6SE70系列变频器应用于卸船机驱动控制的典型故障分析

陈 凡 赵 磊 吴雨齐

(1.宁波港股份有限公司，浙江宁波 315800;2.武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)



6SE70系列变频器应用于卸船机驱动控制的典型故障分析

陈 凡1赵 磊2吴雨齐1

(1.宁波港股份有限公司，浙江宁波 315800;2.武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

介绍了西门子6SE70系列交流变频器应用于桥式抓斗卸船机驱动控制的结构形式和功能，分析了驱动系统运行中出现的典型故障及原因，并探讨了改进措施。

桥式抓斗卸船机；6SE70变频器；典型故障

桥式抓斗卸船机是一种大型的非连续性散货运输机械，具有卸载量大、接卸效率高及节能等特点，大量应用于港口散货中转业务。公司从2005年开始分批引进了5台上海振华(ZPMC)公司生产的卸载效率2500吨/时的桥式抓斗卸船机，电控系统选用西门子S7-400系列PLC加6SE70系列交流变频器组成。桥式抓斗卸船机一般由五个主要机构和一些辅助机构组成，五个主要机构为抓斗支持机构、抓斗开闭机构、小车横行机构、悬臂起伏机构和大车横行机构[1]。

支持、开闭机构均为双电机驱动形式，悬臂、小车机构为单电机驱动形式，大车机构则采用多电机(24或26个电机)驱动形式；驱动装置选用了三套6SE70系列装机装柜式交流变频器，其结构形式示意图如图1所示。

每套变频器装置由一个具有整流-回馈功能的AFE单元、两个(或三个)逆变单元组成；逆变单元采用共直流母线形式，其中，小车、悬臂及大车机构三个逆变单元共用一套AFE单元，且小车/悬臂共用一个逆变单元，三个机构不能同时运行。

图1 6SE70系列柜式变频器的结构形式

1 6SE70系列变频器的基本结构

Master Drives 6SE70系列变频调速器是西门子公司在低压领域推出的中、高档变频调速产品，采用的是电压源型的交-直-交主回路结构。由于AC-DC环节选用具有整流/回馈功能的AFE单元，使得变频器AC-DC环节运行的可靠性大幅提高，能对供电系统进行有源的功率因数补偿，对供电电源的波动适应性更强；由于采用公共直流母排形式，也更加节能。结构图如图2所示。

图2 6SE70变频器公共直流母排结构图

2 6SE70系列变频器典型故障解析

2011-2014年卸船机变频器系统故障数据统计见表1所示。分析可知，由IGBT模块及相关控制板故障引发的变频器系统故障数量占到47.1%，由电流互感器及相关元器件故障引发的变频器系统故障数量占到23.5%，由进线断路器及相关元器件故障引发的变频器系统故障数量占到11.8%，由CUVC(CUSA)及T300等控制板故障引发的变频器系统故障数量占到11.8%，由预充电回路及相关控制板故障引发的变频器系统故障数量占到5.8%。

表1 故障次数统计表

注： 1类即IGBT模块及相关控制板故障；

2类即电流互感器及相关元器件故障；

3类即进线断路器故障；

4类即CUVC(CUSA)及T300等控制板故障；

5类即预充电回路及相关控制板故障。

2.1 IGBT模块及相关控制板故障

此类型的故障主要包括IGBT模块损坏、阻容吸收板(缓冲模块)故障、平衡电阻损坏、触发板故障、触发板连接光纤故障等故障类型。这些故障是6SE70系统交流变频器系统典型故障中对硬件影响较大、处理时间较长且处理工艺较复杂的一类故障。此类故障发生时，多数伴有熔断器的损伤，变频器系统(AFE单元和逆变单元)常会报出多个故障或警告代码；对于F025、F026、F027、F039、A017、A020这几个故障或警告代码与此类故障具有较强的相关性。

对于F002、F006、F012三个故障代码，则常伴随上述故障而被系统误报出来。设备在运行过程中，如果逆变单元由于某种原因导致故障停机，会使得直流母排电压瞬间升高，以致报出F006故障。若系统在故障复位后再次合闸上电时，变频器在预充电过程中由于某种原因(AFE单元或逆变单元故障)未能完成预充电过程，便会报出F002故障代码。在IGBT模块或相关控制板功能异常时，偶见报出F011故障代码[2]。

