变频器故障实例分析和处理

尹天平

（马鞍山钢铁股份有限公司第四钢轧总厂，安徽马鞍山 243000）

引言

交流变频器调速技术，随着新型大功率电力电子、集成电路和微机技术的持续发展，已日趋完善和提高，它以调速范围宽、动态响应快、调速精度高、保护功能完善和操作简单等优点，已在冶金、石化、电力、家用电器等行业得到广泛的应用。交流变频器主要由控制处理器、整流、逆变、制动单元和滤波等组件构成，可实现对电动机转速和转矩的控制。

故障排除作为变频器维护工作的重点，不仅要求专业维护人员必须全面了解其原理、结构和控制方式，而且还要具备丰富的实践经验和扎实的电气理论基础。通常，变频器故障可分两类：一种是由于高温、粉尘和潮湿环境引起的组件损坏等硬件故障，其处理方法是对变频器停机解体查找更换损坏件后，恢复系统即可；另一类是由于操作、工况变化或参数设置不当所产生的保护性停机故障，属于软故障，其特点为偶发或频发但故障复位后仍可以启动或运行，一般根据变频器说明书上提供的方法进行解决。除此之外，还有一些特殊故障，通过变频器自我诊断功能仍无法轻易找出故障原因，需要深入分析各种潜在因素，辩证地解决问题。

以下对马鞍山钢铁股份有限公司（以下简称马钢）炼钢300 t转炉本体倾动所用西门子SINAMICS S120变频器，在实际使用中出现的特殊故障进行研究分析，并介绍处理过程。

1 转炉倾动结构介绍

马钢炼钢300 t转炉本体倾动系统主要由4台710 kW变频柜、4台400 kW三相变频电机、1套四合一减速机、传动轴和炉体构成。每台变频柜驱动电机，将电能转化为机械能后，再经1套四合一减速机耦合成一传动轴来带动炉体360°自由转动，以满足装料、吹炼、出钢、倒渣和炉体维护等不同工艺对不同转炉角度的要求。其驱动装置为西门子最新SINAMICS S120低压交流变频器，功率710 kW，采用单机传动和矢量控制模式，电机制动为外置式抱闸由PLC控制方式，可以很好地实现同步运行。

驱动配置详见图1转炉本体倾动系统示意图。正常工作时，首先满足转炉倾动合闸条件，待倾动选择开关置于工作位（另一为检修位）时，进线断路器自动合闸，同时变频器上电经预充电后进入等待状态，操作人员通过操作台上的摇炉手柄触发PLC控制程序执行相应指令，再通过DP网络把控制字和速度给定送至4台变频器，通过驱动4台变频电机，从而操控转炉正反转以及速度变化；当转炉倾动条件异常时包括设备故障时，系统会立即采取断开进线断路器、关闭抱闸，同时封锁脉冲等急停措施，防止失控造成炉内液态金属外溢等安全事故的发生。

图1 转炉本体倾动系统示意图

2 转炉倾动变频器故障现象描述

2012年投产后，马钢转炉倾动变频器的进线断路器偶尔发生跳电现象。检查变频器的整流器正常，但逆变器报F7802即整流或驱动单元未准备好故障，经故障复位又可启动运行。由于变频器和进线断路器故障连锁均可导致断路器跳电，为查清故障原因，借助PDA信号采集软件，在同一时间坐标下，跟踪变频器和断路器的故障反馈信号，最终确认进线断路器的跳电源于变频器F7802故障。

将历次故障统计后发现，该故障均发生在变频器停机期间，详见图2转炉倾动S120变频器F7802故障 PDA采样图，图中 get torque、get current、get_speed、brake FB、SP_Total、CTW_3 和 STW_3 分别为电机的转矩、电流、速度、抱闸反馈、斜坡发生器输出速度设定值的变频器控制字和状态字。从图2变频器状态字STW_3中的故障位的上升沿，可轻易地推出该故障发生在标尺位置，同时也是控制字CTW_3中变频器由接通指令转停机的时刻；显然，这与S120变频器说明书中关于F7802故障的解释，即“整流单元或者驱动单元在内部接通指令后没有回馈就绪所引起的故障”相矛盾。为一探究竟，我们还是决定对说明书中关于该故障给出的具体原因进行逐条分析。

一是功率单元监控时间短，查询变频器该参数原设置为6 s，将其延长至最大值60 s后，但故障依然会发生；二是直流母线电压不存在，但实际电压根据PDA采样显示正常；三是驱动组件硬件故障，这显然与故障复位又可以继续运行的结果相矛盾；四是输入电压设置错误，事实该参数为560 V完全符合变频器技术标准。通过以上对每项故障原因的分析和验证，可以得出结论，马钢300 t转炉倾动S120变频器发生的F7802是一种软故障中的特例，需进一步分析和探讨。

图2 转炉传动S120变频器F7802故障跟踪趋势图

3 故障原因分析和处理过程

3.1 操作和工况原因分析

将最近6次故障采集数据整理得出表1。如果将转炉传动角度0～360°转化为直角坐标系下的四个象限；将0°定义为转炉垂直位，0°→360°转动方向为正转，而转炉360°→0°视为反转，那么由表1可以看出故障在四个象限均有分布；无论正反转操作，还是变频器接通即运行时间的长短均有故障发生；另外，4台变频器均发生了故障，从而可以得出结论，S120变频器的F7802故障与转炉的旋转方向、角度以及操作时间长短无任何关联，由此可以排除操作和工况变化因素。

