西門子6SE70系列變頻器逆變單元的結(jié)構(gòu)原理和常見故障分析

洪騰飛，張千朋

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 6SE70逆變器的主要構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

裝機(jī)裝柜型6SE70逆變器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括直流母排、電容、電源模塊、功率模塊（絕緣柵雙極晶閘管IGBT）以及檢測控制元件。圖1中的選件板主要包括用于PROFIBUS通信的通信板（CBP/CBP2），實(shí)現(xiàn)開關(guān)量和模擬量輸入/輸出擴(kuò)展的擴(kuò)展板（EB1/EB2）等[1]。

其中逆變器功率部分主要由六個(gè)IGBT模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)和輸出電壓波形如圖2所示。每個(gè)IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管，一般大功率逆變器中，IGBT都與續(xù)流二極管封裝為一體。

1.2 控制回路、檢測回路及驅(qū)動(dòng)回路構(gòu)成和工作原理

以定位錨機(jī)裝機(jī)裝柜型6SE7041-2WL60逆變器為例，說明控制回路、檢測回路及驅(qū)動(dòng)回路各電路板的功能和部件連接，其原理如圖3和圖4所示。

圖2 逆變回路結(jié)構(gòu)和輸出電壓波形

圖3 逆變器各電路板連接

圖4 逆變器各電路板連接

1.2.1 控制與通信回路

控制與通信回路主要包括以下部件。

中央控制單元CUVC是逆變器的控制核心，主控板上安裝了微處理器及其外圍電路，集成了標(biāo)準(zhǔn)配置的I/O口，可實(shí)現(xiàn)帶或不帶速度反饋的高性能矢量控制方式。更換CUVC板后，重新裝入備份參數(shù)，重新設(shè)定功率部分，以免出現(xiàn)測量直流母線電壓過低等故障。

通信板CBP2是帶PROFIBUS總線的通信板，可使逆變器通過PROFIBUS總線與PLC等通信。CBP2選件板前端有3個(gè)發(fā)光指示燈，用于顯示當(dāng)前通信狀態(tài)。其中，紅色指示燈代表CBP板正在運(yùn)行，黃色指示燈顯示正在與基本裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，綠色指示燈表示通過PROFIBUS總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。若所有指示燈以相同頻率同步閃亮，則表示CBP板工作正常[2]。

擴(kuò)展板（EB1/EB2）可實(shí)現(xiàn)開關(guān)量和模擬量輸入/輸出擴(kuò)展功能。

LBA局部總線適配器和ADB適配板用于插槽的擴(kuò)展和電路板之間的相互通信。

電源板PSU負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制電源的輸出和變換，它的功能主要包括：（1）從外部端子（X9-1腳與X9-2腳）引入24 V直流控制電壓或者將直流母線上的電壓轉(zhuǎn)換成24 V的直流控制電壓；（2）將24 V直流控制電壓轉(zhuǎn)換為其他不同等級的控制電壓，如±15 V和+5 V等，為其他模塊或CT等提供工作電源；（3）PSU模塊還具有一定信號處理和保護(hù)功能，可對三相交流電壓信號和直流母線電壓信號進(jìn)行采樣和處理，并對變頻柜內(nèi)冷卻風(fēng)機(jī)提供電源輸出和短路保護(hù)。

接口板IVI可完成CUVC板與系統(tǒng)本體部分的信號交換，它的功能主要包括：（1）驅(qū)動(dòng)和保護(hù)IGBT，可將IGBT的驅(qū)動(dòng)信號從CUVC板傳送到IGD模塊，并接收從IGD模塊反饋的IGBT的Uce等保護(hù)信號；（2）負(fù)責(zé)輸出側(cè)電流互感器控制電源的供電和測量信號的接收傳送[3]。

電阻采樣板ABO的主要功能是裝有各種傳感器的取樣電阻或負(fù)載電阻。例如，輸出側(cè)電流互感器和直流母排電壓的檢測信號經(jīng)ABO電阻采樣板后傳送給主控板CUVC。由圖4可知，ABO插裝于接口板IVI模塊上，當(dāng)插接出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)過電流或過電壓故障。當(dāng)電流互感器接線錯(cuò)誤或者故障損壞時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致ABO板出現(xiàn)冒煙燒毀現(xiàn)象。

電源分配板VDU是進(jìn)線電壓為F級、H級、U級及W級時(shí)，加在PSU模塊前端的模塊，可連接附屬電阻把直流母線電壓降壓后給PSU板的開關(guān)電源供電[2]。

安全停車板SSB可確保在“安全關(guān)閉”功能激活時(shí)，SSB板上的安全繼電器切斷控制電子部件和電源部分之間的耦合元件（光耦合器和光纖電纜）的電源，在連接的電機(jī)中不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

電流互感器CT是電流實(shí)際值的測量元件。逆變器需要精度和反應(yīng)快的電流互感器，本文使用的是ABB ES200-9725型電流互感器。電流互感器不僅要提供電流的實(shí)際值，以便于調(diào)控矢量控制中轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，而且還要根據(jù)測量值的大小保護(hù)主回路的IGBT。此外，無傳感器的控制方式與被控電機(jī)的矢量模型相結(jié)合，可提供速度實(shí)際值。

