港口起重机西门子变频器故障分析
倪青
摘 要：西门子变频器是在港口起重机领域中应用较为广泛的一种变频器，了解其常见故障维修方法能更好地帮助技术人员解决生产实际问题。本文结合西门子6SE70系列变频器主要检测模块功能就港口起重机西门子变频器常见故障做了深入浅出的分析和归纳，旨在帮助电气修理人员在今后工作中遇到类似故障能缩短抢修时间，提高港口装卸效率。
关键词：港口；西门子变频器；故障分析
中图分类号：U693 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0041-03
近年来，随着港口运输事业的发展，港口起重装卸设备也不断朝着自动化、科技化发展，装卸效率得到不断提升，而机械故障修复的及时性对港口机械使用效率提升起着至关重要的技术保障作用。本文结合生产实际，就港口起重机西门子变频器的一些典型故障从表象至深层次可能做详细的归纳分析，帮助港口电气修理人员拓展故障维修思路，提高故障修复的及时性。
1 西门子6SE70系列变频器控制电路主要组成
港口大型电动装卸机械上使用的西门子变频器主要是整流/回馈单元（AFE）和DC-AC装机装柜型，而6SE70系列产品在装机装柜型中最具有维修的典型性，故本文以西门子6SE70系列变频器控制电路（如图1）为例，对具有各种检测、控制等功能的电路板模块进行介绍：
1.1 PCC与PCU模块
PCC模块主要功能是触发前端AC/DC环节中的可控硅整流桥的各元件，系统控制电源与主回路电源接入后， PCC模块会输出可控硅元件的触发信号，并经过一段固定的延迟时间后将可控硅的导通角由最小推移到最大，完成直流母线电容的预充电过程；PCU模块主要是包含了变频器系统的AC/DC环节中的辅助二极管启动桥和它的阻容吸收元件。正常情况下PCC与PCU必须有正确的工作切换，而且必须在规定时间内完成，如果晶闸管整流桥在预充电过程结束后不能使二极管启动桥反偏截止，则在启动变频器运行时，一般会烧毁二极管启动桥及预充电电阻，这意味着PCU模块将会损坏。
1.2 电源模块PSU
PSU电源模块主要担负着直流母线电压检测和系统控制电源的馈入和变换两个主要功能，以250KW为分界点，分250KW以下PSU1和250KW以上PSU2两种，适用于不同结构尺寸系统，由于尺寸问题，二者不可互换，下面以PSU1电源板接口（如图2）为例说明。
（1）直流母线电压检测功能。PSU1上面有对直流母线电压信号进行采样和处理的电路，接口X70的1脚与6脚接在直流母线的正、负极进行采样检测，接口X258与转换模块IVI进行信号交换。
（2）系统控制电源的馈入和变换功能。这种功能包括两个层面：① 将直流母线上的电压通过DC/DC变换、转换成24V的直流控制电压或从外部端子X9的1脚与2脚引入这一电压。② 将24VDC控制电压转换成其它量值的控制电压，如X250作为提供IGD触发板工作电源+15V的接口。
1.3 IVI模块
IVI模块（如图3）完成主控制板CUVC部分与系统本体部分的信号交换，它安装于电子架、铁盒后面并与之固定。IVI通過接口X205将IGBT的驱动信号从主控制板CUVC传送到IGD模块，并将从IGD送来IGBT的Uce保护信号接收并传送到CUVC板；同时还具有电流互感器信号的接收、传送及供电，输出侧电流互感器检测信号经接口X201上的ABO电阻采样板，再通过接口X200上的主控板CUVC进行电流检测。
图3 IVI模块 图4 ABO模块
1.4 ABO模块
ABO模块（如图4）插装于IVI模块上，插接形式类似于计算机的内存条，这个子模块的主要功能是装有各种实际值传感器的取样电阻或负载电阻。ABO的插装结构有时会在经过运输等过程后跳松，或者在安装其它部件时，无意中将它碰松，这样在通电运行时，就会报故障（例如F011），因此，需要有检查它的意识。
