變頻器電路原理及檢修方法
點(diǎn)擊數(shù)：5567 更新時(shí)間：1/9/2024 2:07:34 PM Tag:
變頻器電路原理 變頻器維修 變頻器在國(guó)內(nèi)使用日益廣泛和大量，變頻器是相對(duì)高電壓和大電流的設(shè)備，所以故障率也較高，維修量不少。網(wǎng)上對(duì)變頻器維修的討論不少，但從具體電子電路的分析入手來(lái)檢修的不多。
圖1是變頻器的電路結(jié)構(gòu)圖。這是一個(gè)AC-DC-AC的變換過(guò)程。三相交流電（小功率的變頻器使用單相交流）經(jīng)整流橋整流后到濾波電容，得到直流電壓�？刂破骺刂屏鶄�(gè)大功率器件交替導(dǎo)通，電機(jī)線圈得到相對(duì)高頻的交變脈沖電壓，因?yàn)殡姍C(jī)線圈電流不能突變，在線圈就會(huì)產(chǎn)生類似正弦波的三相交流電流，脈沖電壓的頻率是可控的，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速又跟頻率成正比，所以變頻器可以起到控制電機(jī)速度的作用。為了很好的控制使用變頻器，在變頻器加入了控制信號(hào)輸入輸出電路、電壓電流檢測(cè)電路、按鍵及顯示電路、制動(dòng)電路，當(dāng)然也少不了電源系統(tǒng)給各功能電路提供電源。主電源由三相整流橋整流得到（小功率的變頻器可見(jiàn)使用單相交流電源），整流后濾波電容充電的瞬間電流很大，對(duì)整流橋和電容的沖擊會(huì)造成諸多問(wèn)題。為了避免沖擊，小功率變頻器會(huì)在直流母線中串聯(lián)熱敏電阻，一般功率的變頻器會(huì)使用繼電器觸點(diǎn)并接限流充電電阻的方式。此方式的原理是：變頻器初始上電后，整流后電源通過(guò)限流電阻給后級(jí)濾波電容充電，串聯(lián)的電阻限制了充電電流的大小，一個(gè)電壓檢測(cè)電路檢測(cè)電容上的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到某個(gè)程度時(shí)，控制并聯(lián)在限流電阻上的繼電器觸點(diǎn)閉合，此時(shí)整流后電源直接連充電電容，此時(shí)的電流就沒(méi)有變頻器剛剛上電時(shí)那么大了。電路既可以避免大電流沖擊，又不致于讓限流電阻長(zhǎng)期串聯(lián)在主電路中造成能量消耗和對(duì)后級(jí)的影響。在大功率變頻器中，繼電器則換成了可控硅，其原理也是一樣的，只是可控硅比繼電器機(jī)械觸點(diǎn)能夠耐受更大的電流。變頻器停止輸出后，機(jī)械負(fù)載因?yàn)閼T性作用會(huì)帶動(dòng)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如果要設(shè)法使其迅速制動(dòng)，電機(jī)線圈切割磁力線產(chǎn)生很高電壓，電壓經(jīng)IGBT的C、E極上反并的續(xù)流二極管全波整流后加到直流母線，會(huì)使直流母線上的電壓升高，這對(duì)電路元件會(huì)造成損害。能耗制動(dòng)電路的原理就是通過(guò)檢測(cè)直流母線上電壓的大小判斷電機(jī)是否處于制動(dòng)狀態(tài)，如果電壓高到一定程度，電路控制制動(dòng)IGBT導(dǎo)通，電容能量通過(guò)制動(dòng)IGBT回路迅速消耗在制動(dòng)電阻上，結(jié)果，電容上電壓迅速下降，機(jī)械動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為電阻熱能，電機(jī)也就得以迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)。回饋制動(dòng)的原理，在母線電壓判斷上與能耗制動(dòng)相同，只是將能量回饋給了電網(wǎng)。
