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[摘 要]安川变频器的码头设备当中有着广泛的应用，通过了解安川变频器的内部结构以及工作原理，能够养成故障维修的逻辑思路，提高自身的故障维修水平。也能从各种案例中看出系统设计弊端，从而采取措施去完善系统。
[关键词]港口设备;安川变频器;维修
[中图分类号]U691.5 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）06–00–03
Application of Yaskawa Inverter Maintenance in Wharf
Lin Dao-yuan
[Abstract]The terminal equipment of Yaskawa inverter is widely used. By understanding the internal structure and working principle of Yaskawa inverter， we can develop the logical thinking of fault maintenance and improve the level of fault maintenance. We can also see the defects of system design from various cases， so as to take measures to improve the system.
[Keywords]port equipment; Yaskawa inverter; maintenance
在当今的港口设备中使用着各种类型的电气设备，而其中担任每台设备的总枢纽的则是变频器。变频器的这个种型号和牌子，每个牌子的结构与功能也各不相同，常见的牌子有德国的西门子、瑞士的ABB、日本的三菱。现今码头设备使用的大部分则为日本安川的变频器。变频器主要的应用于电机的无级调速，并同时承担着过流、过压、过载保护的作用，而码头设备的各个机构电机都需要变频器的控制，因此，当变频器出现故障时电机的运作功能也得不到实现。在码头的高强度工作环境下，每一分每一秒的工作质量都是衡量工作效率的重要指标，为此，精准的问题判断与高效的维修处理成为了必须。
1 变频器构造
需要对设备进行维修首先就是要对设备有一个深刻的理解，变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的通断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。以下从变频器的各个单元出发，了解各个单元的结构以及可能会发生的故障。
2 整流单元
整流单元主要由三组二极管组成，其作用类似于流体管道系统中所使用的止回阀，只允许电流在一个方向流动，当前生产的变频器整流模块均以二极管为主，部分整流模块采用晶闸管的整流方式。以下以安川A1000为例，在码头生产中一般电机都为中、大功率电机，因此其变频器一般为三相全波整流，承担者变频器所有输出电能的整流，易过热，也易击穿，且损坏后一般会出现变频器不能送电，熔断器熔断等现象，三相输入或输出端呈低阻值（正常阻值达到兆欧以上）或短路。在测量整流电路是否完好的时候，首先切断变频器的电源，待变频器内的电能完全释放后，找出变频器直流输出端的正负极，采用机械万用表的欧姆档或二极管档，黑表笔接正极，红表笔逐个接变频器输入端三相电压的触点，整流桥的上半桥若是完好，万用表应显示∞。若损坏万用表显示0。相反将万用表红表笔接负极，黑表笔分别接输入端三相电压的触点，则为测量整流桥下半桥的通断，若显示0证明整流桥的损坏。该故障主要原因是通过电流过大击穿了其中一组二级管或者内部电路短路造成的二极管损坏，通常变频器的显示屏会报UV，但是UV故障仅说明电路内部电压低于通常电压，并不能以此来推导出整流模块的损坏。
3 滤波单元
变频器的滤波一般分为输入滤波以及输出滤波。三相电源通过整流电源后的电压并非纯正的直流电压，同时还会产生大量的高次谐波，这些谐波也会通过输入端接入电网中，从而影响到接入该电网的敏感设备的正常工作。因此通过输入侧的滤波，解决变频器干扰电网的问题，同时可以解决谐波带来的过压、过流、过载、过热等误报的情况。而输出的滤波器安装在变频器的输出端，防止逆变过程中产生的諧波通过电缆进入电机而导致的过热、噪音、震动剧烈、绝缘快速老化等问题。因为变频器的滤波单元通常是由预充电阻电容电感三者构成，在检测其好坏主要通过万用表直接测试电容器有无充电过程及内部短路或漏电现象，并根据指针向右摆动的幅度大小估计电容的容量。
