镟床变频器原理与故障处理方法

隆贤生

摘 要：地铁车辆检修段广泛采用镟床进行客车车轮的不落轮镟修，其控制设备由西门子MICROMASTER 440变频器及相应的外围接线组成，在镟床工作过程中出现的问题大部分来自于其控制系统。该文介绍了西门子440变频器的工作原理和保护构成原理，结合实际的接线，对变频器可能出现的故障和故障现象进行了分析。然后对实际的维修经验加以总结，介绍了变频器实际故障的检修顺序与检修步骤。最后，通过一起镟床突然停机的故障维修实例，说明了变频器的故障处理方法。在此基础上，该文给出了变频器的日常维护建议。

关键词：镟床 变频器 分析 故障 维修

中图分类号：TN77 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（b）-0054-03

成都地铁2号线洪柳车辆段，使用广汉快速铁路设备有限公司CAK-13精密数控不落轮镟床，它是车辆段三大检修设备之一，对电客车缺陷轮对进行不落轮镟修。CAK-13精密数控不落轮镟床摩擦轮电机是该机床车轮加工主传动的动力源，它由西门子MICROMASTER 440变频器[1]控制。

变频器通过控制左、右两台30 kW的三相变频电机的速度和转矩，实现镟床对机车车轮的镟修校正。由于它采用电力电子器件IGBT控制输出功率，并且利用PWM（脉宽调制）技术控制IGBT的通断，确保了两台电机安静可靠的运行。

但在镟床镟修时，如果变频器本身或联接设备有故障，都会导致镟床无法正常运行。该公司就出现过一次变频器外围接线的故障，导致镟床中断工作，影响了机车车轮的维护。由于变频器原理和接线随着变频器型号的变化而不同，该文提到变频器时指的就是MICROMASTER 440变频器。要修好镟床，就需要知道变频器的原理接线，以下就针对该次维修过程加以说明。

1 变频器工作原理分析

图1为变频器工作原理图[1]，由主电路和控制电路组成，整流桥和全控逆变电路都是三相的，图中只画出了示意。变频器的主电路包括整流电路和逆变电路，有的型号的变频器还包括制动斩波器电路（小功率的变频器）和滤波器。控制电路由单片机组成的微机系统来完成，它控制PWM发生器的脉冲宽度，也就改变了IGBT通、断时间，另外通过一系列检测电路和互感器完成对主电路的监测与保护。另外，为方便人机交互，变频器还配置了显示与输入输出接口电路。

整流电路[2]将三相交流电通过6个二极管进行全波整流，从而将交流转为直流。由于采用的是三相全波整流，直流波形中就会含有300 Hz整数倍的谐波分量，为了减小纹波，使电机能够低噪音运行，需要滤除谐波。一般的变频器都配有专门的滤波器来滤除特定的300 Hz谐波，小容量变频器也可通过电容来滤除高频。逆变电路[2]由PWM脉冲控制6个IGBT的通断，从而将直流变为电压幅值、频率大小可控的三相交流，从而决定电机的转速与转矩。在需要紧急制动时，可通过斩波器电路和制动电阻将电机转速迅速降低，降低惯性带来的危害。

控制电路[3]中CPU对监测到的电压、电流、电机转速进行计算，并与设定值进行比较，从而对PWM发生器电路发出调节指令，调节逆变器输出电压的频率，最终使电机按照预期运动；如果镟床发生异常或故障，电压、电流、电机转速会发生跳变，比如电流的增大或电压的下降等，CPU就根据相应的保护功能作出对应决策，要么发告警信号，要么停机。

2 故障现象与分析

2.1 故障现象

2014年8月11日，洪柳车辆段在使用不落轮镟床进行用检作业时，接通主驱动装置并使驱动轮运行，在运行十分钟后，驱动轮突然停止，操作台显示屏报变频器故障。查看变频器，发现故障代码为F0001，查阅厂家手册确定F0001为过电流。手册中说明，造成F0001过流故障原因如下：

（1）变频器输出短路或有接地故障。

（2）电机与变频器是否匹配。

（3）负载处于过载状态。

2.2 故障原因分析

上述故障现象表明，变频器是在工作中产生了过电流。通过对变频器工作原理及外围的接线情况进行分析，按照主电路中电流的流经顺序，造成过电流的原因有以下几方面[4]。

（1）首先，可能是电动机的原因，比如绕组出现匝间短路或者在接近中性点处发生相间短路，此时电动机机端电流互感器测量到的电流会增大；或者电动机在运行过程中受到限位，造成电动机“堵转”，电动机的电流也会增大。

（2）其次，变频器与电动机的联接回路可能发生短路，出现的故障可能是联接电缆破损造成接地或相间短路，也可能是线路绝缘下降造成漏电。

（3）最后，可能是变频器本身损坏，如果变频器中的某个开关元件损坏，造成直流短路，直流互感器测量到的电流就增大；也可能是某些元件在温度升高时参数发生大的变化等造成的。

