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变频器电压检测电路工作原理及故障实例分析

时间:2012-10-02 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:李亮 点击:次 字体设置:
一、电路构成和原理简析
电压检测电路,是变频器故障检测电路中的一个重要组成部分,旨在保障使IGBT逆变电路的工作电源电压在一特定安全范围以内,若工作电源危及IGBT(包含电源本身的储通电容)器件的安全时,实施故障报警、使制动电路投入工作、停机保护等措施。此外,少数机型还有对输出电压的检测,在一定程度上,起到对IGBT导通管压降检测的同样作用,取代驱动电路中IGBT的管压降检测电路。
1、电压检测电路的构成、电压采样方式及故障表现
电路检测电路的构成(信号流程)框图
图1 电路检测电路的构成(信号流程)框图
1、电压检测电路的电压采样形式(前级电路)
1)直接对DC530V电压采样
DC530V电压检测电路
图2  DC530V电压检测电路之一
直接对P、N端DC530V整流后电源电压进行进行采样,形成电压检测信号。如阿尔法ALPHA2000型18.5kW变频器的电压检测电路,如图2所示。
电路中U14线性光耦合器的输入侧供电,由开关变压器的独立绕组提供的交流电压,经整流滤波、由78L05稳压处理得到5V电源所提供,电源地端与主电路N端同电位。输出侧供电,则由主板+5V所提供。
直流回路P、N端的DC530V电压,直接经电阻分压,取得约120mV的分压信号,输入U14(线性光耦合器,其工作原理前文已述)进行光、电隔离与线性放大后,在输出端得到放大了的检测电压信号,再由LF353减法放大器进一步放大,形成VPN直流电压检测信号,经CNN1端子,送入MCU主板上的电压检测后级电路。
2)由开关变压器次级绕组取得采样电路信号
DC530V电压检测电路
图3 DC530V电压检测电路之二
直流回路电压采样等效电路及波型示意图
图4 直流回路电压采样等效电路及波型示意图
主电路的DC550V直流电压检测信号,并不是从主电路的P、N端直接取得,而是“间接”从开关电源的二次绕组取出,这是曾经令一些检修人员感到困惑、找不到电压检测信号是从何处取出的一件事情,也成为该部分电路检修的一个障碍。电压采样电路如上图4所示。
在开关管VT截止期间,开关变压器TRAN中储存的磁能量,由次级电路进行整流滤波得到+5V工作电源,释放给负载电路;在VT饱和导通期间,TC2从电源吸取能量进行储存。
N3二级绕组上产生的电磁感应电压,正向脉冲出现的时刻对应开关管的截止时间,宽度较大,幅值较低,经二极管D12正向整流后提供负载电路的供电,有电流释放回路;反向脉冲出现的时刻对应开关管的饱和导通时间,宽度极窄,但并不提供电流输出,回路的时间常数较大(不是作为供电电源应用,只是由R、C电路取得电压检测信号),故能在电容C17上维持较高的幅值。开关管VT饱合导通时,相当于将N1绕组直接接入530V电源,因而在同一时刻N3绕组此时所感应的负向脉冲电压,是直接反映N1绕组供电电压高低的,并与其成线性比例关系——N3绕组感应电压的高低,仅仅取决于N1、N3绕组的匝数比。整流二极管D12和D11接于同一个次级绕组上,D12将“大面积低幅度”的正向脉冲整流作为+5V供电,而D11却将“小面积而幅度高”的负向脉冲做负向整流后,经R20、R18、R19、C19、C17等元件简单滤波处理后,将此能反映一次主绕级供电高低的-42V电压信号,作为直流回电压的检测信号,送入MCU主板电路,供显示直流电压值和参与CPU程序控制之用。
    直流电压检测电路与其它输出电源电压电路的显著不同,1)在于该电路整流电压的输出端无大容量滤波(电解)电容;2)输出电压回路中串接有数千欧姆或数十千欧姆的大阻值电阻。显然该路输出电压不能用作供电电源。3)同一绕组所整流得出的供电电源电压值,要数倍低于检测电压值。这是判断该电路为直流电压检测信号输出电路的3种依据。
3)通过对充电接触器辅助触点的状态检测,间接作出对直流回路是否正常的逻辑判断
上篇博文,在海利普HLP-P型15kW变频器电压检测电路原理及检修一文中,已作出详细的分析,当充电接触器未正常作出吸合动作,表现为辅助常开闭点没有在电容充电结束后,接触良好,检测信号输入MCU引脚后,MCU经逻辑分析,判断充电接触器的未正常动作,因而直流回路的供电电压“肯定”也是不正常的,因而有时检测充电接触器的辅助常开触点未闭合时,也会报出“直流回路欠电压”故障。
3)三相输入电源电压的检测电路
