變頻器電路原理及檢修方法
變頻器在國內(nèi)使用日益廣泛和大量，變頻器是相對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)上對變頻器維修的討論不少，但從具體電子電路的分析入手來檢修的不多。
圖1是變頻器的電路結(jié)構(gòu)圖。這是一個AC-DC-AC的變換過程。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�大功率器件交替導(dǎo)通，電機(jī)線圈得到相對高頻的交變脈沖電壓，因為電機(jī)線圈電流不能突變，在線圈就會產(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輸入輸出電路、電壓電流檢測電路、按鍵及顯示電路、制動電路，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，對整流橋和電容的沖擊會造成諸多問題。為了避免沖擊，小功率變頻器會在直流母線中串聯(lián)熱敏電阻，一般功率的變頻器會使用繼電器觸點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，整流后電源通過限流電阻給后級濾波電容充電，串聯(lián)的電阻限制了充電電流的大小，一個電壓檢測電路檢測電容上的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到某個程度時，控制并聯(lián)在限流電阻上的繼電器觸點閉合，此時整流后電源直接連充電電容，此時的電流就沒有變頻器剛剛上電時那么大了。電路既可以避免大電流沖擊，又不致于讓限流電阻長期串聯(lián)在主電路中造成能量消耗和對后級的影響。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)械觸點能夠耐受更大的電流。變頻器停止輸出后，機(jī)械負(fù)載因為慣性作用會帶動電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動，如果要設(shè)法使其迅速制動，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，會使直流母線上的電壓升高，這對電路元件會造成損害。能耗制動電路的原理就是通過檢測直流母線上電壓的大小判斷電機(jī)是否處于制動狀態(tài)，如果電壓高到一定程度，電路控制制動IGBT導(dǎo)通，電容能量通過制動IGBT回路迅速消耗在制動電阻上，結(jié)果，電容上電壓迅速下降，機(jī)械動能迅速轉(zhuǎn)化為電阻熱能，電機(jī)也就得以迅速停止轉(zhuǎn)動。回饋制動的原理，在母線電壓判斷上與能耗制動相同，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，無論對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)計上都有相應(yīng)的對策。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，電路初始通電時可保證電容充電電流不會太大，一旦通電后NTC因發(fā)熱阻值減小，此時電容的電壓已經(jīng)達(dá)到較高水平，因此充電電流既不會特別大，也不會影響電容向后級供電的需求。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實現(xiàn)緩沖保護(hù)。如圖3所示，交流電源整流后通過串聯(lián)的充電電阻R給電容充電，內(nèi)部電路檢測充電電壓的大小，當(dāng)電容電壓上升至大于某個值時，繼電器動作，觸點K將充電電阻R短路，此時電流整流后直接給電容充電，因為電容上已經(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)計既避免了初始大電流的沖擊，又避免了充電電阻對電路的持續(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)械觸點的沖擊，可通過很大的電流，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，由于后級的負(fù)載變化而變得不穩(wěn)定，電機(jī)制動減速作用產(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，對電路元件造成沖擊。所以在高性能的變頻器中，設(shè)計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有什么區(qū)別，而一旦IGBT有了合適的開關(guān)動作，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。電容上的電壓通過電子電路檢測反饋到主控制板，主控制板精確控制6個IGBT的導(dǎo)通時序，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減速時反向疊加于電容，此時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。這電路有點類似于開關(guān)電源或者有源功率因數(shù)校正電路的Boost升壓電路原理，通過電感和電子開關(guān)的配合來提升電容上的電壓。
高壓大電容容量下降、限流電阻開路、繼電器觸點損壞、繼電器驅(qū)動電路異常、整流橋燒壞、制動IGBT異常、驅(qū)動模塊異常，是變頻器主電路常見的故障。高壓大電容容量下降，會導(dǎo)致變頻器啟動后負(fù)載加大時主DC電壓能量供應(yīng)不上，電壓跌落過大，變頻器低壓報警，而變頻器制動時，電容容量不足又容易導(dǎo)致電容電壓迅速上升，變頻器過電壓報警。限流電阻開路，則后端電容沒有充電回路，變頻器上電后主電容沒有電壓。如果小功率變頻器控制板電源取自主電源，則控制電源都不會有電壓，變頻器通電就沒有任何反應(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有吸合（使用可控硅上電緩沖控制的變頻器，可控硅沒有被觸發(fā)導(dǎo)通），則后級電路電流全部經(jīng)過限流電阻，變頻器啟動后，電流增加，限流電阻分壓增加，直流母線電壓下降，會導(dǎo)致變頻器低壓報警。如果不報警，會因為限流電阻長時間通過大電流而燒斷。所以，碰到限流電阻燒壞，維修不能僅僅只是換一個電阻，還要檢查繼電器的好壞及其控制電路的好壞。
變頻器的開關(guān)電源和普通的AC-DC開關(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)動電路下橋臂驅(qū)動電源（15-20V）、驅(qū)動電路上橋臂3路獨立驅(qū)動電源（15-20V），另外還可能設(shè)置一個DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，提供通訊電路的獨立電源（5V）。各路電源的取得，有些設(shè)計成一個開關(guān)變壓器的多路獨立副繞組整流濾波輸出，有些設(shè)計成開關(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)動電路的電源再由24V部分經(jīng)DC-DC變換得到。變頻器開關(guān)電源維修方法參見前面部分的開關(guān)電源維修。
