岸边集装箱起重机安川变频器故障判断及处理

2021-08-03崔伟刘明华

集装箱化 2021年5期

崔伟　刘明华

自1974年晶体管变频器投入市场以来，安川变频控制系统已從以前的直流驱动发展到现在的交流驱动，从最初的小功率变频器发展到现在的大功率变频器。用于安川变频控制系统的直流驱动器主要有VS-505WII、WS-505ZIII、VS-520B、VS-585和 VS-590;小功率交流驱动器主要有VS-676VH3、VS- 616G5、VS-616G7A/B、YS-1000、H1000和A1000;大功率交流驱动器主要有VS-676H5（逆变）、VS- 656DC5（整流）和FSDrive。港口岸边集装箱起重机（以下简称“岸桥”）上配备的安川变频控制系统主要包括676H5变频器和656DC5整流器，由VS-656DC5（整流单元）将440 V交流电整流成660 V直流电为变频器提供电源。岸桥上使用的DC5系列整流器和H5系列变频器一般以组合形式成对出现，单个整流器或整流单元的功率为200 kW，通过组合并联（最多4组）可以将功率增至800 kW，以满足岸桥不同机构对功率的要求。一方面，岸桥上所用安川变频器与驱动器的型号不同，但其主回路大致相同，只是其中的控制板与主控板略有差异;另一方面，虽然DC5系列整流器与H5系列变频器的外型相似，但绝不能互换，当需要整组更换时一定要核对

单元型号，以免引发故障。本文介绍安川变频器控制原理和结构、常用参数及电气特性，分析安川变频器故障判断和处理方法，以期助益港口提升集装箱装卸效率。

1 岸桥安川变频器组成与结构

1.1 主回路

（1）整流器整流器的作用是将工频电源转变成直流电源供给变频器，电功率传输不可逆。

（2）滤波器滤波器是由电容器、电感器、电阻器组成的无源器件。整流器将交流电源整流成直流电源后，直流电压中含有脉动电压，同时逆变器产生的脉动电流也会使直流电压波动。为了抑制这种波动，使用滤波器吸收脉动电压。

（3）逆变器逆变器的主要组成器件为绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。作为变频器的核心器件，逆变器在电路中通过IGBT的开断来调整变频器的输出电压和频率，其实现原理是在规定时间内使6个相同的IGBT有规则地导通和关断（见图1）。

1.2 控制回路

（1）运算回路首先，比较运算外部的转速、转矩等电信号与检测回路的电压、电流，将运算结果传输至主控板;然后，可编程逻辑控制器（programm-able logic controller，PLC）将控制指令传送至变频器，变频器输出相应的电压和频率。

（2）检测回路检测主回路的电压和电流，电流互感器采集主电路电流供自动电流调节器使用，当发生过载等异常情况时，可使逆变器停止工作或抑制电压和电流值，以防异步电动机和逆变器受损。

（3）驱动电路驱动电路是驱动逆变器主器件IGBT的电路，其关键部件是驱动板。驱动电路与控制电路隔离，驱动主回路功率开关器件导通或关断。一般情况下，如果IGBT损坏，须连带更换驱动板。

2 岸桥安川变频器工作原理与控制方式

2.1 异步电动机调速原理

异步电动机的同步转速即旋转磁场的转速为

n1=

式中：n1为同步转速，r/min;f1为定子频率，Hz;P为磁极对数。异步电动机的轴转速为

n=n1祝？ s）=祝？ s）

式中：s为异步电动机转差率，s=（n1 n）/n1。

可见，在异步电动机磁极对数不变的情况下，改变电动机定子侧供电电源频率，即可改变其同步转速，从而实现无级调速。在异步电动机调速时，常常使主磁通量保持恒定值，其原因在于：如果主磁通量太小，铁芯利用不充分，在相同的转子电流下，电磁转矩小，电机负载能力下降;反之，如果主磁通量太大，铁芯处于过励磁状态，励磁电流过大，限制定子电流的负载分量，电机负载能力下降。主磁通量可以由定子电流单独决定，也可以由定子电流和转子电流共同决定。三相异步电动机定子每相电动势的计算公式为

E1=4.44譮1 譔1住

式中：N1为定子相绕组有效匝数; m为每极磁通量，Wb。由此可见，主磁通量是由E1和f1共同决定的，只要适当控制E1和f1，就可以使主磁通量保持最佳额定值不变。[1]

