鏇床變頻器原理與故障處理方法

隆賢生

摘 要：地鐵車輛檢修段廣泛采用鏇床進行客車車輪的不落輪鏇修，其控制設(shè)備由西門子MICROMASTER 440變頻器及相應(yīng)的外圍接線組成，在鏇床工作過程中出現(xiàn)的問題大部分來自于其控制系統(tǒng)。該文介紹了西門子440變頻器的工作原理和保護構(gòu)成原理，結(jié)合實際的接線，對變頻器可能出現(xiàn)的故障和故障現(xiàn)象進行了分析。然后對實際的維修經(jīng)驗加以總結(jié)，介紹了變頻器實際故障的檢修順序與檢修步驟。最后，通過一起鏇床突然停機的故障維修實例，說明了變頻器的故障處理方法。在此基礎(chǔ)上，該文給出了變頻器的日常維護建議。

關(guān)鍵詞：鏇床 變頻器 分析 故障 維修

中圖分類號：TN77 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（b）-0054-03

成都地鐵2號線洪柳車輛段，使用廣漢快速鐵路設(shè)備有限公司CAK-13精密數(shù)控不落輪鏇床，它是車輛段三大檢修設(shè)備之一，對電客車缺陷輪對進行不落輪鏇修。CAK-13精密數(shù)控不落輪鏇床摩擦輪電機是該機床車輪加工主傳動的動力源，它由西門子MICROMASTER 440變頻器[1]控制。

變頻器通過控制左、右兩臺30 kW的三相變頻電機的速度和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)鏇床對機車車輪的鏇修校正。由于它采用電力電子器件IGBT控制輸出功率，并且利用PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)控制IGBT的通斷，確保了兩臺電機安靜可靠的運行。

但在鏇床鏇修時，如果變頻器本身或聯(lián)接設(shè)備有故障，都會導(dǎo)致鏇床無法正常運行。該公司就出現(xiàn)過一次變頻器外圍接線的故障，導(dǎo)致鏇床中斷工作，影響了機車車輪的維護。由于變頻器原理和接線隨著變頻器型號的變化而不同，該文提到變頻器時指的就是MICROMASTER 440變頻器。要修好鏇床，就需要知道變頻器的原理接線，以下就針對該次維修過程加以說明。

1 變頻器工作原理分析

圖1為變頻器工作原理圖[1]，由主電路和控制電路組成，整流橋和全控逆變電路都是三相的，圖中只畫出了示意。變頻器的主電路包括整流電路和逆變電路，有的型號的變頻器還包括制動斬波器電路（小功率的變頻器）和濾波器?？刂齐娐酚蓡纹瑱C組成的微機系統(tǒng)來完成，它控制PWM發(fā)生器的脈沖寬度，也就改變了IGBT通、斷時間，另外通過一系列檢測電路和互感器完成對主電路的監(jiān)測與保護。另外，為方便人機交互，變頻器還配置了顯示與輸入輸出接口電路。

整流電路[2]將三相交流電通過6個二極管進行全波整流，從而將交流轉(zhuǎn)為直流。由于采用的是三相全波整流，直流波形中就會含有300 Hz整數(shù)倍的諧波分量，為了減小紋波，使電機能夠低噪音運行，需要濾除諧波。一般的變頻器都配有專門的濾波器來濾除特定的300 Hz諧波，小容量變頻器也可通過電容來濾除高頻。逆變電路[2]由PWM脈沖控制6個IGBT的通斷，從而將直流變?yōu)殡妷悍怠㈩l率大小可控的三相交流，從而決定電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。在需要緊急制動時，可通過斬波器電路和制動電阻將電機轉(zhuǎn)速迅速降低，降低慣性帶來的危害。

