交流伺服系统电源变压器故障分析及处理

孙克虎，谢 俊

（青岛4308 机械厂，山东 青岛 266000）

0 引 言

电源变压器是交流伺服系统的重要组成部分，其能够通过绕组变化调整输出电压，从而达到变压的目的[1]。基于交流伺服系统的工作原理，电源变压器的故障率相对偏高，严重影响交流伺服系统的正常工作状态，因此掌握交流伺服系统电源变压器常见故障分析与处理方法尤为重要。

1 交流伺服系统电源变压器概述

与传统变压器相比，交流伺服系统电源变压器能够实现高精度的电压调节，具备电流变换、阻抗适配及隔离等功能，被广泛应用于自动控制系统[2]。交流伺服系统电源变压器主要由电源、整流模块、滤波器、制动电阻及逆变单元组成，能够自动完成缺相检测，从而实现对伺服电机的精准控制。交流伺服系统电源变压器的原理如图1 所示。

图1 交流伺服系统电源变压器原理

该电源变压器为三相交流输入，接入电压为380 V、220 V。在实际使用过程中，部分电源变压器为220 V单项接入。为避免高次谐波影响电源变压器的工作质量，采用“Y”型电容并联，显著提升电源变压器的抗干扰能力。然而交流伺服系统电源变压器也存在一定的局限性，在长期工作过程中发生故障的概率明显高于传统变压器。

2 交流伺服系统电源变压器故障分析及处理

在实际使用过程中，交流伺服系统需要频繁动作，对可靠性要求较高，导致交流伺服系统电源变压器的故障率相对较高。在实际使用过程中，通过交流伺服系统的工作状态和电源变压器相关参数的变化情况，对其故障进行预判，从而及时进行系统维护，避免突发故障对系统造成影响。

2.1 电源变压器高温报警

在实际使用过程中，交流伺服系统电源变压器出现温度异常的情况较为普遍，甚至会触发高温报警系统，导致交流伺服系统进入自保护状态。针对这一情况，需要分析电源变压器温度变化曲线。若温度升高速度较慢，多是由散热不良导致；若电源变压器短时间内温度剧烈变化，多是内部短路导致电流异常增大，较为危险。电源变压器滤波单元设计如图2 所示。

图2 电源变压器滤波单元设计

根据电源变压器的结构，内部短路将导致母线电压降低，此时电源变压模块驱动器电压将无法响应控制信号。该故障多由滤波器击穿导致，但该滤波器可以平滑处理三相全桥整流电路输出的波动直流电，从而得到相对纯净的直流电[3]。为避免输入电压过高破坏逆变模块、伺服电机等，电容滤波器的额定直流电压多为500 ～800 V。当电容滤波器两端电压降超过额定直流电压时，电容滤波器将被击穿导致短路，同时短路电流增大，从而导致电源变压器内部温度快速升高。

滤波电容击穿是一个线性过程，从实际使用的角度来看，该故障可以采用以下2 种方式进行预防。第一，在滤波器电容两侧增加高压报警装置，当电压高于阈值时，系统将进行预警。第二，滤波单元设置熔断器件，在滤波电容被击穿的瞬间，熔断器件能够立即响应。在发生熔断后，需要及时切断电源，并上报输入电压异常，以避免变压器遭受更加严重的损坏。

2.2 电源变压器过电压故障

在交流伺服系统工作过程中，经常出现习伺服电机突然掉电的情况，且掉电时间相对较短，多为无规律的频发现象。若该现象不能及时处理，则会导致交流伺服系统电源主控电板故障，甚至损坏电源。在电源变压器驱动模块反复启动的情况下，将会损坏软启动电路。对一些带有信号指示的交流伺服系统，主电路欠压时，伺服ON 信号将提前打开。在此状态下，使用万用表检测主电源变压器输入电压，发现电压明显偏低。

根据以往的经验，需要区分主电路欠压故障是出现在接通电源后，还是出现在伺服电机工作过程中。如果是出现在接通电源后，则意味着交流伺服系统电源主控电路板出现故障，或者整流器损坏。针对该故障的主要处理方法是更换交流伺服系统电源驱动板。当故障出现在伺服电机工作过程中，则意味着负载阻值增加，电源容量无法满足高负载的需求。尤其是在交流伺服系统温度持续升高的情况下，电源变压器过电压故障现象更加频繁。此时，维修人员需要检查系统，并关注伺服电机是否存在卡滞等问题。

