變頻器故障實例分析和處理

尹天平

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司第四鋼軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

交流變頻器調(diào)速技術(shù)，隨著新型大功率電力電子、集成電路和微機技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，已日趨完善和提高，它以調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速精度高、保護(hù)功能完善和操作簡單等優(yōu)點，已在冶金、石化、電力、家用電器等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。交流變頻器主要由控制處理器、整流、逆變、制動單元和濾波等組件構(gòu)成，可實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。

故障排除作為變頻器維護(hù)工作的重點，不僅要求專業(yè)維護(hù)人員必須全面了解其原理、結(jié)構(gòu)和控制方式，而且還要具備豐富的實踐經(jīng)驗和扎實的電氣理論基礎(chǔ)。通常，變頻器故障可分兩類：一種是由于高溫、粉塵和潮濕環(huán)境引起的組件損壞等硬件故障，其處理方法是對變頻器停機解體查找更換損壞件后，恢復(fù)系統(tǒng)即可；另一類是由于操作、工況變化或參數(shù)設(shè)置不當(dāng)所產(chǎn)生的保護(hù)性停機故障，屬于軟故障，其特點為偶發(fā)或頻發(fā)但故障復(fù)位后仍可以啟動或運行，一般根據(jù)變頻器說明書上提供的方法進(jìn)行解決。除此之外，還有一些特殊故障，通過變頻器自我診斷功能仍無法輕易找出故障原因，需要深入分析各種潛在因素，辯證地解決問題。

以下對馬鞍山鋼鐵股份有限公司（以下簡稱馬鋼）煉鋼300 t轉(zhuǎn)爐本體傾動所用西門子SINAMICS S120變頻器，在實際使用中出現(xiàn)的特殊故障進(jìn)行研究分析，并介紹處理過程。

1 轉(zhuǎn)爐傾動結(jié)構(gòu)介紹

馬鋼煉鋼300 t轉(zhuǎn)爐本體傾動系統(tǒng)主要由4臺710 kW變頻柜、4臺400 kW三相變頻電機、1套四合一減速機、傳動軸和爐體構(gòu)成。每臺變頻柜驅(qū)動電機，將電能轉(zhuǎn)化為機械能后，再經(jīng)1套四合一減速機耦合成一傳動軸來帶動爐體360°自由轉(zhuǎn)動，以滿足裝料、吹煉、出鋼、倒渣和爐體維護(hù)等不同工藝對不同轉(zhuǎn)爐角度的要求。其驅(qū)動裝置為西門子最新SINAMICS S120低壓交流變頻器，功率710 kW，采用單機傳動和矢量控制模式，電機制動為外置式抱閘由PLC控制方式，可以很好地實現(xiàn)同步運行。

驅(qū)動配置詳見圖1轉(zhuǎn)爐本體傾動系統(tǒng)示意圖。正常工作時，首先滿足轉(zhuǎn)爐傾動合閘條件，待傾動選擇開關(guān)置于工作位（另一為檢修位）時，進(jìn)線斷路器自動合閘，同時變頻器上電經(jīng)預(yù)充電后進(jìn)入等待狀態(tài)，操作人員通過操作臺上的搖爐手柄觸發(fā)PLC控制程序執(zhí)行相應(yīng)指令，再通過DP網(wǎng)絡(luò)把控制字和速度給定送至4臺變頻器，通過驅(qū)動4臺變頻電機，從而操控轉(zhuǎn)爐正反轉(zhuǎn)以及速度變化；當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾動條件異常時包括設(shè)備故障時，系統(tǒng)會立即采取斷開進(jìn)線斷路器、關(guān)閉抱閘，同時封鎖脈沖等急停措施，防止失控造成爐內(nèi)液態(tài)金屬外溢等安全事故的發(fā)生。

圖1 轉(zhuǎn)爐本體傾動系統(tǒng)示意圖

2 轉(zhuǎn)爐傾動變頻器故障現(xiàn)象描述

2012年投產(chǎn)后，馬鋼轉(zhuǎn)爐傾動變頻器的進(jìn)線斷路器偶爾發(fā)生跳電現(xiàn)象。檢查變頻器的整流器正常，但逆變器報F7802即整流或驅(qū)動單元未準(zhǔn)備好故障，經(jīng)故障復(fù)位又可啟動運行。由于變頻器和進(jìn)線斷路器故障連鎖均可導(dǎo)致斷路器跳電，為查清故障原因，借助PDA信號采集軟件，在同一時間坐標(biāo)下，跟蹤變頻器和斷路器的故障反饋信號，最終確認(rèn)進(jìn)線斷路器的跳電源于變頻器F7802故障。

