng)側(cè)。應(yīng)對措施：增大變壓器容量。

(4) 在門機系統(tǒng)中有時會因為切換時間設(shè)置異常，造成制動單元監(jiān)測異常。應(yīng)對措施：正確設(shè)置切換時間。

(5) 制動單元的硬件跳線設(shè)置不正確造成制動過早。應(yīng)對措施：更改跳線位置。

3.3 OS 變頻器檢測電機超速

(1) 減速箱側(cè)制動器失靈。應(yīng)對措施：調(diào)整制動器。

(2) 電機軸端編碼器故障（如光柵盤裂紋）。應(yīng)對措施：更換編碼器。

(3) 編碼器與PG 卡連接松脫，PG卡與主控板連接松脫。應(yīng)對措施：緊固或重新安裝編碼器。

(4) 編碼器屏蔽線接地位置不正確，應(yīng)對措施：引入干擾信號。

3.4 UV 欠壓故障

(1) 直流母線側(cè)接觸器不能正常工作。

①無線圈電壓異常。應(yīng)對措施：檢查接線端子是否松動、輸入電源的電壓變化是否太大。

②接觸器反饋觸點接觸不良，應(yīng)對措施：更換觸點或更換接觸器。

(2) 控制電源電壓低。檢查輸出220V是否正常、查找電源板的輸入電壓和反饋電壓。

(3) 控制電源的外部控制接觸器吸合過早（主回路應(yīng)比控制回路早吸合）。應(yīng)對措施：將電源ON/OFF試一下。

(4) 外部網(wǎng)側(cè)交流電壓過低。對策：檢查電源有否發(fā)生缺相。

(5) 發(fā)生了防止浪涌回路故障。對策：將電源ON/OFF試一下。

3.5 PGO 編碼器斷線

(1) 編碼器至PG卡之間的連線斷線。對策：修理斷線處。

(2) PG卡與主控板連接松動。對策：重新連接。

(3) PG的連線有錯誤。對策：修改接線。

(4) 沒有給PG供電。對策：正確供電。

(5) 制動器未能可靠打開：

①當(dāng)檢測到起升電機有一定的電流或力矩值時，制動器才打開。

② 檢查PLC與INV電流反饋。

③ 制動片制動力過松。對策：調(diào)整制動器。

3.6 OL變頻器過載

(1) 電機過載

①負載太大、加減速時間和周期時間太短引起電子熱保護動作。應(yīng)對措施：修正負載大小、加減速時間、周期時間。檢測電機的額定電流值，檢測電流基準(zhǔn)是在電機參數(shù)E2中的電機額定電流的設(shè)置值(E1是電機輸入輸出設(shè)置)。

②制動器不能正常打開。對策：調(diào)整制動器。

(2) 變頻器過載

①加速時間和周期時間太短引起電子熱保護、變頻器過負載保護動作。對策：修正加速時間和周期時間。

V/f特性的電壓過高。對策：修正V/f特性。

(3) 過力矩

電流超過檢測電流值并持續(xù)超過力矩檢測的檢測時間。應(yīng)對措施：檢查設(shè)定值（L6-05,L6-06）是否適當(dāng)。

3.7 OH散熱片過熱

由于冷卻風(fēng)扇故障、周圍溫度過高、過濾網(wǎng)堵塞等導(dǎo)致變頻器散熱片的溫度超過了設(shè)定值。應(yīng)對措施：可通過更換冷卻風(fēng)扇或清理過濾網(wǎng)，將環(huán)境溫度控制在40℃以下。

