安川變頻器的維修在碼頭中的應(yīng)用

林道遠(yuǎn)

[摘? ? 要]安川變頻器的碼頭設(shè)備當(dāng)中有著廣泛的應(yīng)用，通過了解安川變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作原理，能夠養(yǎng)成故障維修的邏輯思路，提高自身的故障維修水平。也能從各種案例中看出系統(tǒng)設(shè)計(jì)弊端，從而采取措施去完善系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]港口設(shè)備;安川變頻器;維修

[中圖分類號(hào)]U691.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）06–00–03

Application of Yaskawa Inverter Maintenance in Wharf

Lin Dao-yuan

[Abstract]The terminal equipment of Yaskawa inverter is widely used. By understanding the internal structure and working principle of Yaskawa inverter， we can develop the logical thinking of fault maintenance and improve the level of fault maintenance. We can also see the defects of system design from various cases， so as to take measures to improve the system.

[Keywords]port equipment; Yaskawa inverter; maintenance

在當(dāng)今的港口設(shè)備中使用著各種類型的電氣設(shè)備，而其中擔(dān)任每臺(tái)設(shè)備的總樞紐的則是變頻器。變頻器的這個(gè)種型號(hào)和牌子，每個(gè)牌子的結(jié)構(gòu)與功能也各不相同，常見的牌子有德國的西門子、瑞士的ABB、日本的三菱。現(xiàn)今碼頭設(shè)備使用的大部分則為日本安川的變頻器。變頻器主要的應(yīng)用于電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，并同時(shí)承擔(dān)著過流、過壓、過載保護(hù)的作用，而碼頭設(shè)備的各個(gè)機(jī)構(gòu)電機(jī)都需要變頻器的控制，因此，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)電機(jī)的運(yùn)作功能也得不到實(shí)現(xiàn)。在碼頭的高強(qiáng)度工作環(huán)境下，每一分每一秒的工作質(zhì)量都是衡量工作效率的重要指標(biāo)，為此，精準(zhǔn)的問題判斷與高效的維修處理成為了必須。

1 變頻器構(gòu)造

需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修首先就是要對(duì)設(shè)備有一個(gè)深刻的理解，變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元、微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的通斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。以下從變頻器的各個(gè)單元出發(fā)，了解各個(gè)單元的結(jié)構(gòu)以及可能會(huì)發(fā)生的故障。

2 整流單元

整流單元主要由三組二極管組成，其作用類似于流體管道系統(tǒng)中所使用的止回閥，只允許電流在一個(gè)方向流動(dòng)，當(dāng)前生產(chǎn)的變頻器整流模塊均以二極管為主，部分整流模塊采用晶閘管的整流方式。以下以安川A1000為例，在碼頭生產(chǎn)中一般電機(jī)都為中、大功率電機(jī)，因此其變頻器一般為三相全波整流，承擔(dān)者變頻器所有輸出電能的整流，易過熱，也易擊穿，且損壞后一般會(huì)出現(xiàn)變頻器不能送電，熔斷器熔斷等現(xiàn)象，三相輸入或輸出端呈低阻值（正常阻值達(dá)到兆歐以上）或短路。在測量整流電路是否完好的時(shí)候，首先切斷變頻器的電源，待變頻器內(nèi)的電能完全釋放后，找出變頻器直流輸出端的正負(fù)極，采用機(jī)械萬用表的歐姆檔或二極管檔，黑表筆接正極，紅表筆逐個(gè)接變頻器輸入端三相電壓的觸點(diǎn)，整流橋的上半橋若是完好，萬用表應(yīng)顯示∞。若損壞萬用表顯示0。相反將萬用表紅表筆接負(fù)極，黑表筆分別接輸入端三相電壓的觸點(diǎn)，則為測量整流橋下半橋的通斷，若顯示0證明整流橋的損壞。該故障主要原因是通過電流過大擊穿了其中一組二級(jí)管或者內(nèi)部電路短路造成的二極管損壞，通常變頻器的顯示屏?xí)?bào)UV，但是UV故障僅說明電路內(nèi)部電壓低于通常電壓，并不能以此來推導(dǎo)出整流模塊的損壞。

3 濾波單元

變頻器的濾波一般分為輸入濾波以及輸出濾波。三相電源通過整流電源后的電壓并非純正的直流電壓，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，這些諧波也會(huì)通過輸入端接入電網(wǎng)中，從而影響到接入該電網(wǎng)的敏感設(shè)備的正常工作。因此通過輸入側(cè)的濾波，解決變頻器干擾電網(wǎng)的問題，同時(shí)可以解決諧波帶來的過壓、過流、過載、過熱等誤報(bào)的情況。而輸出的濾波器安裝在變頻器的輸出端，防止逆變過程中產(chǎn)生的諧波通過電纜進(jìn)入電機(jī)而導(dǎo)致的過熱、噪音、震動(dòng)劇烈、絕緣快速老化等問題。因?yàn)樽冾l器的濾波單元通常是由預(yù)充電阻電容電感三者構(gòu)成，在檢測其好壞主要通過萬用表直接測試電容器有無充電過程及內(nèi)部短路或漏電現(xiàn)象，并根據(jù)指針向右擺動(dòng)的幅度大小估計(jì)電容的容量。

