SIMODRIVE 611馈电模块的功能分析及故障诊断

SIMODRIVE 611馈电模块的功能分析及故障诊断
陈先锋;朱弘峰
【摘要】在数控机床中,驱动系统是实现机械部件与电气部分良好匹配的关键,也是保证数控机床稳定性、加工精度以及动态响应性能的关键.针对实际应用中的要求,分析了SIMODRIVE 611系列驱动馈电模块的基本功能,通过功能框图的形式,描述控馈电模块的运行机制与电源转换.同时,分析了馈电模块的故障诊断机制以及各类故障的解决方案.
【期刊名称】《上海第二工业大学学报》
【年(卷),期】2010(027)002
【总页数】6页(P130-135)
【关键词】SIMODRIVE;馈电模块;驱动系统;故障诊断
【作者】陈先锋;朱弘峰
【作者单位】上海第二工业大学机电学院,上海,201209;上海第二工业大学机电学院,上海,201209
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
西门子SIMODRIVE 611系列驱动是一种高性能、配置灵活的系统，能够满足数控机床对驱动系统的稳定性和技术性能方面的要求，包括最高要求的动态响应、速度整定范围以及平滑运行特性[1]。

该系列驱动系统通常用于西门子802D、
840D/810D以及海德汉等数控系统的机床中，实现机床的驱动功能。

驱动系统中
馈电模块用于提供直流母线电压、电子电源以及使能/监控信号，是确保驱动系统
稳定运行的基础[2]。

SIMODRIVE 611系列驱动采用模块化设计，包括输入滤波器、整流电抗器、电源模块、功率单元、控制单元以及专用的模块。

该系列驱动系统可以配置进给轴或主轴的驱动，其中，进给轴模块用于1FT6/1FK/1FW6/1FN 进给电机和
1PH/1FE1/2SP1/1LA 主轴电机，也可以配置第三方电机，而馈电模块则取决于电机规格。

使用馈电模块，可将 SIMODRIVE 611 系统组连接到带有接地中性点（TN 系统）的低压系统。

SIMODRIVE 611 驱动系统中的所有模块都具有统一的模块化结构。

供电和通讯之间的接口以及控制单元和馈电模块之间的接口都实现了标准化[3-4]。

电源电缆、信号电缆和总线电缆采取非常实用的连接方式，可以很
容易地实现按特定用户需求而定制的驱动系统。

馈电模块的主要功能是给数控单元和驱动装置提供控制电子电源以及直流母线电压，即产生直流母线电压和电子电源，同时监测电源和模块状态。

通常，直流母线电压根据馈电模块的类型，分为不可控馈电模块以及可控馈电模块两种。

可控馈电模块直流母线电压稳定在600 VDC，而不可控馈电模块的直流母线电压在490
VDC ～ 644 VDC范围内波动。

电子电源主要有：+/－15 VDC，24 VDC和5 VDC，由DEVICE BUS设备总线输出，供数控单元和驱动模块内部工作使用。

1.1 不可控馈电模块
不可控馈电模块，通常称为UI馈电模块，采用不可控的功率二极管实现整流功能，把外部3相380 V交流供电电源整流为直流电源。

通常经验的直流电压为
DC=1.35 *AC。

UI不可控馈电模块直流母线电压不可调节，适用于低压应用场合，通常有5 kW，10 kW以及28 kW功率等级。

在UI型馈电模块中，因为采用功
率二极管进行整流，所以当电机制动或减速时，直流母线上产生的制动能量不能回馈到电网。

这种制动能量可以存储在直流母线上的大电容里。

另外，模块将监测直
流母线电压。

当超过设定的阀值（缺省值为644 VDC，根据馈电模块设置不同，
会有不同的阀值），馈电模块内部的脉冲电阻，或外部的脉冲电阻单元将会有动作。

当直流母线电容存储能力超出时，剩余的制动能量将会通过脉冲电阻转换为热量散发掉。

除了实现直流母线电压整流功能之外，为了保证驱动系统能够正常工作，馈电模块还必须提供电子电源转换功能以及信号的监控功能。

图 1所示为UI馈电模块的基本功能框图，包含了整流功能、直流母线电压平滑功能、脉冲电阻制动电路功能、电子电源转换功能以及信号监控功能。

1.2 可控馈电模块
通常称SIMODRIVE 611系列的可控馈电模块为I/R馈电模块，最大的特点就是
直流母线电压可调节，直流母线上的制动能量可以反馈到供电电网实现再生。

