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    簡析變頻器維護保養和老化檢查技巧
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    變頻器維護保養和老化檢查技巧
        
      變頻器元器件的損壞,如功率模塊的炸裂、短路或開路,電容器的噴液、鼓頂,IC電路的擊穿性損壞,電阻元件的斷路等,不但用萬用表從元件的電阻值或在線電壓值,能方便地檢測出來,而且有些損壞,是僅憑肉眼觀察其外形的色形與形變,即能得出明確的判斷。而元器件的性能劣變,并非為短路或斷路的“明顯損壞”的狀態,不但從器件外形上看不出明顯異常,而且在有時候,甚至萬用表及其它測量設備對其好壞,都無能為力。此類損壞,如大電容電解電容的引線電阻變大,小容量電容的介質損耗加大,高頻特性變壞,和晶體管放大能力變差,二極管的整流特性變壞等,我們用萬用表和電容表檢測都是好的,但故障元件在電路的實際工作中“表現不佳”,好像一個人帶著不良情緒在勉強地干工作,因而工作中必然漏洞百出,很難圓滿地完成工作任務。

      變頻器元器件的性能變劣,不是一個質變現象,而是一個量變現象。經過多年使用的機器,像電容器的電解液干涸,三極管的放大能力降低,元器件引腳的氧化等,是隨著時間的推移而漸漸變化的,因而檢修“老機器”,更需要注意這方面的問題。

      對這類元器件損壞的定義,用老化、低效、失效、性能變劣比較適宜,用擊穿、斷路等就不合適了。元器件的性能劣變,其劣變的程度往往差異甚大,表現出的故障現象和檢測難度也千變萬化,不易掌握,而往往表現為疑難故障,或稱為“軟故障”,讓人撓頭——查不出壞件,但電路顯然又不是正常狀態!檢修這類故障,需要檢修者電子電路基本功的扎實、多年積累的經驗,甚至對檢修者的心理素質,也是一種考驗。

      好在這類故障畢竟是少數,一般還是元件“硬性損壞”的為多。如果維修者樂于接受這種挑戰,對這種軟故障的檢修,也會轉化為一種樂趣,檢修的過程甚至也可以成為一種享受的過程(普通故障上來就換件,有啥子樂趣可言呢?),讓人非常有成就感。我們在長期的檢修工作中,總會遭遇這樣的故障,可以干脆不修此類機器,也可以接受下來,享受一把,有什么不好呢?

      有些元件器,廠家已給出使用年限,如變頻器中的散熱風扇和電解電容,廠家給出的更換年限為8-10年。風扇是個旋轉部件,旋轉部件如軸承,長期使用總有磨損的;為了提升電容量,電解電容內部注有電解液,因而有反而漏電流產行,安裝使用時應注意其極性。同時,隨使用年限增多,電解液必然逐漸干涸,使電容量下降。到達使用年限后,即使變頻器未壞,從原則上講,也應將風扇和電解電容換掉,以防患于未然。

      風扇損壞,比較直觀,這里以故障實例談一下直流回路儲能電容的損壞。

      一、大容量電解電容老化所表現出的故障現象及檢修思路:

      [故障實例1]一臺富士5000 G9型90kW變頻器,運行中跳欠電壓故障。該變頻器連續工作已近十年,接手后,先用電容表測試直流回路儲能電容的容量,儲能電容共6只,每只電容量為8200uF,檢測其容量為8000-8300uF之間,感覺電容都沒有問題。從調壓器送入可調三相電源,檢查電壓檢測電路并監測面板顯示直流電壓值,說明直流電壓檢測電路也沒有問題。測直流回路電壓,在輸入電壓為380V時,直流電壓為540V左右(輕載),檢查不出問題所在。

      將變頻器拖動37kW電機,滿載運行,未路欠電壓故障。還是感覺不放心,后來又找一個工廠,用變頻器拖動75kW電機,滿載運行,跳欠電壓故障停機,運行中檢測直流回路電壓,已跌至430V。變頻器確實存在故障!

