变频器的电压检测电路(新)
——正弦变频器电压检测实际电路分析
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
开绕关组变电压压器检二测次模拟量信号a模拟信号放大处理运行电压显示、程序控制用过、欠压报警、启动直流制动MCU模拟量输入端、电模拟端压检量测信b号梯级电压比较器开关量信号数字口输、入开关c、电压量端检信测号U1、电压检测电路的电压采样形式(前级电路)
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PNDC530VVMCU I/O输开、入关电d、压量信端检号测WR图1 电路检测电路的构成(信号流程)框图
/ST
1)直接对DC530V电压采样
78L05C1 VOUT2 GND3 GND220k2W220k2W1234Nc4 NcVIN 8GND 7GND 6 Nc 5NcC47C46+D4147u50VU148765C49R561002R571002C50+15V+5VR551002510LF353381PNR54A2000C48220024VPN020T510PCNN18-15V1002C51A7840R54B103
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
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C19D11L432R20101
R185621R1982k-42VC17+5VD12N3C14680u16VC13470u25V
图3 DC530V电压检测电路之二
D11T1-42VP1530VN1N3D12+5V530V0V0VVT5VVT饱合导通截止-42VVTN电压采样等效电路N1输入电压波形示意图N3输出电压波形示意图
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,
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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
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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。
U15C91P181C17Z19D31D32D33R35RR141R70SR144R95TR1457502x24R146R96R147R85R103R89R86R112R90R142 R72R49R64R50R65R45R28R29R65R65R1431001J235
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
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工作的判断。
R32512R31470k3WR34470k3WR33512R361022CN51VrefU输出检测W输出检测N11213R35102+-VrefPR2.210314PR2.4103C19PR2.31033Vc1输出波动/缺相检测D16D17PR1.1R37102103PR1.21035VrefT26+-N37E131016WN421U725CN1R40512P521D12MUR160 028E1047u50VPR1.3 103PR1.4N21038Vref10Z3C21C21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
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+-R41302Vc1C179PR2.1103VrefR38103R39105N1-N4:U6 LM324
图6 输出电压/频率检测电路
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。
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二、正弦SINE300型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。
D31D32D33R35RR141R70R144R95R45R142 R72R146R96R28R49R64R85R103R89R29R50R65R86R112R90R65R65+3.3VR252002SR1431001C171U154J2/J535R2931001C43U1TMS320F2810PBKA61 T4CTROP/EVBSOC2P1813C91TZ19R145R1477502x24
图7三相输入电源电压检测电路
屏蔽“ILP”故障的方法:
变频器在上电后,和运行中,若发生电源缺相故障,或三相输入电源电压检测电路本身故障时,均会显示“ILP”故障代码,报缺相故障,处于停机保护状态。在检修过程中,若为变频器引入单相AC380V维修电源,检测电路上电即报缺相故障,整机控制电路电路停止工作,给下一步的上电检修带来不便。
将光耦合器U15的3、4脚暂时用导线短路,或用焊锡短路,使U1的61脚变为0V低电平,人为形成一个“三相输入电源电压正常”的信号,可以屏蔽“ILP”故障报警。
2、U、V、W输出电压检测电路