与不可控UI馈电模块相比，它的整流部分采用IGBT功率晶体管实现整流。

另外，由
于I/R型馈电模块的制动能量可以返回到电网，所以内部没有集成脉冲电阻的制动单元，如果在某些特定的应用场合需要脉冲电阻，则可外接脉冲电阻模块。

对I/R可控馈电模块的工作机制描述如下：接通外部主电电源开关；由于通常主电源开关带有辅助触点，辅助触点控制电源模块的控制接触器端子，从而接通馈电模块内部的预充电电路；预充电电路能够防止外部供电电源直接加到直流母线上，使得直流母线电压急剧上升，而导致馈电模块的整流单元损坏；预充电电路接通后，直流母线电压上升到大约400 VDC，自动断开预充电电路，并接通外部主电源，
外部主电源经过整流，直流母线电压达到大约570 VDC，此时馈电模块的调节功
能起作用，把直流母线电压调节到600 VDC。

图2为I/R可控馈电模块的工作机
制框图。

I/R可控馈电模块的功率因数高且可控，可达到±1，并且谐波含量低，能够减少对电网的污染；另外，由于能量可以双向流动，若电网电压变化，可以保证直流母线电压恒定。

在应用I/R类型的可控馈电模块时，尤其要注意以馈电模块相匹配的整流电抗器的选用。

电抗器匹配正确与否，直接影响到馈电模块是否能够正常、稳定地运行。

在馈电模块运行于整流模式时，直流母线电压提升，其运行原理如图3所示。

连
接U, V相的上桥臂IGBT管子，其中一个续流二极管导通、一个晶体管导通，这
样接通UV两相电源，如图3(a)中粗线箭头所示。

此时，电抗器抑制线路中的短路电流，同时存储能量。

接着，连接V相的上桥臂IGBT晶体管断开，连接U相的
上桥臂续流二极管继续导通，同时连接V相的下桥臂续流二极管导通，维持原来
的电流流通方向。

在IGBT晶体管通断切换过程中，线路中的短路电流会有一个陡降，电流的急剧变化将在电抗器上感应出一个感应电压Uind，这个感应电压被加
到直流母线上，因此直流母线电压将上升，如图3(b)所示。

下一个开关周期在
250 µs之后启动。

这里可以看出，因为电抗器起到存储能量以及提升直流母线电
压的作用，所以一旦电抗器与馈电模块不匹配，将直接导致馈电模块无法正常工作。

当馈电模块运行于再生制动模式时，在任意的时刻点，直流母线电压比线电压高。

连接U相的上桥臂IGBT晶体管以及连接V相的下桥臂IGBT晶体管导通，直流母线通过+/-接线柱连接到线电压的两相，从而直流母线上的制动能量反馈到电网，如图4(a)所示。

馈电模块控制连接U相的上桥臂IGBT晶体管关断，电抗器将通
过连接U相的下桥臂续流二极管维持电流的流通方向，如图4(b)所示，下一个开
关周期在250 µs之后启动。

各种故障信号通过继电器输出或通过LED输出。

故障确认信号通过“Reset”端子，或通过电源启动来复位故障信号。

图5为馈电模块的诊断功能运行机制框图。

馈电模块提供了一副常开（73.2/74）和常闭（73.1/72）的内部触点。

驱动系统上电启动正常运行后分别闭合和打开，这两个端子用户可以外接使用。

另外，馈电模块提供了6个LED指示灯，通过这
6个指示灯可以了解到馈电模块是正常运行还是发生故障。

根据LED指示灯的提
示能够比较快速地查找故障原因。

确保电源断开之后才能够进行操作，否则将会造成触电事故；证DC_Link的电压降低到一个安全范围以内；要给电容放电留一段时间(大约主电源断开之后4 min～5 min以上)。