故障原因分析：IGBT模块在使用中损坏的原因主要有过电流损坏、过电压损坏、过热损坏及静电损坏等。①静电损坏；IGBT模块在存储过程中，一般要求把它们的G、E两极可靠的短路；另外检修过程中，禁止用手直接触碰G极，防止静电导致模块损坏；②过热损坏；如果安装模块的方法不正确，使得IGBT器件与散热板接触不良，或者柜内散热不及时，都容易造成模块的过热损伤；③过电流和过电压损坏；不考虑系统设计及器件本身性能的原因(如IGBT选型安全裕量过小、系统参数整定不合理、IGBT器件电气性能下降等)，负载过大、负载短路或触发信号异常等都会引起IGBT模块的过电流损坏。对于过电压的情况，由于IGBT在关断时，关断瞬间产生尖峰电压，如果超过IGBT器件的最高峰值电压，将造成IGBT击穿损坏。如果过电压保护电路出现异常(比如阻容吸收板故障)，极大可能造成IGBT过压击穿，如图3所示。

图3 触发板及IGBT模块损坏

2.2 电流互感器及相关元器件故障

此类型的故障主要包括电流互感器故障、电流互感器负载电阻故障等故障类型。AFE整流/回馈单元和逆变单元柜内选用的都是母线式电流互感器，由于柜内布置的原因，更换柜内的电流互感器比较费时。此类故障发生时，若系统报出F029故障代码，则电流互感器元件有很大概率损坏。

对于F006故障代码，则常伴随以上故障而被系统误报出来。在传感器检测回路性能异常时(未完全故障或接触不良的状态)，F011、A020这两个故障代码也常报出，也偶见报出A047警告的案例[3]。

故障原因分析：①电流互感器硬件故障时，变频器系统会提示F029故障代码；②电流互感器负载电阻出现问题或与互感器不匹配，会影响检测精度，可能会报出上述故障；③电流互感器需要±15V的工作电源，由PSU2电源板提供，若工作电源故障，也会导致该类故障，如图4所示。

图4 AFE进线端电流互感器损坏

2.3 进线断路器故障

故障原因分析：①AFE单元输出时，由于系统故障或其他原因引起断路器跳闸，此时断路器的主触头需分断较大电流，若频繁出现此类操作，主触头会烧灼，影响接触性能，并最终导致断路器合闸缺相故障；② 断路器内部的机芯损坏可能造成断路器频繁合、分闸动作，不能完成自锁；③储能电机异常或控制电源故障，会引起断路器不能自动储能或合闸。由于进线断路器的控制电源和AFE单元内24VDC整流模块的供电电源为同一路，一旦断路器的器件异常引起控制电源跳闸，会导致内部24VDC电源无输出，因此断路器的控制电源会断电，而且，AFE单元主控板及PMU单元的控制电源均会断电(PMU黑屏)，如图5所示。

图5 断路器机芯损坏(磨损)

2.4 CUVC(CUSA)及T300等控制板故障

此类型的故障主要包括CUVC控制板、CUSA控制板、T300工艺板及接口板等硬件故障，或者各控制板内参数丢失(错误)故障，以及控制板插槽接触不良等故障类型。此类故障发生时，变频器系统(AFE单元和逆变单元)常会报出以下故障代码：F006、FF01、E，也有表现为柜内控制电源异常，或者由工艺板控制的一些控制功能运行异常(如抓斗开闭度设定等功能)。出现该类故障后，如果变频器系统与上位机的通讯可以建立，建议对相关控制板的参数重写几次，可以解决大部分因控制板内参数丢失(错误)而引起的故障。重写参数无效的情况下，则需检查或更换硬件了[5]。

故障原因分析：①控制板硬件故障或运行环境有干扰(系统屏蔽不好)都可能引起控制板内参数丢失的问题；②插槽或连接线接触不良也会引起此类故障；③系统报出FFxx或E故障代码，则CUVC(CUSA)控制板有很大概率损坏；另外，用于USS通讯的电缆错插在X300接口，也可能会让操作面板显示“E”代码。

2.5 预充电回路及相关控制板故障

此类型的故障主要包括预充电接触器K4故障、预充电限流电阻烧坏故障、电压检测板VSB故障以及接触器K7故障等故障类型。AFE单元预充电结构示意图如图6所示。所谓预充电过程，即系统控制电源和主回路电源接入后，操作了系统“ON”操作后，系统控制预充电接触器K4吸合，通过预充电限流电阻R1-R6向直流母线电容预充电，在完成预充电过程后，先断开K4，然后K7合闸，Q1再合闸，AFE单元投入。此类故障发生时，AFE单元常会报出F002故障代码[6]。

