广州郡控自动控制技术有限公司
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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: 622 次
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 ELECTRIC）lf200900ccp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24v变5v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，6：1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！
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 ELECTRIC）lf200900ccp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24v变5v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，6：1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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