      帶載情況下直流回路電壓低,只有兩部分可懷疑元件:一是三相整流電路,本機由六塊100A整流模塊構成三相整流電路,每二塊相并聯使用。用數字萬用表的二極管檔,測整流橋的正向壓降,在430(0.43V)左右,用指針式萬用表,測其正反向電阻,都沒有問題。該款變頻器有個特點,整流模塊與逆變模塊的使用,在功率上有相當大的余量,整流模塊的穩定性也優于電解電容。因而還是不能排除電容的嫌疑。想要代換試驗的話,但手頭又沒有這么多整流模塊和電容備件。只有確定是整流橋還是電容的問題,購件后才驗證故障所在。

      顯然,電容器的損壞,并不是因使用年限過長造成的容量下降,用電容表測試容量也是滿足要求的。但本機故障表現,又確實像是儲能電容的容量下降,起不到應有的儲能作用,而使直流回路的電壓下降,導致電壓檢測電路報出欠電壓故障。

      電容的容量減小,輕者表現為帶負載能力差,負載加重時往往跳直流回路欠電壓故障,電容的進一步損壞,還有可能使直流回路電壓波蕩,形成對逆變模塊的致命打擊。此類故障往往又較為隱蔽,不像元件短路容易引人重視,檢查起來有時也頗費周折,尤其是大功率變頻器中的電容,運行多年后,其引出電極常年累月經受數百赫茲的大電流充、放電沖擊,出現不同程度的氧化現象,用電容表測量,容量正常;用萬用表測量,也有鮮明的充、放電現象,反向漏電流阻值也在容許范圍內,但接在電路中,則因充、放電內阻增大,相當于電容充、放電回路串接了一定阻值的電阻!電容的瞬態充、放電電流值大為降低,實質上電容的儲電能力下降,相當于電容量嚴重減小。因儲電能力下降,致使直流回路電壓跌落,變頻器不能正常工作,檢修人員可能會作出誤判! 若非負載狀態下,同時監測直流回路的電壓值,在維修部的輕載條件下,很難判定和分析到是儲能電容的問題。

      電容電極引線電阻的出現,是常規測量手段所無法測出的,進行深入分析,才出了這種結論。

      經過以上分析,郵購6只8200uf400V優質電解電容,將該機儲能電容全部代換后,再行拖動75kW電機處于滿載運行狀態下,不再跳欠電壓故障,測直流回路電壓,帶載情況下,已高達520V以上。變頻器修復。

      二、充電接觸器主觸點接觸不良所表現出的故障現象及檢修方法:

      當充電接觸器的觸點接觸不良時,同樣跳欠電壓(或直流回路電壓低)的故障。見下述實例。


      [故障實例2]一臺東元7300MA型37kW變頻器,運行中隨機性跳“直流回路電壓低”故障,有時一天數次跳故障,有時能連續運行好幾天。故障再現時,為變頻器重新上電,則又能正常運行段時間。用戶工作現場電壓的供電電壓很穩定,沒有什么問題,同時使用的其它數臺變頻器,和同型號變頻器,都沒有這種問題。
      送維修部后,變頻器上電后,聽得“哐當”一聲響,充電接觸器閉合了,空載或輕載時,連續運行三天,未跳直流回路電壓低故障。用三相調壓器調節輸入電壓,同時監控操作顯示面板顯示的直流回路電壓值,與輸入電壓成成比例變化,并且在較大范圍內,變頻器都不報出故障,說明檢測電路沒有問題。

      重點又檢查了直流回路的儲能電容,其容量與標稱值沒有大的出入,該機器使用年限不長,儲能電容又是選用優質元件,應該是沒有問題的。

      反復上電幾次,都能聽到充電接觸器的吸合聲,說明充電接觸器的控制電路也是好的。是什么原因導致了直流回路電壓低呢?

      進一步聯想到:充電接觸器雖然吸合,但主觸點閉合情況,卻只有將接觸器拆卸后,才能觀察到。拆開接觸器后,發現三對主觸點燒灼嚴重,同時發現三相逆變模塊大多換新,該機器已經維修過。也許是模塊炸毀時,使充電接觸器的主觸點同時受損。

      接觸器為電磁開關,其閉合與釋放是電磁作用與機械部件相配合所完成的。當接觸器主觸點燒灼變形,或由于使用年限過長,產生機械形變或機械老化時,會產生機械動作受阻從而產生吸合不到位,造成主觸點接觸不良的現象。

