軟啟動(dòng)器無負(fù)載類故障機(jī)理分析

河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司 陳光遠(yuǎn) 羅 敏 鄭 明 李雪生

0 引言

軟啟動(dòng)器(全文簡(jiǎn)稱軟啟)于上世紀(jì)70年代末初投入市場(chǎng)。因其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本適中、啟動(dòng)平滑等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與工礦企業(yè)中。司家營(yíng)研山鐵礦內(nèi)軟啟設(shè)備采用AB公司的SMC-Flex Bulletin 150系列軟啟動(dòng)器，其模塊化設(shè)計(jì)、集成化I/O端子等特點(diǎn)極大的簡(jiǎn)化了安裝接線和控制結(jié)構(gòu)，軟啟控制單元全系列通用，更換方便快捷，擁有數(shù)據(jù)鍵值和診斷功能，能極大的節(jié)省維修時(shí)間。

1 故障研究背景及意義

司家營(yíng)研山鐵礦與2011年3月31日投產(chǎn)，碎礦產(chǎn)線內(nèi)軟啟設(shè)備在投入使用初期運(yùn)行穩(wěn)定、狀態(tài)良好，但在投入運(yùn)行一年左右開始陸續(xù)出現(xiàn)無負(fù)載類故障停機(jī)，實(shí)際故障為A、B、C隨機(jī)某相或全部（故障代碼16、17、18或40）無負(fù)載故障，經(jīng)檢查負(fù)載情況已排除用戶手冊(cè)中給出的故障原因。此類故障間歇出現(xiàn)，將故障復(fù)位后能再次啟車，隨著時(shí)間的推移，故障間隔越來越短，在不更換軟啟功率單元的情況下只更換控制單元能使故障暫時(shí)消失，但是經(jīng)過數(shù)月時(shí)間運(yùn)行后，故障又會(huì)再次出現(xiàn)。特別值得注意的是2017年下半年供電部門，將電壓允許范圍調(diào)大后（仍在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)），此類故障猛增，最多時(shí)達(dá)到三個(gè)配電室4臺(tái)軟啟同時(shí)報(bào)無負(fù)載故障。

故障出現(xiàn)時(shí)造成相關(guān)流程設(shè)備重載連鎖停車，重載啟動(dòng)造成的機(jī)械耗損和對(duì)電網(wǎng)沖擊違背軟啟設(shè)計(jì)初衷，而故障停車造成的皮帶堵料、壓料，需要大量人力物力進(jìn)行清理，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，車間內(nèi)軟啟設(shè)備共計(jì)41臺(tái)，至2018年初，更換的軟啟控制單元已達(dá)20余個(gè)，備件成本消耗巨大，該問題嚴(yán)重制約生產(chǎn)又占用大量備件費(fèi)用。經(jīng)過查詢考證，采用同類設(shè)備的其他車間乃至其他企業(yè)也有此類故障，如能解決將受益廣泛。

2 故障機(jī)理分析

以2016年初干選2-2皮帶多次報(bào)無負(fù)載故障為例，發(fā)現(xiàn)每次故障都是在夜間出現(xiàn)，且多次是在干選2-2運(yùn)行平穩(wěn)后，啟動(dòng)干選2-1時(shí)干選2-2報(bào)故障，因?yàn)閮蓚€(gè)軟啟在一個(gè)控制柜內(nèi)，干選2-2為干選2-1的下級(jí)皮帶，且干選2-1為200KW電機(jī)，功率較大，啟動(dòng)時(shí)有明顯震動(dòng)，在排除線路原因后，最開始認(rèn)為可能是震動(dòng)導(dǎo)致故障出現(xiàn)，然而嘗試人工震動(dòng)柜子并不能誘發(fā)故障。結(jié)合加裝記錄儀中的錄像文件和監(jiān)控畫面電流趨勢(shì)圖，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)軟啟先是停止然后再次啟動(dòng)，之后馬上報(bào)出無負(fù)載故障，期間啟動(dòng)繼電器和制動(dòng)抱閘接觸器一直處于吸合狀態(tài)。