1.2.2 輸出側(cè)回路

功率元件IGBT是6SE70系列產(chǎn)品的主要功率器件，一般采用集成橋臂續(xù)流二極管的模式封裝。IGBT過電流能力一般為2倍額定值，且時(shí)間要小于20 μs。

門極觸發(fā)板IGD是連接IGBT功率元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路板，不但能將IGBT的驅(qū)動(dòng)信號傳送到IGBT元件，控制IGBT元件的關(guān)斷與導(dǎo)通，還能將IGBT的重要參數(shù)反饋至CUVC。

緩沖電路SMU與SML，又稱過壓保護(hù)模塊，是IGBT的吸收回路，二者分別適用于IGBT的上橋臂和下橋臂，結(jié)構(gòu)不同不能互換。

1.3 6SE70常見故障的排查和解決

長期使用和維護(hù)6SE70變頻器時(shí)，建議訂購西門子6SE70變頻器測試盒（訂貨號：6SE7090-0XX84-1FK1）。該測試盒可用于書本型和裝機(jī)裝柜型等多尺寸變頻器的測試和檢查。利用測試盒能快捷測量變頻器內(nèi)部器件的工作狀態(tài)，確認(rèn)內(nèi)部信號的狀態(tài)，可用于日常檢查、維修時(shí)的故障分析及維修后的質(zhì)量確認(rèn)。測量項(xiàng)目主要包括：三相6個(gè)IGBT模塊的觸發(fā)狀態(tài)、觸發(fā)信號及監(jiān)控狀態(tài)；變頻器內(nèi)部24 V、±15 V及5 V等電源負(fù)載能力和工作狀態(tài)；變頻器內(nèi)部溫度傳感器和三相電流互感器的工作狀態(tài)；變頻器內(nèi)散熱風(fēng)機(jī)的控制信號狀態(tài)等。

測試盒可檢測逆變器內(nèi)的大部分元件，為故障源的判斷提供直接或間接的幫助。6SE70常見的部分故障代碼和解決方法具體如下。

若變頻器PMU顯示屏上顯示字母“E”或黑屏，則可能原因有CUVC板損壞（5 V電源短路）、IVI板損壞（5 V電源短路）、CBP/CBP2通信板損壞（貼片電阻損壞）或者外部控制電源DC24 V電壓偏低。

F006直流母線電壓過高故障。若是停車過程中出現(xiàn)此故障，可能是斜坡下降時(shí)間P464設(shè)置偏小或者制動(dòng)單元未及時(shí)投入運(yùn)行；若是系統(tǒng)上電自檢時(shí)出現(xiàn)此故障，可能是PSU模塊電壓檢測回路故障或者轉(zhuǎn)換板IVI故障。

F011過電流/F029測量值傳感系統(tǒng)故障。若運(yùn)行中出現(xiàn)此故障，需確認(rèn)是否真的過電流，可通過讀取r004參數(shù)值確認(rèn)變頻器的輸出電流，并與實(shí)際測量比較，或者通過測試盒測試電流互感器狀態(tài)。若供電自檢時(shí)出現(xiàn)此故障，可能是PSU電源板工作電源部分損壞，造成IVI接口板的工作電源供電異常，從而導(dǎo)致電流檢測環(huán)節(jié)無法正常工作。

F023逆變器超過極限溫度，可通過讀取r833參數(shù)值（系統(tǒng)散熱器的冷態(tài)溫度）與環(huán)境實(shí)際溫度進(jìn)行比較而得出判斷，確認(rèn)是確實(shí)高溫還是熱敏電阻傳感器故障，也可通過測試盒進(jìn)行測試判斷。

F025/F026/F027分別對應(yīng)在L1～L3相有無短路或接地故障，以及F101/F102/F103接地故障，此類故障一般代表IGBT出現(xiàn)損壞。用萬用表和高阻表可簡單判斷IGBT器件的好壞，但檢查結(jié)果并不完全可靠。首先，確保G端和E端兩端短接后，用高阻表DC1 000 V檔位檢查IGBT的耐壓情況，其C端和E端的電阻一般為幾百兆歐，至少應(yīng)在30 MΩ以上；其次，用萬用表二極管檔測量E端和C端之間的反并聯(lián)二極管是否正常，正常一般應(yīng)有0.3 V壓降。最后，檢查IGBT器件時(shí)，若發(fā)現(xiàn)其殼體上有細(xì)微裂縫，則此器件不可再用，且更換IGBT時(shí)，一般同相的其他IGBT和IGD都需更換。

2 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了西門子6SE70系列逆變柜的構(gòu)造和工作原理，重點(diǎn)介紹了控制回路、檢測回路及驅(qū)動(dòng)回路的硬件組成、原理、功能、與各部件之間的連接以及常見故障的處理，為相關(guān)人員提供了參考。