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工程师维修日志
四象限变频器的维修实例
  • 作者: 郡控王工
  • 来源: www.gzjunk
  • 日期: 2022-07-27
  • 点击次数: 617
一、维修需要知道的  
四象限变频器由于成本的关系,一直以来,市场保有量都不大。关于四象限变频器的维修文章很少,今天在这里写篇文章,算是抛砖引玉,期待更多有见解的文章。四象限变频器的原理和功能,这里就不去探讨,功能介绍的文章一大堆,百度上讲得比我清楚。我涉及的知识点都是维修,跳过理论,都可以实操和变现的。至于更深入的逻辑关系,程序代码,我也没这个水平说清楚的。
   既然是维修,我们就找一台大功率的四象限变频器来做例子。用一台近期维修的美国瑞恩电气的产品,lf200900ccp四象限变频器来做参考,LF200代表系列,900代表输出电流ccp代表用途。瑞恩(RELIANCE ELECTRIC)是美国罗克韦尔旗下的驱动产品,知名度并不高。但在驱动器圈内,Allen-Bradley罗克韦尔的产品属于高端产品,功能强大,控制精确,缺点是使用逻辑关联性太强,文件夹方式的使用界面,也让很多维修技术人员摸不着头脑。比如该公司的Ab700系列变频器,用户使用程序的复杂程度,真的让人很抓狂。打个比方,没有接触过该品牌产品的技术人员,一个面板启动功能,都得研究半天。
    但欧美驱动产品,技术的连贯性比较强,也就是说,你花时间吃透它一款最主要的产品,他的逻辑,他的控制思路,大抵都是一脉相承的。这好比abbacs800系列,西门子6se70系列一样,搞懂一个系列,修别的的系列,就可以举一反三。技术嘛,都会有传承的。
瑞恩RELIANCE ELECTRIClf200900ccp动力电输入,ac380-480v,功率最大590kw,整流馈电,和功率逆变一共采用了八个英飞凌三联模块fs450r12ke3模块(整流四张,逆变四张),并联驱动,每相均有驱动保护检测功能。对大功率模块来说,桥臂互锁驱动也是必需的设计。这款变频器从尾缀可以看出,是一款专用的驱动,由于是给中央空调压缩机组一起配套的,散热方式就利用了空调的冷媒进行液冷,这可比一般的水冷效果要好得多。所以这款四象限变频器做得相当的纤薄,占地面积并不大,直接挂在压缩机组上就可以了。


四象限变频器维修,大致通路可以这样分:进线侧开关,三相滤波绕组,预充电电路,变频器整流馈电igbt,蓄能电容(母线)和功率逆变这几个部分组成。如果去掉电进线侧的滤波电感和整流馈电igbt(换成整流桥),整个变频器也就是一个普通的驱动器。四象限变频器比较龟毛的地方是:进线侧多了个滤波电感,这个电感个头都挺大。作用是:当变频器工作的时候,igbt根据同步检测信号,同步开关载波,达到整流滤波的作用。(注:如果igbt不同步工作只靠igbt的续流二极管工作,那就会发生爆模块的事)。当机组快速减速时,由于惯性,这时马达变成了发电机,这个电压会导致母线电压升高。根据预先设定的母线电压阈值,进线侧的igbt切换成馈电器,(50HZ同频同相交流弦波),把多余的电力反馈给电网。
这里需要说明关键的一点:同频同相!!问,怎么同频同相?答,四象限变频器必须有同步相位检测电路,这个电信号必须从进线滤波器前取样。修四象限变频器,要试机的话,这个是原则,没搞懂这个通路就不要试机!说起来好像蛮复杂,其实一点也不复杂,你可以参考,可控硅单向或双向整流电路,就会明白了。可控硅双向整流也是建立在同步同相的基础上的。说的更清楚一点就是:当弦波正半周来时,载波打开对应上桥的IGBT导通,弦波负半周来时,打开下桥IGBT。运算程序中,载波是一直有的,但该什么时候打开和关断,得同步信号说了算!否则,如果弦波上半周打开了下桥igbt,那就短路了,是要炸模块的。
馈电不能直接加到电网,电网也无法设别载波,干扰太重,怎么办呢?这时候进线侧的滤波器就器作用了。大家都知道,电感有一大功能是什么?通直阻交!电感的作用相当于给弦波蓄能+整形。进线电感不是想当然加上去的,得经过周密计算的,才能达到理想的效果。给交流电滤波整形,除了感抗,还有频率,这个频率就是载波。所以修四象限变频器,不要轻易的去更改载波频率。(关于载波于整形原理,可以参考大功率岸电文献)。四象限的反馈就是:当变频器经过逆变了的电压,需要经过滤波整形,得到和电网同频同步交流电压,返回给电源电网。