將歷次故障統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，該故障均發(fā)生在變頻器停機期間，詳見圖2轉(zhuǎn)爐傾動S120變頻器F7802故障 PDA采樣圖，圖中 get torque、get current、get_speed、brake FB、SP_Total、CTW_3 和 STW_3 分別為電機的轉(zhuǎn)矩、電流、速度、抱閘反饋、斜坡發(fā)生器輸出速度設(shè)定值的變頻器控制字和狀態(tài)字。從圖2變頻器狀態(tài)字STW_3中的故障位的上升沿，可輕易地推出該故障發(fā)生在標(biāo)尺位置，同時也是控制字CTW_3中變頻器由接通指令轉(zhuǎn)停機的時刻；顯然，這與S120變頻器說明書中關(guān)于F7802故障的解釋，即“整流單元或者驅(qū)動單元在內(nèi)部接通指令后沒有回饋就緒所引起的故障”相矛盾。為一探究竟，我們還是決定對說明書中關(guān)于該故障給出的具體原因進(jìn)行逐條分析。

一是功率單元監(jiān)控時間短，查詢變頻器該參數(shù)原設(shè)置為6 s，將其延長至最大值60 s后，但故障依然會發(fā)生；二是直流母線電壓不存在，但實際電壓根據(jù)PDA采樣顯示正常；三是驅(qū)動組件硬件故障，這顯然與故障復(fù)位又可以繼續(xù)運行的結(jié)果相矛盾；四是輸入電壓設(shè)置錯誤，事實該參數(shù)為560 V完全符合變頻器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過以上對每項故障原因的分析和驗證，可以得出結(jié)論，馬鋼300 t轉(zhuǎn)爐傾動S120變頻器發(fā)生的F7802是一種軟故障中的特例，需進(jìn)一步分析和探討。

圖2 轉(zhuǎn)爐傳動S120變頻器F7802故障跟蹤趨勢圖

3 故障原因分析和處理過程

3.1 操作和工況原因分析

將最近6次故障采集數(shù)據(jù)整理得出表1。如果將轉(zhuǎn)爐傳動角度0～360°轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系下的四個象限；將0°定義為轉(zhuǎn)爐垂直位，0°→360°轉(zhuǎn)動方向為正轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)爐360°→0°視為反轉(zhuǎn)，那么由表1可以看出故障在四個象限均有分布；無論正反轉(zhuǎn)操作，還是變頻器接通即運行時間的長短均有故障發(fā)生；另外，4臺變頻器均發(fā)生了故障，從而可以得出結(jié)論，S120變頻器的F7802故障與轉(zhuǎn)爐的旋轉(zhuǎn)方向、角度以及操作時間長短無任何關(guān)聯(lián)，由此可以排除操作和工況變化因素。

其次，為消除接觸不良通訊間斷造成的故障，利用檢修時間停機檢查并緊固接線，尤其對控制單元與整流、逆變和編碼器接口模塊之間的DRIVE-CLiQ連線插頭進(jìn)行重新連接，同時檢查驅(qū)動柜構(gòu)造和布線，完全符合EMC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 轉(zhuǎn)爐傳動變頻器故障運行信息表

3.2 驅(qū)動同步性原因分析

馬鋼300 t轉(zhuǎn)爐本體傾動由4臺而非1臺電機拖動；相對于每次故障僅限于1臺變頻器而非2臺或2臺以上同時發(fā)生；那么，該系統(tǒng)的4臺電機的同步性如何，會不會是F7802故障的潛在原因，通過分析，我們確認(rèn)現(xiàn)場總線通訊傳輸、PLC同一控制電機抱閘以及上位機做轉(zhuǎn)矩平衡的方式完全可以滿足同步性能的要求，具體分析如下：

首先，4臺變頻器與上位機PLC以現(xiàn)場總線通訊的方式，雖然先天決定了命令源無法做到絕對同步傳輸，但相對于1.5 Mbit/s的總線傳輸速率以及幾十毫秒的PLC掃描周期，4臺變頻器接受PLC命令源的時間偏差可以忽略不計，完全可以滿足技術(shù)要求。其次，4臺電機抱閘全部采用PLC的同一位數(shù)字量輸出點DO控制的方式，可以保證抱閘開關(guān)動作的一致性；還有，通過PLC讀取4臺電機的轉(zhuǎn)矩實時值在程序中作轉(zhuǎn)矩平衡運算，同時將計算結(jié)果以速度給定的形式給電機進(jìn)行補償，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩同步。

另外，可以從抱閘、速度和電流等參數(shù)曲線客觀地衡量該系統(tǒng)的同步性能，詳見圖2傾動4臺電機的電流、速度和抱閘跟蹤。此圖由PDA軟件取樣所得，圖中g(shù)et current、get speed和brake FB分別為轉(zhuǎn)爐傾動每臺機電流、速度反饋值以及抱閘反饋信號，其掃描周期為10 ms，電流和速度滿量程信號為16384。從4臺電機跟蹤曲線可清晰地反映出電流、速度和抱閘的同步性很好，完全滿足系統(tǒng)要求，可以排除系統(tǒng)同步性原因引起的故障。

