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【摘 要】本文结合安钢中板厂轧机电控系统进行分析，重点讨论交交变频系统非正常停车的故障分析与问题处理。
【关键词】SIMADYN D； 交交变频；故障处理
1.系统的组成
1.1电控系统组成
电机供电的主整流变压器接法其中一台为D/D接法，另一台为D/U接法。互相错开30°，以减少供电高次谐波。交交变频器由三台电网自然换流可逆的三相桥式变流器组成，对应同步电机A，B，C三相，三相交交变频器采用逻辑无环流、三相有中点方式，电机三相星接，电机星点和变频器星点独立。传动的定子回路由高压断路器HVS、整流变压器T、三相交一交变频器Cyc、输出侧接触器MCB、交流同步电机SM 等组成。转子（激磁）回路由断路器HVR、进线电抗器L、激磁整流器Con等组成。系统简图如图一所示。
这种方案的优点是：可以采用交流偏置技术，使整流变压器二次电压降低、晶闸管电压安全系数提高、变频器容量降低、电机内无三次谐波。
1.2控制系统组成
以SIMADYN D 为基础的传动控制级，控制系统由全数字多处理器SIMADYN D控制，它由5个处理器、电源、框架及外围接口等组成；完成对精轧机上下辊两台电机的调速控制，包括同步电机的矢量控制、电机的启停控制和电机保护，同时为了使SIMADYN D能实现本地现场数据采集，故障显示及诊断，建立了本地通信网。采用一套数据通信网实现综合控制，将两台SIMADYN D设备及上位机有机地连接起来，实现高级控制和集中管理。
图一 系统简图
配置Win CC系统；进行画面显示，制作报表及历史数据存储，实现检索及故障断等功能。系统组态如图二所示：
图二 控制系统简图
1.3 控制软件功能
系统采用STRUC G图形化可编辑软件包，该软件为UNIX 的图形编辑软件、表格形式的编辑软件STRUC L以及在线测试软件IBS G，服务软件等，由用户按照系统要求把面向功能框图的功能块组接编辑形成工程软件。系统软件在处理器模板上运行，它包括操作系统、功能块、监视程序、数据传送和故障诊断等程序。系统实现的功能为：速度控制，矢量控制，交交变频电流控制，逻辑控制，保护控制，机械扭振防止控制，故障诊断。
2.S7-400 PLC概述
该PLC主要是外围信号检测，连锁逻辑控制，速度给定与使能产生的控制中心，也是粗轧区域自动化控制中心。S7-400PLC与SIMADYN D 的数据交换是通过DP总线网络通讯来实现的，采用PPO4数据类型发送和接受各自有八个通讯字。通讯字的含义如下：
2.1 PLC ? SIMADYN D的信息
控制字：SD柜接收PLC的8个字
（1）下辊速度给定
第0位到第14位为速度值，其对应的最大值百分比的值为电机最大转速120RPM。第15位为正负位，代表电机正反转。
（2）上辊速度给定
第0位到第14位为速度值，其对应的最大值百分比的值为电机最大转速120RPM。第15位为正负位，代表电机正反转。
（3）下辊控制字
第0位为接触器MCB合/分命令信号。
第1位为主轴定位启动信号。
第2位为基准值有效信号。
第3位为雪橇特性投入信号。
第4位为急停信号。
第5位为卡钢复位信号。
（4）上辊控制字
第0位为接触器MCB合/分命令信号。
第1位为主轴定位启动信号。
第2位为基准值有效信号。
第3位为雪橇特性投入信号。
第4位为急停信号。
第5位为卡钢复位信号。
（5）备用字
（6）备用字
（7）备用字
（8）备用字
2.2 SIMADYN D ? PLC的信息
状态字：SD发送8个字到PLC
（1）上辊速度实际值
第0位到第14位为速度值，其对应的最大值百分比的值为电机最大转速120RPM。第15位为正负位，代表电机正反转。
（2）下辊速度实际值
第0位到第14位为速度值，其对应的最大值百分比的值为电机最大转速120RPM。第15位为正负位，代表电机正反转。
（3）上辊电流实际值
第0位到第14位为电流值，其对应的最大值百分比的值为电机电流转矩分量值。第15位为正负位，代表电机正反转时电机出力方向。