电源变压器过电压故障造成的影响较为严重，为降低这一风险，可以在整流电路之前或伺服电机输入端并联压敏电阻，如图3 所示。

图3 电源变压器过电压保护设计

基于压敏电阻的特殊性，可将其视作开关。当电压低于压敏电阻阈值时，开关为打开状态；当压敏电阻两段电压过高时，开关为闭合状态。与熔断机制相比，压敏电阻这一解决方案适用于输入电压波动较大或偶发过电压的情况，若过电压状态持续存在，则需要在电路中串联熔断电阻。

2.3 电源变压器IGBT 模块异常

交流伺服系统通过驱动器控制伺服电机，而绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）会影响驱动器的信号输出质量，直接关系到伺服电机的工作状态。IGBT 模块不仅具有传统金属氧化物半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）高输入阻抗优势，还具有电力晶体管（Giant Transistor，GTR）的低导通压降等特点，被广泛应用于电源变压器设计。

IGBT 模块常见的故障还包括过电流、逆变故障以及静电破坏等。当经过IGBT模块的电流超过阈值时，将影响其工作状态。为控制IGBT 模块的电流，技术人员需要在IGBT 模块中串联限流器件。但是，IGBT模块的电压波动范围同样存在晶体管击穿风险，可以通过电压平滑电路设计来避免。

逆变故障指交流伺服系统电源变压器反馈回路异常，导致反向电流增加，是影响IGBT 模块输出的重要因素之一。IGBT 模块的N 沟道在负偏压状态下将会被禁止，使N 基区内空穴数量持续减少。因此，N 沟道内电子密度会随之下降，电子流逐渐减小，但N 沟道是否完全关闭最终取决于负偏压的持续时间与变化趋势。电源变压器回路异常导致的反向电流增加与交流伺服系统自身所形成的感应电动势有关，即电磁干扰导致的反向电动势。针对电磁感应导致的干扰问题，应采取合理的抗干扰措施。一方面，滤波电容与IGBT 模块连接时采用双层镀锡铜板叠加技术，并在输入、输出母线和其他输入、输出端子间将铜端子改为宽幅铜条，从而提高系统兼容性。另一方面，为避免IGBT 模块与交流伺服系统电源变压器共地导致感应电压，需要将IGBT 模块独立接地，消除回路噪声。

静电破坏是由于大量积累的静电电荷集中释放对IGBT 模块造成的电流冲击。尤其是在相对干燥的地区，交流伺服系统电源变压器IGBT 模块出现静电破坏的概率明显增大。在维修过程中，技术人员需要采取必要的防静电措施，并及时清洁IGBT 模块端子，避免表面过度氧化而产生电荷积累。

2.4 交流整流模块故障

整流模块作为交流伺服系统电源变压器的重要模块之一，能够将交流电转换为直流电。根据整流模块输入线路的数量，可以将其分为单相整流模块和三相整流模块。整流模块可以更好地过滤交流电产生的杂波，提高系统的稳定性和可靠性[4]。同时，交流整流模块可以调整输出电压，实现稳压的功能，还可以抑制过电压。

交流整流模块的常见故障为短路，主要由电路元器件损坏或过载运行导致。由于整流模块中含有大量的电子元器件，当交流伺服系统出现过高压情况时，这些电子元器件将会发生短路故障[5]。此外，当整流模块输入电流超出额定范围时，长时间的过载运行同样会造成整流模块短路，甚至会损坏后置模块等。

交流整流模块发生短路故障后，应及时切断输入，并更换整流模块。若发现二极管和电容大量损坏，则需要检测输入电压大小和极性，从而在判定是否存在过高压故障，避免输入极性反接等问题。

3 结 论

作为机械自动控制系统中常见的设备，交流伺服系统电源变压器的构造复杂，在实际使用过程中发生故障的概率较高。基于交流伺服电源变压器的技术特点，参考相关维修经验，不仅要加强重点故障维修技术能力建设，还要完善巡检制度，从而及时发现并排除故障隐患，保证交流伺服电源变压器的工作状态良好。