案例：安川G7型变频器是一种用途广泛的中型变频器，它在码头中主要用作轮胎式集装箱龙门起重机控制4个电机去驱动设备走大车。某次司机在驾驶龙门吊动大车的时候突然紧急停止，会报变频器故障，在复位重新动作一段时间后会再次报出故障。我们维修组人员在赶到现场后发现是起升变频器启动后，发出“吱吱”的响声，声音随频率的增加逐渐变得尖锐刺耳，声音持续约5s后，变频器发出“OC”故障报警，在拆除大车链条后空载也是如此。因为空载下报过流，不是真正的过流故障，因此先是怀疑是逆变单元故障，通过断电测量三相电阻检查后，没有发现问题。然后怀疑驱动电路部分的问题，在驱动信号全部正常的情况下，故障一是驱动模块性能衰退，不能驱动IGBT;二驱动电路内部电压不稳定，驱动信号不正常，使IGBT开关时间配合不好，造成主回路过流，于是更换了驱动电路板后，试机依旧报故障。此时领队提出电容损坏导致输出的电压不稳定，在逐一排查各类电容后终于发现滤波模块中有1个电容损坏导致滤波效果不好引发的过流现象。
4 逆变单元 逆变单元的功能是变频器将内部的直流电再次转化为交流电，并提供到各个电机，也是变频器最重要的一个部分。逆变单元主要由6组IGBT以及续流二极管组成，IGBT具有良好的开关特性，通过驱动板控制的脉冲信号的周期来实现SPWM的控制，使其输出交流电。而续流二极管主要为无功的直流电流提供返回直流母线的通道，从而达到节能的效果。逆变单元是变频器经常损坏的部位，在变频器显示器上面报的PUF、SC等故障通常也会导致变频器的IGBT损坏，而检测逆变单元的好坏也与检测整流单元的手段差不多，用红色表笔接触直流母线的负极，黑色表笔依次接触输出端的三相，记录万用表上的显示值;然后再把黑色表笔接触正极，红色表笔依次接触输出端的三相，记录万用表的显示值;六次显示值如果基本平衡，则表明变频器IGBT逆变模块无问题，反之相应位置的IGBT逆变模块损坏。
5 驱动单元
驱动单元结构为一块集成电路板，主要作用是驱动逆变单元的开关顺序从而达到调节输出电压为正弦的交流电，而从目前的角度出发，需要检测驱动板的好坏，只能通过示波器观察其输出的6路波形是否一致。当驱动板损坏或者电网存在干扰导致开关电平混乱，会直接使IGBT烧毁，因此变频器维修操作检查出PUF故障时，往往会伴随着变频器内部IGBT和驱动板的损坏。
案例：在码头设备当中安川变频器YS1000是一款在轮胎式集装箱龙门起重机广泛应用于的起升电机的变频器。曾经在起升变频器损坏的时候，变频器除了报PUF故障以外，电气房充斥着强烈的异味，它所控制的起升电机也停止了运作。在通过PLC将起升变频器的故障点屏蔽，发现其能够实现大车部位的慢速运作，在设备安放至合适的地点后，我们维修小组做出了是输出侧的逆变单元因为老化或内部短路造成的IGBT损坏。因为该设备变频器的整流结构是从主起升变频器的整流单元通过整流母线传送到其他诸如大车、小车结构的变频器中，所以从其他结构能正常运作这点做判断，整流单元是完好的。下一步就要开始对故障变频器逐层拆分，观察其内部结构，寻找真正的病因。在拆分到最底层发现了明显的异样，底部的IGBT三相中明显有两相IGBT有明显的损坏的痕迹，这也排除了短时间电网波动的电流冲击损坏了IGBT;内部移相变压器控制面板的保险丝熔断，信号插头烧熔，旁边一侧的预充电阻烧毁，而它导线的绝缘层也烧熔了，这是很明显的短路现象，在导线旁边也发现了有烧熔痕迹的铜板。预充电阻主要是作为抑制电路上的冲击电流，当变频器检测冲击电流过大是就会将其接入电网，降低冲击电流。因此故障诊断为：充电电阻导线绝缘层老化，在没有轧带扎紧的情况下老化部位與接入IGBT的铜板接触，将电流直接送到IGBT内，也顺着导板传到其他IGBT结构。该故障损坏的电气元件较多，为了保证日常的生产需求，决定将其他备用的变频器整个换上，故障的变频器在计算维修成本后，决定拆除可用备件后作报废处理。
6 通讯模块
变频器的通讯模块主要分为2部分，一部分是通过脉冲发生器（通称“PG卡”）与控制电机的光电编码器进行通讯从而实现闭环反馈，还有就是与设备系统的PLC进行通讯，除了参与PLC的系统控制外，还能通过电脑进行变频器主板的驱动安装、参数监控和更改的操作。
案例：单臂架门座起重机是码头作业的重要设备，因为工程技术要求，起升需要电缆连接到作业的吊钩或吊具，且需要与吊钩进行同步升降，这些都是通过安川A1000变频器实现的。有一次司机在作业时发现电缆在没有动起升时缓缓下滑，随后报了变频器故障。维修组在到达现场后发现变频器报了PGO故障，即没有收到电机编码器的反馈信号，故障复位后再次启动就会跳出故障。该故障一是编码器老化损坏，导致没有检测到电机的信号，二是变频器PG卡故障，接受不了反馈信号，三是变频器和电机的中间线路断路或接地。从三个方向出发，首先检查编码器的灯是正常的，手动旋转编码器绿灯正常亮灭，以防万一更换备用编码器，试机仍不行，再更换PG卡，结果依旧。最后只能通过检测每一段的线路判断有无接地、断路的现象，其中也分了三个中转需要逐条检测。最后终于在塔顶接线盒到电机编码器发现有接地现象，在更换备用线后试机正常，起升电缆也能正常升降。
7 结语
在码头为了满足生产需求，设备基本上是24h都在作业，如此高负荷的工作设备难免产生问题。以上案例仅为众多变频器故障的冰山一角，这同时也具有一定的代表性，在了解了变频器的构造后这些故障也更容易从宏观角度去思考病因，从而在日常保养检机的时候做出相应对策去降低其故障率。
参考文献
[1] 汪英.电路与信号[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.
