激光焊机走行小车变频器的故障分析

1 引言

某公司冷轧酸洗线采用进口激光焊机进行带钢焊接，其中焊机小车走行采用伺服控制，系统控制框图如图1所示。采用位置控制，位置控制器的输出作为小车速度的给定，再利用速度、电流双闭环矢量控制，采用pwm调制，控制mosfet触发脉冲，伺服控制器的输出去控制伺服电机。在焊接带钢以及检查焊接的质量时，都要移动小车，使焊枪的位置跟随焊缝的位置，以确保焊接的连续与质量。

图1 系统控制原理图

该设备自投产以来运行一直比较稳定，但自2003年12月以来，在小车运行过程中即变频器运行时，变频器一切正常，中间直流电压为560v，三相输出电压平衡。但当小车需要停止即变频器停止运行时，中间直流电压从560v开始逐步升高，当高达860v时， 伺服变频器报“dcov”即直流过电压故障，工艺控制系统的连锁动作，导致整个焊机停机，但复位后伺服变频器又能正常运行，这种“莫名故障”严重影响生产的正常运行。

2 故障处理

根据经验，一般变频器直流电压升高的主要原因是:①外部电源的波动或异常;②负载变化;③加减速时间太短;④直流制动回路异常，⑤变频器控制不稳定等。我们对系统进行了以下的检查。

(1)对伺服变频器加减速等控制参数进行了检查，没有发现异常，同时确认变频器的三相输出电压、电流对称;

(2)对变频器进行停电检查，绝缘完好，三相输入、输出阻抗对称;重点对直流制动回路进行了检查，没有发现异常;

(3)对电机进行检查，确认电机绝缘良好，三相阻抗对称;

(4)对编码器等外围设备进行检查，没有发现异常;同时确认负载没有变化;

(5)对变频器三相输入电压进行检查，发现三相线电压平衡，均为410v。对地进行检查，发现a相电压对地电压为7.8v，b相电压对地电压为410v，c相电压对地电压为409v。

通过上面的检查，可以推断变频器与电机正常。由于输入电源三相线电压对称，但三相对地电压不平衡，怀疑电源a相有接地现象。在现场技术人员的配合下，对该供电回路进行检查，发现有一风机a相接地，断开该风机回路，再对变频器输入电压进行检查，发现三相电压对地对称，均为236v，变频器直流电压稳定，始终在560v左右，焊机运行稳定，没有出现任何故障。

3 故障分析
一般变频器采用二极管或可控硅整流，通过中间电容滤波，以减少电压纹波，由逆变器变换成频率与电压协调控制的三相交流输出电压给电机供电。正常情况下，变频器中间直流电压ud=1.35u输入线电压，本系统交流输入电压为410v，故 ud=1.35*410=554v，直流电压最高为ud=u输入线电压=1.414*410=580v。那么低压供电系统中一风机a相接地是如何导致变频器的中间直流电压高达860v呢？

为了彻底的分析故障原因，我们对伺服变频器进行了解体，整流器采用二极管整流，中间直流电容滤波回路的中性点c通过一电阻与电容接地，而一般变频器直流电容中性点并不通过电阻接地，这是本系统的一个特点。变频器及供电系统结构简图如图2所示，具体的故障解释如下。

图2 变频器器及供电系统结构简图

低压配电变压器的二次侧采用"y"接法，中性点不接地，配电系统中一风机a相接地，导致a相对地电压为零，其它两相对地电压升为线电压，用图2中a点接地来表示。如果变频器直流电容滤波回路的中性点c不接地时，图中a点接地不会与变频器构成回路，整流器还是按照正常三相桥式整流规律进行工作，直流电压为1.35u输入线电压，对中间直流电压没有影响，直流电压维持在560v。由于本伺服变频器中间直流电容滤波回路的中性点c通过一电阻与电容接地，它与接地点构成回路。供电电压图如图3所示，具体分析如下。

图3 三相输入电压波形

3.1 工作在a1区段
一方面，如电容c1两端电压低时(这种可能性很小)，c相电压→5#二极管→p点→电容c1→c→直流中性点电阻→接地点a→a相电压，对电容c1进行充电。另一方面，如电容c2两端电压低时，a相电压通过接地点a→直流中性点电阻→c→电容c2→6#二极管→b相电压，对c2进行充电，使c2两端电压超过正常充电电压。

3.2 工作在a2区段
a相电压通过接地点a→直流中性点电阻→c→电容c2→6#二极管→b相电压，对c2进行充电，使c2两端电压超过正常充电电压。

3.3 工作在a3区段
a相电压通过接地点a→直流中性点电阻→c→电容c2→2#二极管→c相电压，对c2进行充电，使c2两端电压超过正常充电电压。

3.4 工作在a4区段
一方面，如电容c1两端电压低时(这种可能性很小)，则b相电压→3#二极管→p→电容c1→c→直流中性点电阻→接地点a→a相电压，对电容c1进行充电;另一方面，a相电压通过接地点a→直流中性点电阻→c→电容c2→2#二极管→c相电压，对c2进行充电，使c2两端电压超过正常充电电压。

3.5 工作在a5区段
b相电压→3#二极管→p点→电容c1→c→直流中性点电阻→接地点a→a相电压，对电容c1进行充电。

3.6 工作在a6区段
c相电压→5#二极管→p点→电容c1→c→直流中性点电阻→接地点a→a相电压，对电容c1进行充电。

从上面的分析可知，由于通过接地点与直流中间回路中性点接地点构成回路，使输入三相电压反复对中间直流电容进行充电，导致直流电压不断上升，当达到系统直流过电压保护设定值860v时，系统跳电。

4结论
对变频传动设备的故障处理，必须从系统角度出发，除了对变频器本体与外围设备外，还必须对供配电及负荷等各方面进行分析与检查。
本次故障的主要原因是由于供电系统的接地点与变频器直流中性点构成回路，使输入电压反复对中间直流电容进行充电，从而直流电压不断上升，导致系统直流过电压跳电。

参考文献
[1] 激光焊机说明书[z].

作者简介
黄志刚 硕士/电气工程师 现任职于宝钢股份公司设备部电气试验室，主要从事传动技术工作。

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