西门子6SE70系列变频器逆变单元的结构原理和常见故障分析

2019-05-08洪腾飞张千朋

通信电源技术 2019年4期

洪腾飞，张千朋

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

1 6SE70逆变器的主要构成

1.1 系统结构

装机装柜型6SE70逆变器的结构框图如图1所示，主要包括直流母排、电容、电源模块、功率模块（绝缘栅双极晶闸管IGBT）以及检测控制元件。图1中的选件板主要包括用于PROFIBUS通信的通信板（CBP/CBP2），实现开关量和模拟量输入/输出扩展的扩展板（EB1/EB2）等[1]。

其中逆变器功率部分主要由六个IGBT模块构成，其结构和输出电压波形如图2所示。每个IGBT反并联续流二极管，一般大功率逆变器中，IGBT都与续流二极管封装为一体。

1.2 控制回路、检测回路及驱动回路构成和工作原理

以定位锚机装机装柜型6SE7041-2WL60逆变器为例，说明控制回路、检测回路及驱动回路各电路板的功能和部件连接，其原理如图3和图4所示。

图2 逆变回路结构和输出电压波形

图3 逆变器各电路板连接

图4 逆变器各电路板连接

1.2.1 控制与通信回路

控制与通信回路主要包括以下部件。

中央控制单元CUVC是逆变器的控制核心，主控板上安装了微处理器及其外围电路，集成了标准配置的I/O口，可实现带或不带速度反馈的高性能矢量控制方式。更换CUVC板后，重新装入备份参数，重新设定功率部分，以免出现测量直流母线电压过低等故障。

通信板CBP2是带PROFIBUS总线的通信板，可使逆变器通过PROFIBUS总线与PLC等通信。CBP2选件板前端有3个发光指示灯，用于显示当前通信状态。其中，红色指示灯代表CBP板正在运行，黄色指示灯显示正在与基本装置进行数据交换，绿色指示灯表示通过PROFIBUS总线进行数据传输。若所有指示灯以相同频率同步闪亮，则表示CBP板工作正常[2]。

扩展板（EB1/EB2）可实现开关量和模拟量输入/输出扩展功能。

LBA局部总线适配器和ADB适配板用于插槽的扩展和电路板之间的相互通信。

电源板PSU负责系统控制电源的输出和变换，它的功能主要包括：（1）从外部端子（X9-1脚与X9-2脚）引入24 V直流控制电压或者将直流母线上的电压转换成24 V的直流控制电压；（2）将24 V直流控制电压转换为其他不同等级的控制电压，如±15 V和+5 V等，为其他模块或CT等提供工作电源；（3）PSU模块还具有一定信号处理和保护功能，可对三相交流电压信号和直流母线电压信号进行采样和处理，并对变频柜内冷却风机提供电源输出和短路保护。

接口板IVI可完成CUVC板与系统本体部分的信号交换，它的功能主要包括：（1）驱动和保护IGBT，可将IGBT的驱动信号从CUVC板传送到IGD模块，并接收从IGD模块反馈的IGBT的Uce等保护信号；（2）负责输出侧电流互感器控制电源的供电和测量信号的接收传送[3]。

电阻采样板ABO的主要功能是装有各种传感器的取样电阻或负载电阻。例如，输出侧电流互感器和直流母排电压的检测信号经ABO电阻采样板后传送给主控板CUVC。由图4可知，ABO插装于接口板IVI模块上，当插接出现松动时，会导致变频器出现过电流或过电压故障。当电流互感器接线错误或者故障损坏时，可能会导致ABO板出现冒烟烧毁现象。

电源分配板VDU是进线电压为F级、H级、U级及W级时，加在PSU模块前端的模块，可连接附属电阻把直流母线电压降压后给PSU板的开关电源供电[2]。

安全停车板SSB可确保在“安全关闭”功能激活时，SSB板上的安全继电器切断控制电子部件和电源部分之间的耦合元件（光耦合器和光纤电缆）的电源，在连接的电机中不产生旋转磁场。

