数控机床变频器故障维修*

范芳洪

(湖南铁道职业技术学院车机学院，湖南 株洲 412001)



数控机床变频器故障维修*

范芳洪

(湖南铁道职业技术学院车机学院，湖南 株洲 412001)

针对数控机床上通用变频器外送维修费用高、维修不及时等问题，通过对变频器的组成和原理的分析，总结出各组成电路的主要故障现象、原因及相应的维修方法，并设计了IGBT管性能、驱动电路驱动能力的检测电路，以维修实例介绍了变频器维修的检测方法及维修操作。实践证明：运用IGBT管性能、驱动电路驱动能力的检测电路能准确、及时地维修好变频器大部分故障，并且检测电路的设计可供同行借签。

数控机床；变频器；主电路；驱动控制；逆变管

数控机床上常用的主轴驱动有两种：变频器电动机和伺服主轴电动机，伺服主轴电动机是一种专用的主轴驱动，它必须采用与数控系统配套的主轴驱动器及主轴电机，主轴控制精度较高，成本也高。变频器主轴是一种通用的主轴驱动，可以对普通的三相交流异步电动机进行无级调速，控制比较简单，在经济型数控机床上得到广泛的应用。如果变频器有故障就外送维修，不但要支出昂贵的维修费用，而且维修周期长，还有返修现象，耽误了生产。其实只要具备一定的维修基础和变频器相关知识可以自己动手维修变频器。笔者把多年变频器的维修经验和方法整理总结出来，供同行借鉴。

1　变频器的组成

通用变频器的组成如图1所示，主要由主电路、控制电路和驱动电路组成，主电路又由整流、滤波电路、制动电路和逆变电路组成，控制电路由MCU微处理器电路(MCU板)、检测电路等组成[1]。

主电路中的整流、滤波电路把三相380 V的工频交流电整流滤波后得到530 V平稳的直流电压；逆变电路由六路逆变管(IGBT)组成，通过控制六个逆变管轮流导通和关闭的时间，把DC530V的直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电从而实现了主轴电动机的调速[2]；制动电路在主轴电机减速或停止时消耗电机由电动状态转变为发电状态产生的能量，避免了主电路的直流电压升高而损坏主电路的元器件。图1中的电阻RF起限流作用，避免接通电源时电容的充电电流过大烧毁整流功率管，当电容充电到80%时，继电器的常开触点闭合短接电阻，避免变频器正常运行时，电阻消耗功率引起直流电压的下降。驱动电路是把MCU板产生的六路PWM信号放大后驱动逆变管[3]，并负责逆变管的过流检测和过流时关断驱动信号保护逆变管。检测电路主要有电压检测、电流检测和过热检测电路，电压检测电路是检测整流滤波后的直流电压，把此电压值送到MCU主板程序中处理，一方面用来显示主电路的直流电压，另一方面和程序中的给定电压值比较，判断直流电压是否在正常范围内，当主电路中的直流电压过高或过低时，MCU主板会封锁逆变管的PWM驱动信号，并会显示过电压或低电压报警。电流检测电路用来检测负载的电流，其作用和电压检测电路一样，一方面用于显示负载电流，另一方面判断电路是否有过流和短路，并在过流、短路时封锁PWM驱动信号并显示过流报警。过热检测电路主要用来检测逆变管散热片的温度，当散热风扇不正常等原因导致温度升高时，过热检测电路动作使MCU主板封锁逆变管的PWM驱动信号保护了逆变管因过热而损坏。

2　变频器的主要故障及维修方法

2.1主电路的故障维修

变频器主电路常见故障是逆变管(IGBT)损坏。IGBT管损坏的主要原因有三：一是IGBT管失效、性能变差，主要表现在导通时内阻变大、耐压值降低等，由于元器件参数变化而不能正常工作属于器件的正常损坏；二是滤波电容失效或漏电，电容失效后直流电压的脉动变大，很容易使电动机绕着的电感和滤波电容共振，将产生很高的电压把IGBT管和整流管击穿，IGBT管击穿后产生很大的冲击电流会把IGBT管的驱动电路也损坏；三是IGBT管的驱动电路中栅极(G极)电阻支路断路，电路断路后IGBT截止时负压加不到IGBT的G、E极，在高电压下会使截止的IGBT管导通并和同一臂导通的IGBT管一起形成对电源回路的短路而把IGBT管损坏[4]。IGBT管损坏的机理分析如下：