1.5 IGD模块
IGD模块是连接IGBT功率元件的栅极驱动电路板。由于IGBT元件的控制特点，IGD模块与IGBT功率元件之间的连接必须在空间结构上尽可能地紧密，因此不同功率等级的变频器系统，由于它们的IGBT安装布局差异较大，从而导致IGD模块的形状也有很大差异。
IGD模块负有双向信号的传递任务。它一方面将IGBT的栅极驱动信号传送到IGBT元件；另一方面将IGBT元件上的Uce监控等信号交换到控制主板上去。
2 港机西门子变频器常见故障分析
2.1 预充电故障
西门子变频器预充电故障的代码为F002，遇到此类故障首先要分析是变频器外部原因还是内部原因引起的。
（1）外部原因，可能故障有：① 进线快熔损坏。② 预充电失败（在3S最大预充电时间内，预充电过程没有完成，直流母线电压不能达到80%。）：A. 对于6SE71变频柜，如果进线柜主接触器Q1吸合过程过长，将会导致预充电过程无法完成。B. 采用共直流母线方式时，当整流柜使用晶闸管检测功能，同时逆变器又使用接地故障检测功能时，两个过程花费大量时间，导致预充电过程无法完成。
（2）内部原因，可能故障有：① 电源板PSU直流母线电压采样电缆断线。② 电源板PSU直流母线电压采样端子（X70：直流母线电压检测）连接松动或内部烧结。③ 电源板PSU损坏（电压检测回路采样电阻损坏，造成检测电压错误，直流母线电压只读参数r006显示与实际直流母线电压不符）。④ 接口板IVI损坏（由于IVI接口转换板损坏，导致检测的直流母线电压信号经过IVI板转换，将错误的电压信号送入到CUVC处理）。⑤ 制动电阻对地短路（制动电阻对地短路将造成预充电电阻损坏，预充电过程无法进行）。⑥ 预冲电电阻（作用：是降电压比的，如果有烧毁的，电压显示就会变低，电阻坏的越多显示电压就越低）阻值变大。
2.2 欠电压故障
西门子变频器欠电压故障的代码为F008（变频器由于直流欠电压而关机），遇到此类故障首先应用万用表测量直流母线电压，并与监控值r006对比，判断到底直流母线是否真的过低，若不是，则可判断为变频器内部电压检测元件出错。
（1）若直流母线电压实际值确实过低：① 检查三相交流供电电路是否正常，U、V、W输入相电压值应与P071值对应，检查所有接线是否有松动，检查供电电压是否有波动。② 检查限流电阻、制动电阻回路是否正常。③ 变频器内部电容损坏或老化，更换变频器。
（2）若为直流回路电压检测故障：① 对于装机装柜型，在检查直流母线电压检测接线插口X70（详见图2）无异常后，直接更换PSU板。② 24V控制电压不稳定，引起测量误差，应在变频器上接入24V控制电压（详见图3）。③ 变频器内部潮湿，导致检测元件太敏感，清洁并除湿。④ CUVC板接触不好或损坏，重新安装或更换。
2.3 过电流故障
西门子变频器过电流故障的代码为F011（变频器由于过电流而关机），遇到此类故障我们首先通过按P键是否能够复位来区别分析及采取相应对策。
（1）按P键能复位，可能故障原因有：① 变频器处于过载启动状态，导致电流过大。② 对于大惯量负载，在V/F的控制方式下设置了过短的斜坡上升时间，导致电流过大。③ 变频器负载瞬时波动过大（机械原因或工艺问题）④ 变频器输出侧功率模块IGBT损坏。
（2）按P键及断电后重新送电均无效，可能故障原因：① 电源板PSU工作电源部分损坏，造成提供给接口板IVI的电源出现故障，从而使电流检测环节出现故障。② 电源板PSU损坏（X250：IGD触发板+15电源，如图2），为IGBT门极触发板提供的15V工作电源短路。③ 接口转换板IVI故障。④ 电阻采样板ABO故障，经过电流互感器检测到的电流信号经过电阻采样后产生错误的电压信号输入到主控板中央处理器。⑤ 输出侧功率元件门极触发板IGD故障，造成DC 15V工作電源短路。
