变频器元器件的性能变劣现象

                                          变频器元器件的性能变劣现象

   元器件的损坏，如功率模块的炸裂、短路或开路，电容器的喷液、鼓顶，IC电路的击穿性损坏，电阻元件的断路等，不但用万用表从元件的电阻值或在线电压值，能方便地检测出来，而且有些损坏，是仅凭肉眼观察其外形的色形与形变，即能得出明确的判断。而元器件的性能劣变，并非为短路或断路的“明显损坏”的状态，不但从器件外形上看不出明显异常，而且在有时候，甚至万用表及其它测量设备对其好坏，都无能为力。此类损坏，如大电容电解电容的引线电阻变大，小容量电容的介质损耗加大，高频特性变坏，和晶体管放大能力变差，二极管的整流特性变坏等，我们用万用表和电容表检测都是好的，但故障元件在电路的实际工作中“表现不佳”，好像一个人带着不良情绪在勉强地干工作，因而工作中必然漏洞百出，很难圆满地完成工作任务。
   元器件的性能变劣，不是一个质变现象，而是一个量变现象。经过多年使用的机器，像电容器的电解液干涸，三极管的放大能力降低，元器件引脚的氧化等，是随着时间的推移而渐渐变化的，因而检修“老机器”，更需要注意这方面的问题。
   对这类元器件损坏的定义，用老化、低效、失效、性能变劣比较适宜，用击穿、断路等就不合适了。元器件的性能劣变，其劣变的程度往往差异甚大，表现出的故障现象和检测难度也千变万化，不易掌握，而往往表现为疑难故障，或称为“软故障”，让人挠头——查不出坏件，但电路显然又不是正常状态！检修这类故障，需要检修者电子电路基本功的扎实、多年积累的经验，甚至对检修者的心理素质，也是一种考验。
   好在这类故障毕竟是少数，一般还是元件“硬性损坏”的为多。如果维修者乐于接受这种挑战，对这种软故障的检修，也会转化为一种乐趣，检修的过程甚至也可以成为一种享受的过程（普通故障上来就换件，有啥子乐趣可言呢？），让人非常有成就感。我们在长期的检修工作中，总会遭遇这样的故障，可以干脆不修此类机器，也可以接受下来，享受一把，有什么不好呢？

   有些元件器，厂家已给出使用年限，如变频器中的散热风扇和电解电容，厂家给出的更换年限为8-10年。风扇是个旋转部件，旋转部件如轴承，长期使用总有磨损的；为了提升电容量，电解电容内部注有电解液，因而有反而漏电流产行，安装使用时应注意其极性。同时，随使用年限增多，电解液必然逐渐干涸，使电容量下降。到达使用年限后，即使变频器未坏，从原则上讲，也应将风扇和电解电容换掉，以防患于未然。
   风扇损坏，比较直观，这里以故障实例谈一下直流回路储能电容的损坏。

一、大容量电解电容老化所表现出的故障现象及检修思路：

   [故障实例1]一台富士5000 G9型90kW变频器，运行中跳欠电压故障。该变频器连续工作已近十年，接手后，先用电容表测试直流回路储能电容的容量，储能电容共6只，每只电容量为8200uF，检测其容量为8000-8300uF之间，感觉电容都没有问题。从调压器送入可调三相电源，检查电压检测电路并监测面板显示直流电压值，说明直流电压检测电路也没有问题。测直流回路电压，在输入电压为380V时，直流电压为540V左右（轻载），检查不出问题所在。
   将变频器拖动37kW电机，满载运行，未路欠电压故障。还是感觉不放心，后来又找一个工厂，用变频器拖动75kW电机，满载运行，跳欠电压故障停机，运行中检测直流回路电压，已跌至430V。变频器确实存在故障！
   带载情况下直流回路电压低，只有两部分可怀疑元件：一是三相整流电路，本机由六块100A整流模块构成三相整流电路，每二块相并联使用。用数字万用表的二极管档，测整流桥的正向压降，在430（0.43V）左右，用指针式万用表，测其正反向电阻，都没有问题。该款变频器有个特点，整流模块与逆变模块的使用，在功率上有相当大的余量，整流模块的稳定性也优于电解电容。因而还是不能排除电容的嫌疑。想要代换试验的话，但手头又没有这么多整流模块和电容备件。只有确定是整流桥还是电容的问题，购件后才验证故障所在。
   显然，电容器的损坏，并不是因使用年限过长造成的容量下降，用电容表测试容量也是满足要求的。但本机故障表现，又确实像是储能电容的容量下降，起不到应有的储能作用，而使直流回路的电压下降，导致电压检测电路报出欠电压故障。
   电容的容量减小，轻者表现为带负载能力差，负载加重时往往跳直流回路欠电压故障，电容的进一步损坏，还有可能使直流回路电压波荡，形成对逆变模块的致命打击。此类故障往往又较为隐蔽，不像元件短路容易引人重视，检查起来有时也颇费周折，尤其是大功率变频器中的电容，运行多年后，其引出电极常年累月经受数百赫兹的大电流充、放电冲击，出现不同程度的氧化现象，用电容表测量，容量正常；用万用表测量，也有鲜明的充、放电现象，反向漏电流阻值也在容许范围内，但接在电路中，则因充、放电内阻增大，相当于电容充、放电回路串接了一定阻值的电阻！电容的瞬态充、放电电流值大为降低，实质上电容的储电能力下降，相当于电容量严重减小。因储电能力下降，致使直流回路电压跌落，变频器不能正常工作，检修人员可能会作出误判！ 若非负载状态下，同时监测直流回路的电压值，在维修部的轻载条件下，很难判定和分析到是储能电容的问题。
   电容电极引线电阻的出现，是常规测量手段所无法测出的，进行深入分析，才出了这种结论。
   经过以上分析，邮购6只8200uf400V优质电解电容，将该机储能电容全部代换后，再行拖动75kW电机处于满载运行状态下，不再跳欠电压故障，测直流回路电压，带载情况下，已高达520V以上。变频器修复。

