西門子6SE70系列書本型變頻器的故障診斷

分類：解決方案日期：2011-08-26 00:00:00 來源：西門子工業自動化事業部

1 引言

　　西門子6se70系列書本型變頻器是西門子公司采用矢量控制技術，結合諸多先進的生產制造工藝推出的高性能變頻器，適用功率范圍為2.2kw ~37kw，憑借其優越的控制性能和良好的穩定性，在冶金行業的輥道、風機類負載中有著廣泛的應用。下面對西門子6se70系列書本型變頻器的內部結構進行解析，并對igbt觸發脈沖的測試和常見故障的排除進行說明。

2 變頻器測試系統組成

　　由于進行實驗的該書本型變頻器為dc-ac型，直流進線電壓為dc520v，所以我們自行制作了一小型直流電源來模擬整流單元對裝置提供直流電壓。裝置測試主線結構圖如圖1所示。

圖1 裝置測試主線結構圖

　　圖1中虛線框內為自行制作的小型整流單元結構。其中qf為三相交流電源進線開關，km為交流進線接觸器，sb為進線接觸器控制按鈕。整流電路采用由二極管整流橋組成的三相橋式全波整流電路。整流出的直流電源正極接逆變裝置進線端子c(+)上，直流電源負極接進線端子d(-)上。

　　逆變裝置u、v、w三相交流出線側用普通白熾燈泡模擬交流電機三相繞組，圖1中實驗裝置上每一相分別串聯相接了兩個白熾燈泡，相間采用角型接法。其中模擬負載的電阻值選擇要合適，如果電阻值偏小可在每相上串聯電阻器來適當增加電阻值。

3 整流單元制作

　　3.1 整流進線電壓計算

　　該實驗裝置的輸入電壓直流電壓為dc520v，首先計算整流單元三相進線交流電的相電壓，根據三相全波整流電路直流電壓輸出公式：ud=2.34u相。

　　其中：ud為整流輸出的直流電壓；

　　u相為三相交流進線電源的相電壓。

　　通過公式計算得到u相=220v，所以確定采用進線線電壓380v為交流三相電源做為整流單元的交流輸入電源。

　　3.2 整流電路的整流器件

　　自制整流單元的主電路電流變換器件采用鞍山時華辰電力器件有限公司生產的規格為zxq-55a 1600v的電力二極管整流橋，其結構如圖2所示：

　　電力二極管整流橋內部結構由兩個首尾串聯的電力二極管組成，利用了二極管的正向導通、反向截止的特性。由二極管的單向導電特性，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈沖直流電。

　　圖中該電力二極管整流橋上部接線端子從左至右依次為1，2，3，其中端子1接三相交流輸入電源中的一相，端子2為該相整流后輸出的直流電壓正極，端子3為該相整流后輸出的直流電壓負極。

　　3.3 整流單元電流變換主電路

　　整流單元的電流變換部分采用三相橋式全波整流電路，由3個圖2中的電力二極管整流橋組成，其結構組成和端子接線見圖3，與之對應的整流部分原理圖見圖4：

　　圖3中最下方端子（二極管整流橋端子1）的棕色線來自經過進線開關qf和接觸器km后的整流單元三相交流進線電源；中間端子（二極管整流橋端子2）的紅色線為經過三相橋式整流后的電源正極；最上方端子（二極管整流橋端子3）的黑色線為經過三相橋式整流后的電源負極。圖4為整流結構原理對照圖。

圖2 二極管整流橋

圖3 整流單元主電路

4 變頻器內部結構說明

　　變頻器進線端子如圖5所示，c、d分別接直流電源的正極和負極，黃色的pe連接地保護線，f101、f102為裝置內部冷卻風機的進線保險。

　　打開變頻器前蓋，最上面的一塊板子是直流電源的進線隔離板（見圖6）。該板主要由兩個保險組成，對裝置內部電容和主電路板起到電源隔離和過電流保護作用。其中“+”（x241）來自進線端子的c端，“-”（x243）來自進線端子的d端。pud（x242）接圖7中電容組的正極，nud（x244）接電容組的負極。

　　電源隔離板下面便是濾波電容組（見圖7），圖7中標注的直流正、負極分別來自圖6中電源進線板。

　　電容組在變頻器中的主要作用有：

　　(1)濾波作用

　　在電源電路中，整流電路將交流變成脈動的直流，而在整流電路之后接入一個較大容量的電解電容，利用其充放電特性，使整流后的脈動直流電壓變成相對比較穩定的直流電壓。在實際中，為了防止電路各部分供電電壓因負載變化而產生變化，所以在電源的輸出端及負載的電源輸入端一般接有數十至數百微法的電解電容。由于大容量的電解電容一般具有一定的電感，對高頻及脈沖干擾信號不能有效地濾除，故在其兩端并聯了一只容量為0.001~0.lpf的電容，以濾除高頻及脈沖干擾。

　　(2)耦合作用

　　在低頻信號的傳遞與放大過程中，為防止前后兩級電路的靜態工作點相互影響，常采用電容藕合．為了防止信號中韻低頻分量損失過大，一般總采用容量較大的電解電容。

　　電容組下面的板子就是逆變電路的主電路板了（見圖8），該板子的功能即為將直流電源逆變為三相交流電源后輸出。電路板下方從左至右依次排列著三塊igbt模塊，每塊igbt由兩個單獨的igbt封裝在一起組成一相逆變橋。igbt模塊上方端子（上方黃色電纜）接電容濾波后的電源正極，中間端子（中間黃色電纜）接電容濾波后的電源負極，下方端子為交流出線端（黑色輸出電纜）。三相交流輸出電纜的1，3兩相上接有電流互感器，檢測1，3兩相輸出電流。

