數控機床變頻器故障維修*

范芳洪

(湖南鐵道職業技術學院車機學院，湖南 株洲 412001)

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數控機床變頻器故障維修*

范芳洪

(湖南鐵道職業技術學院車機學院，湖南 株洲 412001)

針對數控機床上通用變頻器外送維修費用高、維修不及時等問題，通過對變頻器的組成和原理的分析，總結出各組成電路的主要故障現象、原因及相應的維修方法，并設計了IGBT管性能、驅動電路驅動能力的檢測電路，以維修實例介紹了變頻器維修的檢測方法及維修操作。實踐證明：運用IGBT管性能、驅動電路驅動能力的檢測電路能準確、及時地維修好變頻器大部分故障，并且檢測電路的設計可供同行借簽。

數控機床；變頻器；主電路；驅動控制；逆變管

數控機床上常用的主軸驅動有兩種：變頻器電動機和伺服主軸電動機，伺服主軸電動機是一種專用的主軸驅動，它必須采用與數控系統配套的主軸驅動器及主軸電機，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動，可以對普通的三相交流異步電動機進行無級調速，控制比較簡單，在經濟型數控機床上得到廣泛的應用。如果變頻器有故障就外送維修，不但要支出昂貴的維修費用，而且維修周期長，還有返修現象，耽誤了生產。其實只要具備一定的維修基礎和變頻器相關知識可以自己動手維修變頻器。筆者把多年變頻器的維修經驗和方法整理總結出來，供同行借鑒。

1　變頻器的組成

通用變頻器的組成如圖1所示，主要由主電路、控制電路和驅動電路組成，主電路又由整流、濾波電路、制動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平穩的直流電壓；逆變電路由六路逆變管(IGBT)組成，通過控制六個逆變管輪流導通和關閉的時間，把DC530V的直流電逆變成電壓、頻率可調的三相交流電從而實現了主軸電動機的調速[2]；制動電路在主軸電機減速或停止時消耗電機由電動狀態轉變為發電狀態產生的能量，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，避免接通電源時電容的充電電流過大燒毀整流功率管，當電容充電到80%時，繼電器的常開觸點閉合短接電阻，避免變頻器正常運行時，電阻消耗功率引起直流電壓的下降。驅動電路是把MCU板產生的六路PWM信號放大后驅動逆變管[3]，并負責逆變管的過流檢測和過流時關斷驅動信號保護逆變管。檢測電路主要有電壓檢測、電流檢測和過熱檢測電路，電壓檢測電路是檢測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，當主電路中的直流電壓過高或過低時，MCU主板會封鎖逆變管的PWM驅動信號，并會顯示過電壓或低電壓報警。電流檢測電路用來檢測負載的電流，其作用和電壓檢測電路一樣，一方面用于顯示負載電流，另一方面判斷電路是否有過流和短路，并在過流、短路時封鎖PWM驅動信號并顯示過流報警。過熱檢測電路主要用來檢測逆變管散熱片的溫度，當散熱風扇不正常等原因導致溫度升高時，過熱檢測電路動作使MCU主板封鎖逆變管的PWM驅動信號保護了逆變管因過熱而損壞。

2　變頻器的主要故障及維修方法

2.1主電路的故障維修

變頻器主電路常見故障是逆變管(IGBT)損壞。IGBT管損壞的主要原因有三：一是IGBT管失效、性能變差，主要表現在導通時內阻變大、耐壓值降低等，由于元器件參數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變大，很容易使電動機繞著的電感和濾波電容共振，將產生很高的電壓把IGBT管和整流管擊穿，IGBT管擊穿后產生很大的沖擊電流會把IGBT管的驅動電路也損壞；三是IGBT管的驅動電路中柵極(G極)電阻支路斷路，電路斷路后IGBT截止時負壓加不到IGBT的G、E極，在高電壓下會使截止的IGBT管導通并和同一臂導通的IGBT管一起形成對電源回路的短路而把IGBT管損壞[4]。IGBT管損壞的機理分析如下：

圖2是IGBT管結電容等效圖。假設G2管的R柵電阻支路斷路，G1受正向激勵導通，G2管的C2端子的電壓立馬跳為DC530V電壓，此電壓對CG、GE間的極間電容Ccg和Cge兩只電容充電，在G1導通期間，G2管受充電電流所驅動也會導通，幾乎和G1管同時導通，兩管共通形成了對DC530V電源短路，使G1、G2管受強電流的沖擊而損壞。