2.4 过电压故障
西门子变频器直流母线过电压故障的代码为F006（直流母线电压过高，装置关机），遇到此类故障我们首先需分析是在合DC 24V控制电源后出现F006，还是在起重机械工作机构停止过程中出现F006过电压。
（1）在停止过程中出现F006过电压，可能故障原因：① 设置了过小的斜坡下降时间P464，造成直流母线电压过高。② 制动单元故障，当大惯量负载停车时造成直流母线电压泵升，制动单元由于故障并没有投入工作，造成直流母线电压过高达到关机阈值。
（2）合DC 24V控制电源后，系统自检时出现F006故障，断电后重新送电均无效，可能故障原因：① PSU电源板电压检测回路故障（X70：直流母线电压检测）。② PSU电源板电压检测回路灰尘较多，造成直流母线电压检测故障，有时是偶发的过电压故障。③ 接口转换板IVI故障。
（3）合控制电源DC 24V后，系统自检完成进入009状态，当合主回路电源时，变频器报F006故障，可能故障原因有：① 电阻采样板ABO电压检测回路电阻损坏。② 电阻采样板ABO板与IVI接口转换板连接口X201（详见图3）连接不到位，松动。
4 结束语
变频器工作环境较为复杂，产生故障的原因千变万化，但万变不离其中的是其基本结构和故障原理。对我们从事港口起重机械电气故障维修的技术员来说，就必须要从原理上深层次对其有所了解，通过现象看本质，找出故障原因本质所在，通过举一反三，把类似故障以最快速度加以排除。
参考文献：
[1] 王彦锋. 西门子6SE70变频器组成及常见故障分析[J]. 中国科技博览， 2014（38）：25-25.
摘 要：西门子变频器是在港口起重机领域中应用较为广泛的一种变频器，了解其常见故障维修方法能更好地帮助技术人员解决生产实际问题。本文结合西门子6SE70系列变频器主要检测模块功能就港口起重机西门子变频器常见故障做了深入浅出的分析和归纳，旨在帮助电气修理人员在今后工作中遇到类似故障能缩短抢修时间，提高港口装卸效率。
关键词：港口；西门子变频器；故障分析
中图分类号：U693 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0041-03
近年来，随着港口运输事业的发展，港口起重装卸设备也不断朝着自动化、科技化发展，装卸效率得到不断提升，而机械故障修复的及时性对港口机械使用效率提升起着至关重要的技术保障作用。本文结合生产实际，就港口起重机西门子变频器的一些典型故障从表象至深层次可能做详细的归纳分析，帮助港口电气修理人员拓展故障维修思路，提高故障修复的及时性。
1 西门子6SE70系列变频器控制电路主要组成
港口大型电动装卸机械上使用的西门子变频器主要是整流/回馈单元（AFE）和DC-AC装机装柜型，而6SE70系列产品在装机装柜型中最具有维修的典型性，故本文以西门子6SE70系列变频器控制电路（如图1）为例，对具有各种检测、控制等功能的电路板模块进行介绍：
1.1 PCC与PCU模块
PCC模块主要功能是触发前端AC/DC环节中的可控硅整流桥的各元件，系统控制电源与主回路电源接入后， PCC模块会输出可控硅元件的触发信号，并经过一段固定的延迟时间后将可控硅的导通角由最小推移到最大，完成直流母线电容的预充电过程；PCU模块主要是包含了变频器系统的AC/DC环节中的辅助二极管启动桥和它的阻容吸收元件。正常情况下PCC与PCU必须有正确的工作切换，而且必须在规定时间内完成，如果晶闸管整流桥在预充电过程结束后不能使二极管启动桥反偏截止，则在启动变频器运行时，一般会烧毁二极管启动桥及预充电电阻，这意味着PCU模块将会损坏。
