6SE70系列變頻器應(yīng)用于卸船機驅(qū)動控制的典型故障分析

陳 凡 趙 磊 吳雨齊

(1.寧波港股份有限公司，浙江寧波 315800;2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢 430050)

?

6SE70系列變頻器應(yīng)用于卸船機驅(qū)動控制的典型故障分析

陳 凡1趙 磊2吳雨齊1

(1.寧波港股份有限公司，浙江寧波 315800;2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢 430050)

介紹了西門子6SE70系列交流變頻器應(yīng)用于橋式抓斗卸船機驅(qū)動控制的結(jié)構(gòu)形式和功能，分析了驅(qū)動系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的典型故障及原因，并探討了改進措施。

橋式抓斗卸船機；6SE70變頻器；典型故障

橋式抓斗卸船機是一種大型的非連續(xù)性散貨運輸機械，具有卸載量大、接卸效率高及節(jié)能等特點，大量應(yīng)用于港口散貨中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)。公司從2005年開始分批引進了5臺上海振華(ZPMC)公司生產(chǎn)的卸載效率2500噸/時的橋式抓斗卸船機，電控系統(tǒng)選用西門子S7-400系列PLC加6SE70系列交流變頻器組成。橋式抓斗卸船機一般由五個主要機構(gòu)和一些輔助機構(gòu)組成，五個主要機構(gòu)為抓斗支持機構(gòu)、抓斗開閉機構(gòu)、小車橫行機構(gòu)、懸臂起伏機構(gòu)和大車橫行機構(gòu)[1]。

支持、開閉機構(gòu)均為雙電機驅(qū)動形式，懸臂、小車機構(gòu)為單電機驅(qū)動形式，大車機構(gòu)則采用多電機(24或26個電機)驅(qū)動形式；驅(qū)動裝置選用了三套6SE70系列裝機裝柜式交流變頻器，其結(jié)構(gòu)形式示意圖如圖1所示。

每套變頻器裝置由一個具有整流-回饋功能的AFE單元、兩個(或三個)逆變單元組成；逆變單元采用共直流母線形式，其中，小車、懸臂及大車機構(gòu)三個逆變單元共用一套AFE單元，且小車/懸臂共用一個逆變單元，三個機構(gòu)不能同時運行。

圖1 6SE70系列柜式變頻器的結(jié)構(gòu)形式

1 6SE70系列變頻器的基本結(jié)構(gòu)

Master Drives 6SE70系列變頻調(diào)速器是西門子公司在低壓領(lǐng)域推出的中、高檔變頻調(diào)速產(chǎn)品，采用的是電壓源型的交-直-交主回路結(jié)構(gòu)。由于AC-DC環(huán)節(jié)選用具有整流/回饋功能的AFE單元，使得變頻器AC-DC環(huán)節(jié)運行的可靠性大幅提高，能對供電系統(tǒng)進行有源的功率因數(shù)補償，對供電電源的波動適應(yīng)性更強；由于采用公共直流母排形式，也更加節(jié)能。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 6SE70變頻器公共直流母排結(jié)構(gòu)圖

2 6SE70系列變頻器典型故障解析

2011-2014年卸船機變頻器系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1所示。分析可知，由IGBT模塊及相關(guān)控制板故障引發(fā)的變頻器系統(tǒng)故障數(shù)量占到47.1%，由電流互感器及相關(guān)元器件故障引發(fā)的變頻器系統(tǒng)故障數(shù)量占到23.5%，由進線斷路器及相關(guān)元器件故障引發(fā)的變頻器系統(tǒng)故障數(shù)量占到11.8%，由CUVC(CUSA)及T300等控制板故障引發(fā)的變頻器系統(tǒng)故障數(shù)量占到11.8%，由預(yù)充電回路及相關(guān)控制板故障引發(fā)的變頻器系統(tǒng)故障數(shù)量占到5.8%。

