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电路板维修培训-典型工业电子设备-变频器 OC 故障信号的本质和实战维修技巧(深圳万技成智能电子实战学院名师解读)


典型工业电子设备——变频器OC故障信号的本质和实战维修技巧

        【深圳万技成智能电子科技实战学院名师解密 助您腾飞

出处: 万技成科技          



在工业电子设备中,保护电路的应用极其广泛,它的设计形态千姿百态,但最终是通过传感器或检测电路得到一个电压(电平)信号告诉CPU,由CPU识别做出决策,使执行机构执行无输出、不工作,或报警动作或告诉显示屏显示出故障代码。由于设计者大家的思想不统一,各机器出现的故障字符五花八门,即使出现某个故障字符,是在什么背景下?这内部就有很多种情况。所以,电工、企业或工程设备管理技术人员经常为这些事烦恼,其实这些是死东西,看下说明书结合实际一般就自然明了。打个直接一点的比方,手机的充电器充电头,张三可以把它做成圆形的、李四可以做成扁的,王五可以做成圆不圆、扁不扁的,其中圆、扁还有各种大大小小的尺寸,本身没啥技术含量,因为充电头不通用、不统一,一旦损坏购买时,我们的用户可急坏了;厂家似乎由此来表现它的高明和别人的异同之处,或是没一个行业联盟带头统筹,大家我不服你、你不服我,各自做无规则的运动。说到底,包含上面谈到工业电子设备变频器OC保护电路的设计与表现形态,技术上并不复杂,或者说并非什么多高的技术含量。看清楚说明书,弄清它的意图,本质上就是检测电路将信号送到CPU检测就那么回事情,凡是电子技术电路基础扎实的人很容易搞明白它。关键是市场上半途出家的朋友很多,一来可能有点心浮气躁,静不下心;另一方面也不想学基本功,从而导致走弯路或成长很慢,整天完全等待论坛上或其它渠道现成的嗟来之食,其实,这是不可取的,不利于职业生涯可持续发展。

接下来深入论证一下OC信号的来源和实质,进而拓展我们的检修实战思路。
   OC故障在变频器的所有故障中出现的频率,是最高的。在起动过程中报警,在运行中报警,以至于上电即警示,还甚至以其它故障代码或现象间接地告知你:该台变频器存在OC类的故障!
   

一、工业电子设备变频器说明书中对OC故障的说明

OC:过流故障;SC:短路故障。英威腾变频器,会区别报出两个故障,而其它变频器,并不加以区别,则只报出一个OC故障。OL1、OL2、OC都属于过流故障,前二者为轻度过流信号,但OC为重度过流信号,故障发生时需要最快的保护速度。说明书中,对OC故障大致有以下几种解释:负载侧短路,运行电流大于额定电流两倍以上时跳OC故障。有的变频器不报OC故障,报出中文提示:变频器输出模块短路,变频器输出端短路,变频器过电流等。

二、工业电子设备变频器OC故障的具体故障原因

主要有负载过重;加、减速时间太短;逆变模块损坏;驱动电路损坏等。

(一)案例情况:
   1.有的变频器并不告知你故障的类别,当有OC故障存在,开机会造成更大的危险时,则索性造成类似程序死机的表面现象。

英威腾的P9/G9系列机,当开机检测到模块故障时,操作面板便出现H:00字符,所有按键操作均被拒绝。不明内理的人会以为:程序死机了,是CPU主板出了问题。
   2.模块运行具有潜在的危险时,即在停机状态,也会警示OC故障。

有的变频器故障表现是,当别的故障原因(如过电压)会导致运行中的模块损坏时,或者说在此故障状态下模块运行具有潜在的危险时,即在停机状态,也会警示OC故障。如阿尔法ALPHA2000型机器,当直流回路电压检测电路损坏,CPU检测到危险的(高)电源电压信号时,似乎来不及报过电压故障了,直接报OC故障得了,免得使用者对电源电压过高的提示不在意,或者运行即可导致逆变模块损坏!
 3.上电即跳UL或UU故障,拒绝操作。

一台台安N2型小功率机型,上电即跳UL或UU故障,拒绝操作。检查三相电流互感器的信号,三路信号有严重偏差,起码是已经坏掉了两只。但查该说明书的故障代码表,无此两种故障代码,猜测这种代码是厂方维修人员才能破解的密码,不足为外人道的。是否也为间接地提示OC故障呢?
  变频器电路(程序)设计者的初衷是这样的:当上电检测模块已坏掉,或运行中出现危及模块安全的因素甚至模块已损坏时,会及时报出OC故障。其起因大致是负载侧短路或过重负载导致了严重过电流,或变频器因驱动不良或模块本身损坏造成了过电流甚至短路现象,必须快速实施停机保护措施!
   综上所述,OC故障预警的实质是:快速停机保护模块,或运行有短路危险,或模块已经坏掉!不允许再开机运行。从保护上讲,模块在变频器的“价值比重”如同显像管、液晶屏在彩电中的价值,是不言而喻的;就产生OC故障后强制运行的危险性而言,轻者有可能损坏模块,重者则有可能使设备爆炸造成严重的人身伤害!所以设计人员对模块故障不能不做第一位的考虑!