（4）下辊电流实际值
第0位到第14位为电流值，其对应的最大值百分比的值为电机电流转矩分量值。第15位为正负位，代表电机正反转时电机出力方向。
（5）上辊状态字
第0位为传动系统就绪信号，“1”有效。
第1位为零速信号，“1”有效。
第2位为接触器合允许信号，“1”有效。
第3位为接触器合位置信号，“1”有效。
第4位为主轴定位完成信号，“1”有效。
第5位为报警信号，“1”有效。
第6位为故障信号，“1”有效。
第8位为油站故障信号，“1”有效。
第9位为油站报警信号，“1”有效。
（6）下辊状态字
第0位为传动系统就绪信号，“1”有效。
第1位为零速信号，“1”有效。
第2位为接触器合允许信号，“1”有效。
第3位为接触器合位置信号，“1”有效。 第4位为主轴定位完成信号，“1”有效。
第5位为报警信号，“1”有效。
第6位为故障信号，“1”有效。
第8位为油站故障信号，“1”有效。
第9位为油站报警信号，“1”有效。
（7）备用字
（8）备用字
3.常见故障分析
3.1 进线侧高压断路器（HVS/HVR）无法合闸
正常情况下SIMADYN-D 4#CPU内功能包相应的开关接通连锁条件SUC1，SUC2，SUC3必须全部为零。如果条件不满足，可以根据它们检查具体的开关接通/断开联锁信号及跳闸信号。或者根据人机接口画面HMI出现的故障信息查找故障原因。操作开关时，传动系统的所有控制电压必须正常。操作开关的顺序必须正确，即先接通变频柜冷却风机、主电机通风系统、电机轴承润滑泵等辅助电源开关，再由人机接口画面HMI接通励磁回路开关、高压断路开关，最后才能接通变频器输出侧接触器MCB，连通电机。
3.2 传动系统过流跳闸（MCB）
在正常运行时传动系统突然发生过流跳闸，有相电流过流和转矩电流达到限幅2种情况。传动系统过流的原因很多，要具体问题具体分析。
3.2.1 转矩电流达到限幅
一般情况下由传动外部因素引起。主要原因有3种：① 压下量过大引起堵转；②单根工作辊或支撑辊轴承卡死③ 高速咬钢引起过流。
故障处理相应有下措施：适当减小压下量；检查工作辊或支撑辊轴承有无卡阻；低速咬钢，高速抛钢的工艺要求。
3.2.2 相电流过流
一般情况下由传动内部原因引起。原因有5种：① 晶闸管击穿导致供电短路而引起过流；②触发脉冲有问题引起供电短路过流；③ 电流控制板EP22坏；④ 电流反馈回路有问题引起过流；⑤单根工作辊或者支撑辊轴承卡死。如果是传动系统本身引起的故障，一般会有故障信息提示，故障处理主要是检查晶闸管状态是否良好。
3.3 主机突然停止转动无任何故障现象
人机界面上无任何故障记录，系统没有任何开关跳闸现象；一般情况下，由传动外部原因引起：（1） PLC合闸控制程序逻辑 （2）PLC运行使能控制程序逻辑 （3）PLC与SS52通讯是否正常。如果出现这种情况，必须查清PLC速度给定和PLC运行使能是否从PLC已经发出，多数情况从PLC程序逻辑中都能查到故障原因，尤其注意PLC合闸控制程序逻辑的检测点：主机风机、主机润滑、油膜轴承、变压器、高压开关柜合闸位正常等。
3.4零电流检测装置发出传动跳闸信号
零电流检测装置用于监控变频器内的晶闸管是否导通，它是一个非常关键的检测装置，每相变频器柜各配1块晶闸管零电流检测装置。该装置测量晶闸管两端的电压，通过电压和触发脉冲有无判断晶闸管是否导通和是否达到零电流。该装置发出跳闸信号，主要有以下几种原因：
（1）快熔烧断。查看相应变频器柜里的快熔是否有指示弹簧弹出，若有弹出，更换该快熔。同时检查其它桥臂上的快熔；
（2）晶闸管模块击穿。更换损坏的晶闸管模块；
（3）零电流检测装置本身有问题，更换备件。
3.5功率柜性能下降
传动系统运行一段时间后，发生相电流过流跳闸故障，复位后再运行，故障依旧。检查电机、电缆等均正常，检查脉冲也正常。因此怀疑可能是晶闸管引起的，拆下晶闸管模块，检查晶闸管模块的绝缘和漏电流，发现有2个晶闸管模块的漏电流很大，加1 000 V DC电压后，测漏电流为200 mA，而正常情况下晶闸管模块加1300 V DC电压时，漏电流小于100mA。更换晶闸管模块后，传动系统运行正常。所以应定期进行晶闸管模块的绝缘和漏电测试，特别是励磁柜的直流电压检测晶闸管也必须进行测试，防止直通烧坏灭磁电阻。
