西門子S120變頻器的應(yīng)用與排故

姚小寧

（北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404）

1 緒論

西門子S120變頻裝置是西門子公司變頻器主打品牌之一，它在實際應(yīng)用過程中具有很多優(yōu)勢。由于它具有相對穩(wěn)定的系統(tǒng)性能、極佳的矢量控制技術(shù)以及接觸的市場動態(tài)等特點，使其擁有很高的市場占有率，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)之中，具有非常美好的發(fā)展前景。

2 西門子S120變頻裝置概述

西門子SinamicsS120是一款各項性能都非常突出的全新變頻器，也是順應(yīng)市場多機(jī)傳動發(fā)展的產(chǎn)物。此系列中引進(jìn)了許多革新技術(shù)，并對傳動理念進(jìn)行了創(chuàng)新，在性能方面也進(jìn)行了一定的提高，變頻器在運(yùn)行過程中的噪音被大大降低了，更加符合環(huán)保理念并且其體積也被相應(yīng)縮小了。該系列變頻器的組成硬件比較多，主要有直流中間電路、逆變電路以及整流電路等，對正弦脈沖寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)的一款變頻裝置，當(dāng)下被積極應(yīng)用于造紙印刷、機(jī)床等設(shè)備及試驗臺中[1]。變頻裝置的硬件配置包括外部編碼器、數(shù)據(jù)存儲終端的電機(jī)模塊與制動單元等。然而，變頻器的外部編碼器既能有效跟蹤C(jī)PU變量，而且還能實現(xiàn)對閉環(huán)系統(tǒng)、驅(qū)動器等執(zhí)行改進(jìn)和調(diào)試操作，幫助變頻系統(tǒng)實現(xiàn)實時診斷以及對故障進(jìn)行定時檢測。信號模塊裝置作為對操控器進(jìn)程進(jìn)行操作的關(guān)鍵接口，通常比較簡易，不同模擬和數(shù)字量進(jìn)行融合也不會傳出輸入輸出請求給命令，同時兼具參數(shù)設(shè)定簡易與拼裝密度較高等特點。數(shù)據(jù)/程序儲存器在實際工作過程當(dāng)中會選出最匹配的CPU，完成這一操縱的關(guān)鍵在于集成作業(yè)存儲區(qū)的巨細(xì)。S120系列的變頻器只需要借助很小的啟動電流便能夠獲得相當(dāng)大的啟動轉(zhuǎn)矩，在實際運(yùn)行中會將單項及三項交流電轉(zhuǎn)化成直流電隨后再轉(zhuǎn)換回單線及三項交流電，為了促使電機(jī)運(yùn)行曲線一直處于平行下移狀態(tài)，需要對輸出電壓與電流進(jìn)行變化以達(dá)到曲線轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的目的。在轉(zhuǎn)速一樣的情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍相對比較寬泛，此時交流異步電機(jī)能夠?qū)﹄姍C(jī)的電源頻率進(jìn)行有效改變，進(jìn)而實現(xiàn)高效控制的目的。

西門子S120變頻器分為DC/AC與AC/AC兩種，同時兼具矢量控制和伺服控制等性能[2]。此系列在復(fù)雜協(xié)同轉(zhuǎn)動、高動態(tài)響應(yīng)和高精度控制等情況也有所應(yīng)用。其中AC/AC單軸驅(qū)動不僅能對常見三相異步電機(jī)實行控制時，而且還能控制同步伺服機(jī)、異步伺服機(jī)、直線電機(jī)以及扭矩單機(jī)等設(shè)備，與此同時還能確保伺服控制的高精度性，其中包含對一般V/F與矢量進(jìn)行控制，是集整流與逆變于一體的一款新型驅(qū)動器，可以對進(jìn)給軸執(zhí)行絕對與相對定位功能。這款驅(qū)動器，其整體結(jié)構(gòu)是由整流與逆變共同構(gòu)成的，而DC/AC驅(qū)動器在整流與逆變部分都是相對獨立的模塊，A其功率處于0.12kW～250kW之間，每個軸都有相應(yīng)的獨立單元進(jìn)行控制，而DC/AC驅(qū)動器的功率范圍則是在0.9kW～1200kW之間，可以在相同時間有效控制4個矢量軸抑或是1個整流與6個伺服軸。