表1 故障次數(shù)統(tǒng)計表

注： 1類即IGBT模塊及相關(guān)控制板故障；

2類即電流互感器及相關(guān)元器件故障；

3類即進線斷路器故障；

4類即CUVC(CUSA)及T300等控制板故障；

5類即預(yù)充電回路及相關(guān)控制板故障。

2.1 IGBT模塊及相關(guān)控制板故障

此類型的故障主要包括IGBT模塊損壞、阻容吸收板(緩沖模塊)故障、平衡電阻損壞、觸發(fā)板故障、觸發(fā)板連接光纖故障等故障類型。這些故障是6SE70系統(tǒng)交流變頻器系統(tǒng)典型故障中對硬件影響較大、處理時間較長且處理工藝較復(fù)雜的一類故障。此類故障發(fā)生時，多數(shù)伴有熔斷器的損傷，變頻器系統(tǒng)(AFE單元和逆變單元)常會報出多個故障或警告代碼；對于F025、F026、F027、F039、A017、A020這幾個故障或警告代碼與此類故障具有較強的相關(guān)性。

對于F002、F006、F012三個故障代碼，則常伴隨上述故障而被系統(tǒng)誤報出來。設(shè)備在運行過程中，如果逆變單元由于某種原因?qū)е鹿收贤C，會使得直流母排電壓瞬間升高，以致報出F006故障。若系統(tǒng)在故障復(fù)位后再次合閘上電時，變頻器在預(yù)充電過程中由于某種原因(AFE單元或逆變單元故障)未能完成預(yù)充電過程，便會報出F002故障代碼。在IGBT模塊或相關(guān)控制板功能異常時，偶見報出F011故障代碼[2]。

故障原因分析：IGBT模塊在使用中損壞的原因主要有過電流損壞、過電壓損壞、過熱損壞及靜電損壞等。①靜電損壞；IGBT模塊在存儲過程中，一般要求把它們的G、E兩極可靠的短路；另外檢修過程中，禁止用手直接觸碰G極，防止靜電導(dǎo)致模塊損壞；②過熱損壞；如果安裝模塊的方法不正確，使得IGBT器件與散熱板接觸不良，或者柜內(nèi)散熱不及時，都容易造成模塊的過熱損傷；③過電流和過電壓損壞；不考慮系統(tǒng)設(shè)計及器件本身性能的原因(如IGBT選型安全裕量過小、系統(tǒng)參數(shù)整定不合理、IGBT器件電氣性能下降等)，負載過大、負載短路或觸發(fā)信號異常等都會引起IGBT模塊的過電流損壞。對于過電壓的情況，由于IGBT在關(guān)斷時，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓，如果超過IGBT器件的最高峰值電壓，將造成IGBT擊穿損壞。如果過電壓保護電路出現(xiàn)異常(比如阻容吸收板故障)，極大可能造成IGBT過壓擊穿，如圖3所示。

圖3 觸發(fā)板及IGBT模塊損壞

2.2 電流互感器及相關(guān)元器件故障

此類型的故障主要包括電流互感器故障、電流互感器負載電阻故障等故障類型。AFE整流/回饋單元和逆變單元柜內(nèi)選用的都是母線式電流互感器，由于柜內(nèi)布置的原因，更換柜內(nèi)的電流互感器比較費時。此類故障發(fā)生時，若系統(tǒng)報出F029故障代碼，則電流互感器元件有很大概率損壞。

對于F006故障代碼，則常伴隨以上故障而被系統(tǒng)誤報出來。在傳感器檢測回路性能異常時(未完全故障或接觸不良的狀態(tài))，F(xiàn)011、A020這兩個故障代碼也常報出，也偶見報出A047警告的案例[3]。

故障原因分析：①電流互感器硬件故障時，變頻器系統(tǒng)會提示F029故障代碼；②電流互感器負載電阻出現(xiàn)問題或與互感器不匹配，會影響檢測精度，可能會報出上述故障；③電流互感器需要±15V的工作電源，由PSU2電源板提供，若工作電源故障，也會導(dǎo)致該類故障，如圖4所示。