變頻器主電源電路除了各元件的選擇要匹配相應(yīng)的功率之外，還要考慮電路緩沖問(wèn)題。我們知道，高壓大容量電容在充電初始階段的充電電流是非常大的，如果不加限制，無(wú)論對(duì)變頻器電路元件還是變頻器輸入電源的沖擊都是相當(dāng)大的，因此，變頻器的電路設(shè)計(jì)上都有相應(yīng)的對(duì)策。在微小功率的變頻器而言，一般采用在充電回路上串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）的辦法，即常溫下NTC的阻值較大，電路初始通電時(shí)可保證電容充電電流不會(huì)太大，一旦通電后NTC因發(fā)熱阻值減小，此時(shí)電容的電壓已經(jīng)達(dá)到較高水平，因此充電電流既不會(huì)特別大，也不會(huì)影響電容向后級(jí)供電的需求。如圖2所示，三相交流電壓經(jīng)橋式整流后串聯(lián)RT5及RT6兩個(gè)NTC給高壓電容C133及C163充電。
中小型功率的變頻器的充電保護(hù)電路往往使用充電電阻和繼電器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖保護(hù)。如圖3所示，交流電源整流后通過(guò)串聯(lián)的充電電阻R給電容充電，內(nèi)部電路檢測(cè)充電電壓的大小，當(dāng)電容電壓上升至大于某個(gè)值時(shí)，繼電器動(dòng)作，觸點(diǎn)K將充電電阻R短路，此時(shí)電流整流后直接給電容充電，因?yàn)殡娙萆弦呀?jīng)充電到一定電壓，屏蔽充電電阻直接充電的電流沖擊已經(jīng)很小。電路的設(shè)計(jì)既避免了初始大電流的沖擊，又避免了充電電阻對(duì)電路的持續(xù)影響。
大功率的變頻器，其主電源電路的緩沖電路，原理結(jié)構(gòu)與中小功率變頻器差不多，只是將繼電器換成了可控硅，可控硅不存在繼電器機(jī)械觸點(diǎn)的沖擊，可通過(guò)很大的電流，可靠性也得以提高。
普通的變頻器整流濾波電路，其直流母線上的電壓，由于后級(jí)的負(fù)載變化而變得不穩(wěn)定，電機(jī)制動(dòng)減速作用產(chǎn)生的能量不能回饋電網(wǎng)，也導(dǎo)致直流母線電壓的上升，對(duì)電路元件造成沖擊。所以在高性能的變頻器中，設(shè)計(jì)有可控的直流饋電電路。如圖4所示，三相交流電源串聯(lián)電抗器后通過(guò)并聯(lián)在IGBT的C、E之間的二極管給電容充電，如果IGBT都不導(dǎo)通，這跟普通的橋式整流沒(méi)有什么區(qū)別，而一旦IGBT有了合適的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，電抗器回路被迫處于通斷狀態(tài)，其上產(chǎn)生的自感應(yīng)電壓就會(huì)疊加在電容上，因此，在電容上就可以得到比橋式整流更高的電壓，可達(dá)600VDC以上。電容上的電壓通過(guò)電子電路檢測(cè)反饋到主控制板，主控制板精確控制6個(gè)IGBT的導(dǎo)通時(shí)序，既可以控制電抗器的電壓正向疊加于電容，也可以控制電抗器電壓在變頻器制動(dòng)減速時(shí)反向疊加于電容，此時(shí)電容上的電荷能量就回饋給電網(wǎng)，因此電容上的直流電壓非常穩(wěn)定。這電路有點(diǎn)類似于開(kāi)關(guān)電源或者有源功率因數(shù)校正電路的Boost升壓電路原理，通過(guò)電感和電子開(kāi)關(guān)的配合來(lái)提升電容上的電壓。
高壓大電容容量下降、限流電阻開(kāi)路、繼電器觸點(diǎn)損壞、繼電器驅(qū)動(dòng)電路異常、整流橋燒壞、制動(dòng)IGBT異常、驅(qū)動(dòng)模塊異常，是變頻器主電路常見(jiàn)的故障。高壓大電容容量下降，會(huì)導(dǎo)致變頻器啟動(dòng)后負(fù)載加大時(shí)主DC電壓能量供應(yīng)不上，電壓跌落過(guò)大，變頻器低壓報(bào)警，而變頻器制動(dòng)時(shí)，電容容量不足又容易導(dǎo)致電容電壓迅速上升，變頻器過(guò)電壓報(bào)警。限流電阻開(kāi)路，則后端電容沒(méi)有充電回路，變頻器上電后主電容沒(méi)有電壓。如果小功率變頻器控制板電源取自主電源，則控制電源都不會(huì)有電壓，變頻器通電就沒(méi)有任何反應(yīng)。