二、维修实例讲解
通路分析了半天,都是为维修做准备。我一直以为,高价值设备的维修,首先应该先分析再动手。掌握一定元器件的基本功能,能判断好坏,这是最基本的。很多设备是看不出故障点的,这需要原理+仪器去辅助分析,至于维修速度,我觉得主要还是在经验上。别东西拆解了,却没法判断好坏,那就比较尴尬!维修电子电路的东西,肯定要烧脑一点,业内不是有句话么:机械设备发现问题简单,但维修困难。电子电路发现问题困难,但维修简单。
说回案例中的这台变频器,到我这里时,这台变频器已经转修了两次,原故障是:进线馈电整流模块炸机。更换全新件后,启动就报输入缺相,马达只有很小的激励电流,但无法启动。于是再次转修,第二次更惨,开机直接报警AFD输出短路,afd就是整流部分。由于该中央空调服役于数据中心,并联使用,虽然有冗余设计,但时间还是比较近急。网上交谈后驱车去现场看机。
四象限我当然修过一些,比如一些索道的驱动变频器,采用的就是四象限变频器。瑞恩品牌的东西修得很少,也修过一些老样式直流调速器,但既然是罗克韦尔旗下的产品,使用方式和功能应该大抵一样,罗克韦尔变频器,经我的手治好的就不在少数。但中央空调压缩机的第一次接触,现场看了以后,我的建议是整机送修,我的理由是:这种配套的变频器,还走的通讯控制,我需要时间弄懂那本厚厚的英文说明书。客户问我,成功的把握多大?我说不敢给您保证100%,但80%+肯定是有的。在技术方面,我不认为别人都是吃素的,像这种转修了两次的设备,我必须全部跟一下电路吧,跟电路很花时间。还有,电容是不是也要做一下平衡……,时间一个礼拜。
客户考虑再三,同意了我的要求,那就送修吧!
不过我还是低估了他的工程量,瑞恩这种液冷的变频器,一体化设计,无软管无阀门。也就是说,拆机需要把700-800斤的冷媒放出来放到压力容器里,装机时还得抽真空,加冷媒,着实麻烦。这样一番折腾下来,让我感觉很有压力,要真没修好,那还不得找个地缝钻进去。机子送修没有问题,我说过,四象限变频器进线侧有一个滤波电感的,这个电感个头不小,几乎和变频器等重,变频器可以拉走维修,但这个电感是不可能拉走的。
没有这个电感,试机就比较困难。瑞恩变频器也不能像ABB变频器一样,关闭同步整流功能,把它调到输出启动,带电机一样可以确定功能是好的。但如果四象限不开起来,就没有绝对把握,到现场就被动了,这样的事最好别做。我把维修方法分三步:1.  电源驱动板检测,模块检测,电容检测。这一步是硬件维修。2. 花时间研究说明书,屏蔽通讯,面板启动,单独驱动电机。3、 四现象试机工作,监测输入输出相电压、相电流。
第一部分花了我三天,将电源驱动板的图纸测绘了出来。像这种别人修过的机子,这个步骤我认为很有必要。我的分析是:不管是第一次故障还是第二次故障,故障点都出在馈电整流部分,不管是输入缺相还是输入短路,故障在驱动部分的可能性都很大。经过绘图分析,也大致看出了这个变频器板卡的功能:驱动板采用阶梯电压设计,+500v变正负24V供电,正负24v供电变正负12v放供电,正24v5v供电。48v(正负24v)变驱动供电。这样的设计虽然可以减少很多连带的电源故障,但有一个问题就是,维修时,不同的电压共地,容易发生干扰,这种情况在测试光耦驱动时尤为明显。
驱动电路采用hcpl-316j光耦,自带故障检出功能,像这种大功率的驱动,不光输出电流有要求,小信号部分的差分互锁电路也是必须的,什么是差分互锁,就是上下桥只能有一个桥臂导通,测试时你就是随便触发,上下桥也只能导通一组。光耦初级触发,6个桥臂完全正常,接着往后推,一级一级的向后排查,最后在排线和光耦之间还真发现了故障,更换芯片后,屏蔽故障检测电路。直到从排线处,可以正确的触发每个单独通道。同时用示波器进行逻辑监视,也全部正常。接着测试模块,检测电容容量(将上下电容的位置调换,直到上下电容容量基本平衡)