案例：安川G7型變頻器是一種用途廣泛的中型變頻器，它在碼頭中主要用作輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)控制4個(gè)電機(jī)去驅(qū)動(dòng)設(shè)備走大車。某次司機(jī)在駕駛龍門吊動(dòng)大車的時(shí)候突然緊急停止，會(huì)報(bào)變頻器故障，在復(fù)位重新動(dòng)作一段時(shí)間后會(huì)再次報(bào)出故障。我們維修組人員在趕到現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)是起升變頻器啟動(dòng)后，發(fā)出“吱吱”的響聲，聲音隨頻率的增加逐漸變得尖銳刺耳，聲音持續(xù)約5s后，變頻器發(fā)出“OC”故障報(bào)警，在拆除大車鏈條后空載也是如此。因?yàn)榭蛰d下報(bào)過流，不是真正的過流故障，因此先是懷疑是逆變單元故障，通過斷電測量三相電阻檢查后，沒有發(fā)現(xiàn)問題。然后懷疑驅(qū)動(dòng)電路部分的問題，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)全部正常的情況下，故障一是驅(qū)動(dòng)模塊性能衰退，不能驅(qū)動(dòng)IGBT;二驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部電壓不穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)信號(hào)不正常，使IGBT開關(guān)時(shí)間配合不好，造成主回路過流，于是更換了驅(qū)動(dòng)電路板后，試機(jī)依舊報(bào)故障。此時(shí)領(lǐng)隊(duì)提出電容損壞導(dǎo)致輸出的電壓不穩(wěn)定，在逐一排查各類電容后終于發(fā)現(xiàn)濾波模塊中有1個(gè)電容損壞導(dǎo)致濾波效果不好引發(fā)的過流現(xiàn)象。

4 逆變單元

逆變單元的功能是變頻器將內(nèi)部的直流電再次轉(zhuǎn)化為交流電，并提供到各個(gè)電機(jī)，也是變頻器最重要的一個(gè)部分。逆變單元主要由6組IGBT以及續(xù)流二極管組成，IGBT具有良好的開關(guān)特性，通過驅(qū)動(dòng)板控制的脈沖信號(hào)的周期來實(shí)現(xiàn)SPWM的控制，使其輸出交流電。而續(xù)流二極管主要為無功的直流電流提供返回直流母線的通道，從而達(dá)到節(jié)能的效果。逆變單元是變頻器經(jīng)常損壞的部位，在變頻器顯示器上面報(bào)的PUF、SC等故障通常也會(huì)導(dǎo)致變頻器的IGBT損壞，而檢測逆變單元的好壞也與檢測整流單元的手段差不多，用紅色表筆接觸直流母線的負(fù)極，黑色表筆依次接觸輸出端的三相，記錄萬用表上的顯示值;然后再把黑色表筆接觸正極，紅色表筆依次接觸輸出端的三相，記錄萬用表的顯示值;六次顯示值如果基本平衡，則表明變頻器IGBT逆變模塊無問題，反之相應(yīng)位置的IGBT逆變模塊損壞。

5 驅(qū)動(dòng)單元

驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)為一塊集成電路板，主要作用是驅(qū)動(dòng)逆變單元的開關(guān)順序從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓為正弦的交流電，而從目前的角度出發(fā)，需要檢測驅(qū)動(dòng)板的好壞，只能通過示波器觀察其輸出的6路波形是否一致。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板損壞或者電網(wǎng)存在干擾導(dǎo)致開關(guān)電平混亂，會(huì)直接使IGBT燒毀，因此變頻器維修操作檢查出PUF故障時(shí)，往往會(huì)伴隨著變頻器內(nèi)部IGBT和驅(qū)動(dòng)板的損壞。