图2是IGBT管结电容等效图。假设G2管的R栅电阻支路断路，G1受正向激励导通，G2管的C2端子的电压立马跳为DC530V电压，此电压对CG、GE间的极间电容Ccg和Cge两只电容充电，在G1导通期间，G2管受充电电流所驱动也会导通，几乎和G1管同时导通，两管共通形成了对DC530V电源短路，使G1、G2管受强电流的冲击而损坏。

对变频器的主电路的检查除了检查IGBT管是否击穿外，还要着重检查滤波电容容量是否变小和电容漏电的情况。滤波电容的容量在数百微法以上，用万用表能检测出其好坏。万用表只能判断出IGBT管是否击穿短路，但不能检测IGBT管的性能变差。特设计图3所示的IGBT性能检测电路。在电路中串两只25 W、φ220 V的灯泡的作用有二：一是通过观察灯泡发光来判断是否有IGBT击穿短路，二是由于灯泡电阻的降压限流作用，即使逆变电路有短路故障，也可以将主电路的电流限制在100 mA内，避免IGBT的损坏。断开电动机负载，变频器上电启动接收运行信号，如果灯泡随着频率的上升同步闪烁发光，那么存在同一臂上的两只IGBT管有一只击穿，击穿的IGBT和导通的IGBT一起形成了电源的供电回路，两只灯泡对DC530 V直流电压分压而发光。用指针式万用表的直流500 V档测量同一桥臂上的两只IGBT管对直流电压(530 V)分压的情况可以判断出哪只IGBT管击穿，测得IGBT管CE两端的电压为零的那只IGBT管就击穿了。虽然IGBT管耐电值下降，但万用表的表内电池电压低(9 V)不能击穿IGBT管，这就是用万用笔检测IGBT管是好的，加压检测IGBT管就击穿的原因。如果接收运行信号，灯泡不亮，说明IGBT管没有击穿，但IGBT管导通内阻是否正常还需要用指针式万用表的直流500 V档测量每个臂上的两只IGBT管分压情况，以图3中的U相为例，若两个IGBT管导通内阻正常，U端子对P、N两点的电压相等约为260 V，如果测得U端子对P、N两点电压不相等，导通内阻变大那只IGBT管测得的电压高于260 V，正常的那只IGBT管测得的电压小于260 V；用同样的方法检查其他两臂的另外4只IGBT管导通内阻是否正常。

2.2驱动电路的故障维修

变频器有6路驱动电路，上下臂各3路，上臂的驱动电路是相同的，下臂的驱动电路也是相同的。驱动电路主要故障有3个方面：一是驱动电源的滤波电容失效或漏电导致输出功率不足，主要表现是变频器低速、空载运行正常，高速、带负载运行就出现过流故障[5]。低速、空载运行，需要的驱动功率小，电源还能够提供，电容失效的影响不明显，但高速、带负载运行，需要的驱动功率大，电容失效会引起电压波动大、输出电流(功率)变小，不能完全驱动IGBT管，使其不能良好的导通，导通内阻变大，管压降大从而引起过电流。二是集成驱动芯片或后置的放大器低效，导通内阻变大，使输出的脉冲功率变小，不能完全驱动IGBT管，引起和驱动电源的电容失效的同样的故障。三是集成驱动电路或后置的放大器损坏没有驱动脉冲输出。对于第三种情况用万用笔测量驱动电路中各器件的电阻值能检测出故障。第一种情况用万用表也能检测电容的好坏。第二种情况实际是驱动电路输出能力不足，用万用笔检查驱动电路的静、动态参数都是正常的，要想办法测出驱动电路输出电流就能判断驱动电路是否正常。为此设计了如图4所示的驱动电路的驱动能力检测电路。