3.6光电编码器故障
光电编码器是传动系统的关键检测元件，用于电机实际速度和转子位置的检测，其好坏直接关系到传动系统的性能和质量。光电编码器的故障主要有无脉冲、缺脉冲、连接震动脉冲不均匀等。反映在传动系统上过流、震荡等。交一交变频传动系统中设置有开环方式功能，这对检查速度反馈回路的故障非常有用。当发生速度反馈回路的故障时，开环方式下就地转动电机，用示波器检查光电编码器的脉冲，如果检查出无脉冲或发现检测出的波形不正常（ A、B两踪脉冲的相位不对），应检查脉冲发生器及其接线。所以应选择高质量、高性能的光电编码器，与转子连接安装应尽可能在同一轴线上；该编码器应定期进行同轴度校验。
3.7 SIMADYN D--ITDC控制板故障
主电机运行过程中突然发生震荡，电机运行声音异常；检查发现主机励磁电流为零，SIMADYN D 机架中的CPU P1、 P2、 EP22、 P4状态均正常；分闸后，发现P4的ITDC控制板上运行信号H01灯常亮。由此判定P4的ITDC控制板出现了故障，更换ITDC控制板后系统恢复正常。总之，要善于利用SIMADYN D模板的指示灯来判定系统运行状态。
4.结束语
交交变频系统维护的论述相对较少，结合自己实际维护过程中的体会，对交交变频系统常见故障做了简单论述，希望对工程技术人员有所帮助。
参考文献：
[1] 余孟尝，编著《电子技术基础》 西安交大出版社，1982.
[2]陈伯时，编著《电力拖动自动控制系统》第三版，机械工业出版社，2003.
[3]《6RA70全数字直流调速系统说明书 》 SIIEMENS ELECTRICAL DRIVES LTD. 1998.
[4]《SIMADYND系统手册》SIIEMENS ELWCTRICAL DRIVES LTD. 1998.
[5]牛秀岩 编著《电机学》机械工业出版社，2003.
[6]魏炳贵 编著《电力拖动基础》机械工业出版社，2001.
【关键词】SIMADYN D； 交交变频；故障处理
1.系统的组成
1.1电控系统组成
电机供电的主整流变压器接法其中一台为D/D接法，另一台为D/U接法。互相错开30°，以减少供电高次谐波。交交变频器由三台电网自然换流可逆的三相桥式变流器组成，对应同步电机A，B，C三相，三相交交变频器采用逻辑无环流、三相有中点方式，电机三相星接，电机星点和变频器星点独立。传动的定子回路由高压断路器HVS、整流变压器T、三相交一交变频器Cyc、输出侧接触器MCB、交流同步电机SM 等组成。转子（激磁）回路由断路器HVR、进线电抗器L、激磁整流器Con等组成。系统简图如图一所示。
这种方案的优点是：可以采用交流偏置技术，使整流变压器二次电压降低、晶闸管电压安全系数提高、变频器容量降低、电机内无三次谐波。
1.2控制系统组成
以SIMADYN D 为基础的传动控制级，控制系统由全数字多处理器SIMADYN D控制，它由5个处理器、电源、框架及外围接口等组成；完成对精轧机上下辊两台电机的调速控制，包括同步电机的矢量控制、电机的启停控制和电机保护，同时为了使SIMADYN D能实现本地现场数据采集，故障显示及诊断，建立了本地通信网。采用一套数据通信网实现综合控制，将两台SIMADYN D设备及上位机有机地连接起来，实现高级控制和集中管理。
图一 系统简图
配置Win CC系统；进行画面显示，制作报表及历史数据存储，实现检索及故障断等功能。系统组态如图二所示：
图二 控制系统简图
1.3 控制软件功能
系统采用STRUC G图形化可编辑软件包，该软件为UNIX 的图形编辑软件、表格形式的编辑软件STRUC L以及在线测试软件IBS G，服务软件等，由用户按照系统要求把面向功能框图的功能块组接编辑形成工程软件。系统软件在处理器模板上运行，它包括操作系统、功能块、监视程序、数据传送和故障诊断等程序。系统实现的功能为：速度控制，矢量控制，交交变频电流控制，逻辑控制，保护控制，机械扭振防止控制，故障诊断。