圖4 AFE進線端電流互感器損壞

2.3 進線斷路器故障

故障原因分析：①AFE單元輸出時，由于系統(tǒng)故障或其他原因引起斷路器跳閘，此時斷路器的主觸頭需分斷較大電流，若頻繁出現(xiàn)此類操作，主觸頭會燒灼，影響接觸性能，并最終導(dǎo)致斷路器合閘缺相故障；② 斷路器內(nèi)部的機芯損壞可能造成斷路器頻繁合、分閘動作，不能完成自鎖；③儲能電機異?；蚩刂齐娫垂收希瑫饠嗦菲鞑荒茏詣觾δ芑蚝祥l。由于進線斷路器的控制電源和AFE單元內(nèi)24VDC整流模塊的供電電源為同一路，一旦斷路器的器件異常引起控制電源跳閘，會導(dǎo)致內(nèi)部24VDC電源無輸出，因此斷路器的控制電源會斷電，而且，AFE單元主控板及PMU單元的控制電源均會斷電(PMU黑屏)，如圖5所示。

圖5 斷路器機芯損壞(磨損)

2.4 CUVC(CUSA)及T300等控制板故障

此類型的故障主要包括CUVC控制板、CUSA控制板、T300工藝板及接口板等硬件故障，或者各控制板內(nèi)參數(shù)丟失(錯誤)故障，以及控制板插槽接觸不良等故障類型。此類故障發(fā)生時，變頻器系統(tǒng)(AFE單元和逆變單元)常會報出以下故障代碼：F006、FF01、E，也有表現(xiàn)為柜內(nèi)控制電源異常，或者由工藝板控制的一些控制功能運行異常(如抓斗開閉度設(shè)定等功能)。出現(xiàn)該類故障后，如果變頻器系統(tǒng)與上位機的通訊可以建立，建議對相關(guān)控制板的參數(shù)重寫幾次，可以解決大部分因控制板內(nèi)參數(shù)丟失(錯誤)而引起的故障。重寫參數(shù)無效的情況下，則需檢查或更換硬件了[5]。

故障原因分析：①控制板硬件故障或運行環(huán)境有干擾(系統(tǒng)屏蔽不好)都可能引起控制板內(nèi)參數(shù)丟失的問題；②插槽或連接線接觸不良也會引起此類故障；③系統(tǒng)報出FFxx或E故障代碼，則CUVC(CUSA)控制板有很大概率損壞；另外，用于USS通訊的電纜錯插在X300接口，也可能會讓操作面板顯示“E”代碼。

2.5 預(yù)充電回路及相關(guān)控制板故障

此類型的故障主要包括預(yù)充電接觸器K4故障、預(yù)充電限流電阻燒壞故障、電壓檢測板VSB故障以及接觸器K7故障等故障類型。AFE單元預(yù)充電結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。所謂預(yù)充電過程，即系統(tǒng)控制電源和主回路電源接入后，操作了系統(tǒng)“ON”操作后，系統(tǒng)控制預(yù)充電接觸器K4吸合，通過預(yù)充電限流電阻R1-R6向直流母線電容預(yù)充電，在完成預(yù)充電過程后，先斷開K4，然后K7合閘，Q1再合閘，AFE單元投入。此類故障發(fā)生時，AFE單元常會報出F002故障代碼[6]。

圖6 6SE70變頻器AFE單元預(yù)充電結(jié)構(gòu)

故障原因分析：①由圖3可知，當Q10開關(guān)的熔斷器燒斷、K4接觸器觸點不通(或接觸不良)及限流電阻燒斷都可能引起預(yù)充電過程失敗。若IGBT模塊內(nèi)反并聯(lián)的二極管損壞，也可能會引起預(yù)充電故障；②由于K4接觸器的動作受CUSA主控板控制，如果K4動作異常，還要注意CUSA主控板故障的可能性。③K7接觸器故障會影響斷路器Q1合閘線圈的動作，因此與預(yù)充電過程也有關(guān)系。