      該例故障,因觸點燒灼,產生接觸電阻,運行中產生打火現象,觸點的接觸情況產生隨機性惡化,則直流回路電壓有隨機性跌落現象,導致欠電壓報警。而停電后再閉合,則改善了接觸器觸點接觸狀況,變頻器又能運行一段時間。接觸器產生機械形變后,也有此種現象,以至有的電工得出了這種一種經驗,跳欠電壓故障時,或為變頻器反復上電幾次,或震動變頻器幾次后,變頻器又“神經質”地“好”了。

      換用優質接觸器后,故障排除。

      該例故障,有“耳聽為虛,眼見為實”的檢修特點,聽聲音接觸器是閉合了,但主觸點的閉合狀態,只有眼見才能更好地確定。

      三、晶體管老化失效所表現的故障現象及檢修思路:

      晶體管器件的老化和失效故障,更為隱蔽,其表現出的故障現象也更加難以琢磨,比之檢修電容器、接觸器等元件,又上升了一個難度上的等到級。下文以檢修開關電源的兩個故障實例,來說明對晶體管老化故障的檢修。這兩例故障,一例為輸出電壓偏高,一例為輸出電壓偏低,但故障元件都是隱蔽得很,饒有趣味啊。

      [故障實例3]該機器為東元7200PA型37kW變頻器,故障現象為:運行當中出現隨機停機現象,可能幾天停機一次,也可能幾個小時停機一次;起動困難,起動過程中電容充電接觸器噠噠跳動,起動失敗,但操作面板不顯示故障代碼。費些力氣起動成功后又能運轉一段時間。

      將控制板從現場拆回,將熱繼電器的端子短接,以防進入熱保護狀態不能試機;將充電接觸器的觸點檢測端子短接以防進入低電壓保護狀態不能試機,進行全面檢修,檢查不出什么異常,都是好的呀。

      又將控制板裝回機器,上電試機,起動時充電接觸器噠噠跳動,不能起動。拔掉12CN插頭散熱風扇的連線,為開關電源減輕負載后,情況大為好轉,起動成功率上升。仔細觀察,起動過程中顯示面板的顯示亮度有所降低,判斷故障為開關電源帶負載能力差。


      拆下電源/驅動板,從機外送入直流500V維修電源,單獨檢修開關電源電路。
      本機開關電源電路為單端正激式隔離型開關穩壓電源。電路由分立元件組成,故障率較低。由開關管和分流控制管構成振蕩和穩壓電路的主干,外圍電路極其簡潔。

      拆下電源/驅動板,從機外送入直流500V直流維修電源,單獨檢修開關電源電路。

      開關電源的次級繞組及后續整流濾波電路,各路電源輸出空載時,輸出電壓為正常值。將各路電源輸出加接電阻性負載(如50歐5W電阻),電壓值略有降低;+24V接入散熱風扇和繼電器負載后,+5V降為+4.7V,此時屏顯及其它操作均正常。但若使變頻器進入啟動狀態,則出現繼電器噠噠跳動,間或出現“直流電壓低”、“CPU與操作面板通訊中斷”等故障代碼,使操作失敗。測量中,當+5V降為+4.5V以下時,則變頻器馬上會從啟動狀態變為待機狀態。詳查各電源負載電路,均無異常。

      分析:控制電源帶負載能力差的判斷是正確的。由于CPU對電源的要求比較苛刻,不低于4.7V時,尚能勉強工作;但當低于4.5V時,則被強制進入“待機狀態”;在4.7V到4.5V之間時,則檢測電路工作,CPU發出故障報警。

      意想不到的是此故障的檢修竟然相當棘手,遍查開關電源的相關元器件竟“無一損壞”!無奈之下,試將U1(KA431AZ)的基準電壓分壓電阻之一的R1(5101)并聯電阻試驗,其目的是改變分壓值而使輸出電壓上升。測輸出電壓略有上升,但帶載能力仍差。該機的開關管Q2為高反壓和高放大倍數的雙極型三極管(NPN功率管),型號為QM5HLL-24;Q1為分流控制管,電路對這兩只管子的參數有較嚴格的要求,市場上較難購到。再結合故障現象分析,可能為開關管Q2低效,如β值降低,使TC2儲能下降,電路帶載能力變差;也可能為Q1的工作偏移,對Q2基極電流分流能力過強,使電源帶載能力變差。但手頭無原型號開關管,用戶催修甚急。試調整電路,將分流調整管的工作點下調,使之低對Q2基極電流的分流作用,進而提升開關管Q2的導通能力,使TC2儲能增加。