二、充电接触器主触点接触不良所表现出的故障现象及检修方法：

   当充电接触器的触点接触不良时，同样跳欠电压（或直流回路电压低）的故障。见下述实例。
   [故障实例2]一台东元7300MA型37kW变频器，运行中随机性跳“直流回路电压低”故障，有时一天数次跳故障，有时能连续运行好几天。故障再现时，为变频器重新上电，则又能正常运行段时间。用户工作现场电压的供电电压很稳定，没有什么问题，同时使用的其它数台变频器，和同型号变频器，都没有这种问题。
   送维修部后，变频器上电后，听得“哐当”一声响，充电接触器闭合了，空载或轻载时，连续运行三天，未跳直流回路电压低故障。用三相调压器调节输入电压，同时监控操作显示面板显示的直流回路电压值，与输入电压成成比例变化，并且在较大范围内，变频器都不报出故障，说明检测电路没有问题。
   重点又检查了直流回路的储能电容，其容量与标称值没有大的出入，该机器使用年限不长，储能电容又是选用优质元件，应该是没有问题的。
   反复上电几次，都能听到充电接触器的吸合声，说明充电接触器的控制电路也是好的。是什么原因导致了直流回路电压低呢？
进一步联想到：充电接触器虽然吸合，但主触点闭合情况，却只有将接触器拆卸后，才能观察到。拆开接触器后，发现三对主触点烧灼严重，同时发现三相逆变模块大多换新，该机器已经维修过。也许是模块炸毁时，使充电接触器的主触点同时受损。
   接触器为电磁开关，其闭合与释放是电磁作用与机械部件相配合所完成的。当接触器主触点烧灼变形，或由于使用年限过长，产生机械形变或机械老化时，会产生机械动作受阻从而产生吸合不到位，造成主触点接触不良的现象。
   该例故障，因触点烧灼，产生接触电阻，运行中产生打火现象，触点的接触情况产生随机性恶化，则直流回路电压有随机性跌落现象，导致欠电压报警。而停电后再闭合，则改善了接触器触点接触状况，变频器又能运行一段时间。接触器产生机械形变后，也有此种现象，以至有的电工得出了这种一种经验，跳欠电压故障时，或为变频器反复上电几次，或震动变频器几次后，变频器又“神经质”地“好”了。
   换用优质接触器后，故障排除。
   该例故障，有“耳听为虚，眼见为实”的检修特点，听声音接触器是闭合了，但主触点的闭合状态，只有眼见才能更好地确定。