[2] 张海虎.浅谈安川变频器的常见故障及维修中注意事项[J].工业设计，2016（4）：66.
[3] 齐立春.安川变频器在锅炉引风机节能改造中的应用[J].电气传动，2012，42（11）：71-73.
[4] 江阳.安川高效变频器在港口中型起重机起升机构自控系统中的应用[J].中国水运：理论版，2006，4（5）：176-178.
[5] 凌飞.关于安川变频器在港口设备中的使用与维修[J].中国市场，2015（24）：55-56.
[6] 朱新.港口起重机安川变频器的故障分析[J].科技风，2018（31）：140.
[7] 李方园.安川变频器的应用第4讲安川变频器在造纸涂布机张力控制中的应用[J].自动化博览，2015（8）：52-56.
[8] 李方园.安川变频器的应用第6讲安川变频器在电梯中的应用[J].自动化博览，2015，10（10）：58-59.
[9] 王卓峰.安川G7变频器在起重机调速中的应用[C]//2008全国制造业信息化标准论坛，2014.
[关键词]港口设备;安川变频器;维修
[中图分类号]U691.5 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）06–00–03
Application of Yaskawa Inverter Maintenance in Wharf
Lin Dao-yuan
[Abstract]The terminal equipment of Yaskawa inverter is widely used. By understanding the internal structure and working principle of Yaskawa inverter， we can develop the logical thinking of fault maintenance and improve the level of fault maintenance. We can also see the defects of system design from various cases， so as to take measures to improve the system.
[Keywords]port equipment; Yaskawa inverter; maintenance
在当今的港口设备中使用着各种类型的电气设备，而其中担任每台设备的总枢纽的则是变频器。变频器的这个种型号和牌子，每个牌子的结构与功能也各不相同，常见的牌子有德国的西门子、瑞士的ABB、日本的三菱。现今码头设备使用的大部分则为日本安川的变频器。变频器主要的应用于电机的无级调速，并同时承担着过流、过压、过载保护的作用，而码头设备的各个机构电机都需要变频器的控制，因此，当变频器出现故障时电机的运作功能也得不到实现。在码头的高强度工作环境下，每一分每一秒的工作质量都是衡量工作效率的重要指标，为此，精准的问题判断与高效的维修处理成为了必须。
1 变频器构造
需要对设备进行维修首先就是要对设备有一个深刻的理解，变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的通断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。以下从变频器的各个单元出发，了解各个单元的结构以及可能会发生的故障。
2 整流单元