其次，为消除接触不良通讯间断造成的故障，利用检修时间停机检查并紧固接线，尤其对控制单元与整流、逆变和编码器接口模块之间的DRIVE-CLiQ连线插头进行重新连接，同时检查驱动柜构造和布线，完全符合EMC技术标准。

表1 转炉传动变频器故障运行信息表

3.2 驱动同步性原因分析

马钢300 t转炉本体倾动由4台而非1台电机拖动；相对于每次故障仅限于1台变频器而非2台或2台以上同时发生；那么，该系统的4台电机的同步性如何，会不会是F7802故障的潜在原因，通过分析，我们确认现场总线通讯传输、PLC同一控制电机抱闸以及上位机做转矩平衡的方式完全可以满足同步性能的要求，具体分析如下：

首先，4台变频器与上位机PLC以现场总线通讯的方式，虽然先天决定了命令源无法做到绝对同步传输，但相对于1.5 Mbit/s的总线传输速率以及几十毫秒的PLC扫描周期，4台变频器接受PLC命令源的时间偏差可以忽略不计，完全可以满足技术要求。其次，4台电机抱闸全部采用PLC的同一位数字量输出点DO控制的方式，可以保证抱闸开关动作的一致性；还有，通过PLC读取4台电机的转矩实时值在程序中作转矩平衡运算，同时将计算结果以速度给定的形式给电机进行补偿，从而实现电机转矩同步。

另外，可以从抱闸、速度和电流等参数曲线客观地衡量该系统的同步性能，详见图2倾动4台电机的电流、速度和抱闸跟踪。此图由PDA软件取样所得，图中get current、get speed和brake FB分别为转炉倾动每台机电流、速度反馈值以及抱闸反馈信号，其扫描周期为10 ms，电流和速度满量程信号为16384。从4台电机跟踪曲线可清晰地反映出电流、速度和抱闸的同步性很好，完全满足系统要求，可以排除系统同步性原因引起的故障。

图3 倾动4台电机的电流、速度和抱闸跟踪

3.2 抱闸功能的停机识别原因分析

对照6SE70与S120变频器的顺序控制图可知，后者除了故障、OFF2等信息外，还存在着与斜坡发生器相关的S5a步引起故障的可能性，详见图4西门子S120变频器顺控图中空心箭头标示部分。

空心箭头所指的故障形成过程可简单描述为，变频器在停机零速检测（S120变频器扩展抱闸的功能）期间，某种条件下，有可能发生故障；这恰好与图2反映的转炉倾动S120变频器停机时所报F7802故障相吻合。显而易见，上述条件特指Pulse enable HW即脉冲使能信号为“0”时。总之，在停机零速检测期间，如果发生脉冲使能丢失情况，S120变频器有可能发生故障，原因如下：

图4 西门子S120变频器顺序控制

追溯Pulse enable HW信号至图5西门子S120变频器抱闸控制逻辑，该信号逻辑结果是变频器OFF1正常停机期间，电机的转速实际值低于转速阈值20 r/min，并且该情况持续超出了监控时间，变频器会自动判定为停机，该过程称之为停机识别。因此，当上位机PLC停机命令先于停机识别有效时，变频器则由运行状态回到准备运行状态，属正常停机过程；否则，变频器触发OFF信号出现保护性停机故障。

图5 西门子S120变频器抱闸控制逻辑

4 停机识别故障处理过程

掌握S120变频器抱闸功能的停机识别原理后，根据上位机PLC控制指令中接通断电延时时间2.4 s、最大速度给定39.673 Hz以及变频器中斜坡发生器的下降沿时间3 s，理论上推算出所需停机识别的监控时间最小值为：2.4 s-39.673 Hz/50 Hz×3.0 s=0.02 s。

另外，因没有启用抱闸控制功能，变频器中有关抱闸的所有参数均为出厂默认值，由图5可知停机识别的总监控默认时间等于电机转速实际值低于转速阈值的过滤时间（p1228）加上关抱闸延时时间（p1217）为0.1 s，非常接近上述理论最小值，理论上基本满足要求；但是，考虑到速度跟随偏差和速度反馈编码器检测误差，实际上停机识别监控时间的出厂默认设定值无法完全满足目前使用要求。因此，变频器发生故障的概率还是存在的。

按照上述理论计算的结果，将电机转速实际值低于转速阈值的过滤时间P1228参数修改为1.5 s后，从而解决了马钢转炉倾动SINAMICS S120变频器所发生的F7802故障。

5 结论

300 t转炉倾动S120变频器发生F7802特殊故障后，经全面分析和研究，最终确认故障原因，并于2013年5月优化参数后运行至今，实现了平稳无故障运行，保证了炼钢转炉高效安全生产。

西门子6SE70与S120变频器 在抱闸控制上有本质上的区别，前者可以不用抱闸控制功能，而且不对变频器造成影响；但是，SINAMICS S120变频器却截然相反，即使不启用抱闸控制功能，该部分参数仍然会参与顺控控制。因此，调试和维护变频器工作中要注意区别和选定。

另外，为研究SINAMICS S120停机识别与F7802故障的必然性，将S120变频器的负载由转炉类改为氧枪势能性负载，在停机识别先于操作停机指令有效的条件下，变频器会发生电机转速过快F7901故障。因此，SINAMICS S120停机识别有效时会引起何种故障，因驱动负载类型的不同而变化，并非一定会发生F7802故障；所以，解决变频器故障遇阻时，可将抱闸功能的停机识别纳入考虑范畴。