      試將與電壓反饋光耦串接的電阻R6(330歐)串聯47歐電阻,以減小Q1的基極電流,進而降低其對Q2的分流能力,使電源的帶載能力有所增強。上電試機,無論加載或啟動操作,+5V均穩定輸出5V,故障排除(此故障排除是采取了權宜之計,應急修復的措施,并未查出和更換故障元件,對故障進行根治)!

      故障推斷:1、開關管Q2有老化現象,放大能力下降,Ic值偏低,開關變壓器儲能變小,而使電源帶載能力變差;2、分流支路有特性偏移現象,使分流過大,開關管得不到良好驅動,從而使電源帶載能力差。第一種原因可能性大。

      附記:以后該臺變頻器又因模塊損壞故障送修,手頭有QM5HLL-24管子,故換掉開關管Q2,將串接47Ω電阻解除,恢復原電路后,開關電源工作正常。說明該機器開關電源電路帶載能力差的故障原因,確系Q2開關管低效所致。

      [故障實例4]一臺多年使用的變頻器,在逆變模塊損壞并修復后,為變頻上電,測CPU板+5V供電,約為6V,測控制回路的+15V供水,高達近20V。輸出電壓明顯偏高,但輸出電壓值較為穩定。懷疑是萬用表測量誤差(如數字萬用表內部9V電源能量不足造成的測量誤差),換用另一塊萬用表檢測,還是如此。

      說明開關電源存在故障,未敢給CPU主板供電,摘下電源/驅動板,單獨檢修,為保險起見,出切斷了驅動IC的四路供電,等輸出電壓值正常后再連接負載電路。

      該例故障,輸出電壓尚能穩定,說明穩壓電路還是起作用的,穩壓環節還是“透氣”的。試將TL431基準電路的VREF端子的上分壓電阻減小,或想辦法加大反饋光耦的輸入側電流,檢測各路輸出電壓略有下降,也說明穩壓環節還是能對輸出電壓作出反應和起了調節作用的。但感覺電壓的下降量極小,電路能對輸出電壓作出反應,但反應的靈敏度降低。把穩壓環節看成一個誤差放大器的話,是這個放大器的放大倍數明顯不夠了啊。

      該電路也是由兩只分立晶體管構成的振蕩和穩壓電路,穩壓的所有控制,最后都落實到開關管基極電流的控制上,一是開關管的驅動電流過大,二是分流管的Ic電流過小,對開關管Ib電流的分流能力不足。


      挑選一只放大倍數高的分流管對原管進行代換,又檢查了穩壓電路的所有環節,未查出變值和不良元件,單獨拆下TL431,作了穩壓性能試驗,沒有問題。檢修陷入了僵局。
      將電路板放置了幾天,沒有管它,但腦子里有時還在轉悠著這個事。將疑點放在了光電耦合器PC817的身上!TL431與PC817相配合,將輸出電壓的變化隔離和反饋至一次振蕩電路。PC817內含發光二極管一只和光敏三極管一只,長期工作后,發光二極管的發光效率變低,光敏三極管受光量減小,導通內阻變大,相當于誤差放大器的放大信倍變低了。另外,也不排除光敏三極管老化、低效、放大倍數降低等等的可能,二者中的其一不良,便導致穩壓控制能力減弱,輸出電壓升高。但光耦器件的在線測量,只能測出輸入側發光二極管的正反向電阻或電壓降,其它指標則無能為力。

      將光耦拆除,換用一只優質元件,開機,測各路輸出電路,嘩!全部正常和穩定了!