1.2 电源模块PSU
PSU电源模块主要担负着直流母线电压检测和系统控制电源的馈入和变换两个主要功能，以250KW为分界点，分250KW以下PSU1和250KW以上PSU2两种，适用于不同结构尺寸系统，由于尺寸问题，二者不可互换，下面以PSU1电源板接口（如图2）为例说明。
（1）直流母线电压检测功能。PSU1上面有对直流母线电压信号进行采样和处理的电路，接口X70的1脚与6脚接在直流母线的正、负极进行采样检测，接口X258与转换模块IVI进行信号交换。
（2）系统控制电源的馈入和变换功能。这种功能包括两个层面：① 将直流母线上的电压通过DC/DC变换、转换成24V的直流控制电压或从外部端子X9的1脚与2脚引入这一电压。② 将24VDC控制电压转换成其它量值的控制电压，如X250作为提供IGD触发板工作电源+15V的接口。
1.3 IVI模块
IVI模块（如图3）完成主控制板CUVC部分与系统本体部分的信号交换，它安装于电子架、铁盒后面并与之固定。IVI通過接口X205将IGBT的驱动信号从主控制板CUVC传送到IGD模块，并将从IGD送来IGBT的Uce保护信号接收并传送到CUVC板；同时还具有电流互感器信号的接收、传送及供电，输出侧电流互感器检测信号经接口X201上的ABO电阻采样板，再通过接口X200上的主控板CUVC进行电流检测。
图3 IVI模块 图4 ABO模块
1.4 ABO模块
ABO模块（如图4）插装于IVI模块上，插接形式类似于计算机的内存条，这个子模块的主要功能是装有各种实际值传感器的取样电阻或负载电阻。ABO的插装结构有时会在经过运输等过程后跳松，或者在安装其它部件时，无意中将它碰松，这样在通电运行时，就会报故障（例如F011），因此，需要有检查它的意识。
1.5 IGD模块
IGD模块是连接IGBT功率元件的栅极驱动电路板。由于IGBT元件的控制特点，IGD模块与IGBT功率元件之间的连接必须在空间结构上尽可能地紧密，因此不同功率等级的变频器系统，由于它们的IGBT安装布局差异较大，从而导致IGD模块的形状也有很大差异。
IGD模块负有双向信号的传递任务。它一方面将IGBT的栅极驱动信号传送到IGBT元件；另一方面将IGBT元件上的Uce监控等信号交换到控制主板上去。
2 港机西门子变频器常见故障分析
2.1 预充电故障
西门子变频器预充电故障的代码为F002，遇到此类故障首先要分析是变频器外部原因还是内部原因引起的。
（1）外部原因，可能故障有：① 进线快熔损坏。② 预充电失败（在3S最大预充电时间内，预充电过程没有完成，直流母线电压不能达到80%。）：A. 对于6SE71变频柜，如果进线柜主接触器Q1吸合过程过长，将会导致预充电过程无法完成。B. 采用共直流母线方式时，当整流柜使用晶闸管检测功能，同时逆变器又使用接地故障检测功能时，两个过程花费大量时间，导致预充电过程无法完成。
（2）内部原因，可能故障有：① 电源板PSU直流母线电压采样电缆断线。② 电源板PSU直流母线电压采样端子（X70：直流母线电压检测）连接松动或内部烧结。③ 电源板PSU损坏（电压检测回路采样电阻损坏，造成检测电压错误，直流母线电压只读参数r006显示与实际直流母线电压不符）。④ 接口板IVI损坏（由于IVI接口转换板损坏，导致检测的直流母线电压信号经过IVI板转换，将错误的电压信号送入到CUVC处理）。⑤ 制动电阻对地短路（制动电阻对地短路将造成预充电电阻损坏，预充电过程无法进行）。⑥ 预冲电电阻（作用：是降电压比的，如果有烧毁的，电压显示就会变低，电阻坏的越多显示电压就越低）阻值变大。
