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安川变频器GF(接地)故障检修

安川变频器GF(接地)故障检修实例

 

   检修一台安川616G3型55KW变频器,上电即报CF——接地故障。也曾上过一些网站搜寻对此故障的分析,好多帖子都反映这个故障比较顽固的,必须换板才能修复的。换主板还是驱动板?未说清楚。由于检修的一度陷入僵局,几乎也要认可这一说法了。但看安川变频器保护电路的结构,与其他变频器其实是一样的。过电流OL1、 OL2、OL3故障信号,应是电流互感器和后续电流检测处理电路与CPU的;而GF(接地)和OC(负载侧短路)故障信号,应为驱动电路板的保护电路直接馈送CPU的。不同点在于,在起动初始阶段,检测模块异常,即报出故障。在运行中检测模块异常,则报出OC故障。这两种信号,其实也透出这样一种信息:起动初始阶段,还未建立起三相输出电压,负载尚未运行,实际的故障来源应为变频器驱动电路或IGBT模块本身异常所致,但也不排除负载有接地故障;在运行中有异常大的电流出现,跳OC,则为负载侧故障的几率为大,而且为过电流故障而非接地故障。GF和OC故障的区别和所指,确实是有其道理的。

    由CPU自身损坏,造成上电即报GF故障的可能性,是微乎其微的。而故障,肯定是由驱动电路直接报予CPU的。换板,似乎只能是换驱动板了。更换CPU主板来修复此故障,不符合逻辑条件呀。此纯粹是硬件电路(驱动电路或IGBT模块)的故障。
机器原故障为:三相电源输人整流模块有两块损坏,6块逆变IGBT模块有两块损坏。驱动板因受IGBT损坏模块的冲击,也有一些元件损坏。此机器因某种原因放置了二、三年后,才来维修部修理。先检查了主电路,对逆变模块与直流回路的储能电容进行了检测,对损坏模块咨询了货物来源和价格。然后准备在修复驱动板后,才购回模块实施修复。

 

    将电源驱动板和CPU主板从机器中脱开,单独引人直流500V维修电源进行检修。换掉已坏的功率放大电路的4只晶体管VT26、 VT27、 VT31、 VT32及R166、 R168栅极电阻等损坏元件,上电,操作面板有显示,能操作。说明开关电源与主板大致无问鹚。依照常规采取相应措施,人为解除了过电压、欠电压、过热、风扇OC等故障报警(即采取相应手段满足上述故障检测电路的检测条件),以使驱动板能输出六路正常的激励脉冲,以检査驱动电路的好坏。
但作了上述处理后,电路仍然报FU (熔断器)故障,检査了 V15、 VT20、 VT29光耦器件及相属电路的元器件,都无异常。观察电路板,部分铜箔条有霉变现象,且从主电路再经端子引人的P、N接线的铜箔条,细如发丝。不但铜箔条有可能霉断,尤其是此铜箔条上的焊盘过孔处极易产生接触不良的故障。要注意此点。霉变铜箔条,这往往成为疑难故障的根源。检査发现,果然发现"引线铜箔条有断裂现象,致使熔断器检测电路以为连接FU线的熔断器已断,故上电后即报出FU故障。将霉变锏箔条用细砂纸打磨后,贴敷一根裸铜线再用焊锡连接后,上电后跳FU的故障排除。

    按操作面板[RUN]键,给出运行指令,测驱动电路输出的六路脉冲,均正常。停机后,测六路截止负压,也都在正常范围以内。经过以上大致检查,确定机器完全可以修复, 即打去货款,让供货商将定购的整流与逆变模块发过来。进行装机试验了。

    装机试验,仍跳〈接地)故障。在线检查模块等均无异常。拆下驱动板重新检修, 测量电路元器件都是好的。短接了保护电路的晶体管VT3、VT7、VT15 、VT21等的发射结(当然短接图4-16中的a、b点,也是一样的效果,但不如晶体管好找短接点),才不跳GF故障了。逆变模块没有问题,可能为驱动电路误报故障。检查发现,是IGBT管压降检
测回路的一只二极管VD9的焊盘与铜箔条接触不良,进行清污和焊接处理。慎重起见,又重新检查了六路输出脉冲的电流输出能力,检测中发现W相上管驱动脉冲的正电压偏低, 正电流偏小(比其他电路近乎小一半),肯定存在故障。查起来可就费了劲了,先后换掉了驱动对管、滤波电容、稳压管和驱动光耦等,均无效果。从电路原理分析,同等负载情况下,输出电压幅度低,说明输出电路存在一定的输出内阻。故障还是在驱动IC一一U14上, 可能所换的TLP250也为不良器件!用手头的一片A3120将了TLP250更换后,测输出脉冲幅度与其他五路的基本一样了。原驱动光耦合器和所更换的光耦合器低效,输出内阻增大,使输出能力打了折扣。这当然也是驱动电路报GF故障的一个原因。

