ABB直流调速器电源/励磁板的故障检修

DCS400直流调速器电源/励磁板的故障检修

   DCS400直流调速器，系ABB集团公司产品，厂商给出的产品名称为晶闸管变流器直流传动系统。在我国的直流调速领域应用也比较广泛，几乎于与欧陆590直流调速器平分秋色，系采用微控制器控制的高度智能化的直流调速装置。
   整机电路（三相全控桥、励磁输出电路）由三块线路板构成，分别为CPU主板，电源/驱动板、励磁触发板。电源/驱动板与励磁触发板的故障率最高，应维修需要，测绘出了这两块线路板的电路原理图。
1、 DCS400直流调速器电源/驱动板电路原理分析
   DCS400直流调速器电源/驱动板包括电枢主电路、励磁输出电路、开关电源电路、末级触发电路等组成。
   1.1、DCS400直流调速器电枢主电路、励磁主电路
电枢主电路为三相全控桥的典型结构，由三只双单向晶闸管模块组成，在电源输入侧与整流正、负输出端之间，并联了R、C串联尖波电压吸收网络，以消除由电网进入的有害电压毛刺。用TA1、TA2两只电流互感器采集三相电流信号，送后级CPU主板，以形成电流环闭环控制和取出过流保护信号。在整流输出电压正端串接FLT分流器，供外接电流表，显示运行工作电流。晶闸管模块散热风机的供电由X99端子引入AC220V电源。
DCS400直流调速器的励磁主电路与其它直流调速器的有所不同，采用了斩波电路，将三相整流所得的六脉波电压，经IGBT斩波，后级L、C电路滤波，形成较为平滑和稳定（质量较高）的直流可调电压，也因为采用斩波电路，电路的调压范围变宽，无须对输入电源电压（AC220和AC380V）进行切换输入，而是直接输入三相380V电源。IGBT控制信号为调宽脉冲，根据参数设置要求，可设置最大输出直流电压值。励磁主电路采用模块式封装，内含三相桥式整流电路、IBGT开关管等功率器件，M、E引出端子可串接电抗器或予以短接。IGBT所需的脉宽调整信号由励磁触发板提供。
IGBT输出的PWM电压，经1800uF电容和L1滤波，供直流电机的励磁绕组，在励磁电源上还并接了一个模块式励磁过压保护组件，将励磁电路化简如下，看一下过压保护组件的动作过程：
图中VT1为开关管，L2为励磁线圈，D2为续流二极管，D、C1、L1为电源的整流滤波电路。DW1、VT2、C2、R1构成过压保护电路。当整流电压中的尖峰电压值到达稳压管DW1击穿电压值时，DW1反向击穿导通，触发晶闸管VT2导通，电压峰值分量为C2充电所吸收。当C2上电压建立，其充电电流逐渐减小，至小于晶闸管的擎住电流值以后，VT2自行关断，C2上所充电荷经R1泄放掉，为下一次的充电做好准备。实际电路电容充电回路串入了S20k385压敏电阻，当VT2阳极、阴极间的电压差小于390V左右时，压敏电阻出离击穿区，VT2失去导通条件（压敏电阻的“高阻值常态”下的流通电流小于晶闸管VT2的“擎住电流”） 而关断，C2的充电被提前中止，使过压保护电路有选择性地只对超过390V以上的电压尖刺部分进行吸收，由电容C2存储，进而由电阻R1所消耗。
从电抗（滤波）器L1上并联的线圈的感应电压（励磁电流检测信号1）经X11端子的1、3脚引入前级励磁电流控制信号，X11端子的2脚（从CPU主板来）输入的励磁电流给定信号，合成为“新的”励磁电流控制信号，进入后级控制电路（见下图5），形成电流环控制信号。从L71电流互感器取得的感应电流信号（励磁电流检测信号2）经L71端子也引入到前级励磁电流控制电路，形成过励磁的欠电流或过电流故障保护信号（见下图5）。

