DCS400直流調速器電源勵磁板的故障檢修.doc

DCS400直流調速器電源/勵磁板的故障檢修 DCS400直流調速器，系ABB集團公司產品，廠商給出的產品名稱為晶閘管變流器直流傳動系統(tǒng)。在我國的直流調速領域應用也比較廣泛，幾乎于與歐陸590直流調速器平分秋色，系采用微控制器控制的高度智能化的直流調速裝置。 整機電路（三相全控橋、勵磁輸出電路）由三塊線路板構成，分別為CPU主板，電源/驅動板、勵磁觸發(fā)板。電源/驅動板與勵磁觸發(fā)板的故障率最高，應維修需要，測繪出了這兩塊線路板的電路原理圖，1、 DCS400直流調速器電源/驅動板電路原理分析 DCS400直流調速器電源/驅動板包括電樞主電路、勵磁輸出電路、開關電源電路、末級觸發(fā)電路等組成。 1.1、DCS400直流調速器電樞主電路、勵磁主電路圖1 DCS400直流調速器電樞主電路、勵磁主電路電樞主電路為三相全控橋的典型結構，由三只雙單向晶閘管模塊組成，在電源輸入側與整流正、負輸出端之間，并聯(lián)了R、C串聯(lián)尖波電壓吸收網絡，以消除由電網進入的有害電壓毛刺。用TA1、TA2兩只電流互感器采集三相電流信號，送后級CPU主板，以形成電流環(huán)閉環(huán)控制和取出過流保護信號。在整流輸出電壓正端串接FLT分流器，供外接電流表，顯示運行工作電流。晶閘管模塊散熱風機的供電由X99端子引入AC220V電源。DCS400直流調速器的勵磁主電路與其它直流調速器的有所不同，采用了斬波電路，將三相整流所得的六脈波電壓，經IGBT斬波，后級L、C電路濾波，形成較為平滑和穩(wěn)定（質量較高）的直流可調電壓，也因為采用斬波電路，電路的調壓范圍變寬，無須對輸入電源電壓（AC220和AC380V）進行切換輸入，而是直接輸入三相380V電源。IGBT控制信號為調寬脈沖，根據(jù)參數(shù)設置要求，可設置最大輸出直流電壓值。勵磁主電路采用模塊式封裝，內含三相橋式整流電路、IBGT開關管等功率器件，M、E引出端子可串接電抗器或予以短接。IGBT所需的脈寬調整信號由勵磁觸發(fā)板提供。IGBT輸出的PWM電壓，經1800uF電容和L1濾波，供直流電機的勵磁繞組，在勵磁電源上還并接了一個模塊式勵磁過壓保護組件，將勵磁電路化簡如下，看一下過壓保護組件的動作過程：圖2 DCS400直流調速器勵磁電路的化簡電路圖中VT1為開關管，L2為勵磁線圈，D2為續(xù)流二極管，D、C1、L1為電源的整流濾波電路。DW1、VT2、C2、R1構成過壓保護電路。當整流電壓中的尖峰電壓值到達穩(wěn)壓管DW1擊穿電壓值時，DW1反向擊穿導通，觸發(fā)晶閘管VT2導通，電壓峰值分量為C2充電所吸收。當C2上電壓建立，其充電電流逐漸減小，至小于晶閘管的擎住電流值以后，VT2自行關斷，C2上所充電荷經R1泄放掉，為下一次的充電做好準備。實際電路電容充電回路串入了S20k385壓敏電阻，當VT2陽極、陰極間的電壓差小于390V左右時，壓敏電阻出離擊穿區(qū)，VT2失去導通條件（壓敏電阻的“高阻值常態(tài)”下的流通電流小于晶閘管VT2的“擎住電流”） 而關斷，C2的充電被提前中止，使過壓保護電路有選擇性地只對超過390V以上的電壓尖刺部分進行吸收，由電容C2存儲，進而由電阻R1所消耗。