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四象限变频器维修参考

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发表于:2022/7/21 17:02:19
#0楼
  作者  郡控公司王工

  一、关于四象限变频器
附件 4,装机.jpg
  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。
附件 1.铭牌.jpg
   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。
附件 5.维修.jpg
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!
附件 2.图纸.jpg
   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。
   第一步,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)
附件 3.试机.jpg
   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!
[此贴子已经被作者于2022/7/21 17:17:55编辑过]
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发表于:2022/7/21 17:08:44
#1楼
好久没写过维修技术的文章了。本来说投个稿的,想想算了,四象限变频器几乎没有人谈起过。网上很多原理,说的好像高端又好像云里雾里,实操性不强。自己修过一些,也有点经验,今天就总结出来,供大家参考。
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lllllwh
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2016国庆活动(三)
发表于:2022/7/22 8:32:13
#2楼
   如果发现变频器没有地方接制动电阻,那基本就是四象限无疑了。这种变频器品种市场还是不少的,这个变频器的特点就是进线三相整流器换成了可控硅或者IGBT,多了一套触发及逆变电压检测电路。
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xianban7
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发表于:2022/7/22 11:20:30
#3楼
王工出品,必属精品
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09工控人生征文
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发表于:2022/7/23 13:09:32
#4楼
谢谢楼主好帖。感觉本帖应该发在变频器维修论坛里,才对的啊。
咸庆信变频器维修专题博客:http://blog.gkong.com/blog.asp?name=xq%30%39%31%38%31
【博客文章全为原创,多为维修笔记,旨在技术交流,互相提高。以变频维修及其它工控类文章为主,间或放进些诗歌散文,以起到阅读中的调适作用,也是原创。欢迎转载,欢迎留言探讨有关工控的技术问题!欢迎赐教与指正!转载最好注明文章出处标以转载字样,以期规范转载行为。所有文章大家随便看,不搞什么须登陆,须回复才能打开的设置!这是我的公告。--旷野之雪】
《精选工业电器电路原理图析与实用检修》、《变频器实用电路图集与原理图说》、《变频器电路维修与故障实例分析》、《PLC技术与应用——专业技能入门与精通》已经出版。
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发站内信
发表于:2022/7/23 16:33:42
#5楼
这个不好意思,我电脑收藏夹是电工技术页面,发的时候就发到电工技术论坛了,后来发现,想想差不多,就没有撤销重发
此帖发自手机工控论坛
41
旁观者TB4Z
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发站内信
发表于:2022/9/25 20:41:40
#6楼
  你好,我是一名煤矿机电人员,煤矿井下用的都是四象限变频器,平时坏了都是请厂家技术人员过来解决,由于路途遥远既费时又担误生产,并且厂家人员过来也是直接换板,根本做不到元件级维修,所以我计划买点板子和模块回来备用,现在最担心的就是炸模块后换上新模块后又炸了,想请教下换了新模块后该怎样检测其它电路没有存在再次炸模块的可能。
  有一次变频器的模块炸了,厂家人员过来换了新模块后先是断开主回路供电,然后用给主板供电的直流电源(好象他们当时接的是+15V)接上主回路的直流母线,再让整流侧运行,这时测量变频器的交流输入端是否有相应的交流电压,再让逆变侧运行,这时测量变频器的输出端是否有相应电压。
  这是他们修变频器时测试的方法,具体是不是这么测的我也记不清了,当时那个厂家人员在边修边给他徒弟讲解,我听了一点
  在这里请教下师傅们用这方法具体该怎么操作,变频器是唐山开诚的,第一次看到还有个这样的变频器厂家
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