   4.撇开检测电路损坏误报的OC故障不说,还有的变频器无“故障”,仅仅是电源电压有稍许难以意料的偏差,或是某种干扰,也会频报OC故障。

这种故障检修起来,就更是不能从一般意义上OC故障成因着手来进行检修了。不“讲理”地报OC故障,也应该以“不讲理”的思维方式,来破解OC故障背后的秘密了。

大部分变频器是在启动信号投入时,跳OC信号,此种情况往往是模块并没有损坏,而只是驱动电路存在异常使IGBT不能被良好驱动;有的是上电即跳OC信号,则可能是模块或驱动电路本身故障;输出电路检测电路本身故障; 或者是具有其它运行会危及模块安全的因素(如过电压),当具有这种因素存在时,有的变频器处理的措施是:操作显示面板能调看和修改参数,但不能进行运行操作;有的则是干脆拒绝所有操作,全面罢工算了。而在运行中报OC信号:则有以下三种可能:
   A.属于负载方面的异常:起动、运行、过程中都有可能报OC故障,一般为负载过重,负载有堵转现象,变频器功率容量不足;
   B.用户对变频器的运行参数调节不当,如对恒转矩负载错误设置为二次递减转矩负载,加、减速时间设置不当,尤其是对大惯性负载加、减速时间的设置。或者是对停机方式的处理不当。更有甚者,是对保护参数的误设,如对变频器或电机额定电流参数的误设(保护动作值小于额定电流值),使设备在额定电流以下竟出现频繁的过流报警停机,不能投入运行。
  C.属于变频器本身的故障原因:往往为驱动电路的电源供电电容失效造成驱动不足,使CPU接收到由驱动电路内部IGBT管压降检测电路报出的OC信号。
   但三方面的原因可归纳为一点:运行状态中有严重过电流的情况发生,因而报出OC信号。

(二)一般来讲,OC故障的来源有以下四个方面

当逆变模块运行电流超大,达额定电流的2倍以上时,IGBT管子的管压降上升到7V以上,由驱动IC返回OC过流信号,通知CPU,实施快速停机保护。OC报警在启动和运行过程中报出。
   从变频器输出端的三只电流互感器(小功率机型有的采用两只),采集到急剧上升的异常电流后,由电压比较器(或由CPU内部电路)输出一个OC信号,通知CPU,实施快速停机保护。信号在停机、启动或运行状态都有可能报出。停机状态下,当然没有输出电流信号,只能是电流检测电路本身故障,向CPU误报了一个“过流信号”。
   IGBT管子已有或正在发生了短路性和开路性损坏,或IGBT性能不良导通内阻增大。由驱动IC检测到“极其异常的”管压降,当然IGBT开路时,C、E间会出现高达500V以上的电压差了。OC故障在启动过程中报出。
   驱动电路不良,使IGBT不能被良好驱动,形成异常的管压降,驱动电路报出OC故障,此故障在启动过程中报出。

一)上述第四种原因,其危害程度最大,可能导致逆变模块的炸裂。分析如下:

驱动IC虽未损坏,但驱动电路的异常导致了模块异常的工作状态,驱动电路在此时报出OC信号,不但不算误报,而且是非常及时。驱动IC的供电常采用正负双电源的方式,其正电压提供IGBT导通的激励电流。其负电压为IGTB管子的截止提供助力,强制拉出IGBT结电容的电荷,使其更为可靠和快速地截止。当正电压滤波电容(往往采用47uF或100uF电容,大功率机型也有采用330uF的)的容量大为减小时,IGBT管子因激励不足,即使运行在额定电流以下,也呈现较大的管压降,经检测电路处理,CPU报出OC故障;此时的故障表现为:变频器空载或带有极轻负载时,运行正常,稍微加载即报OC故障。
   如果说正电压滤波电容的失效会导致IGBT管子的激励不足,而促使驱动IC报出OC故障,IGBT管子尚不存在较大危险的话,那么负电压滤波电容的失效,则就危险得多了。在某一相上臂管子开通的同时,会将主回路正电压跳变到下管的C极上,如果负压钳位不足(或负压回路断路),管子的结电容瞬时吸入电流有可能造成下臂管子的误导通,其后果是两只共通的管子对530V直流电源造成了短路!在此种情况下模块极易炸裂!当触发端子开路,IGBT的触发端子开路时,危害则更为直接,接受启动信号,模块非炸了不可。