從電抗（濾波）器L1上并聯(lián)的線圈的感應電壓（勵磁電流檢測信號1）經X11端子的1、3腳引入前級勵磁電流控制信號，X11端子的2腳（從CPU主板來）輸入的勵磁電流給定信號，合成為“新的”勵磁電流控制信號，進入后級控制電路（見下圖5），形成電流環(huán)控制信號。從L71電流互感器取得的感應電流信號（勵磁電流檢測信號2）經L71端子也引入到前級勵磁電流控制電路，形成過勵磁的欠電流或過電流故障保護信號（見下圖5）。1.2、DCS400直流調速器開關電源電路由X98端子進入的AC220V電源，經兩只限流電阻引入橋式整流電路，又經CLC電路濾波后，作為開關電源的直流供電電源。開關電源電路一般包括以下幾個回路：1）振蕩回路。由10只10k串聯(lián)電阻、470電阻、穩(wěn)壓管構成電源起動電路，14腳、7腳內外電路構成振蕩電路，UC3844內部相關電路、開關管V741、開關變壓器的一次繞組、自供電繞組等構成整個振蕩回路，V741受控導通后，自供電繞組產生感應電壓，經整流濾波后作為UC3844的工作供電電源。振蕩回路，是電路上電后形成振蕩、開始工作的主要環(huán)節(jié)。2）穩(wěn)壓回路。電路起振工作后，穩(wěn)壓電路隨之發(fā)生作用，精確控制10腳輸出的PWM脈沖信號的占空比，使脈沖變壓器的儲能發(fā)生變化，維持二次繞組輸出的電壓值保持穩(wěn)定。對輸出電壓自動實施穩(wěn)壓控制的電路環(huán)節(jié)稱為穩(wěn)壓回路，一般由電壓反饋電路、基準電壓與光耦電路形成的外部誤差放大器、UC3844內部誤差放大器、PWM控制電路等構成，本電路是由N76及外圍電路將電壓反饋信號進行處理，控制光耦合器D73輸入電流的大小，使D73輸出側光敏三極管的導通內阻發(fā)生變化，進而控制UC3844的反饋信號輸入腳3腳的電壓變化，使內部PWM脈沖處理電路，改變10腳輸出脈沖的占空比，達到穩(wěn)壓輸出電壓的目的。穩(wěn)壓回路也是保證電路正常工作的一個重要環(huán)節(jié)，影響到輸出電壓的高低和穩(wěn)定。自供電繞組，除提供振蕩芯片的工作電源外，也將自供電繞組的感應電壓經整流取出，送入UC3844的3腳，形成電壓負反饋信號。負反饋電壓信號實質上是上述光耦合器返回信號與自供電繞組的感應電壓信號兩者的合成，共同對二次繞組的輸出電壓（包括振蕩芯片供電電源）起到穩(wěn)壓控制的作用。圖3 DCS400直流調速器開關電源電路3）保護回路。開關變壓器的一次繞組上所并聯(lián)的阻容元件、二極管及穩(wěn)壓管元件，起到提供開關管反向電流通路、抑制反向電壓峰值的作用，是電壓保護電路；開關管源極串聯(lián)的電流采樣電阻，將流經開關管的電流變化轉變?yōu)殡妷盒盘?，輸入UC3844的電流檢測信號輸入腳5腳，形成電流閉環(huán)控制，電路能對電流變化作出快速反應。電流檢測信號同時又加到SAM場效應晶體管的柵極，當開關管中有急劇變化的電流跳變信號產生時，SAM瞬時導通，將開關管V741柵極的電壓快速拉低，起到對瞬變上升電流的快速抑制。當保護回路起控時，電路有可能處于停振狀態(tài)，從某種意義上講，保護回路，也可形成振蕩條件，構成振蕩回路的一個環(huán)節(jié)。4）負載回路。二次繞組整流濾波輸出的48V，供末級觸發(fā)電路的供電，24V輸出作為數(shù)字控制端子的供電及控制板繼電器線圈的供電，+5V作為CPU主板CPU單元的電源。+15V、-15V兩路供電，提供CPU主板控制電路的供電。