变频器在港口机械上的应用

厦门集装箱码头集团有限公司海天分公司 林和鹏



变频器在港口机械上的应用

厦门集装箱码头集团有限公司海天分公司 林和鹏

目前，变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域。该文以安川变频器为例，介绍其在厦门集装箱码头集团有限公司海天分公司机械设备上的应用，并结合工作实践和体会，着重介绍在使用变频器过程中遇到问题的解决办法和注意事项，以供变频器初学者参考。

变频器 IGBT 常见故障 注意事项

0 引言

随着交流变频控制系统及通讯技术的发展，交流变频传动系统因其调速范围宽、调速性能好、节电、操作简便，在港口机械设备上的应用越来越广泛。厦门集装箱码头集团有限公司海天分公司（后简称海天公司）在轮胎式起重机（RTG）、轨道式起重机（RMG）、门座式起重机、岸边装卸桥（C/C）等港口机械设备中也广泛使用了变频调速器，随着使用数量的不断增加，遇到了故障维修问题。本文结合笔者多年的维修经验和体会，就变频器使用过程中的注意事项和遇到变频器故障时的应对措施进行分析和探讨。

1 变频器的种类及周边设备

1.1 变频器种类

日本安川的变频器主要有VS-686 CR5、VS-676 H5、VS-616 G5、VS-616 G7。这里以VS-616 G7为例简要介绍该类变频器的构造。

VS-616 G7是以先进技术的控制理论为基础，真正的电流矢量控制，首次采用“3电平控制方式”，解决了冲击波问题，可更安全地驱动设备上的电机。真正的电流矢量控制所拥有的高性能、多功能，可以使各式各样的机械设备在高效率、高精度状态下运行。由于有自学习功能，可轻松实现矢量控制运行；在数字式操作器的显示部分，采用了16文字×2行的液晶显示屏。参数设定、监视项目、变更参数等一目了然，人机对话容易理解。VS-616 G7有200V和400V两种电压等级，适合电机功率在0.4~300kW，其控制方式有4种，即：无PG矢量控制、带PG矢量控制、无PG v/f 控制、带PG v/f 控制。

1.2 变频器的周边设备

周边设备如图1所示。

(1) 电源一般是变压器，将电网的电压转换为变频器所需的电压，容量选择为变频器容量的1.5倍左右。

(2) 断路器是为了防止发生过载和短路时的大电流烧毁设备。其额定电流要大于变频器的额定电流，短路能力要大于发生短路时的短路电流。

(3) 接触器的作用是在变频器发生跳闸时将变频器从电源切断。其额定电流的选择要大于变频器的输入电流值。

(4) AC电抗器与电源匹配，可改善功率因素，降低高次谐波对其他设备的影响。

(5) DC电抗器可降低电动机的噪声，降低输出高次谐波的不良影响。

(6) 电磁噪声滤波器可降低变频器传至电源一侧的噪声。

图1 变频器的周边设备

1.3 制动单元与制动电阻

在起升机构中，当集装箱被悬吊在空中时，起升电机将产生反向电势，反向电势经逆变单元反加至滤波电容两端，变频器直流侧电压将上升，为避免变频器过电压保护，因此要求依据变频器功率型号在直流侧加装配套的制动单元与制动电阻，变频器、制动单元与制动电阻接线如图2所示。

制动单元将监视直流母线电压，当直流电压UPN上升到设定值时，自动切断IGBT，将电机下降或制动时的位能、负载的势能转化为制动电流，消耗在制动电阻上，但如调节不当，制动单元与制动电阻吸收过多的能量对于节能运行是不利的。

2 变频器构造

2.1 基本构成

外观和各部名称有：上、下保护罩、前外罩、数字式操作器、塑料模压箱体、控制回路端子、主回路端子。

其中数字式操作器上部为运行方式指示灯：DRIVE——驱动方式时亮；FWD——输入正转指令时亮；REV——输入反转指令时亮；SEQ——从控制回路端子输入的运行指令有效时亮；REF——从控制回路端子13、14输入的频率指令有效时亮。

中间是液晶显示屏，数据表示部分，显示参数名称及其设定值。

下部分为操作键，为了实现参数设定、监视、JOG运行、自学习等用键。

底部有RUN、STOP两指示灯，对应有点亮、闪烁、熄灭运行状态。

2.2 主回路构成

如图3所示，①为一组大功率绝缘栅场效应管IGBT，其特点是开关频率很高，动态响应快，触发电压低，但在高速运转状态并发生外部短路时容易击穿。②为阻容吸收模块，有P型、N型两种。其功能是吸收高次谐波，使谐波污染降低，净化输出电流的品质，也保护IGBT模块不会误触发。