2.2 异步电动机控制方式

当在基频（电动机额定频率）以下调速时，要保证电动机的输出功率，就应尽量保持主磁通量恒定不变，这就要求在降低供电电源频率f1的同时降低感应电动势E1，使E1/f1为恒定值，这种恒磁通控制属于恒转矩调速;当在基频以上调速时，由于电动机额定电压不能一直升高，只能通过减小磁通量来获得基频以上调速特性，这种调速方法为恒功率调速，此时电动机输出转矩随速度升高而减小。目前，变频器对电动机的控制大体可分为恒压频比控制、带PG 恒压频比控制、开环矢量控制和闭环矢量控制。

2.2.1 恒压频比控制

恒压频比控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源电压，使电动机磁通量保持恒定，且在一定范围内电动机的效率和功率因数不会下降。恒压频比控制的主要问题如下：一是低速性能较差，当转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当地调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化;二是采取转速开环控制，无法准确控制电动机的实际转速，电动机的实际转速由转差率决定。

2.2.2 带PG 恒压频比控制

在稳定情况下，当气隙磁通恒定时，异步电动机电磁转矩近似与转差角频率成正比;此时，控制转差角频率就相当于控制转矩，需要检测电动机的转速，构成速度闭环控制。与恒压频比控制相比，带PG 恒压频比控制的加减速特性和限制过电流能力提升，并且其利用速度反馈形成闭环控制，速度的静态误差较小。

2.2.3 开环矢量控制

恒压频比控制和带PG 恒壓频比控制是基于异步电动机的静态数学模型，因此其动态指标不高;而追求高效率的港口行业需要高品质动态指标控制方式。矢量控制指根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换手段，将电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，通过适当控制一次定子电流的大小、频率及相位，实现矢量分解及控制。实际上，开环矢量控制的速度反馈值并不是电动机真正的速度反馈值，而是变频器根据电动机转速计算出来的速度值并将其作为反馈信号，从而达到对电动机转速的控制。

2.2.4 闭环矢量控制

闭环矢量控制将电动机实际速度值反馈至变频器，变频器通过频率信号实现对电动机的控制。闭环矢量控制的控制精度高，要求实施位置控制或转矩控制，并对转矩的稳定性和精度有较高的要求，需要在电动机尾部安装增量型编码器。

2.2.5 小结

由表1可见，变频器4种控制方式各有优缺点。岸桥四大机构选择控制方式遵循以下原则：岸桥大车和俯仰机构要求负载恒定，可以采用恒压频比控制;岸桥小车和起升机构控制对外围负载有变化要求，并且对控制精度要求较高，可以采用闭环矢量控制。

3 岸桥安川变频器常见故障及处理方法

岸桥安川变频器自带检测保护程序，可以在故障发生后记录故障代码和类别，便于维修人员准确判断和分析故障原因。对于不常见的故障，需要维修人员查阅相关故障代码说明，根据代码提示找到故障单元并确认故障单元状态，更换或修复故障部位。

3.1 UV故障

安川变频器报UV故障表示主回路欠电压，指主回路直流电压低于L2-05（主回路欠电压检测值）的设定值。导致安川变频器UV故障的原因包括输入电压缺相、送电错误、变频器内部接触器故障、变频器内部回路老化、变频器内部温度异常等。针对输入电压缺相问题，可用万用表测量具体的缺相线路，确认接线是否正确或是否断线;对于变频器断电后的送电，需要先送主电源，再送控制电源，以免外部控制接触器吸合过早而导致故障;对于变频器内部接触器问题，可以通过更换接触器来解决;对于变频器回路老化、内部温度异常等问题，可以通过定期实施变频器内部点检来解决。[2]

3.2 PGO故障

安川变频器PGO故障指变频器在有输出频率的状态下，主控板没有检测到编码器脉冲信号，只能通过变频器面板查看是否有速度反馈值。导致安川变频器PGO故障的原因主要有：（1）机械或电气故障，如制动器抱闸未打开、电动机机械性卡死、编码器电源脱落或虚接等;（2）编码器故障，如编码器电源异常、编码器电源线断开、编码器插头松动等，此时电动机有抖动现象。岸桥安川变频器PGO故障应急处理方法如下：更改变频器A1-02参数为2，测试变频器开环控制;如果开环运行正常，则可以确定为编码器故障，更换编码器即可;如果更换编码器后仍未解除故障，则需要进一步确定编码器接线、编码器与变频器连线及屏蔽线是否正常。