三、晶体管老化失效所表现的故障现象及检修思路：

   晶体管器件的老化和失效故障，更为隐蔽，其表现出的故障现象也更加难以琢磨，比之检修电容器、接触器等元件，又上升了一个难度上的等到级。下文以检修开关电源的两个故障实例，来说明对晶体管老化故障的检修。这两例故障，一例为输出电压偏高，一例为输出电压偏低，但故障元件都是隐蔽得很，饶有趣味啊。
   [故障实例3]该机器为东元7200PA型37kW变频器，故障现象为：运行当中出现随机停机现象，可能几天停机一次，也可能几个小时停机一次；起动困难，起动过程中电容充电接触器哒哒跳动，起动失败，但操作面板不显示故障代码。费些力气起动成功后又能运转一段时间。
   将控制板从现场拆回，将热继电器的端子短接，以防进入热保护状态不能试机；将充电接触器的触点检测端子短接以防进入低电压保护状态不能试机，进行全面检修，检查不出什么异常，都是好的呀。
   又将控制板装回机器，上电试机，起动时充电接触器哒哒跳动，不能起动。拔掉12CN插头散热风扇的连线，为开关电源减轻负载后，情况大为好转，起动成功率上升。仔细观察，起动过程中显示面板的显示亮度有所降低，判断故障为开关电源带负载能力差。
拆下电源/驱动板，从机外送入直流500V维修电源，单独检修开关电源电路。
   本机开关电源电路为单端正激式隔离型开关稳压电源。电路由分立元件组成，故障率较低。由开关管和分流控制管构成振荡和稳压电路的主干，外围电路极其简洁。

   拆下电源/驱动板，从机外送入直流500V直流维修电源，单独检修开关电源电路。
   开关电源的次级绕组及后续整流滤波电路，各路电源输出空载时，输出电压为正常值。将各路电源输出加接电阻性负载（如50欧5W电阻），电压值略有降低；+24V接入散热风扇和继电器负载后，+5V降为+4.7V，此时屏显及其它操作均正常。但若使变频器进入启动状态，则出现继电器哒哒跳动，间或出现“直流电压低”、“CPU与操作面板通讯中断”等故障代码，使操作失败。测量中，当+5V降为+4.5V以下时，则变频器马上会从启动状态变为待机状态。详查各电源负载电路，均无异常。
   分析：控制电源带负载能力差的判断是正确的。由于CPU对电源的要求比较苛刻，不低于4.7V时，尚能勉强工作；但当低于4.5V时，则被强制进入“待机状态”；在4.7V到4.5V之间时，则检测电路工作，CPU发出故障报警。
   意想不到的是此故障的检修竟然相当棘手，遍查开关电源的相关元器件竟“无一损坏”！无奈之下，试将U1（KA431AZ）的基准电压分压电阻之一的R1（5101）并联电阻试验，其目的是改变分压值而使输出电压上升。测输出电压略有上升，但带载能力仍差。该机的开关管Q2为高反压和高放大倍数的双极型三极管（NPN功率管），型号为QM5HLL-24；Q1为分流控制管，电路对这两只管子的参数有较严格的要求，市场上较难购到。再结合故障现象分析，可能为开关管Q2低效，如β值降低，使TC2储能下降，电路带载能力变差；也可能为Q1的工作偏移，对Q2基极电流分流能力过强，使电源带载能力变差。但手头无原型号开关管，用户催修甚急。试调整电路，将分流调整管的工作点下调，使之降低对Q2基极电流的分流作用，进而提升开关管Q2的导通能力，使TC2储能增加。
   试将与电压反馈光耦串接的电阻R6（330欧）串联47欧电阻，以减小Q1的基极电流，进而降低其对Q2的分流能力，使电源的带载能力有所增强。上电试机，无论加载或启动操作，+5V均稳定输出5V，故障排除（此故障排除是采取了权宜之计，应急修复的措施，并未查出和更换故障元件，对故障进行根治）！
   故障推断：1、开关管Q2有老化现象，放大能力下降，Ic值偏低，开关变压器储能变小，而使电源带载能力变差；2、分流支路有特性偏移现象，使分流过大，开关管得不到良好驱动，从而使电源带载能力差。第一种原因可能性大。
   附记：以后该台变频器又因模块损坏故障送修，手头有QM5HLL-24管子，故换掉开关管Q2，将串接47Ω电阻解除，恢复原电路后，开关电源工作正常。说明该机器开关电源电路带载能力差的故障原因，确系Q2开关管低效所致。

