西門子M440變頻器深度維護及改進探究

劉樂翔，于韶東，蔣大鵬，吳曉劍

（上汽通用東岳汽車有限公司，山東 煙臺 264006）

0 引 言

隨著變頻器的廣泛應用，各行業(yè)根據(jù)工藝需求安裝使用大量的大功率西門子M440變頻器。而M440變頻器已經(jīng)停產(chǎn)，許多變頻器已進入老化期，故障頻發(fā)，替代變頻器控制方式、接線變化大，成本高。通過分析故障原理進行日常維護及改進升級，能夠做到將M440變頻器修復如新，保證變頻器的可靠運行[1]。

1 變頻器原理分析

變頻器的故障點主要在電氣方面，修復變頻器必須精通變頻器各電路的工作原理。變頻器電路主要由整流回路、逆變回路、驅動電路以及檢測回路組成，其中整流回路與逆變回路是變頻器故障點最多的電路[2]。

1.1 整流電路原理分析

三相橋式全控整流電路由6個可控硅組成，通過可控硅導通來實現(xiàn)整流過程，導通順序遵循原則為共陰極連接電位最高者與共陽極連接電位最低者先導通[3]。三相交流電波形如圖1所示，從T0到T1時刻，L3相位最高，L2相位最低，所以可控硅VT5與VT6先導通；從T1到T2時刻，L1相位最高，L2相位最低，可控硅VT1與VT6先導通；從T2到T3時刻，L1相位最高，L3相位最低，可控硅VT1與VT2先導通；從T3到T4時刻，L2相位最高，L3相位最低，可控硅VT2與VT3先導通；從T4到T5時刻，L2相位最高，L1相位最低，可控硅VT3與VT4先導通；從T5到T6時刻，L3相位最高，L1相位最低，可控硅VT4與VT5先導通；從T6到T7時刻，L3相位最高，L2相位最低，可控硅VT5與VT6先導通，依次循環(huán)。三相之間的相位差是120°，每個可控硅導通相位差為60°，同相兩個橋的導通相位差是180°[4]。

圖1 三相交流電波形圖

1.2 可控硅觸發(fā)回路分析

可控硅觸發(fā)回路用于驅動可控硅的導通，是電流驅動信號。將UC3844電源管理芯片當作脈沖發(fā)生器來使用，該電路并非開關電源電路，因輸出負載是定值，所以不需要調整脈寬和電壓反饋信號，固定輸出占空比為49%[5]。脈沖變壓器主繞組如圖2所示。

圖2 脈沖變壓器主繞組

1.3 逆變電路路原理分析

電路工作時，每相逆變橋分上橋與下橋，每個上橋或下橋都有3組IGBT。每相上橋或下橋的3個IGBT同時工作，但是每相的上橋與下橋不能同時工作。

2 維修案例解析

變頻器報警代碼是F0001，屬于過流報警。過流保護主要是指電流峰值超過了其最大允許電流，具有突變性和反時限特性。

2.1 原因分析

過流報警分軟故障與硬故障。軟故障是指設置變頻器參數(shù)時，加速時間設置太短，造成電流過大，引起變頻器報警。硬故障報警一般有兩個原因，一是變頻器輸出端短路或者三相不平衡，引起過電流報警；二是電流檢測回路出現(xiàn)故障，如互感器、霍爾傳感器以及取樣電阻等出現(xiàn)問題而引起報警[6]。

2.2 檢測方法

對故障變頻器進行拆檢后，根據(jù)報警代碼著重檢查逆變輸出回路功率元件IGBT模塊。對IGBT的檢測首先使用萬用表二極管檔檢測IGBT是否有擊穿現(xiàn)象，檢查后發(fā)現(xiàn)IGBT狀態(tài)正常，接下來用低電壓檢測電路檢測，若IGBT工作狀態(tài)正常，則確定IGBT逆變模塊沒有損壞。然后檢查電流互感器及檢測回路，狀態(tài)正常。根據(jù)變頻器工作原理判斷過流報警的原因是三相電流不平衡造成的，IGBT本身沒有擊穿短路，檢測回路沒有問題，有可能是某一逆變橋沒有工作造成電流不平衡，可以確定問題出在IGBT的驅動回路上[7]。

對IGBT六路驅動回路依次進行檢測時，發(fā)現(xiàn)V相下橋5號IGBT驅動回路有異常。變頻器IGBT驅動回路如圖3所示，5號IGBT由U4光耦輸出經(jīng)R42限流電阻接到5號IGBT的柵極，檢測發(fā)現(xiàn)R42電阻燒壞，U4光耦6腳輸出端接地，D15穩(wěn)壓管擊穿。造成原件損壞的原因電源短路造成的，接下來檢測光耦供電電源的穩(wěn)壓管D6被擊穿，這是造成電源短路的根本原因[8]。

圖3 變頻器IGBT驅動回路

根據(jù)三相橋式逆變的工作原理，IGBT模塊總是有3個逆變橋同時工作，給電機三相繞組供電，現(xiàn)在5號IGBT因故障不能正常工作，造成電機三相電流不平衡，所以出現(xiàn)F0001過電流報警[9]。

3 故障根本原因查找及改進實施

3.1 根本原因總結

通過對M440變頻器的維修，發(fā)現(xiàn)變頻器損壞主要原因有3種。一是風道堵塞，散熱不良，造成功率管失控、擊穿；二是電路板積灰，造成電路板短路；三是冷凝水過多，造成電路板短路[10]。

3.2 設計缺陷及改進升級

3.2.1 風道裝配缺陷

風道裝配缺陷主要體現(xiàn)為存在縫隙，由于變頻器風道裝配缺陷，冷卻風機將灰塵沿縫隙吹到電路板上，在電路板上形成積灰，從而容易引起電路板短路。改進方法是用熱熔膠將縫隙密封，隔絕灰塵進入。

3.2.2 變頻器冷卻風機運行方式設計缺陷

M440變頻器冷卻風機的運行方式是變頻器運行，風機開啟，變頻器停止運行，冷卻風機隨即停轉。此時風機內部的高溫無法快速散出，因溫差過大，導致冷凝水產(chǎn)生。改進方法是將冷卻電機由變頻器電源板供電改為由外部PLC控制，在變頻器停止后冷卻風機繼續(xù)運行至無冷凝水產(chǎn)生。冷卻風機改進前后對比如圖4所示。

圖4 冷卻風機改進前后對比圖

4 深度維護

經(jīng)過對變頻器維修拆檢發(fā)現(xiàn)，變頻器散熱器、電路板、銅排以及電容等均出現(xiàn)灰塵堆積和腐蝕等情況，通過對變頻器進行深度清洗和保養(yǎng)，完全可以延長變頻器的全生命周期，修復如新。深度保養(yǎng)前后對比如圖5所示。

圖5 深度保養(yǎng)前后對比圖

5 結 論

變頻器在應用過程中應充分考慮環(huán)境對電路板的影響。為延長變頻器的全生命周期，深入了解其工作原理及其引起故障的根本原因，針對根本原因進行改進升級，保全深度維護后的變頻器能穩(wěn)定高效運行。