部分机型有了DC530V的电压检测,就省略了对3相输入电压的断相检测(DC530V的高低一定程度上也反映了三相电压电源电压的输入状况),有些机型的电压检测电路,则“面面俱到”,检测电路比较完善。
三相输入电源电压检测电路
图5 三相输入电源电压检测电路
三相输入电源电压检测电路,将R、S、T端输入的电源电压先经电阻网络降压/限流,再经桥式整流电路变为六波头300Hz脉动直流,送入光耦合器输入侧,3相电源正常时,光耦输出侧为六波头300Hz的脉冲直流信号,或认为J2端子的35脚一直为低电平;电源任缺一相时,光耦输出侧为四波头200Hz的电压信号,或认为J2的35端子有出现高电平的时刻,经后级电路处理送入MCU,MCU判断缺相故障,报警并停机保护。光耦合器U15的输入侧串入稳压管Z19,使U15输出信号的动作“干脆利落”,对三相电源电压的不平衡也有检测作用。检测电路将输入模拟信号转化为映波头数目的“数字信号形式”,利于MCU的检测和判断。
4)3相输出电压/频率检测电路
3相输出电压检测电路,在少数变频器产品中有采用。其主要作用,是检测逆变电路的输出状态,由此起到对IGBT的保护作用,如同驱动电路的IGBT管压降检测与保护电路一样。有些变频器,驱动电路没有IGBT管压降检测保护电路,对IGBT的保护,一定程度上依赖于三相输出电压检测电路——三相输出电压信号经电路转变为输出频率信号,再输入MCU,起到对逆变电路的6只IGBT是否正常工作的判断。
输出电压/频率检测电路
图6 输出电压/频率检测电路
这是一个典型仪用放大器的电路结构,N1、N2、N3前三级电路构成了双端输入、单端输出的差动放大电路,第四级接成反相放大器,将信号放大到一定幅度后推动U7光电耦合器。U、W输出端电压信号经R31、R34降压,D16、D17双向限幅,C17滤掉了高频载波信号,将信号还原为两相电压信号,加入N1、N2、N3组成的差动放大电路,再经N4放大后推动U7输出。N1、N2、N3电路又是V相电压信号的合成电路,输入的U、W两相信号中,包含了V相电压信号,经N1、N2、N3电路的合成作用,实际上N3输出的是表征着V相频率与时间基准的脉冲信号。耦合电容E13起到了隔直通交及对信号进行零电平“置位”的作用,以适应N4单电源供电电路的要求,N4则相当于一个整形电路,将N3输出信号整形为矩形脉冲信号输出,以驱动光电耦合器U7。当U7输出的信号满足要求时,说明U、V、W三相输出都是正常的。U7的输出信号反映了三相电压的输出状态,此信号输入到CPU,与内部时间基准相比较,通对脉冲计数的时间比对,从面可判断出是否存在输出缺相(d.f.)故障。故障时可实施停机保护。
(试分析)因输入端D16、D17两只二极管的嵌位作用,电路本身并不是用来对输入信号进行放大的,而是实现了对三相脉冲信号的合成作用。电路输出的脉冲信号,并不是表征着输出电压幅度的模拟电压信号,而是表征着输出频率的脉冲信号。电路是通过电压信号检测输出频率,相当于完成了 “模/数”转换的作用,将输入模拟电压信号,转变化“脉冲信号”输出。输出信号用于对逆变输出电路的检测,当逆变输出电路中某一臂IGBT在故障状态时,报出缺相故障,并实施停机保护。
2、电压检测电路的后级电路
电压检测电路的后级电路对信号的处理方式,同电流检测电路对信号的处理方式基本是相同的。
1)由前级电路送来的电压检测信号,进一步经模拟放大,或电压跟随,输入MCU相关引脚,供运行电压显示、过、欠压时延时报警。
2)以梯级电压比较器电路,将输入模拟电压信号转化为两个开关量报警信号,送入MCU相关引脚,用于启动直流制动电路、过压时保护停机。
电路实例的分析见下文。
3、电压检测电路的报警内容和故障表现
1)报警内容
LU:直流回路电压(直流高压侧)过低;O U:直流回路电压(直流高压侧)过高;HOU:瞬态过压;SOU:稳态过压;SLU:稳态欠压;ILP:R、S、T输入有缺相;OLP:U、V、W输出有缺相;主电路接触器未正常动作,等等。
2)若开关量信号硬件电路故障时,上电即报警,无法复位;模拟量信号误报警,一般可以复位的。当输入电源(直流回路DC530V)异常、充电接触器上电后未正常动作时,在上电、起动、停机过程中、运行中,均有可能报出1)中的各种故障内容。
下文结合实际电路,讲解故障检修方法。
 
二、7.5kW变频器电压检测与保护电路
    该机型的电压检测电路共分三部分:输入电源电压检测电路、输出电压检测电路和直流电压(有时称高压侧,有时称直流母线)检测电路,对信号的作用、报警内容和故障信号屏蔽方法各有不同。
1、R、S、T输入电源电压检测电路,电源原理在上文(见图5后文)已有说明,此处从略。
三相输入电源电压检测电路
图7三相输入电源电压检测电路
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