變頻器的主控板電路可視為一個單片機(jī)系統(tǒng)，它包括了MPU、存儲器、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檢測信號，達(dá)到精準(zhǔn)控制。對主控板電路的理解和檢修可以完全按照單片機(jī)電路來對待。
變頻器驅(qū)動控制電路是以驅(qū)動光耦為中心的，弱電控制強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換樞紐，在幾乎所有的變頻器設(shè)計中，此類電路幾乎形成了固定的模式，即：控制6個IGBT，使用6個光耦，需要4組獨立電源。下橋臂的3個IGBT因為發(fā)射極E連接在一起，3個光耦輸出端電源就可以共用一組。
以IGBT專用的驅(qū)動光耦PC923為例，如圖2.77所示，來自MPU的TTL電平信號控制PC923內(nèi)部LED的發(fā)光，LED不點亮?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個驅(qū)動光耦都是一樣的結(jié)構(gòu)。
變頻器通電之前，應(yīng)該先檢測驅(qū)動模塊是否大致正常。方法是，數(shù)字萬用表選擇二極管檔，黑表筆接母線電壓正極P，紅表筆分別點測U、V、W輸出，測試上端驅(qū)動橋電路，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，如果沒有正向壓降或者顯示值過大，超過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，黑表筆分別點測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)該測試驅(qū)動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)動不良。測試的方法是，不要加母線電壓，只加控制電壓，就是想辦法不讓驅(qū)動模塊的PN之間有高電壓。給開關(guān)電源上電后，檢查驅(qū)動光耦電源是否正常，然后使用指針表x10Ω檔依次在光耦輸入端注入電流，同時使用數(shù)字表二極管檔檢測對應(yīng)的IGBT是否導(dǎo)通，如果每一個IGBT都可以控制導(dǎo)通和截止，且當(dāng)IGBT截止時G、E之間是負(fù)電壓，且當(dāng)IGBT導(dǎo)通時G、E之間是正電壓，說明驅(qū)動電路大致沒有問題。為了確保驅(qū)動電路和IGBT完全沒有問題，還要做進(jìn)一步的檢測，因為雖然以上檢測方法可以確認(rèn)驅(qū)動電路能夠有效動作，但是高速脈沖驅(qū)動的情況并沒有被模擬到，如果某些驅(qū)動部分元件的特性變差，變頻器高速運行時可能出現(xiàn)問題，另外因為此時模塊還沒有加高電壓，高電壓下模塊的表現(xiàn)如何也未知。進(jìn)一步測試，可以將數(shù)字電橋置于電容測試檔，10khz，1V輸出電壓，D值，在線測試上橋三路IGBT的G、E之間電容，然后測試下橋三路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題，然后從這一路入手檢測，找出對應(yīng)的原因。最后對各IGBT進(jìn)行耐壓測試，保證IGBT的耐壓符合數(shù)據(jù)手冊的規(guī)定。
變頻器的直流母線電壓是重要的檢測對象，檢測分為比較檢測和定量檢測兩類。比較檢測是將檢測到的電壓和設(shè)定電壓相比較，判斷電壓到位、過高或過低，及時輸出控制信號，要求反應(yīng)速度快；定量檢測將檢測到的電壓進(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電路。直流母線電壓經(jīng)過兩個220KΩ降壓電阻，在另兩個2kΩ和2.2kΩ并聯(lián)的電阻上得到一個隨母線電壓成正比變化的mV級電壓，這個電壓加到隔離放大器A7840的輸入腳第2、3腳之間，經(jīng)過8倍的幅度放大，在6、7腳輸出。運算放大器LF353和周邊元件組成差動放大器，輸出電壓大小是U14的6、7腳的電壓差值，雖然電壓幅度沒有放大，但電流驅(qū)動能力提高，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，方法是：控制電源通電后，萬用表mV檔分別測試輸入電壓即2腳對3腳之間的電壓，然后再測試輸出電壓即6腳對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，此電阻開路或阻值變大會引起低電壓報警。
小功率變頻器的電流檢測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級的電壓降，這個電壓既不會給輸出回路帶來影響，又能符合隔離放大的輸入范圍。大功率變頻器的電流檢測則是采用霍爾傳感器，利用輸出導(dǎo)線穿過傳感器產(chǎn)生的磁場大小來測定電流大小，霍爾傳感器輸出一個跟電流成正比的電壓或電流信號，信號再送后級電路處理。
圖7是串聯(lián)電阻方式的變頻器電流檢測電路，在U相和V相分別串聯(lián)了采樣電阻R7 、R60，W相沒有串聯(lián)采樣電阻，但是知道U、V相電流后可以計算得到。當(dāng)采樣電阻有電流流過時，產(chǎn)生的電壓降加到A7840的2、3腳，經(jīng)過隔離放大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，就可以采用運算放大器的加減法電路來設(shè)計得到W相電流的大小方向。圖8是常見霍爾電流檢測器及接線方法，檢測器使用雙電源，M腳是電流輸入輸出腳，M腳和0V端接有取樣電阻RM，通過RM的電流方向和大小可以反映穿過霍爾電流檢測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。
變頻器電流檢測電路損壞會導(dǎo)致電路過流報警。有時候電機(jī)轉(zhuǎn)動時會有異響卻并不報警，這往往是電流檢測電路的問題，因為檢測到的某一相電流與實際電流并不一致，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。
對于使用隔離放大器檢測電流的電路，維修檢測方法和上面介紹的使用隔離放大器檢測電壓的電路差不多。對于使用霍爾電流檢測器的電流檢測電路，維修注意重點檢測霍爾檢測器是否失效�？梢栽谧冾l器沒有運行，0電流時檢測器信號輸出電壓應(yīng)該也是0V，如果和0V偏離太大，1V以上，則電流檢測器損壞。也可以使用導(dǎo)線在霍爾檢測器穿心孔繞多幾圈，導(dǎo)線通電后，對比檢測兩個霍爾電流檢測器輸出電壓大小，不應(yīng)該出現(xiàn)明顯差異。
變頻器驅(qū)動電路維修的常見故障原因分析