整流单元主要由三组二极管组成，其作用类似于流体管道系统中所使用的止回阀，只允许电流在一个方向流动，当前生产的变频器整流模块均以二极管为主，部分整流模块采用晶闸管的整流方式。以下以安川A1000为例，在码头生产中一般电机都为中、大功率电机，因此其变频器一般为三相全波整流，承担者变频器所有输出电能的整流，易过热，也易击穿，且损坏后一般会出现变频器不能送电，熔断器熔断等现象，三相输入或输出端呈低阻值（正常阻值达到兆欧以上）或短路。在测量整流电路是否完好的时候，首先切断变频器的电源，待变频器内的电能完全释放后，找出变频器直流输出端的正负极，采用机械万用表的欧姆档或二极管档，黑表笔接正极，红表笔逐个接变频器输入端三相电压的触点，整流桥的上半桥若是完好，万用表应显示∞。若损坏万用表显示0。相反将万用表红表笔接负极，黑表笔分别接输入端三相电压的触点，则为测量整流桥下半桥的通断，若显示0证明整流桥的损坏。该故障主要原因是通过电流过大击穿了其中一组二级管或者内部电路短路造成的二极管损坏，通常变频器的显示屏会报UV，但是UV故障仅说明电路内部电压低于通常电压，并不能以此来推导出整流模块的损坏。
3 滤波单元
变频器的滤波一般分为输入滤波以及输出滤波。三相电源通过整流电源后的电压并非纯正的直流电压，同时还会产生大量的高次谐波，这些谐波也会通过输入端接入电网中，从而影响到接入该电网的敏感设备的正常工作。因此通过输入侧的滤波，解决变频器干扰电网的问题，同时可以解决谐波带来的过压、过流、过载、过热等误报的情况。而输出的滤波器安装在变频器的输出端，防止逆变过程中产生的諧波通过电缆进入电机而导致的过热、噪音、震动剧烈、绝缘快速老化等问题。因为变频器的滤波单元通常是由预充电阻电容电感三者构成，在检测其好坏主要通过万用表直接测试电容器有无充电过程及内部短路或漏电现象，并根据指针向右摆动的幅度大小估计电容的容量。
案例：安川G7型变频器是一种用途广泛的中型变频器，它在码头中主要用作轮胎式集装箱龙门起重机控制4个电机去驱动设备走大车。某次司机在驾驶龙门吊动大车的时候突然紧急停止，会报变频器故障，在复位重新动作一段时间后会再次报出故障。我们维修组人员在赶到现场后发现是起升变频器启动后，发出“吱吱”的响声，声音随频率的增加逐渐变得尖锐刺耳，声音持续约5s后，变频器发出“OC”故障报警，在拆除大车链条后空载也是如此。因为空载下报过流，不是真正的过流故障，因此先是怀疑是逆变单元故障，通过断电测量三相电阻检查后，没有发现问题。然后怀疑驱动电路部分的问题，在驱动信号全部正常的情况下，故障一是驱动模块性能衰退，不能驱动IGBT;二驱动电路内部电压不稳定，驱动信号不正常，使IGBT开关时间配合不好，造成主回路过流，于是更换了驱动电路板后，试机依旧报故障。此时领队提出电容损坏导致输出的电压不稳定，在逐一排查各类电容后终于发现滤波模块中有1个电容损坏导致滤波效果不好引发的过流现象。
4 逆变单元 逆变单元的功能是变频器将内部的直流电再次转化为交流电，并提供到各个电机，也是变频器最重要的一个部分。逆变单元主要由6组IGBT以及续流二极管组成，IGBT具有良好的开关特性，通过驱动板控制的脉冲信号的周期来实现SPWM的控制，使其输出交流电。而续流二极管主要为无功的直流电流提供返回直流母线的通道，从而达到节能的效果。逆变单元是变频器经常损坏的部位，在变频器显示器上面报的PUF、SC等故障通常也会导致变频器的IGBT损坏，而检测逆变单元的好坏也与检测整流单元的手段差不多，用红色表笔接触直流母线的负极，黑色表笔依次接触输出端的三相，记录万用表上的显示值;然后再把黑色表笔接触正极，红色表笔依次接触输出端的三相，记录万用表的显示值;六次显示值如果基本平衡，则表明变频器IGBT逆变模块无问题，反之相应位置的IGBT逆变模块损坏。
5 驱动单元
驱动单元结构为一块集成电路板，主要作用是驱动逆变单元的开关顺序从而达到调节输出电压为正弦的交流电，而从目前的角度出发，需要检测驱动板的好坏，只能通过示波器观察其输出的6路波形是否一致。当驱动板损坏或者电网存在干扰导致开关电平混乱，会直接使IGBT烧毁，因此变频器维修操作检查出PUF故障时，往往会伴随着变频器内部IGBT和驱动板的损坏。