    此时以为驱动板的故障已经彻底修复,装机试验。起动后还是跳GF故障。重又査了一次模块,感觉故障还是在驱动板上。又拆下驱动板,利用故障分区切割法,缩小故障范围, 査出U上臂IGBT驱动电路(保护电路)易报出GF故障。这回下了细功夫了,总共也不过十几个元器件,一个--个地排査。当表笔无意中触到模块检测输入电路的二极管VD45时, 准确一点地说,是触到二极管管体中间的"小圆疙瘩"时,这个"小圆疙瘩"竟然从电路板上滚落了下来。该二极管的封装形式现在已经不多见,像是旧式彩电上行输出电路中的阻尼二极管,中间是一个"小圆疙瘩"。细看从电路板上留下VD45的引线端面,隐约有一个小黑点。这只二极管的电极引线早就接触不良了。但为什么在数次检测中没有测量出来呢?  因电路板上表面涂敷有一层绝缘漆,故测量该二极管的引线端时,必须在表笔上施加一定的加力,才能测量。在此压力下,二极管是"是接触良好"的。而撤去表笔,而又处在接触不良的状态下了。因而这种接触不良,甚至是很难测量的。另外,当驱动板从主电路上拆除后检修时,不再承受主回路高电压的冲击。接通低电压回路,强制解除掉GF故障报警功能时,在低电压状态下,其接触不良引起的"导通内阻"便被忽略了。而接人主电路后,这种接触不良,必定又会暴露无遗,导致IGBT管压降检测电路(保护电路)误送出GF信号, 而使变频器实施保护停机动作。

   一般的GF故障,到此应该是宣告结束了。
又一次装机试验,起动仍跳GF接地故障!有点意外,原以为驱动板已修好,十拿九稳地装机即能正常运行了。无奈之下,在主回路?供电端与逆变模块之间串接两只25W灯泡的前提下,将模块检测电路的晶体管VT3、 VT7、 VT15 、VT21、VT30的发射结全都短接,解除了驱动电路的保护功能。U、 V、W三相输出端全部空置,不接负载。上电起动, 出现一个不同于其他机器的异常现象:上电后,不投人起动信号,串接灯泡不亮;投人起动信号后,灯泡即亮,且亮度较高!照常规判断,是起动后逆变模块出现了上、下臂IGBT的共通现象。不是驱动电路有异常,即是有模块存在漏电或短路!将直流供电的电压全降在灯泡上了。但更为奇怪的是,此时测量3个输出端,竟也能输出较高幅值的三相交流电压,且较为平衡,其中无直流成分!由此也可判断出:驱动脉冲电路和输出模块应该都是正常的。但这种正常又都是画了问号的正常了。

    到底属于正常还是不正常呢? 
    单独检査和试验驱动电路和检测模块,确实检测不出有什么异常。只给一相供电,送入驱动脉冲后,串接灯泡仍亮。单独送电三相皆如此,显然三相模块回路应该都是正常的。
    观察逆变模块电路结构,发现每只IGBT模块上皆装配有型号为MS1250D225P和MS1250D225N的方形黑色的东西。此为何物?测量判断,内部应为一只二极管和一只2uF 容量的无极性电容,再配接外接的一只10欧60V的电阻,以上元件并联于逆变模块的两端, 应是提供模块的反向电流通路,抑制反压,保护模块不被反压击穿的阻容保护网络。将其拆除后,给出起动信号,串接灯泡不亮了。灯泡的百毫安左右的电流,原来就是这个东西提供通路的!以一定的功率损耗作为牺牲,来保障IGBT模块更高的安全性。IGBT模块并接的MS1250D225P和MS1250D225N器件,在东元变频器较大功率的机型上也有应用。
     解决了这个疑问,模块没有问题,在起动运行后灯泡点亮是正常的。可是又出现了其他问题:空载起动后,有时正常有时还是跳GF故障。而最奇怪的是:有时是在运行和GF故障停机状态中不停切换的。既不是停机保护了,也不是一直在输出中,测输出也是时有时无的。CPU好像也处于一个矛盾心态中:可以运行吧?不行。GF故障!好像又可以运行?就这样来回折腾。CPU对GF或其他故障,总是有一定的时间延迟确认功能的,故障信号好像变化太快,使CPU也来不及确认。

