范芳洪
(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院車(chē)機(jī)學(xué)院,湖南 株洲 412001)
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數(shù)控機(jī)床變頻器故障維修*
范芳洪
(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院車(chē)機(jī)學(xué)院,湖南 株洲 412001)
針對(duì)數(shù)控機(jī)床上通用變頻器外送維修費(fèi)用高、維修不及時(shí)等問(wèn)題,通過(guò)對(duì)變頻器的組成和原理的分析,總結(jié)出各組成電路的主要故障現(xiàn)象、原因及相應(yīng)的維修方法,并設(shè)計(jì)了IGBT管性能、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力的檢測(cè)電路,以維修實(shí)例介紹了變頻器維修的檢測(cè)方法及維修操作。實(shí)踐證明:運(yùn)用IGBT管性能、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力的檢測(cè)電路能準(zhǔn)確、及時(shí)地維修好變頻器大部分故障,并且檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)可供同行借簽。
數(shù)控機(jī)床;變頻器;主電路;驅(qū)動(dòng)控制;逆變管
數(shù)控機(jī)床上常用的主軸驅(qū)動(dòng)有兩種:變頻器電動(dòng)機(jī)和伺服主軸電動(dòng)機(jī),伺服主軸電動(dòng)機(jī)是一種專(zhuān)用的主軸驅(qū)動(dòng),它必須采用與數(shù)控系統(tǒng)配套的主軸驅(qū)動(dòng)器及主軸電機(jī),主軸控制精度較高,成本也高。變頻器主軸是一種通用的主軸驅(qū)動(dòng),可以對(duì)普通的三相交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速,控制比較簡(jiǎn)單,在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上得到廣泛的應(yīng)用。如果變頻器有故障就外送維修,不但要支出昂貴的維修費(fèi)用,而且維修周期長(zhǎng),還有返修現(xiàn)象,耽誤了生產(chǎn)。其實(shí)只要具備一定的維修基礎(chǔ)和變頻器相關(guān)知識(shí)可以自己動(dòng)手維修變頻器。筆者把多年變頻器的維修經(jīng)驗(yàn)和方法整理總結(jié)出來(lái),供同行借鑒。
通用變頻器的組成如圖1所示,主要由主電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成,主電路又由整流、濾波電路、制動(dòng)電路和逆變電路組成,控制電路由MCU微處理器電路(MCU板)、檢測(cè)電路等組成[1]。
主電路中的整流、濾波電路把三相380 V的工頻交流電整流濾波后得到530 V平穩(wěn)的直流電壓;逆變電路由六路逆變管(IGBT)組成,通過(guò)控制六個(gè)逆變管輪流導(dǎo)通和關(guān)閉的時(shí)間,把DC530V的直流電逆變成電壓、頻率可調(diào)的三相交流電從而實(shí)現(xiàn)了主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速[2];制動(dòng)電路在主軸電機(jī)減速或停止時(shí)消耗電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的能量,避免了主電路的直流電壓升高而損壞主電路的元器件。圖1中的電阻RF起限流作用,避免接通電源時(shí)電容的充電電流過(guò)大燒毀整流功率管,當(dāng)電容充電到80%時(shí),繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合短接電阻,避免變頻器正常運(yùn)行時(shí),電阻消耗功率引起直流電壓的下降。驅(qū)動(dòng)電路是把MCU板產(chǎn)生的六路PWM信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)逆變管[3],并負(fù)責(zé)逆變管的過(guò)流檢測(cè)和過(guò)流時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)保護(hù)逆變管。檢測(cè)電路主要有電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和過(guò)熱檢測(cè)電路,電壓檢測(cè)電路是檢測(cè)整流濾波后的直流電壓,把此電壓值送到MCU主板程序中處理,一方面用來(lái)顯示主電路的直流電壓,另一方面和程序中的給定電壓值比較,判斷直流電壓是否在正常范圍內(nèi),當(dāng)主電路中的直流電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí),MCU主板會(huì)封鎖逆變管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),并會(huì)顯示過(guò)電壓或低電壓報(bào)警。