控制電路[3]中CPU對監(jiān)測到的電壓、電流、電機轉(zhuǎn)速進行計算，并與設(shè)定值進行比較，從而對PWM發(fā)生器電路發(fā)出調(diào)節(jié)指令，調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率，最終使電機按照預(yù)期運動；如果鏇床發(fā)生異?；蚬收希妷?、電流、電機轉(zhuǎn)速會發(fā)生跳變，比如電流的增大或電壓的下降等，CPU就根據(jù)相應(yīng)的保護功能作出對應(yīng)決策，要么發(fā)告警信號，要么停機。

2 故障現(xiàn)象與分析

2.1 故障現(xiàn)象

2014年8月11日，洪柳車輛段在使用不落輪鏇床進行用檢作業(yè)時，接通主驅(qū)動裝置并使驅(qū)動輪運行，在運行十分鐘后，驅(qū)動輪突然停止，操作臺顯示屏報變頻器故障。查看變頻器，發(fā)現(xiàn)故障代碼為F0001，查閱廠家手冊確定F0001為過電流。手冊中說明，造成F0001過流故障原因如下：

（1）變頻器輸出短路或有接地故障。

（2）電機與變頻器是否匹配。

（3）負(fù)載處于過載狀態(tài)。

2.2 故障原因分析

上述故障現(xiàn)象表明，變頻器是在工作中產(chǎn)生了過電流。通過對變頻器工作原理及外圍的接線情況進行分析，按照主電路中電流的流經(jīng)順序，造成過電流的原因有以下幾方面[4]。

（1）首先，可能是電動機的原因，比如繞組出現(xiàn)匝間短路或者在接近中性點處發(fā)生相間短路，此時電動機機端電流互感器測量到的電流會增大；或者電動機在運行過程中受到限位，造成電動機“堵轉(zhuǎn)”，電動機的電流也會增大。

（2）其次，變頻器與電動機的聯(lián)接回路可能發(fā)生短路，出現(xiàn)的故障可能是聯(lián)接電纜破損造成接地或相間短路，也可能是線路絕緣下降造成漏電。

（3）最后，可能是變頻器本身損壞，如果變頻器中的某個開關(guān)元件損壞，造成直流短路，直流互感器測量到的電流就增大；也可能是某些元件在溫度升高時參數(shù)發(fā)生大的變化等造成的。

（4）在主電路沒有故障時，如果檢測系統(tǒng)、或微機接口電路等控制系統(tǒng)原因也不能忽略。比如互感器、PWM發(fā)生器如果發(fā)生故障也會造成過電流。

3 故障排查與維修

3.1 故障排查

圖2為鏇床變頻器接線圖，發(fā)生上述故障，要做到“一聞二看三檢查”，聞一聞有無電線或器件燒焦的味道，看一看有無電線或器件跌落、各個設(shè)備外觀有無異常，接下來可按如下順序檢查。

（1）負(fù)載側(cè)檢查

引起變頻器過流的最主要因素是負(fù)載，一旦發(fā)生過流故障，應(yīng)當(dāng)檢查：

①首先檢查機械結(jié)構(gòu)，可以用手盤電機的驅(qū)動輪試試是否轉(zhuǎn)動靈活，用以判斷電機是否“堵轉(zhuǎn)”或限位。

②其次斷開變頻器與電機間的接插件，測試三相負(fù)載的阻抗是否對稱、是否短路，還需要用兆歐表等測試對地及相間絕緣的儀器測試有無軟擊穿故障。例如絕緣下降時用萬用表測量可能顯示為正常，但用搖表測量時就會發(fā)現(xiàn)耐壓下降了。endprint

（2）輸入輸出線路檢查

根據(jù)電動機原理，缺相是造成過流保護動作的一個主要原因。如果是變頻器整流側(cè)缺相，會導(dǎo)致直流電壓降低，且電壓波形不再平滑，這樣會引起逆變側(cè)輸出電壓下降，輸出相同功率時電流必然增大，從而引起過電流。

