西門子6SE70系列書本型變頻器的故障診斷

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(shù)，結(jié)合諸多先進(jìn)的生產(chǎn)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(yōu)越的控制性能和良好的穩(wěn)定性，在冶金行業(yè)的輥道、風(fēng)機(jī)類負(fù)載中有著廣泛的應(yīng)用。下面對(duì)西門子6se70系列書本型變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，并對(duì)igbt觸發(fā)脈沖的測(cè)試和常見故障的排除進(jìn)行說明。

2 變頻器測(cè)試系統(tǒng)組成

　　由于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的該書本型變頻器為dc-ac型，直流進(jìn)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(duì)裝置提供直流電壓。裝置測(cè)試主線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 裝置測(cè)試主線結(jié)構(gòu)圖

　　圖1中虛線框內(nèi)為自行制作的小型整流單元結(jié)構(gòu)。其中qf為三相交流電源進(jìn)線開關(guān)，km為交流進(jìn)線接觸器，sb為進(jìn)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(jìn)線端子c(+)上，直流電源負(fù)極接進(jìn)線端子d(-)上。

　　逆變裝置u、v、w三相交流出線側(cè)用普通白熾燈泡模擬交流電機(jī)三相繞組，圖1中實(shí)驗(yàn)裝置上每一相分別串聯(lián)相接了兩個(gè)白熾燈泡，相間采用角型接法。其中模擬負(fù)載的電阻值選擇要合適，如果電阻值偏小可在每相上串聯(lián)電阻器來適當(dāng)增加電阻值。

3 整流單元制作

　　3.1 整流進(jìn)線電壓計(jì)算

　　該實(shí)驗(yàn)裝置的輸入電壓直流電壓為dc520v，首先計(jì)算整流單元三相進(jìn)線交流電的相電壓，根據(jù)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(jìn)線電源的相電壓。

　　通過公式計(jì)算得到u相=220v，所以確定采用進(jìn)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(shí)華辰電力器件有限公司生產(chǎn)的規(guī)格為zxq-55a 1600v的電力二極管整流橋，其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

　　電力二極管整流橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)由兩個(gè)首尾串聯(lián)的電力二極管組成，利用了二極管的正向?qū)?、反向截止的特性。由二極管的單向?qū)щ娞匦?，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(fù)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(gè)圖2中的電力二極管整流橋組成，其結(jié)構(gòu)組成和端子接線見圖3，與之對(duì)應(yīng)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(jīng)過進(jìn)線開關(guān)qf和接觸器km后的整流單元三相交流進(jìn)線電源；中間端子（二極管整流橋端子2）的紅色線為經(jīng)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(jīng)過三相橋式整流后的電源負(fù)極。圖4為整流結(jié)構(gòu)原理對(duì)照?qǐng)D。

圖2 二極管整流橋

圖3 整流單元主電路

4 變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明

　　 變頻器進(jìn)線端子如圖5所示，c、d分別接直流電源的正極和負(fù)極，黃色的pe連接地保護(hù)線，f101、f102為裝置內(nèi)部冷卻風(fēng)機(jī)的進(jìn)線保險(xiǎn)。

　　打開變頻器前蓋，最上面的一塊板子是直流電源的進(jìn)線隔離板（見圖6）。該板主要由兩個(gè)保險(xiǎn)組成，對(duì)裝置內(nèi)部電容和主電路板起到電源隔離和過電流保護(hù)作用。其中“+”（x241）來自進(jìn)線端子的c端，“-”（x243）來自進(jìn)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(fù)極。

　　電源隔離板下面便是濾波電容組（見圖7），圖7中標(biāo)注的直流正、負(fù)極分別來自圖6中電源進(jìn)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(dòng)的直流，而在整流電路之后接入一個(gè)較大容量的電解電容，利用其充放電特性，使整流后的脈動(dòng)直流電壓變成相對(duì)比較穩(wěn)定的直流電壓。在實(shí)際中，為了防止電路各部分供電電壓因負(fù)載變化而產(chǎn)生變化，所以在電源的輸出端及負(fù)載的電源輸入端一般接有數(shù)十至數(shù)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(duì)高頻及脈沖干擾信號(hào)不能有效地濾除，故在其兩端并聯(lián)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(hào)的傳遞與放大過程中，為防止前后兩級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，常采用電容藕合．為了防止信號(hào)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?yōu)槿嘟涣麟娫春筝敵?。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(gè)單獨(dú)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(fù)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(cè)1，3兩相輸出電流。

　　主電路板逆變電路結(jié)構(gòu)的原理對(duì)照?qǐng)D見圖9。

圖4 整流結(jié)構(gòu)原理對(duì)照?qǐng)D

圖5 變頻器進(jìn)線接線端子

圖6 變頻器進(jìn)線隔離板

圖7 濾波電容組

圖8 逆變電路板

圖9 逆變結(jié)構(gòu)原理對(duì)照?qǐng)D

5 igbt觸發(fā)脈沖測(cè)試

　　igbt逆變橋觸發(fā)脈沖控制端子（見圖10）從左到右端子標(biāo)號(hào)依次為6，7，5，4；4、5為一組控制一個(gè)igbt導(dǎo)通，6、7為一組控制另一個(gè)igbt導(dǎo)通。其中4、6為觸發(fā)電壓正極，5、7為觸發(fā)電壓負(fù)極。例如在4、5間施加正向觸發(fā)電壓即相當(dāng)于在igbt的g、e間加入正向電壓，便可以控制其中一個(gè)igbt導(dǎo)通。

　　對(duì)igbt觸發(fā)脈沖的測(cè)試可將igbt模塊的觸發(fā)控制信號(hào)接入到示波器，通過觀察觸發(fā)信號(hào)的輸出波形來判斷觸發(fā)信號(hào)是否正常。例如對(duì)該逆變橋的其中一個(gè)igbt進(jìn)行觸發(fā)脈沖測(cè)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(fù)。

　　正常的觸發(fā)脈沖波形見圖11。示波器上方的高電平間隔便是觸發(fā)igbt導(dǎo)通的正向?qū)妷骸Ｕ５挠|發(fā)脈沖電壓波形應(yīng)為間隔均勻的水平電平，并且每一段觸發(fā)電平的首尾應(yīng)相

　　對(duì)水平。若觸發(fā)脈沖波形有異常，則表示裝置觸發(fā)電路可能有問題了。

圖10 igbt逆變橋觸發(fā)信號(hào)輸入端子