外部主电源经过电源模块整流之后的直流电压上升到570 VDC左右，对于I/R模块，使能正常之后，电压上升到600 VDC，并且只有一个黄灯亮（右边中间这个灯）。

外部供电电源应该是3相400 V±40 V，在电源模块的使能加上去了之后，端子U1, V1, W1的电压有一个明显的上升，这是一个正常的现象。

（1）馈电模块没有反应，没有LED灯亮
可能的故障以及检查点：检查电源模块端子U1, V1, W1电压应该是3相400
V±40 V。

对于80 kW和120 kW电源模块，检查一下L1, L2之间的电压应该在3相400 V±40 V，L1，L2， L3 对应的接在U1, V1, W1。

检查端子X181是否插入，并且短接是否正常。

如果这些都正常，更换电源模块。

（2）馈电模块使能
可能的故障以及检查点：检查以上的各项，并且检查X171端子（Enable signal for internal line contactor）以及跳线NS1/NS2。

检查端子48对参考端子19是否为+24 V。

（3）15 V, 5 V故障灯亮
关断电源，等DC_Link的电压降到安全范围，断开X151(轴模块上)，断开端子
X121, X141, X161, X171。

上电，如果这时候故障消失，说明在上面这些端子接口中有短路的情况存在，然后可以一个一个端子依次加上去，看看到底是哪个端子短路。

如果是端子的短路，更换或者维修好；如果是X151扁平电缆的问题，那么要检查驱动模块。

一次加一个模块，依次加上去，看到底是由于哪个模块引起的故
障。

找到之后，把这个模块的控制板取出来，更换新的。

如果故障去除，则说明故障在控制板；如果故障依旧，有可能在功率模块，更换功率模块。

如果故障依旧存在，那么更换电源模块。

（4）供电电源故障
确定故障出现在上电时（Power up）还是在使能时（Enable）。

如果在上电时，检查端子U1, V1, W1或X181是否缺相，或者是否连接错误。

检查一下供电电压是否正常。

如果这些都是正常的，更换电源模块。

如果故障出现在使能时（48/63），那么有可能是由于功率模块的故障，或者是连接不正常，DC_Link短路，供电线电压过低，变压器容量太小或者阻抗太大（变
压器选择不合理）。

可以断开电源，等到DC_Link电压降到安全范围，断开直流
母排接线端。

然后上电检查电源模块。

如果此时没有故障，说明断开的轴模块有短路的现象；如果所有检查项目都没有问题，则故障应该出现在电源模块，更换电源模块。

（5）直流母线过电压
确定故障是否是在上电时（Power up），还是在电机制动时出现。

如果在上电时（Power up），则有可能是近线电压过高（比如达到440 V）；如果在电机制动时，那么检查电源模块DIP设置S1.3是否正常，制动功能是否开了(S1.3=OFF)。

如果进线电压大于424 VAC，那么把S1.1设置为ON。

再次检查。

如果故障依旧，更换电源模块。

检查是否是电抗器的问题，所有I/R电源模块都必须正确地配置电抗器，外部供电采用3相5线制（带中性点）。

检查给I/R电源模块的供电容量（the power line feeding）是否足够，比如，对于80 kW的I/R模块，最少要有104 kVA的容量（大约I/R的1.27 * Pn）。

如
果供电容量不足，驱动无法把能量反馈到电网，因而电网不能够处理反馈过来的能量。

在数控机床中，驱动系统的稳定运行是保证数控机床稳定无故障运行以及数控加工性能的关键。

在数控机床中，驱动系统往往是故障的高发点，尤其是馈电模块，它是保证整个驱动系统稳定运行的基础。

当数控机床的馈电模块出现故障时，如何快速地找到问题所在？在数控机床的馈电模块应用过程中，如何正确理解它的功能和作用？本文针对这些问题，以西门子SIMODRIVE 611系列的馈电模块为例，作了详尽的阐述。

通过分析馈电模块的功能实现电路稳定运行，以及分析故障时馈电模块的监控机制，采取排除故障的通用手段。

基于这些知识，应用技术人员可以更好地应用数控机床中的馈电模块，并在出现故障时快速排除故障，恢复正常生产。

【相关文献】
[1] GROΒ H, HAM ANN J, 熊其求译. 自动化技术中的进给电气传动[M]. 北京:机械工业出版社, 2002.
[2] SIEMENS. SIMODRIVE 611digital Drive Converters Configuration Manual [M]. Nuernberg: SIEMENS IA&DT, 2007.
[3] SIEMENS. SINUMERIK 840D sl/840Di sl/840D/840Di/810D Functions Manual[M]. Nuernberg: SIEMENS IA&DT, 2006.
[4] 高峰, 王清标. SINUERIK 840D数字驱动伺服611D参数分析与优化[J]. 机床电器, 2006(5):16-20.。