（1）軟啟報(bào)無負(fù)載故障原因分析：電機(jī)運(yùn)行中突然斷電而制動(dòng)抱閘不斷電，電機(jī)會(huì)因慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且電機(jī)與負(fù)載連接處的液力耦合器會(huì)延長(zhǎng)電機(jī)慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)間。結(jié)合軟啟動(dòng)器原理，軟啟啟動(dòng)階段晶閘管導(dǎo)通角逐步增大，電壓逐步增加到工頻電壓。停機(jī)后再次啟動(dòng)的瞬間，軟啟輸出電壓低，而工頻下處于接近額定轉(zhuǎn)速下的電機(jī)阻抗較大，使軟啟輸出電流過低導(dǎo)致軟啟認(rèn)為未接通負(fù)載報(bào)出無負(fù)載故障。經(jīng)試驗(yàn)斷開啟動(dòng)信號(hào)后立即接通同樣可報(bào)出無負(fù)載故障，而斷開數(shù)秒后再次接通時(shí)，軟啟只是停止后正常啟動(dòng)，沒有故障報(bào)出。

（2）停車再起動(dòng)原因分析：設(shè)備運(yùn)行時(shí)控制回路處于PLC遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，遠(yuǎn)程啟動(dòng)信號(hào)繞過手動(dòng)按鈕和自鎖點(diǎn)長(zhǎng)期閉合，PLC程序設(shè)定檢測(cè)到設(shè)備運(yùn)行反饋丟失后延時(shí)數(shù)秒才輸出停車信號(hào)，因此故障發(fā)生期間軟啟啟動(dòng)信號(hào)輸入端一直處于得電狀態(tài)。針對(duì)上述情況考慮是啟動(dòng)信號(hào)不能進(jìn)入軟啟控制單元內(nèi)部邏輯的原因，控制軟啟啟動(dòng)的信號(hào)電壓為220V，接入控制單元16、17號(hào)端子，要變成電路中可用的邏輯電平信號(hào)必然需要降壓或隔離。據(jù)此將拆回的故障控制單元拆開，根據(jù)電路板上的電路走向，推測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)為常見的阻容降壓電路。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)相關(guān)電路上品牌為RIFA的330nf和150nf的金屬化薄膜電容衰減較大，兩種電容誤差等級(jí)M（20%），拆下后直接測(cè)量330nf的電容只剩下187nf，誤差達(dá)44%，150nf的電容只剩下47nf，誤差達(dá)69%。電容容量降低后，容抗增大，導(dǎo)致電路降壓過度，此時(shí)電壓波動(dòng)至低谷就會(huì)輸入端電流不足以維持啟動(dòng)信號(hào)造成停機(jī)，電壓恢復(fù)后就會(huì)再啟動(dòng)，隨著電容容量的不斷降低，所能承受的電壓波動(dòng)范圍越來越小繼而故障越來越頻繁。干選車間出現(xiàn)故障是處于夜間，電壓相對(duì)較低，干選2-1又是大功率設(shè)備，啟動(dòng)時(shí)電流大進(jìn)一步拉低變壓器二次側(cè)電壓，導(dǎo)致干選2-2出現(xiàn)無負(fù)載故障。2017下半年較故障頻發(fā)時(shí)查看高壓側(cè)電壓趨勢(shì)圖，故障時(shí)段電壓確實(shí)有瞬時(shí)低谷，通過對(duì)衰減的金屬化薄膜電容進(jìn)行更換后修復(fù)了一批控制單元，經(jīng)過試驗(yàn)后可再次投入使用。

圖1 拆解的薄膜電容自愈點(diǎn)放大圖（左）和整體圖片（右）

（3）金屬化薄膜電容失效分析：影響金屬化薄膜電容容值變化的原因很多，如溫度、工作電壓、制作工藝、諧波等，正規(guī)廠家生產(chǎn)的薄膜電容壽命一般在5-8年，出現(xiàn)快速衰減的情況一般受工作環(huán)境影響較大，結(jié)合相關(guān)資料，認(rèn)為電容失效的原因主要有兩個(gè)，一是因制作工藝限制，膜層之間存在微量的空氣，工作時(shí)在電場(chǎng)作用下被電離，產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑-臭氧，金屬鍍層被臭氧氧化后生成不導(dǎo)電的金屬氧化物，實(shí)際表現(xiàn)為極板面積減小，電容容量下降，如薄膜電容密封不嚴(yán)則會(huì)加快氧化，上述故障不是特例，且電容衰減嚴(yán)重，而AB公司對(duì)控制單元電路板都噴涂了三防漆，也可基本排除因密封不嚴(yán)導(dǎo)致外部空氣進(jìn)入的原因；二是金屬化薄膜的自愈性特點(diǎn)，即在介質(zhì)絕緣不好或者疵點(diǎn)處極板間放電造成金屬鍍膜蒸發(fā)形成空白區(qū)域恢復(fù)絕緣，如果自愈點(diǎn)過多或連續(xù)出現(xiàn)，實(shí)際表現(xiàn)也為極板面積減小，容量下降，自愈不好還會(huì)導(dǎo)致金屬噴金層部分或整體脫落。經(jīng)拆解失效的電容發(fā)現(xiàn)自愈現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

