軟啟動器無負載類故障機理分析

河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司 陳光遠 羅 敏 鄭 明 李雪生

0 引言

軟啟動器(全文簡稱軟啟)于上世紀70年代末初投入市場。因其體積小、結構緊湊、成本適中、啟動平滑等特點，廣泛應用與工礦企業中。司家營研山鐵礦內軟啟設備采用AB公司的SMC-Flex Bulletin 150系列軟啟動器，其模塊化設計、集成化I/O端子等特點極大的簡化了安裝接線和控制結構，軟啟控制單元全系列通用，更換方便快捷，擁有數據鍵值和診斷功能，能極大的節省維修時間。

1 故障研究背景及意義

司家營研山鐵礦與2011年3月31日投產，碎礦產線內軟啟設備在投入使用初期運行穩定、狀態良好，但在投入運行一年左右開始陸續出現無負載類故障停機，實際故障為A、B、C隨機某相或全部（故障代碼16、17、18或40）無負載故障，經檢查負載情況已排除用戶手冊中給出的故障原因。此類故障間歇出現，將故障復位后能再次啟車，隨著時間的推移，故障間隔越來越短，在不更換軟啟功率單元的情況下只更換控制單元能使故障暫時消失，但是經過數月時間運行后，故障又會再次出現。特別值得注意的是2017年下半年供電部門，將電壓允許范圍調大后（仍在規定標準以內），此類故障猛增，最多時達到三個配電室4臺軟啟同時報無負載故障。

故障出現時造成相關流程設備重載連鎖停車，重載啟動造成的機械耗損和對電網沖擊違背軟啟設計初衷，而故障停車造成的皮帶堵料、壓料，需要大量人力物力進行清理，嚴重影響正常生產，車間內軟啟設備共計41臺，至2018年初，更換的軟啟控制單元已達20余個，備件成本消耗巨大，該問題嚴重制約生產又占用大量備件費用。經過查詢考證，采用同類設備的其他車間乃至其他企業也有此類故障，如能解決將受益廣泛。

2 故障機理分析

以2016年初干選2-2皮帶多次報無負載故障為例，發現每次故障都是在夜間出現，且多次是在干選2-2運行平穩后，啟動干選2-1時干選2-2報故障，因為兩個軟啟在一個控制柜內，干選2-2為干選2-1的下級皮帶，且干選2-1為200KW電機，功率較大，啟動時有明顯震動，在排除線路原因后，最開始認為可能是震動導致故障出現，然而嘗試人工震動柜子并不能誘發故障。結合加裝記錄儀中的錄像文件和監控畫面電流趨勢圖，發現故障發生時軟啟先是停止然后再次啟動，之后馬上報出無負載故障，期間啟動繼電器和制動抱閘接觸器一直處于吸合狀態。

（1）軟啟報無負載故障原因分析：電機運行中突然斷電而制動抱閘不斷電，電機會因慣性繼續運轉，且電機與負載連接處的液力耦合器會延長電機慣性運動時間。結合軟啟動器原理，軟啟啟動階段晶閘管導通角逐步增大，電壓逐步增加到工頻電壓。停機后再次啟動的瞬間，軟啟輸出電壓低，而工頻下處于接近額定轉速下的電機阻抗較大，使軟啟輸出電流過低導致軟啟認為未接通負載報出無負載故障。經試驗斷開啟動信號后立即接通同樣可報出無負載故障，而斷開數秒后再次接通時，軟啟只是停止后正常啟動，沒有故障報出。

（2）停車再起動原因分析：設備運行時控制回路處于PLC遠程控制狀態，遠程啟動信號繞過手動按鈕和自鎖點長期閉合，PLC程序設定檢測到設備運行反饋丟失后延時數秒才輸出停車信號，因此故障發生期間軟啟啟動信號輸入端一直處于得電狀態。針對上述情況考慮是啟動信號不能進入軟啟控制單元內部邏輯的原因，控制軟啟啟動的信號電壓為220V，接入控制單元16、17號端子，要變成電路中可用的邏輯電平信號必然需要降壓或隔離。據此將拆回的故障控制單元拆開，根據電路板上的電路走向，推測內部結構為常見的阻容降壓電路。經測量發現相關電路上品牌為RIFA的330nf和150nf的金屬化薄膜電容衰減較大，兩種電容誤差等級M（20%），拆下后直接測量330nf的電容只剩下187nf，誤差達44%，150nf的電容只剩下47nf，誤差達69%。電容容量降低后，容抗增大，導致電路降壓過度，此時電壓波動至低谷就會輸入端電流不足以維持啟動信號造成停機，電壓恢復后就會再啟動，隨著電容容量的不斷降低，所能承受的電壓波動范圍越來越小繼而故障越來越頻繁。干選車間出現故障是處于夜間，電壓相對較低，干選2-1又是大功率設備，啟動時電流大進一步拉低變壓器二次側電壓，導致干選2-2出現無負載故障。2017下半年較故障頻發時查看高壓側電壓趨勢圖，故障時段電壓確實有瞬時低谷，通過對衰減的金屬化薄膜電容進行更換后修復了一批控制單元，經過試驗后可再次投入使用。