如果繼電器損壞，或者繼電器線圈電流回路不上電，即變頻器通電后繼電器沒(méi)有吸合（使用可控硅上電緩沖控制的變頻器，可控硅沒(méi)有被觸發(fā)導(dǎo)通），則后級(jí)電路電流全部經(jīng)過(guò)限流電阻，變頻器啟動(dòng)后，電流增加，限流電阻分壓增加，直流母線電壓下降，會(huì)導(dǎo)致變頻器低壓報(bào)警。如果不報(bào)警，會(huì)因?yàn)橄蘖麟娮栝L(zhǎng)時(shí)間通過(guò)大電流而燒斷。所以，碰到限流電阻燒壞，維修不能僅僅只是換一個(gè)電阻，還要檢查繼電器的好壞及其控制電路的好壞。
<3>. 變頻器的開(kāi)關(guān)電源電路
變頻器的開(kāi)關(guān)電源和普通的AC-DC開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)差不多，要能滿足多路電壓的需要，典型的變頻器開(kāi)關(guān)電源，包括主控制MPU電路電源（5V或3.3V）、主控制模擬電路電源（±12V或±15V）、I/O電路電源（24V）、驅(qū)動(dòng)電路下橋臂驅(qū)動(dòng)電源（15-20V）、驅(qū)動(dòng)電路上橋臂3路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源（15-20V），另外還可能設(shè)置一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，提供通訊電路的獨(dú)立電源（5V）。各路電源的取得，有些設(shè)計(jì)成一個(gè)開(kāi)關(guān)變壓器的多路獨(dú)立副繞組整流濾波輸出，有些設(shè)計(jì)成開(kāi)關(guān)變壓器副繞組只提供主控電路5V電源和I/O部分的24V電源，而驅(qū)動(dòng)電路的電源再由24V部分經(jīng)DC-DC變換得到。變頻器開(kāi)關(guān)電源維修方法參見(jiàn)前面部分的開(kāi)關(guān)電源維修。
變頻器的主控板電路可視為一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，它包括了MPU、存儲(chǔ)器、人機(jī)交互界面、I/O及通訊部分，還糅合了CPLD、DSP等大規(guī)模集成電路，內(nèi)置軟件算法，配合電壓電流的適時(shí)檢測(cè)信號(hào)，達(dá)到精準(zhǔn)控制。對(duì)主控板電路的理解和檢修可以完全按照單片機(jī)電路來(lái)對(duì)待。
<5>. 變頻器的驅(qū)動(dòng)控制電路
變頻器驅(qū)動(dòng)控制電路是以驅(qū)動(dòng)光耦為中心的，弱電控制強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換樞紐，在幾乎所有的變頻器設(shè)計(jì)中，此類電路幾乎形成了固定的模式，即：控制6個(gè)IGBT，使用6個(gè)光耦，需要4組獨(dú)立電源。下橋臂的3個(gè)IGBT因?yàn)榘l(fā)射極E連接在一起，3個(gè)光耦輸出端電源就可以共用一組。
圖5 使用光耦PC923的典型驅(qū)動(dòng)電路
以IGBT專用的驅(qū)動(dòng)光耦PC923為例，如圖2.77所示，來(lái)自MPU的TTL電平信號(hào)控制PC923內(nèi)部LED的發(fā)光，LED不點(diǎn)亮?xí)r，PC923輸出O2是與GND導(dǎo)通的，功率管的門極G和源極S接近-12V的反偏置電壓，功率管完全截止；PC923內(nèi)部LED點(diǎn)亮?xí)r，O2和VCC導(dǎo)通，功率管的門極G和源極S接近+12V的正向電壓，功率管導(dǎo)通。6個(gè)驅(qū)動(dòng)光耦都是一樣的結(jié)構(gòu)。