各路負載電路的狀態(tài)與開關電源密切相關，尤其是負載電路的過載和短路狀態(tài)，會引發(fā)開關電源的間歇振蕩或導致工作停止，控制機理是這樣的：負載電路的過載或短路狀態(tài)，引發(fā)開關電源的保護電路起控，做出過流保護動作，使開關電路電路呈現(xiàn)出停振或處于間歇振蕩狀態(tài)。開關電源的外電路負載電路異常，會引發(fā)開關電源表現(xiàn)異常（容易誤判是開關電源電路本身出現(xiàn)了故障），這是檢修中應該注意的一點。3、DCS400直流調速器的末級觸發(fā)電路電源/驅動板一般安裝有6路觸發(fā)脈沖電路，另外還預留有另6路末級觸發(fā)脈沖電路，散熱器上的模塊安裝孔也預留有6塊晶閘管的安裝位置，以實現(xiàn)調速器控制負載電機二象限或四象限運行（從軟件到硬件）的可兼容性。末級觸發(fā)電路為兩部分結構相同的電路，每部分電路由六路觸發(fā)電路構成，上橋臂與下橋相對應相，如A+C-的的觸發(fā)電路是呈并聯(lián)關系的，此種“連接法”，使每路輸出接邏輯算法控制輸出，形成本橋臂觸發(fā)脈沖與對應橋臂發(fā)送來的“補脈沖”的雙觸發(fā)脈沖輸出，以形成三相全控橋輸出電流的通路。因線路板采用貼片元件，故脈沖變壓器一次繞組中串聯(lián)的限流電阻，由8只電阻相并聯(lián)，并在電阻上并聯(lián)旁路電容提供交流通路，起到減小直流損耗又能能起到提升交流信號幅度的作用。圖4 DCS400直流調速器末級觸發(fā)電路 4、DCS400直流調速器的勵磁板電路圖5 DCS400直流調速器勵磁板電路本機電路的信號測試端子及兩線路板之間的連接信號電纜的端子，均以X端子（按序號）標示，但有的端子，如電流互感器X3端子為3個，其中一個為空端子，X1、X2、X7、X20、X24等端子為獨立端子，只有一個引線端子，同時又是測試點。如果與實際電路板對照，更清楚各端子的去向。從互感器來的電流檢測信號，經X3、X5端子引入電源/驅動板上的三相橋式整流電路，整流為直流信號后，經X12的12端子輸入CPU主板電路，供運行電流顯示及過載報警與停機保護之用；X1、X2、X7對輸入三相電壓由R99、R101、R102（半可變電阻）和三只1M電阻分壓和限流后，經X12排線端子送入CPU主板電路，作為電網基準同步信號和三相輸入電壓檢測信號；X20、X24將三相全控橋輸出電壓引入線路板，經R103、R100整定后，由X12排線端子送入CPU主板，構成內部電壓環(huán)控制和形成輸出電壓檢測（報警）信號。勵磁電流控制電路兩片UC3842開關電源振蕩芯片和光耦合器HCNW3120組成了勵磁電流控制電路，電路的構成和功能與常規(guī)移相觸發(fā)電路有所不同，稱之為脈沖寬度調制電路更為適宜。圖6 勵磁電流控制電路的原理簡化圖從端子L71輸入的勵磁檢測信號2，一路經X12的8端子輸入CPU主板電路，用作勵磁電流顯示和失磁停機保護；一路送入UC3844的電流檢測信號輸入腳5腳，用于過載時，電路停振保護。 勵磁電流的控制電路的工作過程可由圖6簡化圖進行分析:A100 UC3842振蕩芯片與外圍電路一起組成PWM脈寬控制電路，10腳輸出脈沖寬度取決于3腳輸入電壓值的高低，輸出脈沖頻率取決于7腳與14腳之間的RC時間常數(shù)。