3.3 UNBC故障

安川变频器UNBC故障表现为三相电流不平衡或功率单元组间输出电流不平衡，一般在岸桥重载运行过程中容易出现此类故障。若不及时处理，故障会越来越频繁，直至变频器受损。导致安川变频器UNBC故障的主要原因包括：（1）驱动板老化，其内部电子元件性能下降，导致驱动板接收电流互感器的反馈值后传给主控板的数值不准确;（2）电流互感器测量不准确;（3）外围线路异常;（3）功率组件IGBT和阻容故障。岸桥安川变频器UNBC故障应急处理方法如下：在岸桥重载运行过程中，调整P1-05参数，将10改为20，使组间电流不平衡增加到20%以内;待岸桥作业结束后，及时查找故障原因，恢复调整参数。

3.4 DEV故障

安川变频器DEV故障即速度偏差故障：比较PLC给到变频器的速度值与变频器反馈的速度值，如果数值偏差超过10%，报DEV故障。导致安川变频器DEV故障的原因包括电机增量型编码器故障、编码器与电机连接轴有滑差、PG卡故障、变频器本身问题、加减速时间设置错误、机械系统故障等。岸桥安川变频器DEV故障应急处理方法如下：首先，检查外围机械、负载机构等是否存在故障;然后，排查电气元件，如增量编码器、PG卡和变频器等;最后，排查线路，可以通过TRACE波形辅助分析。

3.5 PUF故障

安川变频器PUF故障表现为熔断器断开或晶体管故障，导致该故障的原因包括变频器与电机之间对地短路或相间短路、电机绝缘不良、变频器驱动板积灰过多等。安川变频器PUF故障后果表现为：熔断器受损，驱动板和IGBT不同程度损坏;产生瞬间大电流，IGBT被击穿，促使直流母线与输出相之间的熔断器动作，以免产生更大故障。如果岸桥安川变频器发生PUF故障，不可盲目更换熔断器后送电试车，应当先测试变频器功率组件，找到损坏的器件;若IGBT受损，须连同驱动板一起更换，以确保安全。[3]

3.6 OV故障

安川变频器OV故障即主回路直流母线电压超过过电压设定值，导致该故障的原因包括雷电引起过电压、补偿电容引起过电压和电动机再生发电引起过电压等，其中：前两者引起的OV故障可以通过增加吸收装置来降低过电压影响;后者引起的故障一般出现在岸桥吊具下降过程中，当电动机下降时，电动机为发电状态，电能通过6个续流IGBT回馈到变频器中间直流回路，如果能量回馈装置未运行，致使电能不能回馈至电网，直流母线过电压达到限值后跳闸。为了排除岸桥安川变频器OV故障，需要检查变频器加减速时间设置是否正确、变频器中间直流回路电容量是否下降等。

4 岸桥安川变频器功率单元故障判断与功率组件测量

4.1 功率单元故障判断及测量

驱动器功率单元包括3～4个组别，安川变频器在诊断功率单元故障组别方面存在一定缺陷，需要维修人员人工判断功率单元故障组别。对于操作面板显示的故障，可以通过主控板指示灯状态来判断故障组别（见表2）。主控板右下侧有5个指示灯，从下往上分别为（M）DS1、（M）DS2、（SL1）DS3、（SL2）DS4和（SL3）DS5，其中，（M）DS1指示灯为红色，其他指示灯均为绿色。当变频器停止运行时，（M）DS1指示灯闪烁;当变频器正常运行时，只有（M）DS2指示灯常亮。在通过指示灯来判断故障组别时，须特别留意指示灯的状态，因为指示灯的状态只停留2 s左右;此外，有些故障只偶尔报一次，并且需要人员长时间观察指示灯，从而增加人员工作量。为此，可以在主控板柜门处合适位置安装记录仪，当功率单元发生故障时，可以通过回放画面来查找故障组别。

有些故障仅通过指示灯来判断不一定准确，可以随机切除其中一组功率单元后，测试剩下的功率单元。如果测试未报故障，基本可以确定切除组为故障单元;如果测试仍报故障，则重复上述步骤。需要注意的是：操作时须移除拆除组的电源线和通信线，将其他组别从下往上依次接好，同时修改组别参数O2-04（根据功率单元的组数相应减一即可），并通过PLC限制变频器的最高频率。当故障单元修复后恢复变频器参数时，由于组别参数O2-04的更改可能导致E参数变动，有必要一一核对参数，以免参数变化导致变频器再报故障。