1.2、DCS400直流调速器开关电源电路
由X98端子进入的AC220V电源，经两只限流电阻引入桥式整流电路，又经CLC电路滤波后，作为开关电源的直流供电电源。开关电源电路一般包括以下几个回路：
1）振荡回路。由10只10k串联电阻、470Ω电阻、稳压管构成电源起动电路，14脚、7脚内外电路构成振荡电路，UC3844内部相关电路、开关管V741、开关变压器的一次绕组、自供电绕组等构成整个振荡回路，V741受控导通后，自供电绕组产生感应电压，经整流滤波后作为UC3844的工作供电电源。振荡回路，是电路上电后形成振荡、开始工作的主要环节。
2）稳压回路。电路起振工作后，稳压电路随之发生作用，精确控制10脚输出的PWM脉冲信号的占空比，使脉冲变压器的储能发生变化，维持二次绕组输出的电压值保持稳定。对输出电压自动实施稳压控制的电路环节称为稳压回路，一般由电压反馈电路、基准电压与光耦电路形成的外部误差放大器、UC3844内部误差放大器、PWM控制电路等构成，本电路是由N76及外围电路将电压反馈信号进行处理，控制光耦合器D73输入电流的大小，使D73输出侧光敏三极管的导通内阻发生变化，进而控制UC3844的反馈信号输入脚3脚的电压变化，使内部PWM脉冲处理电路，改变10脚输出脉冲的占空比，达到稳压输出电压的目的。稳压回路也是保证电路正常工作的一个重要环节，影响到输出电压的高低和稳定。
自供电绕组，除提供振荡芯片的工作电源外，也将自供电绕组的感应电压经整流取出，送入UC3844的3脚，形成电压负反馈信号。负反馈电压信号实质上是上述光耦合器返回信号与自供电绕组的感应电压信号两者的合成，共同对二次绕组的输出电压（包括振荡芯片供电电源）起到稳压控制的作用。
3）保护回路。开关变压器的一次绕组上所并联的阻容元件、二极管及稳压管元件，起到提供开关管反向电流通路、抑制反向电压峰值的作用，是电压保护电路；开关管源极串联的电流采样电阻，将流经开关管的电流变化转变为电压信号，输入UC3844的电流检测信号输入脚5脚，形成电流闭环控制，电路能对电流变化作出快速反应。电流检测信号同时又加到SAM场效应晶体管的栅极，当开关管中有急剧变化的电流跳变信号产生时，SAM瞬时导通，将开关管V741栅极的电压快速拉低，起到对瞬变上升电流的快速抑制。当保护回路起控时，电路有可能处于停振状态，从某种意义上讲，保护回路，也可形成振荡条件，构成振荡回路的一个环节。
4）负载回路。二次绕组整流滤波输出的48V，供末级触发电路的供电，24V输出作为数字控制端子的供电及控制板继电器线圈的供电，+5V作为CPU主板CPU单元的电源。+15V、-15V两路供电，提供CPU主板控制电路的供电。各路负载电路的状态与开关电源密切相关，尤其是负载电路的过载和短路状态，会引发开关电源的间歇振荡或导致工作停止，控制机理是这样的：负载电路的过载或短路状态，引发开关电源的保护电路起控，做出过流保护动作，使开关电路电路呈现出停振或处于间歇振荡状态。开关电源的外电路——负载电路异常，会引发开关电源表现异常（容易误判是开关电源电路本身出现了故障），这是检修中应该注意的一点。
3、DCS400直流调速器的末级触发电路
电源/驱动板一般安装有6路触发脉冲电路，另外还预留有另6路末级触发脉冲电路，散热器上的模块安装孔也预留有6块晶闸管的安装位置，以实现调速器控制负载电机二象限或四象限运行（从软件到硬件）的可兼容性。末级触发电路为两部分结构相同的电路，每部分电路由六路触发电路构成，上桥臂与下桥相对应相，如A+C-的的触发电路是呈并联关系的，此种“连接法”，使每路输出接逻辑算法控制输出，形成本桥臂触发脉冲与对应桥臂发送来的“补脉冲”的双触发脉冲输出，以形成三相全控桥输出电流的通路。因线路板采用贴片元件，故脉冲变压器一次绕组中串联的限流电阻，由8只电阻相并联，并在电阻上并联旁路电容提供交流通路，起到减小直流损耗又能能起到提升交流信号幅度的作用。
4、DCS400直流调速器的励磁板电路
本机电路的信号测试端子及两线路板之间的连接信号电缆的端子，均以X端子（按序号）标示，但有的端子，如电流互感器X3端子为3个，其中一个为空端子，X1、X2、X7、X20、X24等端子为独立端子，只有一个引线端子，同时又是测试点。如果与实际电路板对照，更清楚各端子的去向。
从互感器来的电流检测信号，经X3、X5端子引入电源/驱动板上的三相桥式整流电路，整流为直流信号后，经X12的12端子输入CPU主板电路，供运行电流显示及过载报警与停机保护之用；X1、X2、X7对输入三相电压由R99、R101、R102（半可变电阻）和三只1M电阻分压和限流后，经X12排线端子送入CPU主板电路，作为电网基准同步信号和三相输入电压检测信号；X20、X24将三相全控桥输出电压引入线路板，经R103、R100整定后，由X12排线端子送入CPU主板，构成内部电压环控制和形成输出电压检测（报警）信号。
〔励磁电流控制电路〕两片UC3842开关电源振荡芯片和光耦合器HCNW3120组成了励磁电流控制电路，电路的构成和功能与常规移相触发电路有所不同，称之为脉冲宽度调制电路更为适宜。

从端子L71输入的励磁检测信号2，一路经X12的8端子输入CPU主板电路，用作励磁电流显示和失磁停机保护；一路送入UC3844的电流检测信号输入脚5脚，用于过载时，电路停振保护。
   励磁电流的控制电路的工作过程可由图6简化图进行分析:
A100 UC3842振荡芯片与外围电路一起组成PWM脉宽控制电路，10脚输出脉冲宽度取决于3脚输入电压值的高低，输出脉冲频率取决于7脚与14脚之间的RC时间常数。3脚输入的励磁电流控制信号是由X11端子2、3脚输入的电压合成信号，2脚输入由CPU主板来的励磁给定信号，3脚输入的是由图1的X11端子来励磁电流检测信号1，在两路合成（相减/电流负反馈）信号作用下，UC3844芯片3脚电压上升时，10脚输出脉冲占空比减小，励磁主电路经斩波后输出的直流电压降低；反之，10脚输出脉冲占空比增大，励磁主电路输出的整流电压（电流）上升，以此达到控制和稳定输出励磁电流的目的。