（4）在主电路没有故障时，如果检测系统、或微机接口电路等控制系统原因也不能忽略。比如互感器、PWM发生器如果发生故障也会造成过电流。

3 故障排查与维修

3.1 故障排查

图2为镟床变频器接线图，发生上述故障，要做到“一闻二看三检查”，闻一闻有无电线或器件烧焦的味道，看一看有无电线或器件跌落、各个设备外观有无异常，接下来可按如下顺序检查。

（1）负载侧检查

引起变频器过流的最主要因素是负载，一旦发生过流故障，应当检查：

①首先检查机械结构，可以用手盘电机的驱动轮试试是否转动灵活，用以判断电机是否“堵转”或限位。

②其次断开变频器与电机间的接插件，测试三相负载的阻抗是否对称、是否短路，还需要用兆欧表等测试对地及相间绝缘的仪器测试有无软击穿故障。例如绝缘下降时用万用表测量可能显示为正常，但用摇表测量时就会发现耐压下降了。endprint

（2）输入输出线路检查

根据电动机原理，缺相是造成过流保护动作的一个主要原因。如果是变频器整流侧缺相，会导致直流电压降低，且电压波形不再平滑，这样会引起逆变侧输出电压下降，输出相同功率时电流必然增大，从而引起过电流。

如果变频器逆变侧输出电压缺相，健全相电流会增大，且三相电压不平衡，电机运行也不平稳，可能会振动。

因此，在带电的情况下，可以用万用表检查电压，如果有相序表，检查会更方便。在断电时，也可用万用表电阻档检查外部接线的通断，检查继电器工作状态是否正常。

（3）变频器检查

变频器部分主要检查整流器、逆变器，其中的元件故障可造成过电流，整流电路中二极管可能损坏，逆变电路IGBT模块也可能存在元器件的接触不良甚至损坏的情况。

在带电情况下，用示波器检查直流和交流波形，可观察直流电压波形是否平直，测量直流电压大小是否异常；对各路交流波形要检查其波形、频率与大小。通过这些检测，可判断器件有无损坏。在发现有器件损坏时，可在断电的情况下，用万用表检查具体的器件，如果整流电路有异常，就检查整流回路，查找出故障二极管并更换；如果只是逆变电路有问题，就检查IGBT模块，如果IGBT损坏就更换，如果驱动脉冲没有就要检查驱动电路。

（4）电流输入回路检查

在主回路及其外围回路没有故障时，保护的电流输入回路就需要检查。电流输入回路包括电流互感器与连接电线、接插件等，还包括对电流进行采样与A/D转换的硬件电路板。

检查时，先断开主回路，如果指示灯或显示器表明有电流，则说明电流输入回路有故障，而且极可能是控制器内部电路板的问题，可按照回路的走线逐级检查。也可以断开电流互感器，从断开处加一测试标准电流，观察显示器显示的电流有无误差，如果误差很大，则检查测量回路；如果误差很小，就可判为电流互感器的故障。检查测量回路时，可用替换法快速查找，用好的备用插件或电路板逐一更换相同插件，当电流显示值与输入电流一致时，就可对替换下的插件再进行检查维修。如果是互感器原因，需要对其进行试验判断，如确实是损坏，则需更换，如没有问题，这需要检查各连接处是否接触可靠。

3.2 故障维修

通过以上故障点逐一排查，负载侧检查和输入输出线路检查正常，变频器主回路也没有问题，在进行上述第（4）项检查时，发现内部的测量回路也没问题，在检查电流互感器本身时，发现接插件没有连接到位，有松动迹象。

重新安装电流互感器接插件，插紧、插牢，上电、装置自检正常，故障排除，设备也恢复正常运行。

4 结语

变频器在工业企业应用广泛，它联接强电与弱电，发生故障的位置较多，且故障排查困难。只有不断学习理论知识，熟悉设备的原理与接线，掌握故障检查的方法，不断总结实际经验，才能快速完成故障的定位与维修。

同时在变频器日常运行过程中，要加强日常的保养与维护：

（1）变频器必须保持干净整洁，应根据现场实际情况随时清扫。

（2）确保周围空气中不含有过量的尘埃、酸、盐、腐蚀性气体。

（3）加强变频器安装场地的通风散热。变频器运行情况是否良好，只有通过良好的维护保养工作，才能够减少设备故障的产生。

参考文献

[1] 西门子MICROMASTER 440型变频器使用说明书[EB/OL].2013.

[2] 黄俊，王兆安.电力电子变流技术（第四版）[M].北京：机械工业出版社，2001：49-56.

[3] 李传珊，刘永军，吴建宁.电工基础[M].北京：电子工业出版社，2011：171-173.

[4] 李方园.变频器原理与维修[M].北京：机械工业出版社，2010：65-71.endprint