S120變頻器的驅(qū)動系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳遞操作主要是采用了與西門子全新一代PLC研制出來的PROFINET通訊協(xié)議有關(guān)的DRIVE- CLIQ通訊協(xié)議，該通訊協(xié)議的總線纜在傳遞速度方面明顯更快、在抗干擾方面變現(xiàn)出來的性能更強(qiáng)大，其硬件接口所使用的網(wǎng)線全部都是人們所熟知的RJ45型號網(wǎng)線。RJ45網(wǎng)線無論是在通訊速率方面還是在穩(wěn)定性方面都得到了很大程度的提升。無論是想了解驅(qū)動系統(tǒng)的各個細(xì)節(jié)，還是對該系統(tǒng)的控制圖紙進(jìn)行深入探究都必須要借助STARTER軟件才能得以實現(xiàn)，它為相關(guān)研究人員簡化了排查驅(qū)動故障的繁瑣程度。現(xiàn)階段，越來越多精準(zhǔn)傳動行業(yè)如企業(yè)工廠等都強(qiáng)烈推薦應(yīng)用S120系列變頻裝置，選擇的原因都是因為該系列的變頻器在操作方面更加具有人性化，并且簡單易學(xué)、方便快捷等優(yōu)點。

3 西門子S120系列變頻裝置在調(diào)試方面的應(yīng)用

變頻器調(diào)試工作主要涉及以下幾個步驟：審查傳動系統(tǒng)、建立傳動系統(tǒng)、構(gòu)建齊全的傳動系統(tǒng)配置項目，設(shè)置有關(guān)參數(shù)、設(shè)定啟動模式、優(yōu)化電機(jī)參數(shù)以及設(shè)置調(diào)速值等步驟[3]。其中系統(tǒng)審核、系統(tǒng)創(chuàng)建、系統(tǒng)配置項目的形成都是準(zhǔn)備工作范疇。只要S120系列變頻器存在一定的組件，并且設(shè)備各個組件的固件版本信息被完好的儲存到了CF卡中，變頻器才能對傳動系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)試操作。在調(diào)試過程中設(shè)備傳動系統(tǒng)的檢查工作又能夠細(xì)分為：機(jī)器外觀檢查、動力電纜絕緣性能審查以及機(jī)器電機(jī)的接地絕緣性檢查，必須要讓系統(tǒng)設(shè)備同圖紙配置相一致，同時確保接線接地工作萬無一失。以上檢查工作全部完成以后開始構(gòu)建傳動系統(tǒng)，Drive- C liq網(wǎng)不僅絡(luò)能與系統(tǒng)中的每個組件都進(jìn)行有效連接，而且還是系統(tǒng)內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)滿足相應(yīng)配置規(guī)則的基準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)計人員當(dāng)時的設(shè)計初衷借助Drive - C liq網(wǎng)絡(luò)幫助輸入/輸出接口模塊、功率模塊及控制器等完成連接。相關(guān)工作全部落實完成后，傳動系統(tǒng)的配置項目也就自然而然的生成了。將所有系統(tǒng)組件中含有的固件版本信息全部儲存到CF卡中，控制器就會對它進(jìn)行有效掃描和必要升級，在此過程中要確保供電正常，完成升級用時大約1min，完成后還應(yīng)斷開控制電源重新給電，然后再使用。這樣一個具有工廠設(shè)置的S120變頻器項目便出現(xiàn)了。對變頻裝置進(jìn)行基礎(chǔ)調(diào)試操作時，會涉及到對裝置相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置、啟動模式、調(diào)速設(shè)定以及電機(jī)相關(guān)參數(shù)的改進(jìn)等。西門子公司對S120系利變頻裝置進(jìn)行調(diào)試所使用的軟件為Scout/Starter，其中Starter軟件在使用過程中可以不用授權(quán)。對裝置參數(shù)以及控制形式等進(jìn)行設(shè)置與讀取時，STARTER軟件所具有的優(yōu)勢更加明顯，最大的優(yōu)點在于便于實現(xiàn)修改跟蹤與監(jiān)控操作，同時還方便執(zhí)行查找與故障處理操作。對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與監(jiān)控操作主要是通過對PG/PC串口與西門子320系列通訊加以利用來實現(xiàn)的，在實際通訊當(dāng)中還需要使用標(biāo)準(zhǔn)232電纜才能得以實現(xiàn)。要想讓S120變頻器的DCC發(fā)揮作用，還需要安裝CFC軟件并獲得使用授權(quán)。