除了上述通过变频器带载测试来排除故障组的方法外，在因内部短路、IGBT被击穿等而无法通过送电来判断故障单元的情况下，可以通过万用表测量来判断具体故障单元。采用指针式万用表的R？0 k 挡分别测量变频器或变流器输出端对直流母排的P+/N 阻值和变頻器出线端的相间阻值（见图2），测量时注意使变频器直流母排与出线端脱离，以获得相对准确的测量结果。测量方法与经验值见表3。

4.2 功率组件测量

4.2.1 功率组件组成

通过以上方法判断出具体的故障单元后，接下来需要测量故障单元内部功率组件。安川变频器内部功率组件错综复杂，元件较多（见表4），在拆解测量之前须做好记录，以免漏装备件。拆解功率组件的顺序如下：（1）画出接线草图，标明接线线号;（2）拆线，注意将螺钉有序放好，拆卸阻容吸收模块时注意不要拧坏螺钉，拆卸下来的阻容吸收模块按安装顺序摆放整齐;（3）拆卸母排，注意按照母排走线有序拆卸并摆放整齐;（4）拆卸大电容器，拆下来的元器件按照其安装位置有序摆放。

4.2.2 功率组件测量

通过测量功率组件查找到故障元件后，用万用表分别测量U、V、W三相间电阻值以及三相分别对阻容吸收模块P和N间的电阻值是否平衡;若一切正常，即可通电测试。安川变频器功率组件基本测量方法及经验值如下。

（1）IGBT测量将万用表指针拨到R？0 k 挡，用黑表笔接IGBT发射极（E），用红表笔接IGBT集电极（C），此时万用表指针偏向右边（0）。用黑表笔接IGBT集电极（C），红表笔接IGBT发射极（E），此时IGBT不导通，万用表指针在左边;用手指同时触碰栅极（G）和集电极（C），IGBT被触发导通，万用表指针摆向阻值较小的方向（大约在中间位置），并稳定在某一位置;然后，用手指同时触碰栅极（G）和发射极（E），IGBT被阻断，万用表指针回到无穷大（即指针在左边），此时可判断IGBT无损坏。

（2）大电容器测量方法一：将万用表指针拨至100挡，测量大电容器的充电时间为18 s左右。方法二：对大电容器进行充电，万用表指针瞬间摆向右边后慢慢向左偏移，此时开始充电;将红黑表笔对调，指针瞬间偏向右边后停留，此时开始放电;然后，指针慢慢向左偏移，大电容器反向充电，此时可判断大电容器无损坏。

（3）小电容器测量将数字式万用表拨至测电容挡位，较大一挡是15.0 nF，较小一挡是4.1 nF。

（4）阻容吸收模块测量阻容吸收模块分P和N两种类型（见图3）：P型阻容吸收模块R与E之间是二极管，R对E导通，R与C之间是电容器，电容值为2.1F;N型阻容吸收模块R与C之间是二极管，C对R导通，R与E之间是电容器，电容值为2.1F。

（5）平衡电阻器测量平衡电阻器由2个5 k 电阻器组成，两端对中间电阻值均为5 k ，两端测量电阻值为10 k ，注意测量电阻对地，不能导通。

（6）吸收电阻器测量吸收电阻值为10，共12组。注意测量电阻对地，不能导通。

（7）启动电阻器测量启动电阻器接在接触器上下口，阻值为3。注意测量电阻对地，不能导通。

（8）指示灯电阻测量指示灯电阻值约。

（9）接触器和风扇检测采用24 V直流电源为继电器供电，采用220 V交流电源为风扇及接触器线圈供电，检查风扇运行是否正常及接触器是否吸合。接触器线圈通断电由24 V交流继电器常开触点控制。

5 结束语

本文介绍岸桥安川变频器故障判断及功率组件测量维修方法，以期为港口一线技术人员提供参考。在实际维修过程中，港口技术人员必然会遇到各种问题，需要其在工作中不断积累经验。此外，变频器定期维护保养有利于降低变频器故障发生概率，缩短停机时间，提高岸桥装卸效率。

参考文献：

[1] 黄波. 变频调速技术简介及其在电厂中的应用[J]. 山西建筑，2010，36（10）：163-164.