二)上述都是报OC故障的“显现象”,还有报OC故障的“隐现象”和似是而非的报OC现象,往往不被人注意。如下三种案例:
   1.检修一台阿尔法变频器,CNN1端子的第8脚为主回路直流电压检测信号输出脚,正常时应为3V左右,当因电路损坏造成4V以上的“信号输出”(相当于三相交流输入电压达700V以上了)时,CPU认为危及模块运行的安全了,于是不报过电压故障,而是上电即警示OC,以引起用户的注意。
  这个OC实质上是OU过电压故障,以OC代OU,出于软件设计者的考虑(和硬件电路结构所限),只在上电瞬间报出。运行中报出的OC和OU,则恢复本来面目。
   2.在对阿尔法小功率变频器维修的过程中,发现该变频器有一个通病,即容易跳OC故障。其表现为:多在启、停操作过程中跳故障,但有时也在运行中跳故障;有时候莫名其妙地又好了,能运行长短不一的一段时间。在以为已经没有问题的时候,又开始频繁跳OC故障;空载时用表笔测量U、V、W输出电压时,易跳故障,但接入电机后起动运行,又不跳了,再过一阵子,接入电机还是跳OC故障。
   最后查出故障原因竟然为5V供电偏低!CPU误报OC故障。OC故障和+5V供电高低扯了上关系,实在是不多见啊。
   3.修理一台P9型英威腾机器时,检查发现:上电,操作面板显示H.00,所有操作全无效,CPU拒绝所有操作。测量故障信号汇集处理电路U7-HC4044(四与非RS锁存器)的4、6脚的过流信号,皆为负电压,而正常时静态应为6V正电压。顺电流检测电路往前查找,测电流信号输入放大U12D的的8、14为0V,正常;U13D的14脚为-8V,有误过流信号输出。将R151焊开,断开此路过流故障信号,操作面板的所有参数设置均正常。故障原因为上电后检测到有过流信号,于是拒绝所有操作,出现“程序卡住”现象。该机型以“程序卡住”、拒绝操作的方式,提示变频器有OC故障存在。

从上文看来,好多电路和好多方面的原因都能使变频器报出OC故障,但哪个故障检测电路所报的OC信号更具有优先权呢?就故障检测电路来说,故障示警有没个预警层次呢?从保护角度而言,数方面的因素只要是危及了模块的安全,都会报出OC故障,正如上文所言。但在“报警行为”实施过程中,也可以看出一些预警层次。
   1)驱动IC返回的OC信号是第一位的,如从J316的6脚、PC929的11脚、IPM模块的OC信号检出脚报出的信号。因是直接检测模块状态的,所以只要CPU接收信号,CPU立即封锁三相触发脉冲的输出,报出OC信号;
   2)由三相输出电流互感器报出的OC信号。此信号的报出有一个梯级过程:当有过流现象发生时,对轻度过流,经长延时处理和降低频率等处理后,报过电流但不会报OC。对中度过流,经较短时间延时和其它处理无效后,报过电流,仍不报OC。只有出现变化剧烈且幅值极大的电流检测信号,则不经延时,直接报出OC信号;
   3)有些机型对过、欠压的检测处理也按类似于电流检测一样的梯级报警层次:如先报过电压,并且伴有延时处理环节。当检测到极高电压值时,才直报OC或OU;
   4)英威腾P9/G9型机,间接显示OC的过程,也有梯级报警层次:上电检测到模块或电流信号异常,拒绝所有操作;只检测到温度异常,可设参数值,但不能起停操作。
   由此看来,据危害程度的不同,报各类故障的时间也有所差异。CPU对OC信号的检测是直接停机保护或拒绝操作,越快越好,无时间延时处理;对其它危害程度较轻的故障信号,则有检测、延时、预报警、报警停机保护和配合频率调节以使过流现象消失等几个环节。此为OC信号与其它故障信号在处理上的不同之处。
   因而对变频器的保护来说,OC故障信号的预警级别当为红色级,为最高故障保护级别。具有对其无条件执行的最高优先权。
   因变频器软件编写者的思路不同,而报警方式不一。当变频器“拐着弯儿”报警时,我们要静下心来,配合故障信号处理电路的状态检测,找到故障代码背后的“实质”,从而解决问题和排除故障。

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