图3中只画出一组IBGT，共有三组，如图4所示。

2.3 IGBT的测量判断

若图3中的保险丝FU断，一定要先检查IGBT。方法如下：

(1) 针式万用表，打在100kΩ档，红黑表笔按图5方法测量，应导通，反向不通。

(2) 用手指短接G和E，观察万用表指针是否指在中间位置，手放开，指针保持。否则，该IGBT已损坏。

(3) G和E短接，又回到原来的位置。

(4) 封存IGBT时，G和E应用铜导线短接。

(5) 更换IGBT应配对使用。

图5

2.4 驱动板的判断

(1) IGBT损坏时若外观良好，则需检测驱动板驱动插座的阻值的一致性。用数字式万用表测量G和E，阻值应在12.8~12.9kΩ。

(2) IGBT损坏时，若外壳炸裂，这时需要更换驱动板，同时仔细测量吸收电阻R（为1Ω 90W）。

3 变频器常见故障分析

由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果，为防患于未然，需事先对故障原因进行认真分析。

3.1 OC过电流

(1) 若负载太大，加速时间过短，则变频器输出频率的变化远远超过电机频率的变化，变频器将因过流而跳闸。依据不同的负载情况相应地调整加速时间，就能消除此故障。

(2) 增量型编码器损坏或连接软轴松脱。对策：更换编码器或连接软轴。

(3) PG卡连接端子或PG卡与主控板连接松脱（开环的没有PG卡）。对策：紧固连接部件。

(4) 输出负载发生短路，如电机线对地短路、电机相间绝缘损坏、接触器触点接触不良、电缆接头接触不良，开机时容易发生电弧，导致保护动作。对策：定期仔细检查回路中的每个电气元件，特别是电机的相间绝缘。

图6

3.2 OV直流母线过电压

(1) 变频器减速时间设置过短，从电机再生的能量太大。应对措施是延长减速时间或连接制动电阻单元。

(2) 无变频器装置的系统中，制动电阻接线处接触电阻过大。应对措施：检查紧固各个接线处。

(3) 有变流器装置的系统中，电源侧变压器容量偏小，当多台设备同时工作时，能量不能及时回馈到网侧。应对措施：增大变压器容量。

(4) 在门机系统中有时会因为切换时间设置异常，造成制动单元监测异常。应对措施：正确设置切换时间。

(5) 制动单元的硬件跳线设置不正确造成制动过早。应对措施：更改跳线位置。

3.3 OS 变频器检测电机超速

(1) 减速箱侧制动器失灵。应对措施：调整制动器。

(2) 电机轴端编码器故障（如光栅盘裂纹）。应对措施：更换编码器。

(3) 编码器与PG 卡连接松脱，PG卡与主控板连接松脱。应对措施：紧固或重新安装编码器。

(4) 编码器屏蔽线接地位置不正确，应对措施：引入干扰信号。

3.4 UV 欠压故障

(1) 直流母线侧接触器不能正常工作。

①无线圈电压异常。应对措施：检查接线端子是否松动、输入电源的电压变化是否太大。

②接触器反馈触点接触不良，应对措施：更换触点或更换接触器。

(2) 控制电源电压低。检查输出220V是否正常、查找电源板的输入电压和反馈电压。

(3) 控制电源的外部控制接触器吸合过早（主回路应比控制回路早吸合）。应对措施：将电源ON/OFF试一下。

(4) 外部网侧交流电压过低。对策：检查电源有否发生缺相。

(5) 发生了防止浪涌回路故障。对策：将电源ON/OFF试一下。

3.5 PGO 编码器断线

(1) 编码器至PG卡之间的连线断线。对策：修理断线处。

(2) PG卡与主控板连接松动。对策：重新连接。

(3) PG的连线有错误。对策：修改接线。

(4) 没有给PG供电。对策：正确供电。

(5) 制动器未能可靠打开：

①当检测到起升电机有一定的电流或力矩值时，制动器才打开。

② 检查PLC与INV电流反馈。

③ 制动片制动力过松。对策：调整制动器。

3.6 OL变频器过载

(1) 电机过载

①负载太大、加减速时间和周期时间太短引起电子热保护动作。应对措施：修正负载大小、加减速时间、周期时间。检测电机的额定电流值，检测电流基准是在电机参数E2中的电机额定电流的设置值(E1是电机输入输出设置)。