图中DPH4T250V为集成驱动芯片，GU、EU 为IGBT管的G、E极的驱动信号输出端子。检修驱动电路时要与主电路脱离[6]，选用数字万用表的直流电流档，万用表的黑表笔接功率电阻的n端子，电阻的另一端接d端子，电阻的功率和阻值尽量和栅极电阻R45一致，以便测量数值明显，万用笔的红表笔接m端子，如图4中的点划线框内所示。上电启动变频器，如果万用表显示的数值为150 mA左右，则该路的驱动电路输出电流能力(驱动能力)正常，如果其中任一路输出电流与150 mA相差较大时，该路驱动电路的输出电流能力严重不足，只要变频器启动运行就会跳OC(过流)故障。在变频器停止状态，万用表的数值为-50 mA左右，则驱动电路的反向截止输出电流也正常。

2.3检测电路故障维修

检测电路的故障率比较小，当检测电路检测到电压、电流故障时，可以通过测量实际的电压、电流值和变频器显示的电压、电流值进行对比来确认是变频器真的过电压、过电流还是检测电路误检测，如果测量值和显示值基本相符，那么检测电路是正常，变频器确实有电压、电流故障了，如果测量值和显示值相差很远，那么检测电路有故障属于误检测。检测电路有故障时通过静态测量检测电路各元件的阻值和动态测量各关键点的电压基本能查出故障的根源，在检修时要特别注意对检测电路基准电压的检测[7]，如果基准电压不准，会引起检测电路的误检测。

3　维修实例分析

3.1故障1

(1)故障现象：一台CK6150数控车床配四方E380变频器，在执行M03S800指令时，主轴转速缓慢上升到200 r/min左右时，转速再也升不上去了，变频器的频率从零上升到15 Hz，然后下降到10 Hz，再上升到15 Hz又下降到10 Hz，来回几次这样跳动，最后变频器跳过载报警停机，关闭电源重新起动主轴，故障依旧。

(2)故障原因分析与解决方法：变频器过载的原因有二：一是主轴负载过重，用手转动主轴感觉很轻松，并且主轴刚起动还没有进行切削，显然不是主轴负载过重引起的；二是变频器的电流检测电路故障误检测而报警，用钳形表测电动机的电流和变频器显示的电流进行对比，实测电流为13 A，显示电流为13.2 A，基本一致，电流检测电路没有故障。该机床的主轴电动机的功率为7.5 KW，额定电流为11.4 A，起动时测得电流为13 A，显然电流过大，系统为保护逆变管跳过载报警停机。因为频率来回跳动，开始以为是变频器输出频率不稳定引起的故障，通过实测电流和显示电流对比排除不是变频器的故障。那为什么变频的频率来回跳动呢？原来是变频器检测到过电流时先采取降频措施来使电路的电流恢复正常，如果降频后，电流恢复正常再升频，升频后电流还是过大将再次降频，来回几次这样处理后，电路的电流没有恢复正常，变频器将跳过流或过载报警。变频器起动中，频率来回地从15 Hz跳到10 Hz，是因为变频器检测到过电流，采用降频处理企图使电流恢复正常。检查主轴电动机发现三相绕组电阻不平衡而导致电流过大，修理电动机后故障解除。在本故障维修中开始没有检查主轴电动机是受思维定势的影响，认为过载报警就是负载过载。电动机有故障会跳过流报警，有些变频器不区分过载和过流故障就跳过载故障，有些是区分过流和过载故障[7]，在维修中要注意。

