SIEMENS S120变频器的堵转、接地故障分析

简要：Sinamics S120 是西门子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制系统，它不仅能控制普通的三相异步电动机，还能控制同步电机、扭矩电机及直线电机。其强大的定位功能将实现进给轴的绝对、相对定位。本文对S120控制同步电机产生的堵转、接地复杂故障进行处理及分析，希望对大家处理类似故障时有借鉴意义。

1 、系统介绍 

邢钢宽厚板二车间全套采用SIEMNES公司产品，其轧机区域操作侧，传动侧立轧电机、压下电机、立轧侧压电机6台电机分别由两套siemens Sinamics S120控制。操作侧三台电机整流部分采用SLM两并联整流器，由一台CU320控制器实现整流控制及逻辑连锁，逆变部分采用共用直流母线结构，分别驱动立轧机，轧机压下，立轧操作侧3台电机，其中立轧电机分别由两台Simotion D435控制器一拖二控制，由于立轧电机为交流同步电机，励磁部分由380v交流电源经380v/220v变压器变压后，由一台西门子6RA70直流传动提供励磁电流，如图1。立轧主电机参数为：额定功率p=1200kw，额定电压u=600v，额定电流i=1197a，额定频率f=10hz，额定转速n=200r/min 

2、 故障现象 

2011年9月份，最初立轧机操作侧电机变频器报堵转故障，检查编码器等无问题，更换绝对值编码器接口模块smc30后，故障消失运行一个星期后故障又出现。更换控制器D443后，一合闸便出现接地故障，报警信息为：a5052、f30021。 

3 、故障处理 

3.1 接地故障处理 

3.1.1 绝缘测量 

首先，怀疑是电机和电缆有问题，从变频器端脱开电机电缆，然后在scout软件cotral panel合闸，变频器可以合闸，不报接地故障。更加怀疑是电机和电缆问题，但是用高压绝缘表测量结果，绝缘状况良好。不存在短路，对地绝缘低的情况。 3.1.2 电流互感器检测 

设置p13000=0（线性v/f控制方式），还是报接地故障。通过P7001禁止其中任何一个逆变单元，在v/f控制方式下，启动后都可以运行正常，更加说明电机和变频器输出电缆没有问题。于是怀疑两个并联的逆变单元中电流互感器存在问题，测量出来的某项电流不准确，从而产生过电流故障，进而报接地故障。在v/f控制方式下，两个逆变单元分别单独运行，用scout trace功能进行每项的电流图形观察，发现在相同速度下，每相电流幅值是相等的。把变频器输出电缆脱开，在v/f控制方式下，变频器给定50%的转速，无论是两个逆变单元单独运行还是并联运行，在trace图形上测得的每相电流都是零，这样基本排除是电流互感器的问题。 

3.1.3 接地故障最终解决 

由于两个逆变单元并联时没有接输出电抗器，并且单绕组电机。查阅各种资料得知，在这种情况下必须要接输出电抗器，但是查阅西门子s120宣传资料介绍：逆变并联可无需平衡电抗器，无环流设计省去了输出侧笨重的电抗器，单元间电流不平衡和负荷不平衡通过DRIVE-CLiQ 快速的通讯得以可靠的解决。这就说明s120可以用软件控制方式解决并联逆变单元间的电流不平衡和负荷不平衡现象。但是还是怀疑是两个逆变单元并联时负载分配不平衡造成其中一个逆变单元过流而触发接地故障，通过咨询某自动化公司，建议通过改变P0287参数值，可以解决这个故障，于是将P0287值由6%改到16%，并联合闸一运行还是报接地故障，将p0287改为0，屏蔽掉接地故障，合闸运行马上报过电流故障。看来这个方法解决不了问题。 

由于将p0287改为0，屏蔽掉接地故障，合闸运行马上报过电流故障，更加怀疑两个逆变单元之间存在环流造成的接地故障。于是再次将两个逆变单元的输出电缆脱开，在v/f控制方式下，两个逆变单元并联运行。速度给定分别由5%升到50%，用万用表测量每个变频器每相输出电压见下表 ：