圖3 傾動4臺電機的電流、速度和抱閘跟蹤

3.2 抱閘功能的停機識別原因分析

對照6SE70與S120變頻器的順序控制圖可知，后者除了故障、OFF2等信息外，還存在著與斜坡發(fā)生器相關(guān)的S5a步引起故障的可能性，詳見圖4西門子S120變頻器順控圖中空心箭頭標(biāo)示部分。

空心箭頭所指的故障形成過程可簡單描述為，變頻器在停機零速檢測（S120變頻器擴展抱閘的功能）期間，某種條件下，有可能發(fā)生故障；這恰好與圖2反映的轉(zhuǎn)爐傾動S120變頻器停機時所報F7802故障相吻合。顯而易見，上述條件特指Pulse enable HW即脈沖使能信號為“0”時?？傊谕C零速檢測期間，如果發(fā)生脈沖使能丟失情況，S120變頻器有可能發(fā)生故障，原因如下：

圖4 西門子S120變頻器順序控制

追溯Pulse enable HW信號至圖5西門子S120變頻器抱閘控制邏輯，該信號邏輯結(jié)果是變頻器OFF1正常停機期間，電機的轉(zhuǎn)速實際值低于轉(zhuǎn)速閾值20 r/min，并且該情況持續(xù)超出了監(jiān)控時間，變頻器會自動判定為停機，該過程稱之為停機識別。因此，當(dāng)上位機PLC停機命令先于停機識別有效時，變頻器則由運行狀態(tài)回到準(zhǔn)備運行狀態(tài)，屬正常停機過程；否則，變頻器觸發(fā)OFF信號出現(xiàn)保護(hù)性停機故障。

圖5 西門子S120變頻器抱閘控制邏輯

4 停機識別故障處理過程

掌握S120變頻器抱閘功能的停機識別原理后，根據(jù)上位機PLC控制指令中接通斷電延時時間2.4 s、最大速度給定39.673 Hz以及變頻器中斜坡發(fā)生器的下降沿時間3 s，理論上推算出所需停機識別的監(jiān)控時間最小值為：2.4 s-39.673 Hz/50 Hz×3.0 s=0.02 s。

另外，因沒有啟用抱閘控制功能，變頻器中有關(guān)抱閘的所有參數(shù)均為出廠默認(rèn)值，由圖5可知停機識別的總監(jiān)控默認(rèn)時間等于電機轉(zhuǎn)速實際值低于轉(zhuǎn)速閾值的過濾時間（p1228）加上關(guān)抱閘延時時間（p1217）為0.1 s，非常接近上述理論最小值，理論上基本滿足要求；但是，考慮到速度跟隨偏差和速度反饋編碼器檢測誤差，實際上停機識別監(jiān)控時間的出廠默認(rèn)設(shè)定值無法完全滿足目前使用要求。因此，變頻器發(fā)生故障的概率還是存在的。

按照上述理論計算的結(jié)果，將電機轉(zhuǎn)速實際值低于轉(zhuǎn)速閾值的過濾時間P1228參數(shù)修改為1.5 s后，從而解決了馬鋼轉(zhuǎn)爐傾動SINAMICS S120變頻器所發(fā)生的F7802故障。

5 結(jié)論

300 t轉(zhuǎn)爐傾動S120變頻器發(fā)生F7802特殊故障后，經(jīng)全面分析和研究，最終確認(rèn)故障原因，并于2013年5月優(yōu)化參數(shù)后運行至今，實現(xiàn)了平穩(wěn)無故障運行，保證了煉鋼轉(zhuǎn)爐高效安全生產(chǎn)。

西門子6SE70與S120變頻器 在抱閘控制上有本質(zhì)上的區(qū)別，前者可以不用抱閘控制功能，而且不對變頻器造成影響；但是，SINAMICS S120變頻器卻截然相反，即使不啟用抱閘控制功能，該部分參數(shù)仍然會參與順控控制。因此，調(diào)試和維護(hù)變頻器工作中要注意區(qū)別和選定。

另外，為研究SINAMICS S120停機識別與F7802故障的必然性，將S120變頻器的負(fù)載由轉(zhuǎn)爐類改為氧槍勢能性負(fù)載，在停機識別先于操作停機指令有效的條件下，變頻器會發(fā)生電機轉(zhuǎn)速過快F7901故障。因此，SINAMICS S120停機識別有效時會引起何種故障，因驅(qū)動負(fù)載類型的不同而變化，并非一定會發(fā)生F7802故障；所以，解決變頻器故障遇阻時，可將抱閘功能的停機識別納入考慮范疇。