如果變頻器逆變側(cè)輸出電壓缺相，健全相電流會增大，且三相電壓不平衡，電機運行也不平穩(wěn)，可能會振動。

因此，在帶電的情況下，可以用萬用表檢查電壓，如果有相序表，檢查會更方便。在斷電時，也可用萬用表電阻檔檢查外部接線的通斷，檢查繼電器工作狀態(tài)是否正常。

（3）變頻器檢查

變頻器部分主要檢查整流器、逆變器，其中的元件故障可造成過電流，整流電路中二極管可能損壞，逆變電路IGBT模塊也可能存在元器件的接觸不良甚至損壞的情況。

在帶電情況下，用示波器檢查直流和交流波形，可觀察直流電壓波形是否平直，測量直流電壓大小是否異常；對各路交流波形要檢查其波形、頻率與大小。通過這些檢測，可判斷器件有無損壞。在發(fā)現(xiàn)有器件損壞時，可在斷電的情況下，用萬用表檢查具體的器件，如果整流電路有異常，就檢查整流回路，查找出故障二極管并更換；如果只是逆變電路有問題，就檢查IGBT模塊，如果IGBT損壞就更換，如果驅(qū)動脈沖沒有就要檢查驅(qū)動電路。

（4）電流輸入回路檢查

在主回路及其外圍回路沒有故障時，保護的電流輸入回路就需要檢查。電流輸入回路包括電流互感器與連接電線、接插件等，還包括對電流進行采樣與A/D轉(zhuǎn)換的硬件電路板。

檢查時，先斷開主回路，如果指示燈或顯示器表明有電流，則說明電流輸入回路有故障，而且極可能是控制器內(nèi)部電路板的問題，可按照回路的走線逐級檢查。也可以斷開電流互感器，從斷開處加一測試標(biāo)準(zhǔn)電流，觀察顯示器顯示的電流有無誤差，如果誤差很大，則檢查測量回路；如果誤差很小，就可判為電流互感器的故障。檢查測量回路時，可用替換法快速查找，用好的備用插件或電路板逐一更換相同插件，當(dāng)電流顯示值與輸入電流一致時，就可對替換下的插件再進行檢查維修。如果是互感器原因，需要對其進行試驗判斷，如確實是損壞，則需更換，如沒有問題，這需要檢查各連接處是否接觸可靠。

3.2 故障維修

通過以上故障點逐一排查，負(fù)載側(cè)檢查和輸入輸出線路檢查正常，變頻器主回路也沒有問題，在進行上述第（4）項檢查時，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的測量回路也沒問題，在檢查電流互感器本身時，發(fā)現(xiàn)接插件沒有連接到位，有松動跡象。

重新安裝電流互感器接插件，插緊、插牢，上電、裝置自檢正常，故障排除，設(shè)備也恢復(fù)正常運行。

4 結(jié)語

變頻器在工業(yè)企業(yè)應(yīng)用廣泛，它聯(lián)接強電與弱電，發(fā)生故障的位置較多，且故障排查困難。只有不斷學(xué)習(xí)理論知識，熟悉設(shè)備的原理與接線，掌握故障檢查的方法，不斷總結(jié)實際經(jīng)驗，才能快速完成故障的定位與維修。

同時在變頻器日常運行過程中，要加強日常的保養(yǎng)與維護：

（1）變頻器必須保持干凈整潔，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況隨時清掃。

（2）確保周圍空氣中不含有過量的塵埃、酸、鹽、腐蝕性氣體。

（3）加強變頻器安裝場地的通風(fēng)散熱。變頻器運行情況是否良好，只有通過良好的維護保養(yǎng)工作，才能夠減少設(shè)備故障的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 西門子MICROMASTER 440型變頻器使用說明書[EB/OL].2013.

[2] 黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)（第四版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001：49-56.

[3] 李傳珊，劉永軍，吳建寧.電工基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：171-173.

[4] 李方園.變頻器原理與維修[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：65-71.endprint