   [故障实例4]一台多年使用的变频器，在逆变模块损坏并修复后，为变频上电，测CPU板+5V供电，约为6V，测控制回路的+15V供水，高达近20V。输出电压明显偏高，但输出电压值较为稳定。怀疑是万用表测量误差（如数字万用表内部9V电源能量不足造成的测量误差），换用另一块万用表检测，还是如此。
   说明开关电源存在故障，未敢给CPU主板供电，摘下电源/驱动板，单独检修，为保险起见，出切断了驱动IC的四路供电，等输出电压值正常后再连接负载电路。
   该例故障，输出电压尚能稳定，说明稳压电路还是起作用的，稳压环节还是“透气”的。试将TL431基准电路的VREF端子的上分压电阻减小，或想办法加大反馈光耦的输入侧电流，检测各路输出电压略有下降，也说明稳压环节还是能对输出电压作出反应和起了调节作用的。但感觉电压的下降量极小，电路能对输出电压作出反应，但反应的灵敏度降低。把稳压环节看成一个误差放大器的话，是这个放大器的放大倍数明显不够了啊。
   该电路也是由两只分立晶体管构成的振荡和稳压电路，稳压的所有控制，最后都落实到开关管基极电流的控制上，一是开关管的驱动电流过大，二是分流管的Ic电流过小，对开关管Ib电流的分流能力不足。
   挑选一只放大倍数高的分流管对原管进行代换，又检查了稳压电路的所有环节，未查出变值和不良元件，单独拆下TL431，作了稳压性能试验，没有问题。检修陷入了僵局。
   将电路板放置了几天，没有管它，但脑子里有时还在转悠着这个事。将疑点放在了光电耦合器PC817的身上！TL431与PC817相配合，将输出电压的变化隔离和反馈至一次振荡电路。PC817内含发光二极管一只和光敏三极管一只，长期工作后，发光二极管的发光效率变低，光敏三极管受光量减小，导通内阻变大，相当于误差放大器的放大信倍变低了。另外，也不排除光敏三极管老化、低效、放大倍数降低等等的可能，二者中的其一不良，便导致稳压控制能力减弱，输出电压升高。但光耦器件的在线测量，只能测出输入侧发光二极管的正反向电阻或电压降，其它指标则无能为力。
   将光耦拆除，换用一只优质元件，开机，测各路输出电路，哗！全部正常和稳定了！

   可以总结一点：电解电容因工艺和材质的特点，性能容易渐变和低效，但这种电容的渐变和低效，还是容易引起注意的。其它元件，电阻一般是较为稳压的。 那么还容易渐变和低效的原件，应该首属晶体管了。早期的电子电路维修工作者，针对性的分立元件的晶体管，维修工作中对管子放大倍数的检测，成为常规手段之一。以后，随着IC电路的出现，随着IC工作可靠性的提高，往往忽略了对IC内容晶体管的渐变和低效的问题。PC817也可以称之为IC电路，内部集成了发光管和三极管，其它被广泛应用的模拟IC和数字IC，内部内部也是由晶体管所集成，总会有晶体管渐变和低效的可能。在长期的维修中，我也碰到数例这种情况。这种情况，单纯测试IC的引脚电阻，很难察觉到什么异常。而上电进行动态电压检测，往往有效。
   遇有疑难故障，多注意晶体管的渐变和低效，注意IC内部晶体管的渐变、低效、失效！

四、渐变、低效元件难于检测的原因和检测方法的问题：
   此类渐变和低效元件的难于检测，主要由两个原因造成：
   1、检测工具的局限。
   最常用检测工具为数字和指针式万用表，高电压和大电流，不能由万用表提供，对有些器件，如直流回路的储能电容电级引线电阻的出现，须在高电压和大电流的状态下进行检测，才能得出结论。电容表和万用表确实对此无能为力。
2、检测方法的问题。检测元器件，往往进行单一性的检测，如仅仅检测元件引脚电阻，或仅仅检测在线电压；或习惯用一只表检测其好坏。
   应该拓展检测手段和检测方法。如对逆变模块和高耐压元件的检测，可利用耐压测试仪或借用绝缘摇表，对元件进行电压击穿测试。寥老师也在本论坛帖子中谈到用数字万用表、指针万用表、电容表和晶体管耐压（特性）测试仪四种测试工具，对逆变模块进行综合性能的测试，确实是一个好方法，值得借鉴。
   如检测光耦器件，可从线路板上拆下，用一只指针式万用表的x10k挡测试输入侧正向电阻（同时提供正向导通电流），用一只万用表，同时测试输出侧三极管的导通电阻，将测试结果与好的同型号光耦器件相对照，则不难检测出低效元件。或者干脆用外加电源，为光耦送入输入10mA电流，对比测试其输出电阻，则更易得出正确的判断。
   总之，要采用灵活多样的测试手段和检测方法，强化自己的检测能力和提高检测的准确度，使“伪好元件”暴露出来。要练好你的“内功”啊！


                                                                                                                                                                                                     旷野之雪
                                                                                                                                                                                                   2010-5-23

   寥老师是经验之谈,分流控制管,确实极为关键!代换管也比较难找,我一般是用彩电开关电源电路中的分流控制管代用.此管开关频率要高,电流输出能力要强,饱合导通压降要小.
   一般的管子是难以胜任的.