3 6SE70系列變頻器故障的應(yīng)對措施

針對公司目前6SE70系列交流變頻器系統(tǒng)的運行狀況，為了降低故障率、縮短故障處理時間，可以從以下三個方面做出改進。

注射用青霉素鈉（山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司，批號L121021）；生理鹽水（山東齊都藥業(yè)有限公司，批號7B12121705）；石蠟（上海華永石蠟有限公司，批號20140506）；大鼠BNP試劑盒（批號201704）、大鼠Ang II ELISA試劑盒（批號201704）、大鼠β1‐AR ELISA試劑盒（批號201704）、大鼠AT1 ELISA試劑盒（批號201704），購自南京建成生物工程研究所。

3.1 維護保養(yǎng)方面

除了一般的日常維護保養(yǎng)，還要重視變頻器系統(tǒng)運行環(huán)境的除塵工作，尤其需要控制好環(huán)境的溫濕度，避免冷凝水的形成。同時，對于變頻器系統(tǒng)中的某些器件可以計劃性地更換。比如進線斷路器臨近使用壽命時(即合閘次數(shù)限制)可以考慮更新；柜體內(nèi)的冷卻風機也可考慮定期換下保養(yǎng)；連接觸發(fā)板和IVI接口板的介質(zhì)為塑料光纖(G及以上尺寸)，有部分塑料光纖元件會提前進入老化期(可能與其所處位置靠近IGBT模塊，環(huán)境溫度較高有關(guān))；造成相應(yīng)光路上的信號傳遞強度減弱，引起IGBT驅(qū)動信號不穩(wěn)定。觸發(fā)板上的光電轉(zhuǎn)換元件也有類似的問題，在日常維護中需留意此種情況并做些準備。

3.2 修理工藝方面

規(guī)范故障處理時的檢修程序，普及使用西門子6SE70系列逆變器測試盒工具，提高故障診斷的準確性及修理效率。使用力矩扳手安裝IGBT模塊及相關(guān)元器件，避免因操作方法不當遺留故障隱患。

3.3 技術(shù)改造方面

為了減少部分故障的處理時間，我們對AFE單元的進線斷路器作了改型，用西門子同型號的抽屜式安裝的斷路器替代原固定式安裝的斷路器。優(yōu)化了AFE單元交流側(cè)U相電流互感器的安裝底板，解決了更換電流互感器時互感器安裝底板與旁邊電容組干涉的問題。

1 張欣. 變頻調(diào)速器在卸船機上的應(yīng)用[J]. 黑龍江科技信息, 2011(28)

2 楊波. 西門子6SE70變頻器在移動式料斗上的應(yīng)用[J]. 機械工程師, 2013(6)

3 趙煥章. 西門子變頻器過流故障分析和處理[J]. 設(shè)備管理與維修, 2009(10)

4 安宏亮. 淺談西門子6SE70系列變頻器結(jié)構(gòu)與故障分析[J]. 變頻器世界, 2012(7)

5 張明重. 西門子6SE70系列變頻器維修實例[J].礦山機械, 變頻器世界, 2012(4)

6 王璐. 6SE70系列變頻器過熱預(yù)警解決方案[J], 可編程控制器與工廠自動化, 2012(8)

(責任編輯：譚銀元)

Analysis on the Typical Failure of 6SE70 Inverter Applied in the Drive Control of Ship Unloaders

CHEN Fan1,ZHAO Lei2,WU Yu-qi1

(1.Ningbo Port Group Co., Ltd, Ningbo 315800, China;2.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

This paper briefly introduces the structure and function of Siemens 6SE70 inverter applied in the drive control of bridge type grab ship unloader, summarizes the typical failures of the drive system, and analyzes the major causes of the failures, based on which the improvement measures are proposed.

Bridge-type grab ship unloader; 6SE70 inverter; typical failure

U664.4

A

1671-8100(2015)03-0020-04

2014-12-05

陳 凡，男，碩士，工程師，主要從事電氣自動化方面的教學和科研工作。

--------------------------------