（4）薄膜電容短時(shí)大量自愈原因分析：除生產(chǎn)工藝原因外金屬化薄膜電容極板間發(fā)生放電自愈的條件主要有兩個(gè)，尖峰電壓和金屬化膜絕緣老化。尖峰電壓多源于諧波產(chǎn)生的局部串聯(lián)或并聯(lián)諧振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電子設(shè)備過電壓、過電流損壞，同時(shí)諧波造成供電頻率增大，較大的輸出電壓變化率（dv/dt）又會(huì)導(dǎo)致電容介質(zhì)損耗增加，加速絕緣老化，與尖峰電壓共同作用導(dǎo)致更多區(qū)域發(fā)生放電自愈，局部放電又會(huì)引起絕緣介質(zhì)劣化，兩者惡性循環(huán)導(dǎo)致金屬化薄膜電容頻繁自愈、迅速失效。因條件有限，僅可用示波器測(cè)量大功率軟啟啟動(dòng)階段的單相電壓波形，發(fā)現(xiàn)波形在啟動(dòng)開始時(shí)明顯雜亂、畸變嚴(yán)重，之后逐漸平穩(wěn)至正弦波形，證明此時(shí)電網(wǎng)含有大量諧波污染。

包含整流裝置的軟啟、變頻器、UPS、乃至弧焊機(jī)等非線性負(fù)載都是諧波源，公司內(nèi)變頻器輸入輸出端一般都有電抗器可以有效抑制諧波污染，軟啟因一般只在啟動(dòng)階段會(huì)產(chǎn)生諧波未予安裝，工廠內(nèi)軟啟控制單元設(shè)計(jì)為直接與工頻電壓相連，中間沒有隔離設(shè)施，同一變壓器二次側(cè)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波可直接作用在控制單元輸入端的薄膜電容上。干選配電室有十臺(tái)軟啟設(shè)備且有四臺(tái)小功率變頻器未安裝電抗器，因此故障率明顯高于其他軟啟設(shè)備較少的配電室。

3 解決方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)用電情況，軟啟只在啟動(dòng)階段產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)危害不大，因此對(duì)軟啟輸入輸出端加裝電抗器意義不大且成本較高。經(jīng)過對(duì)比分析，EMI電源濾波器是由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波電路，作用是允許設(shè)備正常工作時(shí)的頻率信號(hào)進(jìn)入設(shè)備，而對(duì)高頻的干擾信號(hào)有較大的阻礙作用，已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備電源輸入端，如車間內(nèi)的金屬探測(cè)器控制箱內(nèi)就有此設(shè)備，體積小、價(jià)格低、方便安裝，應(yīng)用在軟啟控制單元供電處可以有效抑制諧波進(jìn)入控制單元，保護(hù)電子元件，提高設(shè)備壽命。經(jīng)初步改造，試運(yùn)行兩個(gè)月后，試驗(yàn)設(shè)備中的薄膜電容沒有衰減。目前已完成破碎產(chǎn)線內(nèi)所有軟啟改造。

4 結(jié)論

諧波污染是軟啟無負(fù)載類故障的根本原因，這和設(shè)計(jì)之初控制回路未按軟啟手冊(cè)安裝隔離變壓器有關(guān)，此外操作員啟動(dòng)設(shè)備時(shí)應(yīng)注意流程避免短時(shí)啟動(dòng)大量軟啟導(dǎo)致諧波大量產(chǎn)生。此類故障在非慣性負(fù)載上可能表現(xiàn)為無故障停車，企業(yè)應(yīng)重視諧波污染對(duì)電子設(shè)備的損害。