2.S7-400 PLC概述
该PLC主要是外围信号检测，连锁逻辑控制，速度给定与使能产生的控制中心，也是粗轧区域自动化控制中心。S7-400PLC与SIMADYN D 的数据交换是通过DP总线网络通讯来实现的，采用PPO4数据类型发送和接受各自有八个通讯字。通讯字的含义如下：
2.1 PLC ? SIMADYN D的信息
控制字：SD柜接收PLC的8个字
（1）下辊速度给定
第0位到第14位为速度值，其对应的最大值百分比的值为电机最大转速120RPM。第15位为正负位，代表电机正反转。
（2）上辊速度给定
第0位到第14位为速度值，其对应的最大值百分比的值为电机最大转速120RPM。第15位为正负位，代表电机正反转。
（3）下辊控制字
第0位为接触器MCB合/分命令信号。
第1位为主轴定位启动信号。
第2位为基准值有效信号。
第3位为雪橇特性投入信号。
第4位为急停信号。
第5位为卡钢复位信号。
（4）上辊控制字
第0位为接触器MCB合/分命令信号。
第1位为主轴定位启动信号。
第2位为基准值有效信号。
第3位为雪橇特性投入信号。
第4位为急停信号。
第5位为卡钢复位信号。
（5）备用字
（6）备用字
（7）备用字
（8）备用字
2.2 SIMADYN D ? PLC的信息
状态字：SD发送8个字到PLC
（1）上辊速度实际值
第0位到第14位为速度值，其对应的最大值百分比的值为电机最大转速120RPM。第15位为正负位，代表电机正反转。
（2）下辊速度实际值
第0位到第14位为速度值，其对应的最大值百分比的值为电机最大转速120RPM。第15位为正负位，代表电机正反转。
（3）上辊电流实际值
第0位到第14位为电流值，其对应的最大值百分比的值为电机电流转矩分量值。第15位为正负位，代表电机正反转时电机出力方向。
（4）下辊电流实际值
第0位到第14位为电流值，其对应的最大值百分比的值为电机电流转矩分量值。第15位为正负位，代表电机正反转时电机出力方向。
（5）上辊状态字
第0位为传动系统就绪信号，“1”有效。
第1位为零速信号，“1”有效。
第2位为接触器合允许信号，“1”有效。
第3位为接触器合位置信号，“1”有效。
第4位为主轴定位完成信号，“1”有效。
第5位为报警信号，“1”有效。
第6位为故障信号，“1”有效。
第8位为油站故障信号，“1”有效。
第9位为油站报警信号，“1”有效。
（6）下辊状态字
第0位为传动系统就绪信号，“1”有效。
第1位为零速信号，“1”有效。
第2位为接触器合允许信号，“1”有效。
第3位为接触器合位置信号，“1”有效。 第4位为主轴定位完成信号，“1”有效。
第5位为报警信号，“1”有效。
第6位为故障信号，“1”有效。
第8位为油站故障信号，“1”有效。
第9位为油站报警信号，“1”有效。
（7）备用字
（8）备用字
3.常见故障分析
3.1 进线侧高压断路器（HVS/HVR）无法合闸
正常情况下SIMADYN-D 4#CPU内功能包相应的开关接通连锁条件SUC1，SUC2，SUC3必须全部为零。如果条件不满足，可以根据它们检查具体的开关接通/断开联锁信号及跳闸信号。或者根据人机接口画面HMI出现的故障信息查找故障原因。操作开关时，传动系统的所有控制电压必须正常。操作开关的顺序必须正确，即先接通变频柜冷却风机、主电机通风系统、电机轴承润滑泵等辅助电源开关，再由人机接口画面HMI接通励磁回路开关、高压断路开关，最后才能接通变频器输出侧接触器MCB，连通电机。
3.2 传动系统过流跳闸（MCB）
在正常运行时传动系统突然发生过流跳闸，有相电流过流和转矩电流达到限幅2种情况。传动系统过流的原因很多，要具体问题具体分析。
3.2.1 转矩电流达到限幅
一般情况下由传动外部因素引起。主要原因有3种：① 压下量过大引起堵转；②单根工作辊或支撑辊轴承卡死③ 高速咬钢引起过流。
故障处理相应有下措施：适当减小压下量；检查工作辊或支撑辊轴承有无卡阻；低速咬钢，高速抛钢的工艺要求。