案例：在码头设备当中安川变频器YS1000是一款在轮胎式集装箱龙门起重机广泛应用于的起升电机的变频器。曾经在起升变频器损坏的时候，变频器除了报PUF故障以外，电气房充斥着强烈的异味，它所控制的起升电机也停止了运作。在通过PLC将起升变频器的故障点屏蔽，发现其能够实现大车部位的慢速运作，在设备安放至合适的地点后，我们维修小组做出了是输出侧的逆变单元因为老化或内部短路造成的IGBT损坏。因为该设备变频器的整流结构是从主起升变频器的整流单元通过整流母线传送到其他诸如大车、小车结构的变频器中，所以从其他结构能正常运作这点做判断，整流单元是完好的。下一步就要开始对故障变频器逐层拆分，观察其内部结构，寻找真正的病因。在拆分到最底层发现了明显的异样，底部的IGBT三相中明显有两相IGBT有明显的损坏的痕迹，这也排除了短时间电网波动的电流冲击损坏了IGBT;内部移相变压器控制面板的保险丝熔断，信号插头烧熔，旁边一侧的预充电阻烧毁，而它导线的绝缘层也烧熔了，这是很明显的短路现象，在导线旁边也发现了有烧熔痕迹的铜板。预充电阻主要是作为抑制电路上的冲击电流，当变频器检测冲击电流过大是就会将其接入电网，降低冲击电流。因此故障诊断为：充电电阻导线绝缘层老化，在没有轧带扎紧的情况下老化部位與接入IGBT的铜板接触，将电流直接送到IGBT内，也顺着导板传到其他IGBT结构。该故障损坏的电气元件较多，为了保证日常的生产需求，决定将其他备用的变频器整个换上，故障的变频器在计算维修成本后，决定拆除可用备件后作报废处理。
6 通讯模块
变频器的通讯模块主要分为2部分，一部分是通过脉冲发生器（通称“PG卡”）与控制电机的光电编码器进行通讯从而实现闭环反馈，还有就是与设备系统的PLC进行通讯，除了参与PLC的系统控制外，还能通过电脑进行变频器主板的驱动安装、参数监控和更改的操作。
案例：单臂架门座起重机是码头作业的重要设备，因为工程技术要求，起升需要电缆连接到作业的吊钩或吊具，且需要与吊钩进行同步升降，这些都是通过安川A1000变频器实现的。有一次司机在作业时发现电缆在没有动起升时缓缓下滑，随后报了变频器故障。维修组在到达现场后发现变频器报了PGO故障，即没有收到电机编码器的反馈信号，故障复位后再次启动就会跳出故障。该故障一是编码器老化损坏，导致没有检测到电机的信号，二是变频器PG卡故障，接受不了反馈信号，三是变频器和电机的中间线路断路或接地。从三个方向出发，首先检查编码器的灯是正常的，手动旋转编码器绿灯正常亮灭，以防万一更换备用编码器，试机仍不行，再更换PG卡，结果依旧。最后只能通过检测每一段的线路判断有无接地、断路的现象，其中也分了三个中转需要逐条检测。最后终于在塔顶接线盒到电机编码器发现有接地现象，在更换备用线后试机正常，起升电缆也能正常升降。
7 结语
在码头为了满足生产需求，设备基本上是24h都在作业，如此高负荷的工作设备难免产生问题。以上案例仅为众多变频器故障的冰山一角，这同时也具有一定的代表性，在了解了变频器的构造后这些故障也更容易从宏观角度去思考病因，从而在日常保养检机的时候做出相应对策去降低其故障率。
参考文献
[1] 汪英.电路与信号[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.
[2] 张海虎.浅谈安川变频器的常见故障及维修中注意事项[J].工业设计，2016（4）：66.
[3] 齐立春.安川变频器在锅炉引风机节能改造中的应用[J].电气传动，2012，42（11）：71-73.
[4] 江阳.安川高效变频器在港口中型起重机起升机构自控系统中的应用[J].中国水运：理论版，2006，4（5）：176-178.
[5] 凌飞.关于安川变频器在港口设备中的使用与维修[J].中国市场，2015（24）：55-56.
[6] 朱新.港口起重机安川变频器的故障分析[J].科技风，2018（31）：140.
[7] 李方园.安川变频器的应用第4讲安川变频器在造纸涂布机张力控制中的应用[J].自动化博览，2015（8）：52-56.
[8] 李方园.安川变频器的应用第6讲安川变频器在电梯中的应用[J].自动化博览，2015，10（10）：58-59.
[9] 王卓峰.安川G7变频器在起重机调速中的应用[C]//2008全国制造业信息化标准论坛，2014.