U1为可调脉冲宽度输出控制器，在3脚输入控制信号的作用下，10脚输出脉冲宽度受控的脉冲信号，加到光耦合器U2的输入侧，形成其输入侧发光二极管的输入电流。U2输出侧电路的供电电源，是由X12的5端子供给的（来自CPU主板），经振荡芯片U2、脉冲变压器B1转换为隔离交流电源，又经D1、C1整流滤波为直流电压，供U2的8、5脚。在输入信号作用下，U2输出侧晶体管V1、V2（推挽电路）轮流导通，输出的可调脉宽信号驱动VT1（IGBT开关管），使励磁线圈L1两端的电压值维持于控制信号给定的幅度上。
U2为光耦合器件，用于控制回路与主电路之间（弱电与强电）之间的电位隔离和信号传输，有数kV级的电压隔离度和安培级的电流输出能力，可以直接用于驱动100A以下IGBT模块，因此作用，也被称为驱动IC或驱动光耦。
〔故障实例1〕一台DCS400直流调速器，上电后操作面板显示“磁场欠流”的故障代码，拒绝接受运行信号。检测励磁主电路（模块内的三相整流桥和IGBT管子）正常，输入电源中串接的3只快熔保险管，也没有熔断，判断故障电路在励磁电流控制电路或励磁电流信号检测电路。
机器上电，显示“磁场欠流”的故障代码，第一步须解决因励磁电流不足形成的报警信号，将励磁电路的输出端接入负载电阻，并从操作显示面板调出“电机额定电流”和“磁场额定电流”，将两项参数值调至最低（注意修复后应恢复原值），避免检测电路动作报出故障。
检测DCS400直流调速器励磁板电路（见图5），驱动IGBT的光耦合器V111的输入侧2、3脚之间，已有0.5V左右的信号电压，但测光耦合器供电引脚5、8脚电压值为0，说明因光耦合器V111供电电源丢失，励磁主电路停止工作，励磁电流检测电路报出“磁场欠流”的故障代码。检测U3振荡电路，U3的11、8脚已有供电电压引入，但10脚无输出脉冲电压。判断U3不良。
更换U3后，光耦合器V111输出侧的供电电源恢复，整机工作恢复正常。
光耦合器是一个电/光转换与信号传输元件，需要输入侧、输出侧相隔离的供电回路，失去一组供电，信号传输即被中止，本电路由电源振荡芯片U3（UC3844）、脉冲变压器B1等元件，形成逆变式隔离电源，以供光耦合器V111输出侧的供电，当此电源损坏后，励磁主电路停止工作，报出“磁场欠流”的故障。作者在实际维修中，碰过多例U3损坏后报“磁场欠流”的故障，这可能是该类机型电路设计上的一个薄弱环节，值得注意。
〔故障实例2〕一台DCS400直流调速器，上电后操作面板显示“磁场欠流”的故障代码，拒绝接受运行信号。上电检查励磁电流控制电路正常，V111驱动电路已将驱动脉冲信号加至励磁主电路的1引脚上（见图4-46），观察励磁主电路模块，产生变形和裂纹，判断模块已经损坏。该模块型号为SKD75GAL 123D16L2，市场上很难买到此类配件，用户要求紧急修复。考虑到模块内部电路简单，为三相整流电路和1只IGBT管子，还有两只二极管（保留续流二极管，另一只可省掉），可以外搭电路来修复故障。将原模块拆除，用D25XBA60（1000V25A）单相整流桥一只、FGA25N120（1200V25A）IGBT管子两只，其中一只用于斩波管，一只利用其集成级和发射极之间并联的二极管，担任续流二极管的任务（找到这么一大功率高速二极管是挺费劲的，干脆用IBGT管子代换了），将两只管子垫上绝缘片和整流桥一起固定于散热片上，在光耦合器HCNW3120的输出端串接了一只51Ω1W电阻，上电试机，输出励磁电压正常，故障修复。
改进电路如下图：
电路所用元件非常易购，家电元件市场即可买齐，第一只IGBT管子VT1用作斩波管，将VT2的栅、射极短接，使其处于可靠截止状态，利用管子内部并联二极管D2，起到励磁绕组的续流作用。用了20元的材料成本，就这样将机器修复了。

附记：
有一个问题需要求助大家，那位朋友手头有DC400的直流调速器，请核对一下图5中V112（UC3844）的引脚外接元件，测绘中因为用户急需，未及绘完外围电路，即安装应用了。如那位朋友能提供外围电路，将该部分电路补齐，就好了。这是个遗憾！测绘电路可能有错，感谢大家予以指正！
先谢谢大家！

旷野之雪  2010年11月30日星期二

可能是上传经过压缩处理的原因，我的博客中有原图，清晰度尚可。可阅。