示波器在SOMATOM CT维修中的应用

2015-12-23赵华东

医疗卫生装备 2015年7期

关键词：示波器转矩变频器

赵华东

赵华东

0 引言

在医疗设备的故障中，往往因某些关键芯片出现问题[1]，而导致一些控制信号异常，使设备的动作异常。这些情况中，示波器就成为了最有力的工具，它可以快速查找关键信号的情况，定位问题的根源。

下面对SOMATOM Plus 4 gantry FC CT故障修复案例进行分析，并讨论示波器在故障修复中的应用技巧，仅供参考。

1 故障现象

启动SOMATOM Plus 4 gantry FC CT之后机器有启动动作，但开机不能check up（检查），也不能加载gantry（扫描架）扫描参数，出现刹车现象，并报错误代码“RTC_28/RTC_23”。查阅维修手册RTC（RotationCtrl）为旋转控制单元。

2 故障分析

打开CT侧盖，可以看到内部各模块的布局，如图1所示。根据故障现象，初步判断E301模块（扫描控制单元机）出现故障。

图1 主要模块布局示意图

图2为E301模块的结构示意图。检查发现，E301模块中的黄色指示灯闪烁，具体规律为6次循环闪烁。接着检查磁悬浮电动机连线X3接口。E301输出到X3接口，测量X3的定子线圈电阻值平衡，与标称参数一致。断电，推动gantry，检查阻力情况和平稳性。Gantry平稳要满足在不锁定情况下能够用手推到任意角度，且阻力均衡。因为磁力块是机架平衡支撑单元，如果脱落，用手推动会有较大阻力；如果用手推动顺畅，说明没有脱落，可排除磁力块脱落引起的E301过载。

图2 E301结构示意图

测量输入交流三相电压为400 V，正常且稳定。打开E301的变频器（也称电动机伺服），测量AC/DC三相整流桥直流输出为500V，正常。接下来检查变频驱动和高频晶闸管（insulated gate bipolar transistor，IGBT），IGBT的测量要离线，最好用机械表模拟触发导通的二极管特性。拆下伺服器（此伺服器型号为LUST VF1410HF，最大输出功率为42 kW，由德国LTI公司制造，电路如图3所示），测试发现IGBT已经被击穿。IGBT型号为SKM40GD123D，参数最大电流为40 A，最大电压为1 200 V。

SMK40GD123D这种大功率的变频模块一般都是欧洲和日本厂家生产，如果在国内订购，价格昂贵，而如此大功率的元件击穿，驱动IGBT的单元也可能会存在问题，特别是击穿的那一组。

图4为标准的IGBT原理图。P&N是DC bus的输入，经过控制信号的调制后，输出高频交流电供给电动机绕组，通过改变驱动信号的频率、电压等参数控制电动机的转速、启动时间和力矩等[2]。

3 故障排除

经上述分析，可以判定IGBT损坏，需更换。接下来就要找到击穿的原因。

图3 LUST VF1410系列结构图

图4 标准的IGBT原理图

逆变器中IGBT的驱动电路也有很多三极管和二极管被击穿。查找IC资料，同品牌、同型号替换。这些IC都是很少见的型号，需要专门订购，并且都是贴片封装，需要热风台加热焊接，焊接时注意温度和时间。焊好IC，更换好IGBT后，上机测试。开机，gantry有动作但启动时有轻微震动，check up测试能通过。但测试到最快单圈和刹车时发现，gantry会复位，而且变频器（FC）的H1还会闪烁6次。针对此现象，在FC的输出上接入钳形电表检测电流。

这时机器报错信息中提到了启动参数等A20的数据表。A20是RTC的参数设置，恢复原厂参数，然后烧写到FC的控制板，希望能改善FC的工作状态，但故障依旧。继续检查FC，拆下后测量IGBT和驱动电路，IGBT完好，驱动电路IC击穿。

FC的CPU驱动信号是0～8 kHz的脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）方波。变频器部分是一个利用固态电子器件的电力电子系统，大多数的变频器是交流/交流转换器，输入及输出都是交流的电压。使用共同直流电源（common DC bus）或是以太阳能为电源时，会使用直流/交流转换器的架构。交流/交流转换器可分为3个部分：交流转换为直流的整流器、直流链（DC link）及直流转换为交流的逆变器，其中又以电压源变频器（voltage-source inverter，VSI）最常见。

电压源变频器所用的整流器，最简单的是三相、六步脉冲、全波整流的二极管电桥，其直流链包括一个大容量的电容，可以平滑直流输出的涟波及提供后极逆变器稳定的电压输入，再利用逆变器的主动功率晶体将电压转换为近似弦波的交流电压输出。电压源变频器的输入功因较导通角控制的电流源变频器或负载换流变频器要高，而且其失真量也较低。变频器也可以规划成将单相交流电转换为三相交流电的相转换器[3-5]。

变频器驱动电动机的方式有很多，其中最简单的是U/f标量控制，变频器的输出电压和输出频率成正比，适用于定转矩的负载中。例如：460 V、60 Hz的电动机，其电压和频率的比为460/60=7.67，电压和频率的关系称为U/f曲线。有些U/f控制的变频器有输出电压和输出频率平方成正比的曲线，或是多段可设定的U/f曲线。U/f控制可以适用在许多简单的应用中，但一些需要低速高转矩、动态速度调整、位置控制或转矩控制的高阶应用中，不适合使用U/f控制。另外2种常用的驱动技术分别是矢量控制及直接转矩控制，根据输出电流及电动机转速调整输出电压的大小及角度，目的是精准控制电动机的磁通及转矩。

变频器的输出是利用逆变器，用PWM的方式输出交流电压，其中正弦脉宽调制（sinusoidal pluse width modulation，SPWM）是最直接调整电动机电压及频率的方式。在图5中，有大小及频率均可调整的参考弦波讯号及锯齿型的载波讯号，若参考信号超过载波，则输出高电位，反之，则输出低电位，即可产生一个脉冲宽度随时间变化的输出讯号，输出讯号在滤波后即接近弦波。变频器的脉冲宽度调制除了SPWM外，还有其他的方式，其中空间矢量脉宽调制（space vector pluse width modulation，SVPWM）越来越受到欢迎。