英格索蘭變頻空壓機“VSD Falsity7”故障診斷與芯片級維修技術的研究

摘 要：英格索蘭是全球知名的動力設備制造商，因其技術領先、品質可靠，在工業空壓縮機領域占領導地位。隨著節能技術的不斷發展，以及國家對節能減排的日益關注，英格索蘭推出NirvanaVSD系列變頻空壓機產品，不僅大幅提升了設備運行效率節省電能消耗，并讓機組壽命得到有效延長。但由于增加了電機變頻控制功能，設備在信號采集、控制以及保護方面都進行了相應擴展，使得變頻空壓機較工頻空壓機電路變得更為復雜，電氣故障也隨之增加。本文通過故障詳解，深入剖析故障報警觸發條件，并基于電路解析、確定關鍵檢測點以及自開發的檢修流程將故障診斷到芯片，最終實現該系列變頻控制器“VSD Falsity 7”故障的芯片級維修。

關鍵詞：英格索蘭變頻空壓機;VSD Falsity 7;芯片級維修技術

前言

空壓機問世于第二次工業革命，隨著工業技術的發展需要，空壓機已經列為供能設備為各類生產設備提供動力（壓縮空氣）能源，在供能設備中扮演著重要角色。英格索蘭是首個將螺桿機技術引進中國的外資品牌，此舉也奠定了其在壓縮機行業的領先地位。R160N_A10是英格索蘭公司設計的微油變頻調速螺桿空壓機產品，裝配了160KW的強勁混合型永磁電機（HPM）并匹配了相應功率的變頻調速器（Variable speed drive，以下簡稱VSD），以應對負載突變所出現的電機頻繁啟/停而導致機頭不良磨損，使用VSD后電機轉速可以根據氣壓變化自動調整，最大程度的發揮了變頻調速技術的節能特點，同時也改善氣源波動、機頭壽命短等問題。但由于維護不當、交變負荷、浪涌沖擊及電子元器件自身不良等因素影響，VSD電路出現異常也屢見不鮮，出現異常時雖然在控制器顯示屏上顯示了報警代碼，但憑代碼信息及設備的故障檢修手冊僅能判斷大致方向（指向性不強），其中又以“VSD Falsity 7”報警故障最為典型，也是較難處置的報警之一。由于該VSD控制器是由法國“利萊森瑪”公司為英格索蘭特別定制生產的高功率控制器，其電路復雜，配件價格昂貴，資料匱乏，一旦故障，未經訓練的維修人員通常束手無策，只能向廠商支付高額服務費用和配件成本。本文將基于故障代碼、報警觸發條件，通過故障詳解與電路解析、關鍵點檢測及自開發的檢修流程將問題診斷到芯片，系統性解決VSD控制器“VSD Falsity 7”報警的難題。

1 芯片級維修技術的構建

1.1故障詳解

如圖1所示，作業人員在按動設備控制面板“啟動”鍵后，主電機應正常運轉，但15秒左右控制面板的LCD屏顯示“VSD Falsity 7”及“Press RESET twice”（按兩次RESET 復位），按提示操作無法解除報警，需要切斷主電源再次重啟，但故障依舊。經查閱產品手冊得知該報警表示“編碼器（霍爾元件）故障”，但手冊并未說明潛在原因及影響因素，從表面上看需要檢查或更換電機編碼器組件，實際并非如此簡單。報警的機理是電機實際速度與目標速度不一致，也稱“失速報警”，從圖2（VSD驅動控制器框圖）可以看出，電機速度監測是由安裝在電機內部的3只霍爾元件組成，通過屏蔽電纜與控制主板相連。深入分析報警原理可知，編碼器、電機、信號電纜和VSD控制主板其中一個或多個部件故障均可觸發該報警。然而最困擾用戶的是，一旦出現該報警，在沒有提前儲備相關備件的情況下是無法進行故障區分和判斷的，故障部位的精準確定已成為困擾維修作業人員的難點問題。我們需要擁有一套可行的解決方案，只需通過常規的儀器儀表，運用既定檢修流程和測量方法精準確定故障點，這是本文重點解決的主要課題。只有系統性掌握報警邏輯、自檢流程、關鍵點測試方法才能快速準確判斷故障部位。下面將基于對英格索蘭VSD變頻驅動的研究，繪制控制圖，分析控制時序，提出檢查流程，給出系統性的解決方案及維修方法。