變頻器通電之前，應(yīng)該先檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊是否大致正常。方法是，數(shù)字萬(wàn)用表選擇二極管檔，黑表筆接母線電壓正極P，紅表筆分別點(diǎn)測(cè)U、V、W輸出，測(cè)試上端驅(qū)動(dòng)橋電路，應(yīng)該都顯示導(dǎo)通0.5幾伏正向管壓降，如果顯示短路，則相應(yīng)的IGBT短路擊穿，如果沒(méi)有正向壓降或者顯示值過(guò)大，超過(guò)0.8V，則模塊內(nèi)部二極管損壞；然后紅表筆接母線電壓負(fù)極N，黑表筆分別點(diǎn)測(cè)U、V、W輸出，應(yīng)該都顯示0.5幾伏正向管壓降，下端橋電路情況應(yīng)該與上端情況一樣。在變頻器上電之前還應(yīng)該測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路是否每一路都有效可控，以免上電就炸功率模塊或者驅(qū)動(dòng)不良。測(cè)試的方法是，不要加母線電壓，只加控制電壓，就是想辦法不讓驅(qū)動(dòng)模塊的PN之間有高電壓。給開(kāi)關(guān)電源上電后，檢查驅(qū)動(dòng)光耦電源是否正常，然后使用指針表x10Ω檔依次在光耦輸入端注入電流，同時(shí)使用數(shù)字表二極管檔檢測(cè)對(duì)應(yīng)的IGBT是否導(dǎo)通，如果每一個(gè)IGBT都可以控制導(dǎo)通和截止，且當(dāng)IGBT截止時(shí)G、E之間是負(fù)電壓，且當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)G、E之間是正電壓，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電路大致沒(méi)有問(wèn)題。為了確保驅(qū)動(dòng)電路和IGBT完全沒(méi)有問(wèn)題，還要做進(jìn)一步的檢測(cè)，因?yàn)殡m然以上檢測(cè)方法可以確認(rèn)驅(qū)動(dòng)電路能夠有效動(dòng)作，但是高速脈沖驅(qū)動(dòng)的情況并沒(méi)有被模擬到，如果某些驅(qū)動(dòng)部分元件的特性變差，變頻器高速運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)問(wèn)題，另外因?yàn)榇藭r(shí)模塊還沒(méi)有加高電壓，高電壓下模塊的表現(xiàn)如何也未知。進(jìn)一步測(cè)試，可以將數(shù)字電橋置于電容測(cè)試檔，10khz，1V輸出電壓，D值，在線測(cè)試上橋三路IGBT的G、E之間電容，然后測(cè)試下橋三路IGBT的G、E之間的電容，電橋顯示的電容量和D值，上橋三路應(yīng)該一致，下橋三路也應(yīng)該一致，如果哪一路電容量或D值和其它兩路差別較大，就判斷這一路存在問(wèn)題，然后從這一路入手檢測(cè)，找出對(duì)應(yīng)的原因。最后對(duì)各IGBT進(jìn)行耐壓測(cè)試，保證IGBT的耐壓符合數(shù)據(jù)手冊(cè)的規(guī)定。
變頻器的直流母線電壓是重要的檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)分為比較檢測(cè)和定量檢測(cè)兩類。比較檢測(cè)是將檢測(cè)到的電壓和設(shè)定電壓相比較，判斷電壓到位、過(guò)高或過(guò)低，及時(shí)輸出控制信號(hào)，要求反應(yīng)速度快；定量檢測(cè)將檢測(cè)到的電壓進(jìn)行數(shù)字量化，提供給主控板做數(shù)據(jù)處理。
圖6所示是一款變頻器電壓檢測(cè)電路。直流母線電壓經(jīng)過(guò)兩個(gè)220KΩ降壓電阻，在另兩個(gè)2kΩ和2.2kΩ并聯(lián)的電阻上得到一個(gè)隨母線電壓成正比變化的mV級(jí)電壓，這個(gè)電壓加到隔離放大器A7840的輸入腳第2、3腳之間，經(jīng)過(guò)8倍的幅度放大，在6、7腳輸出。運(yùn)算放大器LF353和周邊元件組成差動(dòng)放大器，輸出電壓大小是U14的6、7腳的電壓差值，雖然電壓幅度沒(méi)有放大，但電流驅(qū)動(dòng)能力提高，輸出電壓經(jīng)電位器取樣調(diào)節(jié)到合適的幅度再送后級(jí)電路處理。A7840的輸入端電源和輸出端電源是隔離的，輸入端電源是由開(kāi)關(guān)變壓器的一組副繞組經(jīng)整流、濾波及78LC05穩(wěn)壓后得到。輸出端電源則是和主控板共用的。