　　主電路板逆變電路結構的原理對照圖見圖9。

圖4 整流結構原理對照圖

圖5 變頻器進線接線端子

圖6 變頻器進線隔離板

圖7 濾波電容組

圖8 逆變電路板

圖9 逆變結構原理對照圖

5 igbt觸發脈沖測試

　　igbt逆變橋觸發脈沖控制端子（見圖10）從左到右端子標號依次為6，7，5，4；4、5為一組控制一個igbt導通，6、7為一組控制另一個igbt導通。其中4、6為觸發電壓正極，5、7為觸發電壓負極。例如在4、5間施加正向觸發電壓即相當于在igbt的g、e間加入正向電壓，便可以控制其中一個igbt導通。

　　對igbt觸發脈沖的測試可將igbt模塊的觸發控制信號接入到示波器，通過觀察觸發信號的輸出波形來判斷觸發信號是否正常。例如對該逆變橋的其中一個igbt進行觸發脈沖測試：將紅表筆一端連端子6，另一端接示波器正；黑表筆一端連7，另一端接示波器負。

　　正常的觸發脈沖波形見圖11。示波器上方的高電平間隔便是觸發igbt導通的正向導通電壓。正常的觸發脈沖電壓波形應為間隔均勻的水平電平，并且每一段觸發電平的首尾應相

　　對水平。若觸發脈沖波形有異常，則表示裝置觸發電路可能有問題了。

圖10 igbt逆變橋觸發信號輸入端子

圖11 igbt觸發信號正常波形

6 濾波電容的故障判斷與注意事項

　　6.1 濾波電容的故障判斷方法

　　(1)濾波電容常見的故障有，容量減少，容量消失、擊穿短路及漏電，其中容量變化是因電解電容在使用或放置過程中其內部的電解液逐漸干涸引起，而擊穿與漏電一般為所加的電壓過高或本身質量不佳引起。

　　(2)判斷電源電容的好壞一般采用萬用表的電阻檔進行測量。具體方法為：將電容兩管腳短路進行放電，用萬用表的黑表筆接電解電容的正極。紅表筆接負極（對指針式萬用表，用數字式萬用表測量時表筆互調），正常時表針應先向電阻小的方向擺動，然后逐漸返回直至無窮大處。表針的擺動幅度越大或返回的速度越慢，說明電容的容量越大，反之則說明電容的容量越小。如表針指在中間某處不再變化，說明此電容漏電，如電阻指示值很小或為零，則表明此電容已擊穿短路。因萬用表使用的電池電壓一般很低，所以在測量低耐壓的電容時比較準確，而當電容的耐壓較高時，打時盡管測量正常，但加上高壓時則有可能發生漏電或擊穿現象。

　　6.2 應用濾波電容時的注意事項

　　(1)電解電容由于有正負極性，因此在電路中使用時不能顛倒聯接。在電源電路中，輸出正電壓時電解電容的正極接電源輸出端，負極接地，輸出負電壓時則負極接輸出端，正極接地。當電源電路中的濾波電容極性接反時，因電容的濾波作用大大降低，一方面引起電源輸出電壓波動，另一方面又因反向通電使此時相當于一個電阻的電解電容發熱。當反向電壓超過某值時，電容的反向漏電電阻將變得很小，這樣通電工作不久，即可使電容因過熱而炸裂損壞。

　　(2)加在電解電容兩端的電壓不能超過其允許工作電壓，在設計實際電路時應根據具體情況留有一定的余量。

7 dp通訊遠程控制故障排除

　　西門子6se70系列變頻器dp通訊遠程控制的頻率主給定連接參數為p443,當變頻器在遠程控制方式下無法啟動或調節頻率時，可通過下述方法查找和排除故障：

　　(1)查看r447參數判斷頻率給定通道（p443）是否加入頻率給定值，如果沒有檢查相應的控制程序是否正常。

　　(2)通過r550、r551參數來查看變頻器控制字1和控制字2相應位的高低電平狀態，來判斷控制程序中控制變頻器運行的對應的每一位的狀態。

　　其中r550參數用于在柜門面板上顯示控制字1對應的每一位的高低電平狀態，某一位為高電平狀態時，該位上的發光二極管被點亮。r551參數用于查看控制字2相應位的狀態。當對變頻器發出運行命令后變頻器沒有正常啟動時，可從柜門面板監視控制字每一位的高低電平狀態，檢查程序后從而迅速判斷出故障原因。

8 結束語

　　開啟電壓uge是能實現電導調制而導通的最低柵射電壓，在25℃時uge的值一般為2～6v。在igbt電路中，每個igbt導通和關斷由門級電壓確定，當發生擎住現象（流過的電流大于最大容許電流），igbt關斷不了（大負荷工作時）。

　　igbt對環境溫度要求比較苛刻，要求管殼溫度不超過70℃，要求環境溫度20℃左右，因此在傳動室內都要求安裝有空調。

　　西門子6se70系列書本型變頻器在冶金領域有著非常廣泛的應用，上述對變頻器內部結構的介紹、觸發脈沖的測試和典型故障的排除對于從事西門子變頻器維護和修理的技術人員有著較高的參考價值。