3.2.2 相电流过流
一般情况下由传动内部原因引起。原因有5种：① 晶闸管击穿导致供电短路而引起过流；②触发脉冲有问题引起供电短路过流；③ 电流控制板EP22坏；④ 电流反馈回路有问题引起过流；⑤单根工作辊或者支撑辊轴承卡死。如果是传动系统本身引起的故障，一般会有故障信息提示，故障处理主要是检查晶闸管状态是否良好。
3.3 主机突然停止转动无任何故障现象
人机界面上无任何故障记录，系统没有任何开关跳闸现象；一般情况下，由传动外部原因引起：（1） PLC合闸控制程序逻辑 （2）PLC运行使能控制程序逻辑 （3）PLC与SS52通讯是否正常。如果出现这种情况，必须查清PLC速度给定和PLC运行使能是否从PLC已经发出，多数情况从PLC程序逻辑中都能查到故障原因，尤其注意PLC合闸控制程序逻辑的检测点：主机风机、主机润滑、油膜轴承、变压器、高压开关柜合闸位正常等。
3.4零电流检测装置发出传动跳闸信号
零电流检测装置用于监控变频器内的晶闸管是否导通，它是一个非常关键的检测装置，每相变频器柜各配1块晶闸管零电流检测装置。该装置测量晶闸管两端的电压，通过电压和触发脉冲有无判断晶闸管是否导通和是否达到零电流。该装置发出跳闸信号，主要有以下几种原因：
（1）快熔烧断。查看相应变频器柜里的快熔是否有指示弹簧弹出，若有弹出，更换该快熔。同时检查其它桥臂上的快熔；
（2）晶闸管模块击穿。更换损坏的晶闸管模块；
（3）零电流检测装置本身有问题，更换备件。
3.5功率柜性能下降
传动系统运行一段时间后，发生相电流过流跳闸故障，复位后再运行，故障依旧。检查电机、电缆等均正常，检查脉冲也正常。因此怀疑可能是晶闸管引起的，拆下晶闸管模块，检查晶闸管模块的绝缘和漏电流，发现有2个晶闸管模块的漏电流很大，加1 000 V DC电压后，测漏电流为200 mA，而正常情况下晶闸管模块加1300 V DC电压时，漏电流小于100mA。更换晶闸管模块后，传动系统运行正常。所以应定期进行晶闸管模块的绝缘和漏电测试，特别是励磁柜的直流电压检测晶闸管也必须进行测试，防止直通烧坏灭磁电阻。
3.6光电编码器故障
光电编码器是传动系统的关键检测元件，用于电机实际速度和转子位置的检测，其好坏直接关系到传动系统的性能和质量。光电编码器的故障主要有无脉冲、缺脉冲、连接震动脉冲不均匀等。反映在传动系统上过流、震荡等。交一交变频传动系统中设置有开环方式功能，这对检查速度反馈回路的故障非常有用。当发生速度反馈回路的故障时，开环方式下就地转动电机，用示波器检查光电编码器的脉冲，如果检查出无脉冲或发现检测出的波形不正常（ A、B两踪脉冲的相位不对），应检查脉冲发生器及其接线。所以应选择高质量、高性能的光电编码器，与转子连接安装应尽可能在同一轴线上；该编码器应定期进行同轴度校验。
3.7 SIMADYN D--ITDC控制板故障
主电机运行过程中突然发生震荡，电机运行声音异常；检查发现主机励磁电流为零，SIMADYN D 机架中的CPU P1、 P2、 EP22、 P4状态均正常；分闸后，发现P4的ITDC控制板上运行信号H01灯常亮。由此判定P4的ITDC控制板出现了故障，更换ITDC控制板后系统恢复正常。总之，要善于利用SIMADYN D模板的指示灯来判定系统运行状态。
4.结束语
交交变频系统维护的论述相对较少，结合自己实际维护过程中的体会，对交交变频系统常见故障做了简单论述，希望对工程技术人员有所帮助。
参考文献：
[1] 余孟尝，编著《电子技术基础》 西安交大出版社，1982.
[2]陈伯时，编著《电力拖动自动控制系统》第三版，机械工业出版社，2003.
[3]《6RA70全数字直流调速系统说明书 》 SIIEMENS ELECTRICAL DRIVES LTD. 1998.
[4]《SIMADYND系统手册》SIIEMENS ELWCTRICAL DRIVES LTD. 1998.
[5]牛秀岩 编著《电机学》机械工业出版社，2003.
[6]魏炳贵 编著《电力拖动基础》机械工业出版社，2001.