電流檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)負(fù)載的電流,其作用和電壓檢測(cè)電路一樣,一方面用于顯示負(fù)載電流,另一方面判斷電路是否有過(guò)流和短路,并在過(guò)流、短路時(shí)封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)并顯示過(guò)流報(bào)警。過(guò)熱檢測(cè)電路主要用來(lái)檢測(cè)逆變管散熱片的溫度,當(dāng)散熱風(fēng)扇不正常等原因?qū)е聹囟壬邥r(shí),過(guò)熱檢測(cè)電路動(dòng)作使MCU主板封鎖逆變管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)保護(hù)了逆變管因過(guò)熱而損壞。
2.1主電路的故障維修
變頻器主電路常見(jiàn)故障是逆變管(IGBT)損壞。IGBT管損壞的主要原因有三:一是IGBT管失效、性能變差,主要表現(xiàn)在導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻變大、耐壓值降低等,由于元器件參數(shù)變化而不能正常工作屬于器件的正常損壞;二是濾波電容失效或漏電,電容失效后直流電壓的脈動(dòng)變大,很容易使電動(dòng)機(jī)繞著的電感和濾波電容共振,將產(chǎn)生很高的電壓把IGBT管和整流管擊穿,IGBT管擊穿后產(chǎn)生很大的沖擊電流會(huì)把IGBT管的驅(qū)動(dòng)電路也損壞;三是IGBT管的驅(qū)動(dòng)電路中柵極(G極)電阻支路斷路,電路斷路后IGBT截止時(shí)負(fù)壓加不到IGBT的G、E極,在高電壓下會(huì)使截止的IGBT管導(dǎo)通并和同一臂導(dǎo)通的IGBT管一起形成對(duì)電源回路的短路而把IGBT管損壞[4]。IGBT管損壞的機(jī)理分析如下:
圖2是IGBT管結(jié)電容等效圖。假設(shè)G2管的R柵電阻支路斷路,G1受正向激勵(lì)導(dǎo)通,G2管的C2端子的電壓立馬跳為DC530V電壓,此電壓對(duì)CG、GE間的極間電容Ccg和Cge兩只電容充電,在G1導(dǎo)通期間,G2管受充電電流所驅(qū)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)通,幾乎和G1管同時(shí)導(dǎo)通,兩管共通形成了對(duì)DC530V電源短路,使G1、G2管受強(qiáng)電流的沖擊而損壞。
對(duì)變頻器的主電路的檢查除了檢查IGBT管是否擊穿外,還要著重檢查濾波電容容量是否變小和電容漏電的情況。濾波電容的容量在數(shù)百微法以上,用萬(wàn)用表能檢測(cè)出其好壞。萬(wàn)用表只能判斷出IGBT管是否擊穿短路,但不能檢測(cè)IGBT管的性能變差。特設(shè)計(jì)圖3所示的IGBT性能檢測(cè)電路。在電路中串兩只25 W、φ220 V的燈泡的作用有二:一是通過(guò)觀察燈泡發(fā)光來(lái)判斷是否有IGBT擊穿短路,二是由于燈泡電阻的降壓限流作用,即使逆變電路有短路故障,也可以將主電路的電流限制在100 mA內(nèi),避免IGBT的損壞。斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)負(fù)載,變頻器上電啟動(dòng)接收運(yùn)行信號(hào),如果燈泡隨著頻率的上升同步閃爍發(fā)光,那么存在同一臂上的兩只IGBT管有一只擊穿,擊穿的IGBT和導(dǎo)通的IGBT一起形成了電源的供電回路,兩只燈泡對(duì)DC530 V直流電壓分壓而發(fā)光。用指針式萬(wàn)用表的直流500 V檔測(cè)量同一橋臂上的兩只IGBT管對(duì)直流電壓(530 V)分壓的情況可以判斷出哪只IGBT管擊穿,測(cè)得IGBT管CE兩端的電壓為零的那只IGBT管就擊穿了。雖然IGBT管耐電值下降,但萬(wàn)用表的表內(nèi)電池電壓低(9 V)不能擊穿IGBT管,這就是用萬(wàn)用筆檢測(cè)IGBT管是好的,加壓檢測(cè)IGBT管就擊穿的原因。如果接收運(yùn)行信號(hào),燈泡不亮,說(shuō)明IGBT管沒(méi)有擊穿,但I(xiàn)GBT管導(dǎo)通內(nèi)阻是否正常還需要用指針式萬(wàn)用表的直流500 V檔測(cè)量每個(gè)臂上的兩只IGBT管分壓情況,以圖3中的U相為例,若兩個(gè)IGBT管導(dǎo)通內(nèi)阻正常,U端子對(duì)P、N兩點(diǎn)的電壓相等約為260 V,如果測(cè)得U端子對(duì)P、N兩點(diǎn)電壓不相等,導(dǎo)通內(nèi)阻變大那只IGBT管測(cè)得的電壓高于260 V,正常的那只IGBT管測(cè)得的電壓小于260 V;用同樣的方法檢查其他兩臂的另外4只IGBT管導(dǎo)通內(nèi)阻是否正常。
