西门子S120变频器的应用与排故

陈笃超 李晓龙 董云鹏 季宝伟

（天津电气科学研究院有限公司 天津市 300180）

1 引言

西门子公司主流的变频器品牌之一就是西门子S120 变频器，对于其应用有着很多的优点，因其稳定的系统性能以及高性能的矢量控制技术和优秀的市场动态特性，使得西门子S120 变频器在国内市场中占有较大的份额，应用范围十分广泛，发展前景良好。通过对西门子S120 系列进行理论研究以及实际生产应用的研究，了解判断并分析变频器在实际生产生活中常见的故障问题以及制定一个对出现常见的故障的针对性解决方案，使变频器拥有较好的发展前景以及较高的应用效率。

2 西门子S120介绍

西门子Sinamics S120 作为主要针对多机传动这一细分市场而研制的一款高性能全新变频器，是新一代传动的巨大进步，应用了更多的革新技术，基于了最新的传动理念，拥有更好的性能，更安静的运行，更环保的理念，更小的体积。

西门子 S120 系列变频器的硬件配置组成较多，是直流中间电路、逆变电路和整流电路等组成主要为正弦脉冲宽度调节器的变频器，在造纸、提升、印刷、机床等设备以及试验台中均有良好的应用。其硬件配置包括外部编码器，数据储存器电机模块及制动单元等，外部编码器针对CPU 变量提供广泛的跟踪功能，可以对闭环系统和驱动器进行优化以及调试，使系统的实时诊断和定时故障检测得以实现。作为操控器进程操作的重要接口信号模块装置较为简洁，不同模拟与数字量结合不同命令提出输入以及输出要求，拥有简略参数设置和高拼装密度等特点。数据/程序储存器挑选合适CPU 加以应用则是取决于集成作业储存区的巨细。

西门子 S120 系列变频器能通过相对比较小的启动电流获得大的启动转矩，在运行作业过程中将单相以及三相的交流电转变成直流电再转变成单相以及三相的交流电，为保证电机的运行曲线保持平行下移，改变输出的电压以及频率以改变电机运行曲线转速。在同步转速中电动机转速调节范围比较宽泛的交流异步电机可以改变电动机电源频率从而实现控制的作用。

西门子SINAMICS S120 分为DC/AC 与AC/AC 两种类型，集矢量控制与伺服控制于一身。西门子 SINAMICS S120 适合复杂协同传动以及高精度控制、高动态响应等场合，其中AC/AC 单轴驱动在控制普通三相异步电动机的基础上，还可以控制同步以及异步伺服机，直线电机、扭矩电机等，可以实现高精度、高性能的伺服控制功能，包括通常的V/F、矢量控制，是集整流和逆变于一体的新型驱动器，拥有实现进给轴的绝对、相对定位的强大功能。AC/AC 单轴驱动器，整流部分和逆变部分是一个整体结构而DC/AC 多轴驱动器其整流部分与逆变部分都是独立的模块，AC/AC 单轴驱动器功率范围从0.12kW 到250kW，一个控制单元控制一个轴，DC/AC 多轴驱动器功率范围从0.9kW 到1200kW 可以同时控制一个整流和6 个伺服轴或4 个矢量轴。

西门子S120 驱动系统的数据传输采用了与西门子下代PLC开发的PROFINET 通讯协议相对应的DRIVE-CLIQ 通讯协议，DRIVE-CLIQ 总线传输速率快，抗干扰能力强在硬件上接口都是我们熟悉的网线RJ45，通讯速度和稳定性都提高很多。无论是了解整个驱动系统的各个细节还是驱动控制框图我们都离不开STARTER软件，它为我们对于驱动故障的排查进行了简化。如今，越来越多的精准传动的场所如工厂企业之类都选择使用西门子 S120 变频器，皆因其更具人性化操作，更加简单与方便快捷，作为西门子公司全新的一代变频器，优势明显。