圖1 拆解的薄膜電容自愈點放大圖（左）和整體圖片（右）

（3）金屬化薄膜電容失效分析：影響金屬化薄膜電容容值變化的原因很多，如溫度、工作電壓、制作工藝、諧波等，正規廠家生產的薄膜電容壽命一般在5-8年，出現快速衰減的情況一般受工作環境影響較大，結合相關資料，認為電容失效的原因主要有兩個，一是因制作工藝限制，膜層之間存在微量的空氣，工作時在電場作用下被電離，產生強氧化劑-臭氧，金屬鍍層被臭氧氧化后生成不導電的金屬氧化物，實際表現為極板面積減小，電容容量下降，如薄膜電容密封不嚴則會加快氧化，上述故障不是特例，且電容衰減嚴重，而AB公司對控制單元電路板都噴涂了三防漆，也可基本排除因密封不嚴導致外部空氣進入的原因；二是金屬化薄膜的自愈性特點，即在介質絕緣不好或者疵點處極板間放電造成金屬鍍膜蒸發形成空白區域恢復絕緣，如果自愈點過多或連續出現，實際表現也為極板面積減小，容量下降，自愈不好還會導致金屬噴金層部分或整體脫落。經拆解失效的電容發現自愈現象十分嚴重。

（4）薄膜電容短時大量自愈原因分析：除生產工藝原因外金屬化薄膜電容極板間發生放電自愈的條件主要有兩個，尖峰電壓和金屬化膜絕緣老化。尖峰電壓多源于諧波產生的局部串聯或并聯諧振，嚴重時會造成電子設備過電壓、過電流損壞，同時諧波造成供電頻率增大，較大的輸出電壓變化率（dv/dt）又會導致電容介質損耗增加，加速絕緣老化，與尖峰電壓共同作用導致更多區域發生放電自愈，局部放電又會引起絕緣介質劣化，兩者惡性循環導致金屬化薄膜電容頻繁自愈、迅速失效。因條件有限，僅可用示波器測量大功率軟啟啟動階段的單相電壓波形，發現波形在啟動開始時明顯雜亂、畸變嚴重，之后逐漸平穩至正弦波形，證明此時電網含有大量諧波污染。

包含整流裝置的軟啟、變頻器、UPS、乃至弧焊機等非線性負載都是諧波源，公司內變頻器輸入輸出端一般都有電抗器可以有效抑制諧波污染，軟啟因一般只在啟動階段會產生諧波未予安裝，工廠內軟啟控制單元設計為直接與工頻電壓相連，中間沒有隔離設施，同一變壓器二次側非線性負載產生的諧波可直接作用在控制單元輸入端的薄膜電容上。干選配電室有十臺軟啟設備且有四臺小功率變頻器未安裝電抗器，因此故障率明顯高于其他軟啟設備較少的配電室。

3 解決方案

根據現場用電情況，軟啟只在啟動階段產生諧波，對電網危害不大，因此對軟啟輸入輸出端加裝電抗器意義不大且成本較高。經過對比分析，EMI電源濾波器是由串聯電抗器和并聯電容器組成的低通濾波電路，作用是允許設備正常工作時的頻率信號進入設備，而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用，已廣泛應用于電子設備電源輸入端，如車間內的金屬探測器控制箱內就有此設備，體積小、價格低、方便安裝，應用在軟啟控制單元供電處可以有效抑制諧波進入控制單元，保護電子元件，提高設備壽命。經初步改造，試運行兩個月后，試驗設備中的薄膜電容沒有衰減。目前已完成破碎產線內所有軟啟改造。

4 結論

諧波污染是軟啟無負載類故障的根本原因，這和設計之初控制回路未按軟啟手冊安裝隔離變壓器有關，此外操作員啟動設備時應注意流程避免短時啟動大量軟啟導致諧波大量產生。此類故障在非慣性負載上可能表現為無故障停車，企業應重視諧波污染對電子設備的損害。