      可以總結一點:電解電容因工藝和材質的特點,性能容易漸變和低效,但這種電容的漸變和低效,還是容易引起注意的。其它元件,電阻一般是較為穩壓的。 那么還容易漸變和低效的原件,應該首屬晶體管了。早期的電子電路維修工作者,針對性的分立元件的晶體管,維修工作中對管子放大倍數的檢測,成為常規手段之一。以后,隨著IC電路的出現,隨著IC工作可靠性的提高,往往忽略了對IC內容晶體管的漸變和低效的問題。PC817也可以稱之為IC電路,內部集成了發光管和三極管,其它被廣泛應用的模擬IC和數字IC,內部內部也是由晶體管所集成,總會有晶體管漸變和低效的可能。在長期的維修中,我也碰到數例這種情況。這種情況,單純測試IC的引腳電阻,很難察覺到什么異常。而上電進行動態電壓檢測,往往有效。

      遇有疑難故障,多注意晶體管的漸變和低效,注意IC內部晶體管的漸變、低效、失效!

      四、漸變、低效元件難于檢測的原因和檢測方法的問題:

      此類漸變和低效元件的難于檢測,主要由兩個原因造成:

      1、檢測工具的局限。

      最常用檢測工具為數字和指針式萬用表,高電壓和大電流,不能由萬用表提供,對有些器件,如直流回路的儲能電容電級引線電阻的出現,須在高電壓和大電流的狀態下進行檢測,才能得出結論。電容表和萬用表確實對此無能為力。

      2、檢測方法的問題。檢測元器件,往往進行單一性的檢測,如僅僅檢測元件引腳電阻,或僅僅檢測在線電壓;或習慣用一只表檢測其好壞。


      應該拓展檢測手段和檢測方法。如對逆變模塊和高耐壓元件的檢測,可利用耐壓測試儀或借用絕緣搖表,對元件進行電壓擊穿測試。
      如檢測光耦器件,可從線路板上拆下,用一只指針式萬用表的x10k擋測試輸入側正向電阻(同時提供正向導通電流),用一只萬用表,同時測試輸出側三極管的導通電阻,將測試結果與好的同型號光耦器件相對照,則不難檢測出低效元件?;蛘吒纱嘤猛饧与娫?,為光耦送入輸入10mA電流,對比測試其輸出電阻,則更易得出正確的判斷。

      變頻器元器件的損壞,如功率模塊的炸裂、短路或開路,電容器的噴液、鼓頂,IC電路的擊穿性損壞,電阻元件的斷路等,不但用萬用表從元件的電阻值或在線電壓值,能方便地檢測出來,而且有些損壞,是僅憑肉眼觀察其外形的色形與形變,即能得出明確的判斷。而元器件的性能劣變,并非為短路或斷路的“明顯損壞”的狀態,不但從器件外形上看不出明顯異常,而且在有時候,甚至萬用表及其它測量設備對其好壞,都無能為力。此類損壞,如大電容電解電容的引線電阻變大,小容量電容的介質損耗加大,高頻特性變壞,和晶體管放大能力變差,二極管的整流特性變壞等,我們用萬用表和電容表檢測都是好的,但故障元件在電路的實際工作中“表現不佳”,好像一個人帶著不良情緒在勉強地干工作,因而工作中必然漏洞百出,很難圓滿地完成工作任務。

      變頻器元器件的性能變劣,不是一個質變現象,而是一個量變現象。經過多年使用的機器,像電容器的電解液干涸,三極管的放大能力降低,元器件引腳的氧化等,是隨著時間的推移而漸漸變化的,因而檢修“老機器”,更需要注意這方面的問題。

      對這類元器件損壞的定義,用老化、低效、失效、性能變劣比較適宜,用擊穿、斷路等就不合適了。元器件的性能劣變,其劣變的程度往往差異甚大,表現出的故障現象和檢測難度也千變萬化,不易掌握,而往往表現為疑難故障,或稱為“軟故障”,讓人撓頭——查不出壞件,但電路顯然又不是正常狀態!檢修這類故障,需要檢修者電子電路基本功的扎實、多年積累的經驗,甚至對檢修者的心理素質,也是一種考驗。

      好在這類故障畢竟是少數,一般還是元件“硬性損壞”的為多。如果維修者樂于接受這種挑戰,對這種軟故障的檢修,也會轉化為一種樂趣,檢修的過程甚至也可以成為一種享受的過程(普通故障上來就換件,有啥子樂趣可言呢?),讓人非常有成就感。我們在長期的檢修工作中,總會遭遇這樣的故障,可以干脆不修此類機器,也可以接受下來,享受一把,有什么不好呢?