3腳輸入的勵磁電流控制信號是由X11端子2、3腳輸入的電壓合成信號，2腳輸入由CPU主板來的勵磁給定信號，3腳輸入的是由圖1的X11端子來勵磁電流檢測信號1，在兩路合成（相減/電流負反饋）信號作用下，UC3844芯片3腳電壓上升時，10腳輸出脈沖占空比減小，勵磁主電路經斬波后輸出的直流電壓降低；反之，10腳輸出脈沖占空比增大，勵磁主電路輸出的整流電壓（電流）上升，以此達到控制和穩(wěn)定輸出勵磁電流的目的。U1為可調脈沖寬度輸出控制器，在3腳輸入控制信號的作用下，10腳輸出脈沖寬度受控的脈沖信號，加到光耦合器U2的輸入側，形成其輸入側發(fā)光二極管的輸入電流。U2輸出側電路的供電電源，是由X12的5端子供給的（來自CPU主板），經振蕩芯片U2、脈沖變壓器B1轉換為隔離交流電源，又經D1、C1整流濾波為直流電壓，供U2的8、5腳。在輸入信號作用下，U2輸出側晶體管V1、V2（推挽電路）輪流導通，輸出的可調脈寬信號驅動VT1（IGBT開關管），使勵磁線圈L1兩端的電壓值維持于控制信號給定的幅度上。U2為光耦合器件，用于控制回路與主電路之間（弱電與強電）之間的電位隔離和信號傳輸，有數(shù)kV級的電壓隔離度和安培級的電流輸出能力，可以直接用于驅動100A以下IGBT模塊，因此作用，也被稱為驅動IC或驅動光耦。故障實例1一臺DCS400直流調速器，上電后操作面板顯示“磁場欠流”的故障代碼，拒絕接受運行信號。檢測勵磁主電路（模塊內的三相整流橋和IGBT管子）正常，輸入電源中串接的3只快熔保險管，也沒有熔斷，判斷故障電路在勵磁電流控制電路或勵磁電流信號檢測電路。機器上電，顯示“磁場欠流”的故障代碼，第一步須解決因勵磁電流不足形成的報警信號，將勵磁電路的輸出端接入負載電阻，并從操作顯示面板調出“電機額定電流”和“磁場額定電流”，將兩項參數(shù)值調至最低（注意修復后應恢復原值），避免檢測電路動作報出故障。檢測DCS400直流調速器勵磁板電路（見圖5），驅動IGBT的光耦合器V111的輸入側2、3腳之間，已有0.5V左右的信號電壓，但測光耦合器供電引腳5、8腳電壓值為0，說明因光耦合器V111供電電源丟失，勵磁主電路停止工作，勵磁電流檢測電路報出“磁場欠流”的故障代碼。檢測U3振蕩電路，U3的11、8腳已有供電電壓引入，但10腳無輸出脈沖電壓。判斷U3不良。更換U3后，光耦合器V111輸出側的供電電源恢復，整機工作恢復正常。光耦合器是一個電/光轉換與信號傳輸元件，需要輸入側、輸出側相隔離的供電回路，失去一組供電，信號傳輸即被中止，本電路由電源振蕩芯片U3（UC3844）、脈沖變壓器B1等元件，形成逆變式隔離電源，以供光耦合器V111輸出側的供電，當此電源損壞后，勵磁主電路停止工作，報出“磁場欠流”的故障。作者在實際維修中，碰過多例U3損壞后報“磁場欠流”的故障，這可能是該類機型電路設計上的一個薄弱環(huán)節(jié)，值得注意。故障實例2一臺DCS400直流調速器，上電后操作面板顯示“磁場欠流”的故障代碼，拒絕接受運行信號。上電檢查勵磁電流控制電路正常，V111驅動電路已將驅動脈沖信號加至勵磁主電路的1引腳上（見圖4-46），觀察勵磁主電路模塊，產生變形和裂紋，判斷模塊已經損壞。該模塊型號為SKD75GAL 123D16L2，市場上很難買到此類配件，用戶要求緊急修復?？紤]到模塊內部電路簡單，為三相整流電路和1只IGBT管子，還有兩只二極管（保留續(xù)流二極管，另一只可省掉），可以外搭電路來修復故障。將原模塊拆除，用D25XBA60（1000V25A）單相整流橋一只、FGA25N120（1200V25A）IGBT管子兩只，