對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百微法以上，用萬用表能檢測出其好壞。萬用表只能判斷出IGBT管是否擊穿短路，但不能檢測IGBT管的性能變差。特設計圖3所示的IGBT性能檢測電路。在電路中串兩只25 W、φ220 V的燈泡的作用有二：一是通過觀察燈泡發光來判斷是否有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，避免IGBT的損壞。斷開電動機負載，變頻器上電啟動接收運行信號，如果燈泡隨著頻率的上升同步閃爍發光，那么存在同一臂上的兩只IGBT管有一只擊穿，擊穿的IGBT和導通的IGBT一起形成了電源的供電回路，兩只燈泡對DC530 V直流電壓分壓而發光。用指針式萬用表的直流500 V檔測量同一橋臂上的兩只IGBT管對直流電壓(530 V)分壓的情況可以判斷出哪只IGBT管擊穿，測得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，但萬用表的表內電池電壓低(9 V)不能擊穿IGBT管，這就是用萬用筆檢測IGBT管是好的，加壓檢測IGBT管就擊穿的原因。如果接收運行信號，燈泡不亮，說明IGBT管沒有擊穿，但IGBT管導通內阻是否正常還需要用指針式萬用表的直流500 V檔測量每個臂上的兩只IGBT管分壓情況，以圖3中的U相為例，若兩個IGBT管導通內阻正常，U端子對P、N兩點的電壓相等約為260 V，如果測得U端子對P、N兩點電壓不相等，導通內阻變大那只IGBT管測得的電壓高于260 V，正常的那只IGBT管測得的電壓小于260 V；用同樣的方法檢查其他兩臂的另外4只IGBT管導通內阻是否正常。

2.2驅動電路的故障維修

變頻器有6路驅動電路，上下臂各3路，上臂的驅動電路是相同的，下臂的驅動電路也是相同的。驅動電路主要故障有3個方面：一是驅動電源的濾波電容失效或漏電導致輸出功率不足，主要表現是變頻器低速、空載運行正常，高速、帶負載運行就出現過流故障[5]。低速、空載運行，需要的驅動功率小，電源還能夠提供，電容失效的影響不明顯，但高速、帶負載運行，需要的驅動功率大，電容失效會引起電壓波動大、輸出電流(功率)變小，不能完全驅動IGBT管，使其不能良好的導通，導通內阻變大，管壓降大從而引起過電流。二是集成驅動芯片或后置的放大器低效，導通內阻變大，使輸出的脈沖功率變小，不能完全驅動IGBT管，引起和驅動電源的電容失效的同樣的故障。三是集成驅動電路或后置的放大器損壞沒有驅動脈沖輸出。對于第三種情況用萬用筆測量驅動電路中各器件的電阻值能檢測出故障。第一種情況用萬用表也能檢測電容的好壞。第二種情況實際是驅動電路輸出能力不足，用萬用筆檢查驅動電路的靜、動態參數都是正常的，要想辦法測出驅動電路輸出電流就能判斷驅動電路是否正常。為此設計了如圖4所示的驅動電路的驅動能力檢測電路。

圖中DPH4T250V為集成驅動芯片，GU、EU 為IGBT管的G、E極的驅動信號輸出端子。檢修驅動電路時要與主電路脫離[6]，選用數字萬用表的直流電流檔，萬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，以便測量數值明顯，萬用筆的紅表筆接m端子，如圖4中的點劃線框內所示。上電啟動變頻器，如果萬用表顯示的數值為150 mA左右，則該路的驅動電路輸出電流能力(驅動能力)正常，如果其中任一路輸出電流與150 mA相差較大時，該路驅動電路的輸出電流能力嚴重不足，只要變頻器啟動運行就會跳OC(過流)故障。在變頻器停止狀態，萬用表的數值為-50 mA左右，則驅動電路的反向截止輸出電流也正常。

2.3檢測電路故障維修

檢測電路的故障率比較小，當檢測電路檢測到電壓、電流故障時，可以通過測量實際的電壓、電流值和變頻器顯示的電壓、電流值進行對比來確認是變頻器真的過電壓、過電流還是檢測電路誤檢測，如果測量值和顯示值基本相符，那么檢測電路是正常，變頻器確實有電壓、電流故障了，如果測量值和顯示值相差很遠，那么檢測電路有故障屬于誤檢測。檢測電路有故障時通過靜態測量檢測電路各元件的阻值和動態測量各關鍵點的電壓基本能查出故障的根源，在檢修時要特別注意對檢測電路基準電壓的檢測[7]，如果基準電壓不準，會引起檢測電路的誤檢測。

3　維修實例分析

3.1故障1

(1)故障現象：一臺CK6150數控車床配四方E380變頻器，在執行M03S800指令時，主軸轉速緩慢上升到200 r/min左右時，轉速再也升不上去了，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，來回幾次這樣跳動，最后變頻器跳過載報警停機，關閉電源重新起動主軸，故障依舊。