2.2驅(qū)動(dòng)電路的故障維修
變頻器有6路驅(qū)動(dòng)電路,上下臂各3路,上臂的驅(qū)動(dòng)電路是相同的,下臂的驅(qū)動(dòng)電路也是相同的。驅(qū)動(dòng)電路主要故障有3個(gè)方面:一是驅(qū)動(dòng)電源的濾波電容失效或漏電導(dǎo)致輸出功率不足,主要表現(xiàn)是變頻器低速、空載運(yùn)行正常,高速、帶負(fù)載運(yùn)行就出現(xiàn)過(guò)流故障[5]。低速、空載運(yùn)行,需要的驅(qū)動(dòng)功率小,電源還能夠提供,電容失效的影響不明顯,但高速、帶負(fù)載運(yùn)行,需要的驅(qū)動(dòng)功率大,電容失效會(huì)引起電壓波動(dòng)大、輸出電流(功率)變小,不能完全驅(qū)動(dòng)IGBT管,使其不能良好的導(dǎo)通,導(dǎo)通內(nèi)阻變大,管壓降大從而引起過(guò)電流。二是集成驅(qū)動(dòng)芯片或后置的放大器低效,導(dǎo)通內(nèi)阻變大,使輸出的脈沖功率變小,不能完全驅(qū)動(dòng)IGBT管,引起和驅(qū)動(dòng)電源的電容失效的同樣的故障。三是集成驅(qū)動(dòng)電路或后置的放大器損壞沒(méi)有驅(qū)動(dòng)脈沖輸出。對(duì)于第三種情況用萬(wàn)用筆測(cè)量驅(qū)動(dòng)電路中各器件的電阻值能檢測(cè)出故障。第一種情況用萬(wàn)用表也能檢測(cè)電容的好壞。第二種情況實(shí)際是驅(qū)動(dòng)電路輸出能力不足,用萬(wàn)用筆檢查驅(qū)動(dòng)電路的靜、動(dòng)態(tài)參數(shù)都是正常的,要想辦法測(cè)出驅(qū)動(dòng)電路輸出電流就能判斷驅(qū)動(dòng)電路是否正常。為此設(shè)計(jì)了如圖4所示的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力檢測(cè)電路。
圖中DPH4T250V為集成驅(qū)動(dòng)芯片,GU、EU 為IGBT管的G、E極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端子。檢修驅(qū)動(dòng)電路時(shí)要與主電路脫離[6],選用數(shù)字萬(wàn)用表的直流電流檔,萬(wàn)用表的黑表筆接功率電阻的n端子,電阻的另一端接d端子,電阻的功率和阻值盡量和柵極電阻R45一致,以便測(cè)量數(shù)值明顯,萬(wàn)用筆的紅表筆接m端子,如圖4中的點(diǎn)劃線框內(nèi)所示。上電啟動(dòng)變頻器,如果萬(wàn)用表顯示的數(shù)值為150 mA左右,則該路的驅(qū)動(dòng)電路輸出電流能力(驅(qū)動(dòng)能力)正常,如果其中任一路輸出電流與150 mA相差較大時(shí),該路驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流能力嚴(yán)重不足,只要變頻器啟動(dòng)運(yùn)行就會(huì)跳OC(過(guò)流)故障。在變頻器停止?fàn)顟B(tài),萬(wàn)用表的數(shù)值為-50 mA左右,則驅(qū)動(dòng)電路的反向截止輸出電流也正常。
2.3檢測(cè)電路故障維修
檢測(cè)電路的故障率比較小,當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到電壓、電流故障時(shí),可以通過(guò)測(cè)量實(shí)際的電壓、電流值和變頻器顯示的電壓、電流值進(jìn)行對(duì)比來(lái)確認(rèn)是變頻器真的過(guò)電壓、過(guò)電流還是檢測(cè)電路誤檢測(cè),如果測(cè)量值和顯示值基本相符,那么檢測(cè)電路是正常,變頻器確實(shí)有電壓、電流故障了,如果測(cè)量值和顯示值相差很遠(yuǎn),那么檢測(cè)電路有故障屬于誤檢測(cè)。檢測(cè)電路有故障時(shí)通過(guò)靜態(tài)測(cè)量檢測(cè)電路各元件的阻值和動(dòng)態(tài)測(cè)量各關(guān)鍵點(diǎn)的電壓基本能查出故障的根源,在檢修時(shí)要特別注意對(duì)檢測(cè)電路基準(zhǔn)電壓的檢測(cè)[7],如果基準(zhǔn)電壓不準(zhǔn),會(huì)引起檢測(cè)電路的誤檢測(cè)。
3.1故障1
(1)故障現(xiàn)象:一臺(tái)CK6150數(shù)控車(chē)床配四方E380變頻器,在執(zhí)行M03S800指令時(shí),主軸轉(zhuǎn)速緩慢上升到200 r/min左右時(shí),轉(zhuǎn)速再也升不上去了,變頻器的頻率從零上升到15 Hz,然后下降到10 Hz,再上升到15 Hz又下降到10 Hz,來(lái)回幾次這樣跳動(dòng),最后變頻器跳過(guò)載報(bào)警停機(jī),關(guān)閉電源重新起動(dòng)主軸,故障依舊。