从表中可以看出，在40%以上转速时，每相电压是相同的，40%以下转速由于变频器输出频率较低，万用表测量有波动。在40%以上转速时，用万用表测量每个变频器每相输出对接地铜排电压，也均相等。 

为了确定是哪一相产生的环流，用三根4平方的铜导线将两个变频器同相进行连接（见图2），结果是，无论是短接三相和其中任何一相，变频器并联启动后，均报过流故障。把三根短接铜导线脱开，在v/f控制方式下，两个逆变单元并联运行模式下。速度给定升到50%，

图2 用万用表测量两个变频器同相输出之间电压，发现三相均有10v的电压，分析正是10v的电压差造成变频器之间的环流。考虑到是两个变频器公共部分出现的问题，只有从变频器1出到变频器2入的一根drive-cliq通讯电缆值得怀疑，更换此通讯电缆后。三根铜导线将两个变频器同相进行连接，变频器并联模式启动后，不再报过流故障。将变频器输出电缆恢复上后，变频器并联模式启动后在v/f控制方式下运行，不再报接地故障，至此接地故障排除。 

3.2 堵转故障处理 

3.2.1 磁极识别原理 

由于变频器在线性v/f控制方式下可以运行，在P13000=21(速度控制方式下)报堵转故障，说明故障出在编码器上，此同步电机安装的是增量型编码器和绝对值型编码器同轴组成的复合编码器，两个编码器分别接入两个smc30编码器接口模块，经smc30转换成drive-cliq送至D443。对于同步电机更换编码器必须做编码器校正，同步电机的电磁转矩是由定子旋转磁场与转子磁极相互作用而产生的，正常运行时，其定子磁场转速与转子磁极运转速度同步。要保证同步电机的正常工作，启动前须检测出转子的磁极位置，才能确定伺服的通电方式、控制模式及输出电流的频率和相位。绝对值编码器即可检测转子速度又可检测转子磁极位置。当安装或更改绝对值编码器位置后，必须输入或变频器自动检测出编码器位置信号与电机磁极零点的角度差，即磁极识别。 3.2.2 编码器位置校正 

由于scout软件具有编码器位置调整功能，具体步骤如下：打开scout软件online，在本电机目录下打开Commissioning>Stationary/turning measuremint 在右侧的Meas.type下选择Encoder adjustmen然后点击Activate measurement这时会出现报警信息（A7971：

Drive:Angular commutation offset determination activated）表明编码器位置调整功能已激活。接下来在Control panel界面中点击Assume control priority!获取控制权,点击Enable后，点击1启动电机。此时会发现电机电枢电流略小于额定电流，电机缓慢地转动，电机在无外力的情况下，转子磁场和定子磁场相互作用，会相互吸引并定位到平衡位置。当检测转子已到平衡位置时，编码器位置调整功能会完成，并且参数（r1984Pole position identification,angular difference）会出现新的角度数值。至此，编码器位置校正完成。电机合闸运行正常。 

4、原因分析 

4.1 堵转原因分析 

由于大修结束后，变频器开始报堵转故障，可能原因在大修期间对编码器和编码器接口板smc30进行维护，导致编码器位置信息偏移。造成此故障信息间隙出现最后一直出现不能合闸。 

4.2 接地故障分析 

从信息上分析，是电流变化率太大计算出来的故障信息，两个变频器之间drive-cliq通讯电缆导致这个故障，由于s120的两个变频器并联的控制技术比较先进，不用输出电抗器，而且电缆就是普通动力电缆，没有伴随接地线。这样变频器运行起来的电磁干扰可想而知，极有可能造成对drive-cliq通讯电缆造成干扰。而此电缆又容易被忽视，因为inverter2在采用线性v/f方式运行良好，此状况就是在此电缆控制完成的。如果电缆接触不好，干扰可能更容易发生。 

5 结束语 

通过本次故障的分析和处理，能够对西门子sinamics s120装置进行深入的学习和研究，处理故障不能简单的表面现象如“堵转、接地故障”进行处理，必须运用理论基础知识和检测手段进行细致的推断和分析，才能真正的找到故障的根源，目前，立轧机系统运行稳定。在此故障处理中，西门子工业支持和服务热线给予积极的帮助，特此感谢。