②制动器不能正常打开。对策：调整制动器。

(2) 变频器过载

①加速时间和周期时间太短引起电子热保护、变频器过负载保护动作。对策：修正加速时间和周期时间。

V/f特性的电压过高。对策：修正V/f特性。

(3) 过力矩

电流超过检测电流值并持续超过力矩检测的检测时间。应对措施：检查设定值（L6-05,L6-06）是否适当。

3.7 OH散热片过热

由于冷却风扇故障、周围温度过高、过滤网堵塞等导致变频器散热片的温度超过了设定值。应对措施：可通过更换冷却风扇或清理过滤网，将环境温度控制在40℃以下。

3.8 GF接地故障

变频器输出侧发生接地短路（电机烧毁、绝缘老化、电缆破损等引起接地）。应对措施：检查电机或负载侧接线是否与地之间有短路。

3.9 PUF保险丝熔断

由于变频器输出侧的短路、接地而造成输出晶体管损坏。应对措施：排除故障，确定主回路的晶体管无损坏后方可更换保险丝，再进行运转。

3.10 CPFx 控制回路有异常

(1) 数字式操作器传送异常。可能是操作器的端子接触不良或变频器控制回路不良引起，可取下操作器再重新安装。

(2) 外来的干扰、过强的振动冲击造成控制电路故障，连接接触不良。可将电源切断，再送电源（ON/OFF）试试。

(3) 通讯电缆接触不良。检查通讯电缆连接是否正确。重新确认系统参数，记下全部数据后进行初始化。

3.11 OPEx 操作出错

变频器不能启动。这样的场合，一定要按照出厂设定范围修正参数设定值。

4 变频器硬件更换注意事项

4.1 IGBT的更换

(1) 在不通电的情况下，用万用表测量P、N分别与u、v、w的两端阻值,再测量输出三相之间的平衡，以检测输出三相与直流母线的阻抗是否对称。

(2) 检测无疑后，通电检查直流母线电压是否正常。充电指示灯是否正常。

(3) 更换IGBT应配对使用，封存IGBT时，G和E应用铜导线短接。

4.2 驱动板的更换

需仔细核对插头与插座的编号是否一致，是否有插座是空的。

4.3 主控板的更换

更换主控板后，需设置变频器的应用参数、电机参数、保护参数。

4.4 PG卡的更换

需核对接线端子是否正常。如果换卡后，电机启动有振动，不能正常运转，这时要将A、B相对调。

4.5 G5或G7 系列通讯板的更换

只需核对变频器硬件站号设置的拨码开关，检查指示灯是否正常。

676HA5系列变频器通讯板CP916A是独一CPU，更换后，需上传配置程序。

5 变频器的保养与检查

5.1 日常检查

在系统正常动作的状态下,要对以下几种情况进行检查:

(1) 电机有否异常声音及振动。

(2) 有否异常发热。

(3) 周围温度是否过高,如果环境温度高，应改善柜内通风情况，有条件的话，可安装空调进行降温。

(4) 输出电流监视表示是否与通常值相差很大。

(5) 变频器下部安装的冷却风扇是否正常运转，若有异常声音或抖动，就要拆下检修或更换。

5.2 定期检查

检查时,一定要先切断电源并待表面的LED指示灯全部熄灭后，经过3min后才可进行检查。倘若在切断电源后马上触摸接线端子，会有触电的危险。

(1) 检查并紧固安装在外部的接线端子、连接插件是否松动，若有松动，则要拧紧或重装。

(2) 检查散热片上有否堆积垃圾或灰尘，若有，则要用电吹风吹掉，最好不要用压缩空气，因为压缩空气一般含有水气。

(3) 检查印刷基板、功率元件是否有导电尘埃或油腻吸附，若有，就用电吹风吹掉。

(4) 检查三相输出电流是否平衡，如果不平衡,可试着对调其中的两相，如果还是不平衡，需检查变频器内部电路。

(5) 检查输出电压是否正常。

5.3 定期清洁

定期清理内部灰尘，以保证热风道通畅。变频器工作时会产生热量，一般靠自身的风扇强制冷却。空气通过散热通道时，空气中的尘埃容易附着或堆积在变频器内部的电子元件上，从而影响散热。当温度超过允许工作点时，会造成跳闸，严重时会缩短变频器的寿命。在变频器内的电子元件与风道无隔离的情况下，由尘埃引起的故障更为普遍。因此，变频器的防尘问题尤其值得注意，除尘可采用电动除尘器。

6 结束语

目前的变频器可靠性很好，具有许多保护功能，变频器本身很少发生破坏性故障。但是，在变频器的使用过程中会因为设计、使用不当或负载的突然变化等原因出现系统故障而使变频器报警和停止工作。只要使用方法正确，并不间断地定期检查、维护，不但可避免许多繁琐的人工操作，减少不安全隐患因素，还能使系统始终处在节能状态下安全、可靠地运行，从而延长设备的使用寿命，减少机械故障停机时间，更好地适应生产需求。

[1] 胡崇岳.现代交流调速技术[M]. 北京: 机械工业出版社,1995.

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