2.2 欠电压故障
西门子变频器欠电压故障的代码为F008（变频器由于直流欠电压而关机），遇到此类故障首先应用万用表测量直流母线电压，并与监控值r006对比，判断到底直流母线是否真的过低，若不是，则可判断为变频器内部电压检测元件出错。
（1）若直流母线电压实际值确实过低：① 检查三相交流供电电路是否正常，U、V、W输入相电压值应与P071值对应，检查所有接线是否有松动，检查供电电压是否有波动。② 检查限流电阻、制动电阻回路是否正常。③ 变频器内部电容损坏或老化，更换变频器。
（2）若为直流回路电压检测故障：① 对于装机装柜型，在检查直流母线电压检测接线插口X70（详见图2）无异常后，直接更换PSU板。② 24V控制电压不稳定，引起测量误差，应在变频器上接入24V控制电压（详见图3）。③ 变频器内部潮湿，导致检测元件太敏感，清洁并除湿。④ CUVC板接触不好或损坏，重新安装或更换。
2.3 过电流故障
西门子变频器过电流故障的代码为F011（变频器由于过电流而关机），遇到此类故障我们首先通过按P键是否能够复位来区别分析及采取相应对策。
（1）按P键能复位，可能故障原因有：① 变频器处于过载启动状态，导致电流过大。② 对于大惯量负载，在V/F的控制方式下设置了过短的斜坡上升时间，导致电流过大。③ 变频器负载瞬时波动过大（机械原因或工艺问题）④ 变频器输出侧功率模块IGBT损坏。
（2）按P键及断电后重新送电均无效，可能故障原因：① 电源板PSU工作电源部分损坏，造成提供给接口板IVI的电源出现故障，从而使电流检测环节出现故障。② 电源板PSU损坏（X250：IGD触发板+15电源，如图2），为IGBT门极触发板提供的15V工作电源短路。③ 接口转换板IVI故障。④ 电阻采样板ABO故障，经过电流互感器检测到的电流信号经过电阻采样后产生错误的电压信号输入到主控板中央处理器。⑤ 输出侧功率元件门极触发板IGD故障，造成DC 15V工作電源短路。
2.4 过电压故障
西门子变频器直流母线过电压故障的代码为F006（直流母线电压过高，装置关机），遇到此类故障我们首先需分析是在合DC 24V控制电源后出现F006，还是在起重机械工作机构停止过程中出现F006过电压。
（1）在停止过程中出现F006过电压，可能故障原因：① 设置了过小的斜坡下降时间P464，造成直流母线电压过高。② 制动单元故障，当大惯量负载停车时造成直流母线电压泵升，制动单元由于故障并没有投入工作，造成直流母线电压过高达到关机阈值。
（2）合DC 24V控制电源后，系统自检时出现F006故障，断电后重新送电均无效，可能故障原因：① PSU电源板电压检测回路故障（X70：直流母线电压检测）。② PSU电源板电压检测回路灰尘较多，造成直流母线电压检测故障，有时是偶发的过电压故障。③ 接口转换板IVI故障。
（3）合控制电源DC 24V后，系统自检完成进入009状态，当合主回路电源时，变频器报F006故障，可能故障原因有：① 电阻采样板ABO电压检测回路电阻损坏。② 电阻采样板ABO板与IVI接口转换板连接口X201（详见图3）连接不到位，松动。
4 结束语
变频器工作环境较为复杂，产生故障的原因千变万化，但万变不离其中的是其基本结构和故障原理。对我们从事港口起重机械电气故障维修的技术员来说，就必须要从原理上深层次对其有所了解，通过现象看本质，找出故障原因本质所在，通过举一反三，把类似故障以最快速度加以排除。
参考文献：
[1] 王彦锋. 西门子6SE70变频器组成及常见故障分析[J]. 中国科技博览， 2014（38）：25-25.