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SINE2+3.3VR69/786801x2OUT1 8J2/J5C42GND 736V*W*U*D23R831003R831003R811003R811003R801003R801003Nc1 V12 W15 U14 UE+E18100u25VC741043 UE0输出缺相检测电路U1TMS320F2810PBKA43 CAP4/QEP3C45R2951001+OUT2 6C48Nc
图8 三相输出电压检测电路
U、V、W输出电压检测电路,采用一块标注为SINE2的单元电路板,将输出电压检测信号由SINE2电路转化为输出频率(开关量)信号,输入U1的43脚。SINE2内部电路构成,请参阅上文图6电路。电路工作状态,是在变频器运行状态下,MCU是对输入43脚的矩形脉冲波头数进行计数,判断有无输出缺相故障的,检修过程中,不需屏蔽该信号。
3、直流电压检测电路
1)模拟信号处理电路
直流电压检测电路的电压采样信号,取自开关变压器的二次绕组,负向电压经整流滤波,得到+15V供电电源,与-15V电源一起,提供检测电路中运算放大器的正、负供电电源;正向电压(对应开关管饱和导通时刻)经D12整流,R11、R107、C60、C63等元件分压和滤波后,得到直流电压采样信号,经J2/J5排线端子的30脚进入MCU主板(后级电压检测电路)的直流电压检测电路。
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R100D12100RR112002C60T1D16US1GE13220u35VC68104R132002R1042002R1051002C1R41001R1071501C6330J2/J5-15V23J2R5510032U17 1/2LF353C154R2093VR2131201R2121002C1555101R2151056R2115100C156R2205101送入MCU主板的电压采样信号,先经由U17与外围元件组成的电压跟随器电路进行缓冲,U17的1脚输出信号,一路经R49限流、D9信号电压钳位电路、C27滤除高频成分后,输入MCU的模拟信号输入端122脚,用于直流电压值显示,检测信号幅度过低时,变频器报SLU(意为稳态欠压)故障,实施停机保护;当U17的1脚输出的检测信号电压偏高时,MCU报出“瞬时过压”故障信号,同时使主电路的直流制动电路开始工作,使直流电压下降于正常值以内。
2)开关量信号处理电路
U17的1脚输出信号,又经R208、C514、R209组成的排形滤波电路,得到较为稳定的电压检测信号,输入由U30、U6组成的开关量报警信号形成电路,当U30的同相输入端检测电压高于反相输入端“设定的动作阀值”时,U30的输出端7脚变为高电平信号,经D30钳位于5V电平上,由
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+5U30 1/2LM393图9 直流电压检测电路
-R3082002+-+3VC4931R491501D9R2085101C27U1/MCU引脚:122 ADCINA4 +5VR217680113U6 74LVS14AO127106 XINT1/XBIO R2163001D30C157
U6(施密特反相器)倒相为0V故障报警信号,输入MCU的106脚。变频器报SOU(意为稳态过压,指启动直流制动电路后仍无效果),停机保护。
4、电压检测电路的报警及故障(误报警)表现:
1)输入电源电压过低,超过(MCU内部程序设定值),上电过程中可能报出欠电压故障;变频器的供电电源缺相时报出缺相故障;
2)检测电路本身故障,上电后报出过、欠压故障,变频器处于保护状态,不接受起动信号。
5、电压检测电路故障检修实例(以图7/8/9电路为例)
﹝故障实例1﹞送修用户反映:变频器上电后,报SLU(意为稳态欠压)故障,不能开机运行。
1)变频器接入AC380V维修电源,上电后报ILP(输入缺相)故障,从电源/驱动板上找到如图7所示的三相输入电源电压检测电路,先用导线将光耦合器的3、4脚短接,以屏蔽输入缺相故障信号。
2)上电后,变频器报SLU(意为稳态欠压)故障。当U6的12脚电平变化时,变频器应该报过电压故障,故首先排除开关量报警信号形成电路的故障。检测U17和各个引脚电压值,判断U17本身没有问题,可能为3脚输入电压信号过低所致(见图9)。
3)检查D12、R100等元件,也无异常。试将R4短接,以提升电压检测信号的电压值,上电不再显示SLU故障,可正常操作运行。分析电压检测信号电压低落的原因,可能为电阻分压回路的电阻变值,如R100电阻值变大,或R107的电阻值变小所致,或C60、C1、C63等电容漏电所致,而以电容漏电的可能性为大。当焊下C63再为变频器上电时,不再误报欠电压故障,测量电容C63的两引脚,有数千欧姆的漏电电阻值。用0.01uF~0.1uF范围以内的瓷片电容,代换后,上电试机,变频器工作正常。
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﹝故障实例2﹞变频器上电后,显示SOU(意为稳态过压)。本机的过电压开关量信号报警电路由U30、U6等电路组成(见图9),正常状态下,U30的7脚为低电平,U6的信号输出端12脚为高电平。现在的测试结果是,U30的7脚电平状态正常,测U6的12脚为0V低电平,进一步,测U6的信号输入端13脚为高电平,从U6的输入端、输出端信号的电平状态,判断U6是好的,故障出在前级电路。
但检测U30的7脚输出状态也是对的,故障终点落在电阻R216身上,该电路断路或电阻值变大时,会使U6的13脚输入电压变为高电平,电路误输出过电压报警信号。焊下R216测量,其电阻值已变大为12kΩ,更换R216,故障排除。
咸庆信
2012年10月1日
中华工控网原创文章,转载请注明出处
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