(2)故障原因分析與解決方法:變頻器過(guò)載的原因有二:一是主軸負(fù)載過(guò)重,用手轉(zhuǎn)動(dòng)主軸感覺(jué)很輕松,并且主軸剛起動(dòng)還沒(méi)有進(jìn)行切削,顯然不是主軸負(fù)載過(guò)重引起的;二是變頻器的電流檢測(cè)電路故障誤檢測(cè)而報(bào)警,用鉗形表測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流和變頻器顯示的電流進(jìn)行對(duì)比,實(shí)測(cè)電流為13 A,顯示電流為13.2 A,基本一致,電流檢測(cè)電路沒(méi)有故障。該機(jī)床的主軸電動(dòng)機(jī)的功率為7.5 KW,額定電流為11.4 A,起動(dòng)時(shí)測(cè)得電流為13 A,顯然電流過(guò)大,系統(tǒng)為保護(hù)逆變管跳過(guò)載報(bào)警停機(jī)。因?yàn)轭l率來(lái)回跳動(dòng),開(kāi)始以為是變頻器輸出頻率不穩(wěn)定引起的故障,通過(guò)實(shí)測(cè)電流和顯示電流對(duì)比排除不是變頻器的故障。那為什么變頻的頻率來(lái)回跳動(dòng)呢?原來(lái)是變頻器檢測(cè)到過(guò)電流時(shí)先采取降頻措施來(lái)使電路的電流恢復(fù)正常,如果降頻后,電流恢復(fù)正常再升頻,升頻后電流還是過(guò)大將再次降頻,來(lái)回幾次這樣處理后,電路的電流沒(méi)有恢復(fù)正常,變頻器將跳過(guò)流或過(guò)載報(bào)警。變頻器起動(dòng)中,頻率來(lái)回地從15 Hz跳到10 Hz,是因?yàn)樽冾l器檢測(cè)到過(guò)電流,采用降頻處理企圖使電流恢復(fù)正常。檢查主軸電動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)三相繞組電阻不平衡而導(dǎo)致電流過(guò)大,修理電動(dòng)機(jī)后故障解除。在本故障維修中開(kāi)始沒(méi)有檢查主軸電動(dòng)機(jī)是受思維定勢(shì)的影響,認(rèn)為過(guò)載報(bào)警就是負(fù)載過(guò)載。電動(dòng)機(jī)有故障會(huì)跳過(guò)流報(bào)警,有些變頻器不區(qū)分過(guò)載和過(guò)流故障就跳過(guò)載故障,有些是區(qū)分過(guò)流和過(guò)載故障[7],在維修中要注意。
3.2故障2
(1)故障現(xiàn)象:一臺(tái)CK7150數(shù)控車(chē)床,臺(tái)達(dá)變頻器驅(qū)動(dòng)主軸,只要起動(dòng)主軸變頻器就跳OC(過(guò)流),主軸不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
(2)故障原因分析與解決方法:用手轉(zhuǎn)動(dòng)主軸很輕松,檢查主軸電動(dòng)機(jī)也正常,一起動(dòng)主軸就跳OC而停機(jī),用鉗形表也測(cè)不出三相輸出電流。驅(qū)動(dòng)電路不良、IGBT管擊穿、性能變差都會(huì)引起此故障,拆開(kāi)變頻器脫開(kāi)主電路和驅(qū)動(dòng)電路的連接,先檢查驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電源的濾波電容、驅(qū)動(dòng)芯片的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)都正常,用圖4的電路來(lái)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力,檢測(cè)到W相下臂IGBT的驅(qū)動(dòng)電路僅輸出電流約為60 mA,顯然驅(qū)動(dòng)電路輸出電流太小不能使IGBT管完全導(dǎo)通導(dǎo)致電流過(guò)大而跳OC。該機(jī)驅(qū)動(dòng)IC(PC929和PC923)的輸出信號(hào)又經(jīng)一對(duì)互補(bǔ)型晶體管功率放大后[8]再輸出。懷疑晶體管失效導(dǎo)致輸出電流變小,更換同型號(hào)晶體管,檢測(cè)W相下臂IGBT管的驅(qū)動(dòng)電路輸出為150 mA,輸出正常。驅(qū)動(dòng)電路正常后,再檢查主電路中整流管、濾波電容都正常,用萬(wàn)用表檢查逆變管,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。把主電路和驅(qū)動(dòng)電路連接好,斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)負(fù)載,用圖3的電路來(lái)檢測(cè)逆變管的性能,在接受起動(dòng)信號(hào),燈泡不亮,用萬(wàn)用筆500 V的交流檔測(cè)U、V、W端子三相輸出交流電壓,三相交流電壓平衡且能夠隨著頻率的上升而增大,證明IGBT管子正常。把變頻器重新安裝好,試車(chē)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)正常。
3.3故障3
(1)故障現(xiàn)象:一臺(tái)CK7150車(chē)床配艾默生E2000變頻器,在運(yùn)行中主軸的轉(zhuǎn)速突然下降30%~50%,變頻器沒(méi)有任何報(bào)警,故障發(fā)生的頻率由開(kāi)始一天發(fā)生一次,到后來(lái)兩三個(gè)小時(shí)發(fā)生一次,重新啟動(dòng)變頻器又正常。