图6 6SE70变频器AFE单元预充电结构

故障原因分析：①由图3可知，当Q10开关的熔断器烧断、K4接触器触点不通(或接触不良)及限流电阻烧断都可能引起预充电过程失败。若IGBT模块内反并联的二极管损坏，也可能会引起预充电故障；②由于K4接触器的动作受CUSA主控板控制，如果K4动作异常，还要注意CUSA主控板故障的可能性。③K7接触器故障会影响断路器Q1合闸线圈的动作，因此与预充电过程也有关系。

3 6SE70系列变频器故障的应对措施

针对公司目前6SE70系列交流变频器系统的运行状况，为了降低故障率、缩短故障处理时间，可以从以下三个方面做出改进。

注射用青霉素钠（山东鲁抗医药股份有限公司，批号L121021）；生理盐水（山东齐都药业有限公司，批号7B12121705）；石蜡（上海华永石蜡有限公司，批号20140506）；大鼠BNP试剂盒（批号201704）、大鼠Ang II ELISA试剂盒（批号201704）、大鼠β1‐AR ELISA试剂盒（批号201704）、大鼠AT1 ELISA试剂盒（批号201704），购自南京建成生物工程研究所。

3.1 维护保养方面

除了一般的日常维护保养，还要重视变频器系统运行环境的除尘工作，尤其需要控制好环境的温湿度，避免冷凝水的形成。同时，对于变频器系统中的某些器件可以计划性地更换。比如进线断路器临近使用寿命时(即合闸次数限制)可以考虑更新；柜体内的冷却风机也可考虑定期换下保养；连接触发板和IVI接口板的介质为塑料光纤(G及以上尺寸)，有部分塑料光纤元件会提前进入老化期(可能与其所处位置靠近IGBT模块，环境温度较高有关)；造成相应光路上的信号传递强度减弱，引起IGBT驱动信号不稳定。触发板上的光电转换元件也有类似的问题，在日常维护中需留意此种情况并做些准备。

3.2 修理工艺方面

规范故障处理时的检修程序，普及使用西门子6SE70系列逆变器测试盒工具，提高故障诊断的准确性及修理效率。使用力矩扳手安装IGBT模块及相关元器件，避免因操作方法不当遗留故障隐患。

3.3 技术改造方面

为了减少部分故障的处理时间，我们对AFE单元的进线断路器作了改型，用西门子同型号的抽屉式安装的断路器替代原固定式安装的断路器。优化了AFE单元交流侧U相电流互感器的安装底板，解决了更换电流互感器时互感器安装底板与旁边电容组干涉的问题。

1 张欣. 变频调速器在卸船机上的应用[J]. 黑龙江科技信息, 2011(28)

2 杨波. 西门子6SE70变频器在移动式料斗上的应用[J]. 机械工程师, 2013(6)

3 赵焕章. 西门子变频器过流故障分析和处理[J]. 设备管理与维修, 2009(10)

4 安宏亮. 浅谈西门子6SE70系列变频器结构与故障分析[J]. 变频器世界, 2012(7)

5 张明重. 西门子6SE70系列变频器维修实例[J].矿山机械, 变频器世界, 2012(4)

6 王璐. 6SE70系列变频器过热预警解决方案[J], 可编程控制器与工厂自动化, 2012(8)

(责任编辑：谭银元)

Analysis on the Typical Failure of 6SE70 Inverter Applied in the Drive Control of Ship Unloaders

CHEN Fan1,ZHAO Lei2,WU Yu-qi1

(1.Ningbo Port Group Co., Ltd, Ningbo 315800, China;2.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

This paper briefly introduces the structure and function of Siemens 6SE70 inverter applied in the drive control of bridge type grab ship unloader, summarizes the typical failures of the drive system, and analyzes the major causes of the failures, based on which the improvement measures are proposed.

Bridge-type grab ship unloader; 6SE70 inverter; typical failure

U664.4

A

1671-8100(2015)03-0020-04

2014-12-05

陈 凡，男，硕士，工程师，主要从事电气自动化方面的教学和科研工作。

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