电流互感器CT是电流实际值的测量元件。逆变器需要精度和反应快的电流互感器，本文使用的是ABB ES200-9725型电流互感器。电流互感器不仅要提供电流的实际值，以便于调控矢量控制中转矩分量和励磁分量，而且还要根据测量值的大小保护主回路的IGBT。此外，无传感器的控制方式与被控电机的矢量模型相结合，可提供速度实际值。

1.2.2 输出侧回路

功率元件IGBT是6SE70系列产品的主要功率器件，一般采用集成桥臂续流二极管的模式封装。IGBT过电流能力一般为2倍额定值，且时间要小于20 μs。

门极触发板IGD是连接IGBT功率元件的栅极驱动电路板，不但能将IGBT的驱动信号传送到IGBT元件，控制IGBT元件的关断与导通，还能将IGBT的重要参数反馈至CUVC。

缓冲电路SMU与SML，又称过压保护模块，是IGBT的吸收回路，二者分别适用于IGBT的上桥臂和下桥臂，结构不同不能互换。

1.3 6SE70常见故障的排查和解决

长期使用和维护6SE70变频器时，建议订购西门子6SE70变频器测试盒（订货号：6SE7090-0XX84-1FK1）。该测试盒可用于书本型和装机装柜型等多尺寸变频器的测试和检查。利用测试盒能快捷测量变频器内部器件的工作状态，确认内部信号的状态，可用于日常检查、维修时的故障分析及维修后的质量确认。测量项目主要包括：三相6个IGBT模块的触发状态、触发信号及监控状态；变频器内部24 V、±15 V及5 V等电源负载能力和工作状态；变频器内部温度传感器和三相电流互感器的工作状态；变频器内散热风机的控制信号状态等。

测试盒可检测逆变器内的大部分元件，为故障源的判断提供直接或间接的帮助。6SE70常见的部分故障代码和解决方法具体如下。

若变频器PMU显示屏上显示字母“E”或黑屏，则可能原因有CUVC板损坏（5 V电源短路）、IVI板损坏（5 V电源短路）、CBP/CBP2通信板损坏（贴片电阻损坏）或者外部控制电源DC24 V电压偏低。

F006直流母线电压过高故障。若是停车过程中出现此故障，可能是斜坡下降时间P464设置偏小或者制动单元未及时投入运行；若是系统上电自检时出现此故障，可能是PSU模块电压检测回路故障或者转换板IVI故障。

F011过电流/F029测量值传感系统故障。若运行中出现此故障，需确认是否真的过电流，可通过读取r004参数值确认变频器的输出电流，并与实际测量比较，或者通过测试盒测试电流互感器状态。若供电自检时出现此故障，可能是PSU电源板工作电源部分损坏，造成IVI接口板的工作电源供电异常，从而导致电流检测环节无法正常工作。

F023逆变器超过极限温度，可通过读取r833参数值（系统散热器的冷态温度）与环境实际温度进行比较而得出判断，确认是确实高温还是热敏电阻传感器故障，也可通过测试盒进行测试判断。

F025/F026/F027分别对应在L1～L3相有无短路或接地故障，以及F101/F102/F103接地故障，此类故障一般代表IGBT出现损坏。用万用表和高阻表可简单判断IGBT器件的好坏，但检查结果并不完全可靠。首先，确保G端和E端两端短接后，用高阻表DC1 000 V档位检查IGBT的耐压情况，其C端和E端的电阻一般为几百兆欧，至少应在30 MΩ以上；其次，用万用表二极管档测量E端和C端之间的反并联二极管是否正常，正常一般应有0.3 V压降。最后，检查IGBT器件时，若发现其壳体上有细微裂缝，则此器件不可再用，且更换IGBT时，一般同相的其他IGBT和IGD都需更换。