對變頻裝置進(jìn)行調(diào)試的時候，最開始應(yīng)該對需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的有關(guān)配置按照實際情況進(jìn)行設(shè)定，可能會涉及到的參數(shù)項目有：系統(tǒng)控制方式、電源電壓、負(fù)載類型、電機(jī)額定電壓等參數(shù)[4]。然后還應(yīng)該對變頻器的啟動頻率實行設(shè)置，一般會將啟動頻率設(shè)定為0Hz。如果輸出轉(zhuǎn)換成與啟動頻率相適應(yīng)的交流電壓后，在變頻器啟動頻率未規(guī)定值之前，參照加速曲線持續(xù)提高輸出頻率與輸出電壓。

為了規(guī)避變頻裝置產(chǎn)生過流以及啟動沖擊，應(yīng)該將其啟動頻率控制到適合范圍內(nèi)，可以按照先制動然后再啟動頻率的順序進(jìn)行，多用于一些無法對負(fù)載初始狀態(tài)進(jìn)行明確的場合。又因為給定速度或者負(fù)載變化會影響到轉(zhuǎn)速，為此應(yīng)該借助控制“V/F”或“矢量”的方式方法對速度進(jìn)行調(diào)整，此時可以對“速度限幅”、“轉(zhuǎn)矩限幅”進(jìn)行合理設(shè)定，一般來說正向規(guī)定為最大速度、反向也規(guī)定為最大速度，正向最大轉(zhuǎn)矩與反向最大轉(zhuǎn)矩都為100%。停車程序結(jié)束后，還應(yīng)該對系統(tǒng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化。對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的時候應(yīng)該滿足以下條件：負(fù)載脫開、抱閘閉合以及電機(jī)冷態(tài)，只有達(dá)到這幾個條件才能進(jìn)行優(yōu)化操作。優(yōu)化參數(shù)主要有三步驟：生成全新參量，對變頻器進(jìn)行精準(zhǔn)計算；靜態(tài)分析辨識；對電機(jī)動態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。在對S120系列變頻器開展靜態(tài)辨識的時候應(yīng)該保障軸端不存在轉(zhuǎn)矩、沒有電壓輸出也不存在電流輸出的狀態(tài)下進(jìn)行。這些步驟全部完成后意味著調(diào)試工作完成了。