3.2故障2

(1)故障现象：一台CK7150数控车床，台达变频器驱动主轴，只要起动主轴变频器就跳OC(过流)，主轴不能正常运转。

(2)故障原因分析与解决方法：用手转动主轴很轻松，检查主轴电动机也正常，一起动主轴就跳OC而停机，用钳形表也测不出三相输出电流。驱动电路不良、IGBT管击穿、性能变差都会引起此故障，拆开变频器脱开主电路和驱动电路的连接，先检查驱动电路，驱动电源的滤波电容、驱动芯片的静态、动态参数都正常，用图4的电路来检测驱动电路的驱动能力，检测到W相下臂IGBT的驱动电路仅输出电流约为60 mA,显然驱动电路输出电流太小不能使IGBT管完全导通导致电流过大而跳OC。该机驱动IC(PC929和PC923)的输出信号又经一对互补型晶体管功率放大后[8]再输出。怀疑晶体管失效导致输出电流变小，更换同型号晶体管，检测W相下臂IGBT管的驱动电路输出为150 mA，输出正常。驱动电路正常后，再检查主电路中整流管、滤波电容都正常，用万用表检查逆变管，没有发现击穿现象。把主电路和驱动电路连接好，断开电动机负载，用图3的电路来检测逆变管的性能，在接受起动信号，灯泡不亮，用万用笔500 V的交流档测U、V、W端子三相输出交流电压，三相交流电压平衡且能够随着频率的上升而增大，证明IGBT管子正常。把变频器重新安装好，试车主轴运转正常。

3.3故障3

(1)故障现象：一台CK7150车床配艾默生E2000变频器，在运行中主轴的转速突然下降30%～50%，变频器没有任何报警，故障发生的频率由开始一天发生一次，到后来两三个小时发生一次，重新启动变频器又正常。

(2)故障原因分析与解决方法：变频器能正常运行几个小时，说明变频器是好的。变频器转速下降可能是数控系统输给变频器的转速模拟电压下降引起的，在转速下降时测量输出系统输出的转速模拟电压值，该电压值和主轴转速正常时相同。那么引起故障的原因可能是干扰，检查了电控柜中接地线、变频器连接电缆等没有发现什么问题，但发现电控柜中的温度比较高，是不是温度高使变频器主板某些芯片不能稳定工作而引起速度下降？检查发现电柜门上的散热空调的冷却风扇不转柜内热量散不出去导致了温度升高，修好电柜门上的空调保证电柜内的温度正常，主轴的转速突然下降的现象再也没有出现过了。

4　结语

在变频器维修中，要细致地观察故障的现象，全面分析故障的原因，判断出是变频器本身故障还是变频器外围故障，如果是变频器外围故障要检查主轴电动机、主轴负载、变频器的连线和环境温度等。如果是变频器本身故障，主电路和驱动电路故障率比较高，变频器主电路出现故障往往会波及到驱动电路，所以主电路和驱动电路要同时检查，并且只有驱动电路正常后才能连接主电路在线检测IGBT管。笔者用上面介绍的变频器维修的方法快速、准确修好了本单位实训车间变频器很多故障，为单位节约了大量的维修费用，并且保证了实训教学的进度。

[1]黄俊，王兆安．电力电子变流技术[M]．3 版．北京: 机械工业出版社，1997．

[2]黄家善， 王廷才． 电力电子技术[M]． 北京: 机械工业出版社，2007．

[3]宋书中． 交流调速系统[M]． 北京: 机械工业出版社，2001．

[4]高浩国． 数控车床变频器维修实例[J]．制造技术与机床，2012(12)：124-126.

[5]廖晓钟． 电气传动与调速系统[M]． 北京: 中国电力出版社， 1998.

[6]张帆.变频器故障分析及处理[J].自动化应用 2010(4)：85-87.

[7]杨一平.变频器原理与及应用[M].北京:国防科技大学出版社,2009:189-199.

[8]王廷才.变频器原理及应用[M].2版.北京:机械工业出版社,2010.

(编辑孙德茂)

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Frequency converter fault maintenance of CNC machine tools

FAN Fanghong

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

General frequency converter for the NC machine outside the problems such as the high cost of maintenance, maintenance is not timely, through the analysis of the composition and principle of the frequency converter, this paper sums up the main failure phenomena of each circuit, the reason and the corresponding maintenance method, and designs the IGBT tube performance ability, drive circuit, introduced ideas of frequency converter maintenance, testing methods and maintenance skills with repair case, practice has proved: using IGBT tube performance, the drive ability of driving circuit detection circuit can accurately and timely maintenance most frequency converter fault, and detection circuit design can be for reference.

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

TM131

B

范芳洪，男，1975年生，讲师，工程师，研究方向为数控机床的故障诊断与维修。

2015-11-10)

160545

2014年湖南省教育厅科学研究项目《基于FANUC 0iD数控系统电气故障诊断专家的研究》(14C0753)