    这下子有了点安慰:好像能运行了;又有点犯愁:故障更难查了呀。再将驱动和模块电路检查了一遍,确定都无问题。一共有六路脉冲电路,保护电路也有六路。还是采取"笨法子",一路一路地解除掉保护信号(分别短接每一路保护电路中晶体管的发射结),判断是哪路报的信号。但奇怪了:只要解除掉其中任一路保护信号,运行中就几乎不跳GF了!但实在查不出故障所在,查不出到底是哪一路驱动或模块不良。好像冥冥中一个"共性"在起作用,但琢磨不出这个"共性"是什么因素?莫非如网络上所称,安川变频器的GF故障,为疑难的不可解决的?只有换板子才能解决的故障?看其保护电路,与其他品牌变频器的电路也相似呀,看不出什么特别之处呀。还是下决心要解决这个问题。

   怎么也检査不出问题,脑子里突然闪现了这样一种观念:既然六路驱动和六路模块都表现了同一个状态,如果说这六路都反常了,反而说明这六路都是正常的。应该确定此六路驱动和保护电路都无问题! 6只功率模块同样也没有问题!问题肯定出在一个共同原因上,此一原因影响了六路保护电路,使任何一路都会随机性地报出GF故障。

    将此机器的检修稍微停顿了一下,放松了一下大脑神经,再端详这台修理中的变频器时,忽而被电容器的引线吸引住了。
因该台变频器为功率为55KW的大中功率机型,直流回路电容量较大,电容器组安装在两块支撑板上,体积较大。为了维修和检査方便,故将电容和支撑板搬到机器壳体外,用引线串人灯泡和充电电阻接人到模块和整流电路上。变频器体积较大,电容器组的引线较长, 中间又串人了两只灯泡和限流电阻,总引线长度达4、 5m。因有了MS1250D225P和MS1250D225PN两个阻容吸收网络,使逆变模块在空载时也有了输人电流,这种电流是一种数千赫兹按载波频率变化的电流啊。如此长的引线,引线电感肯定是不容忽视的。此回路中的感生电动势和感生电流形成的干扰信号,影响了模块故障检测电路,导致其报出了不规则的GF信号,使CPU也模棱两可地判断不准了。其他机型的变频器,因无MS1250D225P和MS1250D225N两个阻容吸收网络,空载输出中几乎没有输入电流,因而串接灯泡不亮,也不会有什么干扰信号干扰模块故障检测电路。

    如果此判断成立的话,则可进行正式装机了,正式装机后,电容器组的引线电感将被限制在允许值内,应该能正常运行,不再跳这个顽固异常的GF故障了。

如此思考一番后,果断地拆除了所有临时连接线,正式装机。安川变频器运行后输出稳定,像一位约会迟到的美女虽然姗姗来迟,但也终于向我宣告了一个"已经修复完毕"的消息。

本例维修中出现的问题:

1)因IGBT模块两端并联有MS1250D225P和MS1250D225N器件,故形成一定的电流通路,在将逆变回路的供电串接灯泡进行上电检修时,出现了起动后灯泡发亮的现象,其他变频器在空载时串接灯泡检修,不会出现此种现象。检修中出现一个怪现象,要静下心来, 从电路的结构、功能来找出产生此现象的原因。

2)大功率变频器的检修,像本例,其电容器的引线连接等方面,都会带来意想不到的问题,如引线电感的问题,单从电路原理图上,是分析不出故障原因来的。要结合具体检修情况,全面、综合地分析故障成因。像本例因引线电感的千扰造成的误报故障,从驱动电路的元器件本身,是永远也查不出故障根源的。检修的实施过程,有一个"变数"在里面,这是我们需要注意的地方。


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