4 西門子S120變頻器常見故障及排除方法

4.1 過電流

過電流問題是S120系列故障中最普通的一種。發(fā)生這類故障時其主要表現(xiàn)為變頻器接通電源后無異常表現(xiàn)，但是運(yùn)行顯示出過流，哪怕是處于空載狀態(tài)仍舊還是處于這一現(xiàn)象，并且控制面板上顯示出來的故障代碼為F30001。經(jīng)過仔細(xì)研究故障代碼說明書發(fā)現(xiàn)，此類故障屬于過電流抑或是變頻器漏電一類。出的原因，一般是因供電電壓波動較大或者是變頻器反復(fù)發(fā)生過載進(jìn)而導(dǎo)致脈動電流高于主控板電流，并且沒有及時進(jìn)行保護(hù)導(dǎo)致的。為了更好的解決此類故障現(xiàn)象，應(yīng)該對回路器件進(jìn)行逐一檢查，借助加電測試的形式對回路器件進(jìn)行檢查分析確定有無問題。如果是電流傳感器存在問題，應(yīng)該及時對其進(jìn)行更換或者維修；如果是回路輸出存在問題，就應(yīng)該及時對回路中的故障原件進(jìn)行更換以此來確保變頻器處于正常工作狀態(tài)。與此同時，還可以對變頻器有關(guān)參數(shù)作出適當(dāng)修改，比如當(dāng)其發(fā)生過電流問題時，技術(shù)人員可以對變頻器的輸出載頻進(jìn)行修改以免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象；再比如對輸出頻率進(jìn)行適當(dāng)降低抑或是減少高頻消耗等。再一個就是，還能在變頻器的輸出端口安置相應(yīng)的交流電抗器，實行這一操作的目的主要是為了對電流突變進(jìn)行有效控制，以達(dá)到防止過電流的目的。選擇電抗器的過程中應(yīng)該積極與相應(yīng)廠家進(jìn)行良好溝通，選擇與變頻器功率相適應(yīng)的電抗器。

4.2 過電壓故障與排除辦法

發(fā)生過電壓時的代碼為F3000，當(dāng)電路中元件發(fā)生故障時，極有可能會出現(xiàn)輸出端持續(xù)呈現(xiàn)高電壓的輸出狀態(tài)，此時就可斷定該變頻裝置的電壓發(fā)生了故障。當(dāng)對電壓問題實施檢測的過程中，一般會對電路逐個進(jìn)行診斷。所謂放大電路就是對依照規(guī)定好的比例進(jìn)行放大后的電壓取樣信號開展故障分析，其主要器件為運(yùn)放集成電路［5］。發(fā)生電壓故障的原因一般為集成電路故障并輸出高電平，這時候存在的高電平就是S120系列變頻器存在過電壓故障的信號，并且電壓問題將會顯示在控制面板上。對于此類問題，最直接的處理方法就是對運(yùn)放集成電路進(jìn)行及時更換，從而幫助系統(tǒng)快速回到正常運(yùn)行的狀態(tài)。

4.3 欠電壓故障與排除辦法

欠電壓也是常見故障之一。當(dāng)發(fā)生欠電壓時，控制面板會因為輸出信號不正常而展現(xiàn)出故障情況。如果發(fā)生這類情況應(yīng)該對高壓直流電、低壓直流電集成放大電路以及取樣電路等進(jìn)行檢查，從而確定發(fā)生故障的準(zhǔn)確位置。比如，對集成電路進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn)電壓不正常，而對集成放大電路進(jìn)行檢查卻顯示正常。但是過幾分鐘后停止工作，并且機(jī)器內(nèi)部散發(fā)出異味，當(dāng)斷開電源后，發(fā)現(xiàn)變頻器內(nèi)部帶有的限流電阻存在發(fā)熱的狀況。在此種情形下，能夠斷定此次故障是繼電器與限流電阻發(fā)生短接未發(fā)揮作用造成的。對于這類情況，應(yīng)該及時對集成電路進(jìn)行有效更換從而達(dá)到解除故障的目的。除此之外，限流電阻如果存在發(fā)熱情況還會造成變頻器在實際運(yùn)行過程中也發(fā)生過熱故障，產(chǎn)生這一故障的主要原因在于繼電器沒有發(fā)生作用，進(jìn)而致使變頻器不能很好地發(fā)揮作用。

5 結(jié)語

由此可見，西門子S120變頻器是集弱電、強(qiáng)電于一體的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。因為變頻器在運(yùn)行過程中時常會發(fā)生故障，阻礙了生產(chǎn)過程的有序推進(jìn)。所以，必須要對變頻器故障以及處理措施加強(qiáng)研究，確保變頻器功能能夠得到良好發(fā)揮。就西門子S120系列變頻器來說，基于其有一定的使用優(yōu)勢，在使用過程中已經(jīng)獲得了極佳的使用效果，所以更應(yīng)該重視分析變頻器問題解決對策，從而更好地保證經(jīng)濟(jì)效益。