電壓檢測(cè)電路容易損壞的是隔離放大器如A7800、A7840之類的芯片，這類芯片可以在線檢測(cè)，方法是：控制電源通電后，萬(wàn)用表mV檔分別測(cè)試輸入電壓即2腳對(duì)3腳之間的電壓，然后再測(cè)試輸出電壓即6腳對(duì)7腳之間的電壓，輸出電壓應(yīng)該是輸入電壓的8倍，如果相差較大，則隔離放大器芯片損壞。另外一個(gè)比較有效的判斷方法，就是當(dāng)2，3腳輸入電壓是0mV,輸出電壓7腳對(duì)6腳電壓低于-20mV(例如-23mV)，則判斷隔離放大器損壞。另外有些電壓檢測(cè)電路是非隔離的，但是電壓采樣電路的結(jié)構(gòu)是一樣的，經(jīng)常容易損壞的是接正極P端的取樣電阻，此電阻開(kāi)路或阻值變大會(huì)引起低電壓報(bào)警。
小功率變頻器的電流檢測(cè)電路是采用在輸出回路串聯(lián)mΩ大小的采樣電阻，在電阻上產(chǎn)生mV級(jí)的電壓降，這個(gè)電壓既不會(huì)給輸出回路帶來(lái)影響，又能符合隔離放大的輸入范圍。大功率變頻器的電流檢測(cè)則是采用霍爾傳感器，利用輸出導(dǎo)線穿過(guò)傳感器產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小來(lái)測(cè)定電流大小，霍爾傳感器輸出一個(gè)跟電流成正比的電壓或電流信號(hào)，信號(hào)再送后級(jí)電路處理。
圖7是串聯(lián)電阻方式的變頻器電流檢測(cè)電路，在U相和V相分別串聯(lián)了采樣電阻R7 、R60，W相沒(méi)有串聯(lián)采樣電阻，但是知道U、V相電流后可以計(jì)算得到。當(dāng)采樣電阻有電流流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的電壓降加到A7840的2、3腳，經(jīng)過(guò)隔離放大8倍后從6、7腳輸出。這些電流是有方向性的，A7840的6、7腳輸出電壓差值可能是正的，也可能是負(fù)的，但U、V、W三相電流的代數(shù)和為0，根據(jù)這一規(guī)律，已知U、V相電流大小方向，就可以采用運(yùn)算放大器的加減法電路來(lái)設(shè)計(jì)得到W相電流的大小方向。圖8是常見(jiàn)霍爾電流檢測(cè)器及接線方法，檢測(cè)器使用雙電源，M腳是電流輸入輸出腳，M腳和0V端接有取樣電阻RM，通過(guò)RM的電流方向和大小可以反映穿過(guò)霍爾電流檢測(cè)器的電流方向和大小，即可在M端取得反映大電流的方向和大小的電壓。
變頻器電流檢測(cè)電路損壞會(huì)導(dǎo)致電路過(guò)流報(bào)警。有時(shí)候電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)有異響卻并不報(bào)警，這往往是電流檢測(cè)電路的問(wèn)題，因?yàn)闄z測(cè)到的某一相電流與實(shí)際電流并不一致，導(dǎo)致變頻器輸出力矩失算，造成三相不平衡，從而擠壓電機(jī)軸承，發(fā)出異常聲音。
對(duì)于使用隔離放大器檢測(cè)電流的電路，維修檢測(cè)方法和上面介紹的使用隔離放大器檢測(cè)電壓的電路差不多。對(duì)于使用霍爾電流檢測(cè)器的電流檢測(cè)電路，維修注意重點(diǎn)檢測(cè)霍爾檢測(cè)器是否失效�？梢栽谧冾l器沒(méi)有運(yùn)行，0電流時(shí)檢測(cè)器信號(hào)輸出電壓應(yīng)該也是0V，如果和0V偏離太大，1V以上，則電流檢測(cè)器損壞。也可以使用導(dǎo)線在霍爾檢測(cè)器穿心孔繞多幾圈，導(dǎo)線通電后，對(duì)比檢測(cè)兩個(gè)霍爾電流檢測(cè)器輸出電壓大小，不應(yīng)該出現(xiàn)明顯差異。
變頻器驅(qū)動(dòng)電路維修的常見(jiàn)故障原因分析