案例：在碼頭設(shè)備當(dāng)中安川變頻器YS1000是一款在輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)廣泛應(yīng)用于的起升電機(jī)的變頻器。曾經(jīng)在起升變頻器損壞的時(shí)候，變頻器除了報(bào)PUF故障以外，電氣房充斥著強(qiáng)烈的異味，它所控制的起升電機(jī)也停止了運(yùn)作。在通過PLC將起升變頻器的故障點(diǎn)屏蔽，發(fā)現(xiàn)其能夠?qū)崿F(xiàn)大車部位的慢速運(yùn)作，在設(shè)備安放至合適的地點(diǎn)后，我們維修小組做出了是輸出側(cè)的逆變單元因?yàn)槔匣騼?nèi)部短路造成的IGBT損壞。因?yàn)樵撛O(shè)備變頻器的整流結(jié)構(gòu)是從主起升變頻器的整流單元通過整流母線傳送到其他諸如大車、小車結(jié)構(gòu)的變頻器中，所以從其他結(jié)構(gòu)能正常運(yùn)作這點(diǎn)做判斷，整流單元是完好的。下一步就要開始對(duì)故障變頻器逐層拆分，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尋找真正的病因。在拆分到最底層發(fā)現(xiàn)了明顯的異樣，底部的IGBT三相中明顯有兩相IGBT有明顯的損壞的痕跡，這也排除了短時(shí)間電網(wǎng)波動(dòng)的電流沖擊損壞了IGBT;內(nèi)部移相變壓器控制面板的保險(xiǎn)絲熔斷，信號(hào)插頭燒熔，旁邊一側(cè)的預(yù)充電阻燒毀，而它導(dǎo)線的絕緣層也燒熔了，這是很明顯的短路現(xiàn)象，在導(dǎo)線旁邊也發(fā)現(xiàn)了有燒熔痕跡的銅板。預(yù)充電阻主要是作為抑制電路上的沖擊電流，當(dāng)變頻器檢測沖擊電流過大是就會(huì)將其接入電網(wǎng)，降低沖擊電流。因此故障診斷為：充電電阻導(dǎo)線絕緣層老化，在沒有軋帶扎緊的情況下老化部位與接入IGBT的銅板接觸，將電流直接送到IGBT內(nèi)，也順著導(dǎo)板傳到其他IGBT結(jié)構(gòu)。該故障損壞的電氣元件較多，為了保證日常的生產(chǎn)需求，決定將其他備用的變頻器整個(gè)換上，故障的變頻器在計(jì)算維修成本后，決定拆除可用備件后作報(bào)廢處理。

6 通訊模塊

變頻器的通訊模塊主要分為2部分，一部分是通過脈沖發(fā)生器（通稱“PG卡”）與控制電機(jī)的光電編碼器進(jìn)行通訊從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋，還有就是與設(shè)備系統(tǒng)的PLC進(jìn)行通訊，除了參與PLC的系統(tǒng)控制外，還能通過電腦進(jìn)行變頻器主板的驅(qū)動(dòng)安裝、參數(shù)監(jiān)控和更改的操作。

案例：單臂架門座起重機(jī)是碼頭作業(yè)的重要設(shè)備，因?yàn)楣こ碳夹g(shù)要求，起升需要電纜連接到作業(yè)的吊鉤或吊具，且需要與吊鉤進(jìn)行同步升降，這些都是通過安川A1000變頻器實(shí)現(xiàn)的。有一次司機(jī)在作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜在沒有動(dòng)起升時(shí)緩緩下滑，隨后報(bào)了變頻器故障。維修組在到達(dá)現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)變頻器報(bào)了PGO故障，即沒有收到電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)，故障復(fù)位后再次啟動(dòng)就會(huì)跳出故障。該故障一是編碼器老化損壞，導(dǎo)致沒有檢測到電機(jī)的信號(hào)，二是變頻器PG卡故障，接受不了反饋信號(hào)，三是變頻器和電機(jī)的中間線路斷路或接地。從三個(gè)方向出發(fā)，首先檢查編碼器的燈是正常的，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器綠燈正常亮滅，以防萬一更換備用編碼器，試機(jī)仍不行，再更換PG卡，結(jié)果依舊。最后只能通過檢測每一段的線路判斷有無接地、斷路的現(xiàn)象，其中也分了三個(gè)中轉(zhuǎn)需要逐條檢測。最后終于在塔頂接線盒到電機(jī)編碼器發(fā)現(xiàn)有接地現(xiàn)象，在更換備用線后試機(jī)正常，起升電纜也能正常升降。

7 結(jié)語

在碼頭為了滿足生產(chǎn)需求，設(shè)備基本上是24h都在作業(yè)，如此高負(fù)荷的工作設(shè)備難免產(chǎn)生問題。以上案例僅為眾多變頻器故障的冰山一角，這同時(shí)也具有一定的代表性，在了解了變頻器的構(gòu)造后這些故障也更容易從宏觀角度去思考病因，從而在日常保養(yǎng)檢機(jī)的時(shí)候做出相應(yīng)對(duì)策去降低其故障率。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪英.電路與信號(hào)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

[2] 張?；?淺談安川變頻器的常見故障及維修中注意事項(xiàng)[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2016（4）：66.

[3] 齊立春.安川變頻器在鍋爐引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)，2012，42（11）：71-73.

[4] 江陽.安川高效變頻器在港口中型起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)自控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)：理論版，2006，4（5）：176-178.

[5] 凌飛.關(guān)于安川變頻器在港口設(shè)備中的使用與維修[J].中國市場，2015（24）：55-56.

[6] 朱新.港口起重機(jī)安川變頻器的故障分析[J].科技風(fēng)，2018（31）：140.

[7] 李方園.安川變頻器的應(yīng)用第4講安川變頻器在造紙涂布機(jī)張力控制中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2015（8）：52-56.

[8] 李方園.安川變頻器的應(yīng)用第6講安川變頻器在電梯中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2015，10（10）：58-59.

[9] 王卓峰.安川G7變頻器在起重機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用[C]//2008全國制造業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)論壇，2014.