1.2控制時序分析

基于圖2（VSD驅動控制電路框圖）的信號流向，設備正常情況下，作業人員在按下“啟動”按鈕后，VSD首先執行自檢程序。VSD主控板向VSD驅動電路發出低轉速的PWM信號，VSD驅動電路將PWM信號放大并驅動主電機以每分鐘60r/min的速度旋轉2～3周，安裝在電機內部的編碼器實時采集電機運轉情況，轉速不同輸出頻率不同的脈沖信號，該信號經過屏蔽電纜送至VSD主板PX4端口，經信號放大、整形及調制后送到板載CPU，CPU實時分析并運算該信號，如果反饋回的信號滿足要求CPU隨即輸出高速PWM信號驅使控制電機進入全速運行模式。相反，在自檢時序內CPU未識別到正常轉速信號，則通過CAN總線接口PX3向控制面板發出 “VSD Falsity 7” 報警，同時進入故障保護模式。 從控制時序分析可知，啟動后電機運轉狀態、編碼器反饋信號都是故障診斷的關鍵分界點。

1.3關鍵測試點

故障的診斷離不開信號的測量與分析，而確定關鍵測試點則是提高故障診斷效率的最好途徑，適宜的關鍵測試點能快速縮小故障范圍，達到事半功倍的效果。從VSD驅動控制框圖（圖2）可知，電機本體內部安裝的三組霍爾傳感器模塊（型號LSY380-1-93）對電機的轉速信號進行實時采集，三組信號（A、B、C）通過電纜及D9插頭與VSD主控板PX4口相連，信號進入主板首先分別送達U22、U25、U45 運算放大器芯片LM293進行放大、整形，隨后信號再送至可編程邏輯芯片 U12（型號IM4A5-64-10VC）進行調制，經過調制后的信號最后到達U14（意法微處理器ST10F269Z2Q6）進行解析運算，基于信號處理流程，關鍵測試點應設在VSD主控板上。經過分析，利萊森瑪公司在VSD主控板設計之初預設了三組（6個）信號測試點，分別是：A1、B1、C1與A2、B2、C2、這6個測試點可成為故障判斷的關鍵節點。其中A1、B1、C1為霍爾編碼器信號輸出測試點，A2、B2、C2為運放輸出測試點，可選用帶寬為20MHz數字示波器進行在線測量判定。

1.4 “VSD Falsity 7”報警檢查流程

為了更準確更高效確定故障部位，僅有關鍵測試點是不夠的，還需要將故障檢查與診斷作業過程規范化、流程化。 基于VSD自檢的控制時序，信號處理流，繪制出“VSD Falsity 7”報警的檢查流程，流程圖中融合了詳細檢查步驟、測量方法、參考數據、判定標準以及處置方式。

2 結束語

經過實際驗證，當英格索蘭變頻空壓機出現 “VSD Falsity7”報警，通過本文報警檢查流程的指引，基于關鍵測試點及判定方法，使用常規的儀器儀表，就能在較短的時間內完成設備報警的系統性檢查，準確鎖定故障部位，若查明故障在VSD主控板側的轉速信號放大、整形、調制方面，可依據檢查流程中的指引進一步開展芯片級維修，這不僅大幅減少故障停機時間，而且對減少備件儲備、降低委外維修費用方面發揮重要的作用，“VSD Falsity7”報警的故障診斷及維修方法可行、有效。

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作者簡介：

粟小寶（1980-），男，廣西南寧人，本科，工程師，企業內訓師，廣西柳工機械股份有限公司，專注高端數控系統及其板卡的芯片級維修技術研究以及培訓課程開發。

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）