(2)故障原因分析與解決方法:變頻器能正常運(yùn)行幾個(gè)小時(shí),說(shuō)明變頻器是好的。變頻器轉(zhuǎn)速下降可能是數(shù)控系統(tǒng)輸給變頻器的轉(zhuǎn)速模擬電壓下降引起的,在轉(zhuǎn)速下降時(shí)測(cè)量輸出系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)速模擬電壓值,該電壓值和主軸轉(zhuǎn)速正常時(shí)相同。那么引起故障的原因可能是干擾,檢查了電控柜中接地線、變頻器連接電纜等沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題,但發(fā)現(xiàn)電控柜中的溫度比較高,是不是溫度高使變頻器主板某些芯片不能穩(wěn)定工作而引起速度下降?檢查發(fā)現(xiàn)電柜門(mén)上的散熱空調(diào)的冷卻風(fēng)扇不轉(zhuǎn)柜內(nèi)熱量散不出去導(dǎo)致了溫度升高,修好電柜門(mén)上的空調(diào)保證電柜內(nèi)的溫度正常,主軸的轉(zhuǎn)速突然下降的現(xiàn)象再也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)了。
在變頻器維修中,要細(xì)致地觀察故障的現(xiàn)象,全面分析故障的原因,判斷出是變頻器本身故障還是變頻器外圍故障,如果是變頻器外圍故障要檢查主軸電動(dòng)機(jī)、主軸負(fù)載、變頻器的連線和環(huán)境溫度等。如果是變頻器本身故障,主電路和驅(qū)動(dòng)電路故障率比較高,變頻器主電路出現(xiàn)故障往往會(huì)波及到驅(qū)動(dòng)電路,所以主電路和驅(qū)動(dòng)電路要同時(shí)檢查,并且只有驅(qū)動(dòng)電路正常后才能連接主電路在線檢測(cè)IGBT管。筆者用上面介紹的變頻器維修的方法快速、準(zhǔn)確修好了本單位實(shí)訓(xùn)車(chē)間變頻器很多故障,為單位節(jié)約了大量的維修費(fèi)用,并且保證了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的進(jìn)度。
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(編輯孫德茂)
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Frequency converter fault maintenance of CNC machine tools
FAN Fanghong
(School of Car Engine, Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001, CHN)
General frequency converter for the NC machine outside the problems such as the high cost of maintenance, maintenance is not timely, through the analysis of the composition and principle of the frequency converter, this paper sums up the main failure phenomena of each circuit, the reason and the corresponding maintenance method, and designs the IGBT tube performance ability, drive circuit, introduced ideas of frequency converter maintenance, testing methods and maintenance skills with repair case, practice has proved: using IGBT tube performance, the drive ability of driving circuit detection circuit can accurately and timely maintenance most frequency converter fault, and detection circuit design can be for reference.
CNC machine tools; frequency converter; main circuit; drive control; inverter tube
TM131
B
范芳洪,男,1975年生,講師,工程師,研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床的故障診斷與維修。
2015-11-10)
160545
2014年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目《基于FANUC 0iD數(shù)控系統(tǒng)電氣故障診斷專(zhuān)家的研究》(14C0753)