(2)故障原因分析與解決方法：變頻器過載的原因有二：一是主軸負載過重，用手轉動主軸感覺很輕松，并且主軸剛起動還沒有進行切削，顯然不是主軸負載過重引起的；二是變頻器的電流檢測電路故障誤檢測而報警，用鉗形表測電動機的電流和變頻器顯示的電流進行對比，實測電流為13 A，顯示電流為13.2 A，基本一致，電流檢測電路沒有故障。該機床的主軸電動機的功率為7.5 KW，額定電流為11.4 A，起動時測得電流為13 A，顯然電流過大，系統為保護逆變管跳過載報警停機。因為頻率來回跳動，開始以為是變頻器輸出頻率不穩定引起的故障，通過實測電流和顯示電流對比排除不是變頻器的故障。那為什么變頻的頻率來回跳動呢？原來是變頻器檢測到過電流時先采取降頻措施來使電路的電流恢復正常，如果降頻后，電流恢復正常再升頻，升頻后電流還是過大將再次降頻，來回幾次這樣處理后，電路的電流沒有恢復正常，變頻器將跳過流或過載報警。變頻器起動中，頻率來回地從15 Hz跳到10 Hz，是因為變頻器檢測到過電流，采用降頻處理企圖使電流恢復正常。檢查主軸電動機發現三相繞組電阻不平衡而導致電流過大，修理電動機后故障解除。在本故障維修中開始沒有檢查主軸電動機是受思維定勢的影響，認為過載報警就是負載過載。電動機有故障會跳過流報警，有些變頻器不區分過載和過流故障就跳過載故障，有些是區分過流和過載故障[7]，在維修中要注意。

3.2故障2

(1)故障現象：一臺CK7150數控車床，臺達變頻器驅動主軸，只要起動主軸變頻器就跳OC(過流)，主軸不能正常運轉。

(2)故障原因分析與解決方法：用手轉動主軸很輕松，檢查主軸電動機也正常，一起動主軸就跳OC而停機，用鉗形表也測不出三相輸出電流。驅動電路不良、IGBT管擊穿、性能變差都會引起此故障，拆開變頻器脫開主電路和驅動電路的連接，先檢查驅動電路，驅動電源的濾波電容、驅動芯片的靜態、動態參數都正常，用圖4的電路來檢測驅動電路的驅動能力，檢測到W相下臂IGBT的驅動電路僅輸出電流約為60 mA,顯然驅動電路輸出電流太小不能使IGBT管完全導通導致電流過大而跳OC。該機驅動IC(PC929和PC923)的輸出信號又經一對互補型晶體管功率放大后[8]再輸出。懷疑晶體管失效導致輸出電流變小，更換同型號晶體管，檢測W相下臂IGBT管的驅動電路輸出為150 mA，輸出正常。驅動電路正常后，再檢查主電路中整流管、濾波電容都正常，用萬用表檢查逆變管，沒有發現擊穿現象。把主電路和驅動電路連接好，斷開電動機負載，用圖3的電路來檢測逆變管的性能，在接受起動信號，燈泡不亮，用萬用筆500 V的交流檔測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，試車主軸運轉正常。

3.3故障3

(1)故障現象：一臺CK7150車床配艾默生E2000變頻器，在運行中主軸的轉速突然下降30%～50%，變頻器沒有任何報警，故障發生的頻率由開始一天發生一次，到后來兩三個小時發生一次，重新啟動變頻器又正常。

(2)故障原因分析與解決方法：變頻器能正常運行幾個小時，說明變頻器是好的。變頻器轉速下降可能是數控系統輸給變頻器的轉速模擬電壓下降引起的，在轉速下降時測量輸出系統輸出的轉速模擬電壓值，該電壓值和主軸轉速正常時相同。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有發現什么問題，但發現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定工作而引起速度下降？檢查發現電柜門上的散熱空調的冷卻風扇不轉柜內熱量散不出去導致了溫度升高，修好電柜門上的空調保證電柜內的溫度正常，主軸的轉速突然下降的現象再也沒有出現過了。

4　結語

在變頻器維修中，要細致地觀察故障的現象，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機、主軸負載、變頻器的連線和環境溫度等。如果是變頻器本身故障，主電路和驅動電路故障率比較高，變頻器主電路出現故障往往會波及到驅動電路，所以主電路和驅動電路要同時檢查，并且只有驅動電路正常后才能連接主電路在線檢測IGBT管。筆者用上面介紹的變頻器維修的方法快速、準確修好了本單位實訓車間變頻器很多故障，為單位節約了大量的維修費用，并且保證了實訓教學的進度。

[1]黃俊，王兆安．電力電子變流技術[M]．3 版．北京: 機械工業出版社，1997．

[2]黃家善， 王廷才． 電力電子技術[M]． 北京: 機械工業出版社，2007．

[3]宋書中． 交流調速系統[M]． 北京: 機械工業出版社，2001．

[4]高浩國． 數控車床變頻器維修實例[J]．制造技術與機床，2012(12)：124-126.

[5]廖曉鐘． 電氣傳動與調速系統[M]． 北京: 中國電力出版社， 1998.

[6]張帆.變頻器故障分析及處理[J].自動化應用 2010(4)：85-87.

[7]楊一平.變頻器原理與及應用[M].北京:國防科技大學出版社,2009:189-199.

[8]王廷才.變頻器原理及應用[M].2版.北京:機械工業出版社,2010.

(編輯孫德茂)

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FAN Fanghong

(School of Car Engine, Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001, CHN)

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CNC machine tools; frequency converter; main circuit; drive control; inverter tube

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范芳洪，男，1975年生，講師，工程師，研究方向為數控機床的故障診斷與維修。

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2014年湖南省教育廳科學研究項目《基于FANUC 0iD數控系統電氣故障診斷專家的研究》(14C0753)