3 西门子S120变频装置的调试应用

西门子S120 变频装置的调试分为传动系统检查、搭建传动系统、生成传动系统配置项目、设置装置相关参数、启动方式、调速设置、电机参数优化几个过程。前期准备为系统检查、搭建传动系统、生成传动系统配置项目。只有具有 S120 变频装置的组件，组件固件版本信息存储在CF 卡中，变频器才能进行调试其中传动系统检查分为装置外观检査以及动力电缆和电机的绝缘检査，需要确定系统设备和图纸配置一致，确定连线与接地正确无误。

检查无误之后进行搭建，Drive-Cliq 网络是连接各个组件与内部控制的网络需要满足所对应的配置规则。按照设计思路通过Drive-Cliq 网络将输入输出接口部分、功率部分、编码器接口部分与控制器连接起来。

完成以上工作后，便可生成传动系统配置项目。各个系统组件的固件版本信息存储在CF 卡中，由控制器进行扫描与升级，扫描与升级过程中不可以断开电源，升级成功之后才可以正常运行，大约需要一分钟左右，升级成功之后，需要停止控制电源并重新输电，才可使用。

到目前为止，我们便得到了一个拥有工厂设置的 S120 变频装置项目，并可以以这个项目为基础项目，进行之后的相应操作。还可以对变频器进行基本的调试，该调试包括设置装置的相关参数、启动的方式、调速的设置、电机参数的优化等等。SINAMICS S120 所使用的调试软件为 Scout 或者是Starter，其中Starter 软件不需要相关授权。

对参数和控制模式等内容的设定和读取来说，STARTER 是一款极其方便的软件，对于修改追踪以及监控都十分方便，可以有效的进行故障查找及处理。参数设置及监控是通过PG/PC 的串口与 SINAMICS CU320 通讯实现的，需要使用标准 232 电缆来通讯。在安装 CFC 的最新软件并且获得使用授权之后，便可使用 S120 的 DCC 功能。

进行基本调试时，我们首先需要对需要设置参数的相关配置根据实际情况进行参数设置，需要进行设置的参数包含：变频器的控制方式和供电电压，装置负载的类型，电机的额定电压、电流、功率、功率因数以及频率转速等参数。之后可设置启动频率启动，启动频率一般设置为0Hz。在输出突变为启动频率对应的交流电压之后，在设定频率到达前，按照加速曲线逐步提高输出频率和输出电压。

为防止过流和启动冲击，启动频率应不宜过大。也可由先制动后从启动频率再启动，一般在不确定负载初始状态的场合应用。之后由于给定速度或负载的变化会使转速变化受到影响，需要按“V/F”或“矢量”控制方式进行调速，需要设定“速度限幅”和“转矩限幅”，通常正向最大速度、反向最大速度、正向最大转矩、反向最大转矩都为100%。之后进行完停车过程之后，我们需要对电机参数进行优化。参数优化需要在负载已经脱开，抱闸没有闭合，电机冷态的情况下进行。参数优化一般分为三个步骤，首先为生成新的参量，进行变频器的内部计算，之后进行静态辨识，最后才是电机的动态优化，进行静态辨识时在轴端无转矩的情况下，变频器有输出电压，输出电流电机可能转动。在以上步骤完成之后，西门子S120 变频装置的调试便基本完成。

4 西门子S120变频器常见故障及解决措施

4.1 西门子S120变频器的常见故障

西门子S120 变频器故障保护功能的设计相对比较完善，在使用过程中，如若发生故障，也可以尽最大可能的保障驱动设备的安全。在发生的故障中，过电流、过电压以及欠电压都属于常见的故障。

过电流故障的具体表现为，变频器通电未运行时控制面板显示正常，负载运行或者空载运行时控制面板却显示过流，同时，控制面板上显示F30001 的故障代码。过电流是由于在电源电压大范围的波动时或者变频器过载频繁时，导致主控板的电流小于变频器的脉动电流，以至于保护措施未能及时反应，采取对应的保护措施。