第二步:瑞恩lf200900ccp变频器既然是罗克韦尔公司旗下产品,那瑞恩的软件基本和罗克韦尔ab700有共通之处,不同的是一个变频器里面有三套独立的软件:整流、逆变和通讯!只不过三套软件是相互打通和关联的,要动态试机,就得弄懂这些参数,否则怎么试机。不过干工控就是这样,没有你白忙的活,上一次的难,都是你下一次的基础。那些顶尖的维修大拿,那个没有熬过九九八十一难,才能举重若轻的呢?
桌面上测试好办,把功能分成几个段,分开进行就得了。比如驱动,检测,i/o这些都单独测试,可是要综合起来,还得变频器运行起来。花了两天琢磨参数,熟悉逻辑关系,决定先屏蔽馈电整流功能,把四象限变频器当两象限用,先启动变频器的逆变通路。这个顺序是:装好所有板卡---------预充电--------变频器上电--------修改控制方式(主要是整流模式和启动模式)----------匹配马达---------启动电机。
这个过程比较顺利,电机运行正常,将面板的监控数据和实测数据相对比,一切正常。走完这一步,代表这台四象限变频器的逆变和控制功能基本正常,维修算成功了一般。

第三步:为什么说变频器的输出功能都一切正常,表示成功了一半?!这就是修四象限变频器不同的地方,四象限变频器不管是软件和硬件,都是一机两套(四象限变频器价格贵一半也是有他原因的),而在实际维修中,整流部分的故障比逆变部分要高得多。这主要是整流部分运行更复杂,需要在整流和馈电两种状态中不停的切换,而功率逆变部分只需要执行驱动的功能,输出变化也比较线性。
对于大功率四象限来说,测试四象限,这还不是难点,难点在于维修公司没有进线侧的滤波电感组件。我说过没有这东西,接四象限试机,启动就跳闸是必须的。IGBT都是工作在开关状态,其本身也没有二极管整流的钳位功能。而这个“开关”功能的实现,是建立在载波上完成的,载波会发生干扰。更要命的是,这个干扰会打乱取样弦波脉冲,如果取样弦波脉冲识别变形,烧模块就是以毫秒计算的事。有朋友可能会想,模块功率大啊!这和模块功率无关,只要模组定义了桥臂,不管大与小,上下桥就不能同时导通的,同时导通就是短路。而干扰脉冲,随时会让这个同步信号发生错乱!
那难道就没有办法测试了吗?办法当然是有的。我的方法是:找一台大功率的电机,打开三角接线,把l1/l2/l3头接进线(到电源),尾接输出(到变频器),当滤波器用。但我这种做法,记住两点:1,只能测试,输出马达容量小于电感马达的容量,实操,61的容量可以正常输出(空载)。2,当电感用的电机容量要大,接线时进线和检测线必须同频同相,这点非常重要。一般来说,检测线相位接错了,软件都有故障信息出现,但进线相位接错了,是没有报警信息的。而要保证设备正确的整流恒流,同频同相就是关键。
   几百kw的四象限变频器,确认接线正确后,还得先预充电,待母线电压达到直流300v以后,断开充电部分,接着上三相交流电。这时面板已经自检完成,先别急着启动,看一看监控程序里的相电压,三相是不是都有?母线是不是正常?确定完这些信息和实测数据吻合,就可以启动了。
   启动时进线侧(当滤波器使用)电机同样会旋转的,这个旋转会抵消相应的感抗,但基本可以将谐波信号滤除掉,变频器能正常工作。这里再说一遍,取样信号:三相同步信号,必须在电机(滤波器)的进线端取,千万别再滤波器输出端取样,这个顺序如果搞错了,一定会烧馈电整流的IGBT模组。这个,本人惨痛的交过学费!


 
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