      有些元件器,廠家已給出使用年限,如變頻器中的散熱風扇和電解電容,廠家給出的更換年限為8-10年。風扇是個旋轉部件,旋轉部件如軸承,長期使用總有磨損的;為了提升電容量,電解電容內部注有電解液,因而有反而漏電流產行,安裝使用時應注意其極性。同時,隨使用年限增多,電解液必然逐漸干涸,使電容量下降。到達使用年限后,即使變頻器未壞,從原則上講,也應將風扇和電解電容換掉,以防患于未然。

      風扇損壞,比較直觀,這里以故障實例談一下直流回路儲能電容的損壞。

      一、大容量電解電容老化所表現出的故障現象及檢修思路:

      [故障實例1]一臺富士5000 G9型90kW變頻器,運行中跳欠電壓故障。該變頻器連續工作已近十年,接手后,先用電容表測試直流回路儲能電容的容量,儲能電容共6只,每只電容量為8200uF,檢測其容量為8000-8300uF之間,感覺電容都沒有問題。從調壓器送入可調三相電源,檢查電壓檢測電路并監測面板顯示直流電壓值,說明直流電壓檢測電路也沒有問題。測直流回路電壓,在輸入電壓為380V時,直流電壓為540V左右(輕載),檢查不出問題所在。

      將變頻器拖動37kW電機,滿載運行,未路欠電壓故障。還是感覺不放心,后來又找一個工廠,用變頻器拖動75kW電機,滿載運行,跳欠電壓故障停機,運行中檢測直流回路電壓,已跌至430V。變頻器確實存在故障!

      帶載情況下直流回路電壓低,只有兩部分可懷疑元件:一是三相整流電路,本機由六塊100A整流模塊構成三相整流電路,每二塊相并聯使用。用數字萬用表的二極管檔,測整流橋的正向壓降,在430(0.43V)左右,用指針式萬用表,測其正反向電阻,都沒有問題。該款變頻器有個特點,整流模塊與逆變模塊的使用,在功率上有相當大的余量,整流模塊的穩定性也優于電解電容。因而還是不能排除電容的嫌疑。想要代換試驗的話,但手頭又沒有這么多整流模塊和電容備件。只有確定是整流橋還是電容的問題,購件后才驗證故障所在。

      顯然,電容器的損壞,并不是因使用年限過長造成的容量下降,用電容表測試容量也是滿足要求的。但本機故障表現,又確實像是儲能電容的容量下降,起不到應有的儲能作用,而使直流回路的電壓下降,導致電壓檢測電路報出欠電壓故障。

      電容的容量減小,輕者表現為帶負載能力差,負載加重時往往跳直流回路欠電壓故障,電容的進一步損壞,還有可能使直流回路電壓波蕩,形成對逆變模塊的致命打擊。此類故障往往又較為隱蔽,不像元件短路容易引人重視,檢查起來有時也頗費周折,尤其是大功率變頻器中的電容,運行多年后,其引出電極常年累月經受數百赫茲的大電流充、放電沖擊,出現不同程度的氧化現象,用電容表測量,容量正常;用萬用表測量,也有鮮明的充、放電現象,反向漏電流阻值也在容許范圍內,但接在電路中,則因充、放電內阻增大,相當于電容充、放電回路串接了一定阻值的電阻!電容的瞬態充、放電電流值大為降低,實質上電容的儲電能力下降,相當于電容量嚴重減小。因儲電能力下降,致使直流回路電壓跌落,變頻器不能正常工作,檢修人員可能會作出誤判! 若非負載狀態下,同時監測直流回路的電壓值,在維修部的輕載條件下,很難判定和分析到是儲能電容的問題。

      電容電極引線電阻的出現,是常規測量手段所無法測出的,進行深入分析,才出了這種結論。

      經過以上分析,郵購6只8200uf400V優質電解電容,將該機儲能電容全部代換后,再行拖動75kW電機處于滿載運行狀態下,不再跳欠電壓故障,測直流回路電壓,帶載情況下,已高達520V以上。變頻器修復。

      二、充電接觸器主觸點接觸不良所表現出的故障現象及檢修方法:

      當充電接觸器的觸點接觸不良時,同樣跳欠電壓(或直流回路電壓低)的故障。見下述實例。


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