当控制面板上显示F30002 的故障代码时，表示该故障为过电压。当变频器出现电压故障时，很大程度上是因为电路中的某个元件已经损坏，造成了输出端，总是输出高电平，这时变频器发生电压故障的信号就是这个高电平。通常要对变频器的电路进行故障排除与诊断。放大电路通常存在于电压检测电路中，放大电路将电压取样信号放大到一定比例之后，对其进行故障分析，运放集成电路就是放大电路的核心元器件。

当控制面板上显示F30003 的故障代码时，表示该故障为欠电压。在对高压直流电压以及低压直流电压和对电压取样电路进行检查后，发现无问题的情况下，再检查集成放大电路，即可发现存在的异常情况。如果在变频器机柜中闻到异味，并观察到变频器内的限流电阻发出的热量超过正常值，则故障就是短接在发热电阻上的继电器不工作。此外，在运行过程中还有可能因发热电阻过热导致产生过热故障，而这些故障的主要原因都是因为继电器未工作，从而不利于变频器的正常工作。

4.2 西门子S120变频器常见故障的解决措施

针对以上在变频器实际应用中遇到的故障，提出具有针对性的解决方案，使变频器在工厂应用中能更加有效，变频器的安全更有保障。

对于过电流的故障，通常的解决措施为按顺序检查回路元器件，并且利用加电测试来检查回路中的元器件是否存在问题。假若是电路中的某一回路的输出发生故障，可以更换回路中发生故障的相关元器件，以保障变频器可以正常工作；如果是电路中的电流传感器存在故障，可以更换对应的传感器。在变频器发生过电流故障时，还可以通过修改变频器的参数来避免过电流的现象再次发生，可以选择将输出频率降低或者将高频的损耗减小并降低。除此之外，还可以为变频器的输出端添加交流电抗器，它可以使电流突变的强度降低，预防过电流故障的发生。而关于如何选择电抗器，则需要选择与变频器同功率的电抗器。

对于过电压的故障，通常需要结合实际情况分析，将集成电路进行更换以保障变频器的撑场工作。除此之外，还可以采用同能量消耗法来解决过电压的故障问题。此方法试将制动电阻并联在变频器的直流回路上，并在变频器工作的过程中判断主流母线电压，和对阈值进行设置从而加强功率管的控制。当设定值被直流母线的电压超过时，功率管就会导通，将能量送入电阻，电阻以热能的形式，将这部分能量消耗殆尽，最终解决了过电压的故障问题。

对于欠电压的故障问题， 经常与实际生产相结合。发生故障后，按照高压直流电压、低压直流电压、电压取样电路以及集成放大电路进行故障检查并排除。如果检查发现集成放大电路的电压异常，将集成放大电路进行更换后即正常，但是过一段时间，又显示故障，则需要将集成放大电路进行更换，能有效的处理欠电压的故障问题。另外，若该故障已经发生，则要对变频器的电源板进行深度的问题分析，欠电压故障发生的原因可能是由于开关出来一路供电滤波器中的电容出现漏电现象，将这个电容更换后，就可以解决欠电压的古筝问题了。不仅如此，在使用西门子S120 变频器时，还要经常对变频器电缆铺设以及接地情况进行不定期的检查，将维护工作实施做到最好，尽量避免变频器故障的发生。

5 总结

目前，针对变频器使用的时候要因地制宜，首先要考虑的就是设备的质量和产品的可靠性。只有自主研发能力的提高和产品可靠性的提高，才能使产品步入世界领先水平，才能满足国内甚至世界上广阔需求的市场。并且在变频器发生故障后，要发现并分析变频器发生故障的原因，并针对相应的故障做出对应的解决措施。通过本次对西门子S120 变频器的常见故障问题分析，能有效的解决实际生产生活中所发生的故障。