3.8 GF接地故障

變頻器輸出側(cè)發(fā)生接地短路（電機燒毀、絕緣老化、電纜破損等引起接地）。應(yīng)對措施：檢查電機或負載側(cè)接線是否與地之間有短路。

3.9 PUF保險絲熔斷

由于變頻器輸出側(cè)的短路、接地而造成輸出晶體管損壞。應(yīng)對措施：排除故障，確定主回路的晶體管無損壞后方可更換保險絲，再進行運轉(zhuǎn)。

3.10 CPFx 控制回路有異常

(1) 數(shù)字式操作器傳送異常?？赡苁遣僮髌鞯亩俗咏佑|不良或變頻器控制回路不良引起，可取下操作器再重新安裝。

(2) 外來的干擾、過強的振動沖擊造成控制電路故障，連接接觸不良?？蓪㈦娫辞袛?，再送電源（ON/OFF）試試。

(3) 通訊電纜接觸不良。檢查通訊電纜連接是否正確。重新確認系統(tǒng)參數(shù)，記下全部數(shù)據(jù)后進行初始化。

3.11 OPEx 操作出錯

變頻器不能啟動。這樣的場合，一定要按照出廠設(shè)定范圍修正參數(shù)設(shè)定值。

4 變頻器硬件更換注意事項

4.1 IGBT的更換

(1) 在不通電的情況下，用萬用表測量P、N分別與u、v、w的兩端阻值,再測量輸出三相之間的平衡，以檢測輸出三相與直流母線的阻抗是否對稱。

(2) 檢測無疑后，通電檢查直流母線電壓是否正常。充電指示燈是否正常。

(3) 更換IGBT應(yīng)配對使用，封存IGBT時，G和E應(yīng)用銅導(dǎo)線短接。

4.2 驅(qū)動板的更換

需仔細核對插頭與插座的編號是否一致，是否有插座是空的。

4.3 主控板的更換

更換主控板后，需設(shè)置變頻器的應(yīng)用參數(shù)、電機參數(shù)、保護參數(shù)。

4.4 PG卡的更換

需核對接線端子是否正常。如果換卡后，電機啟動有振動，不能正常運轉(zhuǎn)，這時要將A、B相對調(diào)。

4.5 G5或G7 系列通訊板的更換

只需核對變頻器硬件站號設(shè)置的撥碼開關(guān)，檢查指示燈是否正常。

676HA5系列變頻器通訊板CP916A是獨一CPU，更換后，需上傳配置程序。

5 變頻器的保養(yǎng)與檢查

5.1 日常檢查

在系統(tǒng)正常動作的狀態(tài)下,要對以下幾種情況進行檢查:

(1) 電機有否異常聲音及振動。

(2) 有否異常發(fā)熱。

(3) 周圍溫度是否過高,如果環(huán)境溫度高，應(yīng)改善柜內(nèi)通風(fēng)情況，有條件的話，可安裝空調(diào)進行降溫。

(4) 輸出電流監(jiān)視表示是否與通常值相差很大。

(5) 變頻器下部安裝的冷卻風(fēng)扇是否正常運轉(zhuǎn)，若有異常聲音或抖動，就要拆下檢修或更換。

5.2 定期檢查

檢查時,一定要先切斷電源并待表面的LED指示燈全部熄滅后，經(jīng)過3min后才可進行檢查。倘若在切斷電源后馬上觸摸接線端子，會有觸電的危險。

(1) 檢查并緊固安裝在外部的接線端子、連接插件是否松動，若有松動，則要擰緊或重裝。

(2) 檢查散熱片上有否堆積垃圾或灰塵，若有，則要用電吹風(fēng)吹掉，最好不要用壓縮空氣，因為壓縮空氣一般含有水氣。

(3) 檢查印刷基板、功率元件是否有導(dǎo)電塵埃或油膩吸附，若有，就用電吹風(fēng)吹掉。

(4) 檢查三相輸出電流是否平衡，如果不平衡,可試著對調(diào)其中的兩相，如果還是不平衡，需檢查變頻器內(nèi)部電路。

(5) 檢查輸出電壓是否正常。

5.3 定期清潔

定期清理內(nèi)部灰塵，以保證熱風(fēng)道通暢。變頻器工作時會產(chǎn)生熱量，一般靠自身的風(fēng)扇強制冷卻?？諝馔ㄟ^散熱通道時，空氣中的塵埃容易附著或堆積在變頻器內(nèi)部的電子元件上，從而影響散熱。當(dāng)溫度超過允許工作點時，會造成跳閘，嚴重時會縮短變頻器的壽命。在變頻器內(nèi)的電子元件與風(fēng)道無隔離的情況下，由塵埃引起的故障更為普遍。因此，變頻器的防塵問題尤其值得注意，除塵可采用電動除塵器。

6 結(jié)束語

目前的變頻器可靠性很好，具有許多保護功能，變頻器本身很少發(fā)生破壞性故障。但是，在變頻器的使用過程中會因為設(shè)計、使用不當(dāng)或負載的突然變化等原因出現(xiàn)系統(tǒng)故障而使變頻器報警和停止工作。只要使用方法正確，并不間斷地定期檢查、維護，不但可避免許多繁瑣的人工操作，減少不安全隱患因素，還能使系統(tǒng)始終處在節(jié)能狀態(tài)下安全、可靠地運行，從而延長設(shè)備的使用壽命，減少機械故障停機時間，更好地適應(yīng)生產(chǎn)需求。

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