变频器开关电源汇川IS300康沃CVF-G5.5kW变频器开关电源电路VD7整流正电压经R30、C22、R31、R47滤波和分压后输入CPU作为直流回路的电压采样信号。24V电源还提供充电继电器线圈的供电和散热风扇的供电。充电继电器和散热风扇是由CPU发出的开关指令信号控制的。CON1为电源/驱动板与CPU主板之间的排线连接端子。在电源驱动板上标注为CON1CPU主板上标注为CON2但引线次序一致。小功率变频器的驱动电路很多采用了TLP250光耦合器作为驱动IC(见图1-9)TLP250内部不含IGBT保护电路。U、V、W三路逆变脉冲输出电路用来驱动上三臂IGBT因EU、EV、EW三路信号的“地”即是U、V、W三个输出端不能共于一点故驱动电路的供电采用了三路相互隔离的供电电源。U-、V-、W-三路逆变脉冲信号驱动下三臂IGBT此三路信号“地”-EX、EY、EZ是连接于一点的实际上为直流回路的N端故下三臂IGBT的驱动电路共用了一组供电电源。开关电源的检修所谓兵马未动粮草先行。开关电源电路提供变频器的整机控制用电是变频器正常工作的先决条件。变频器应用的开关电源电路为直一交一直型的逆变电路是一种电压和功率的变换器将直流电压和功率转换为脉冲电压再整流成为另一种直流电压。输入、输出电压由开关变压器相隔离开关变压器起到功率传递、电压/电流变换的作用。开关变压器为降压变压器。开关电源的特点如下:1)开关电源的振荡和调压方式是利用改变脉冲宽度或周期来调整输出电压的称为时间比例控制又分为PWM(调宽)和PFM(调频)两种控制方式。2)从电路的能量转换特性看可分为正激和反激两种工作方式。开关管饱和导通时二次绕组连接的整流器受反偏压而截止开关变压器的一次绕组流人电流而储能(电磁转换)。开关管截止时二次绕组经负载电路释放电能(磁电转换)。正激方式则与此相反实际应用不多。3)从开关变压器的一次电路结构来看有分立元件构成的和集成振荡芯片构成的两种电路形式。因而从振荡信号的来源看又分为自激(分立零件)和他激式(IC电路)开关电源。两种电路结构都有应用。4)开关管有采用双极型器件和采用场效应晶体管的。5)小功率变频器采用单端正激式电路大、中功率变频器常采用双端正激式电路。一般变频器的开关电源常提供以下几种电压输出:CPU及附属电路、控制电路、操作显示面板的5V供电;电流、电压、温度等故障检测电路、控制电路的±15V供电;控制端子、工作继电器线圈的24V供电。四路相互隔离的约为22V的驱动电路的供电该四路供电往往又经稳压电路处理成15V、-7.5V的正、负电源供驱动电路为IGBT逆变输出电路提供激励电流。任何电子设备电源电路的故障率总是相当高的一-因其要提供整机的电源供应负担最重。变频器的开关电源电路形式上比较单一结构上也比较简单。但是简单电路也可能会产生疑难故障。开关电源的检修不像线性电源那么直观电路的任一个小环节一-振荡、稳压、保护、负载等出现异常都会使电路出现各种各样的故障现象。上电后无反应操作显示面板无显示变频器好像没通电一样。测量控制端子的24V控制电压和10V频率调整电压都为0测量变频器主接线端子电阻正常那么大致上可以断定问题是出在开关电源电路了。3.1开关电源的供电取自何处在维修中常需将控制电路板进行单独上电检修。无论是检测CPU主板还是检修电源/驱动板都需要先使开关电源工作起来为各部分电路的检测提供条件。所以需知晓开关电源电路的电源取自哪里进而用外置维修电源来取代。开关电源的电源供给一般有以下几种来源:1)直接取自变频器主电路的直流回路的两端即储能电容的两端在变频器电路中厂家往往标注为P(或P1供电端)、N端(供电-端)P、N之间直流电压约为530V,如图3-1a所示。大部分变频器开关电源的供电皆取自此处。如台达、东元、台安、康沃、富士等变频器一些机型的开关电源都是取自直流回路530V直流电压的。2)直流回路的储能电容由于耐压的关系用两只串联接于直流回路上两只电容对530V形成分压点分压点电压为265V左右。有的变频器开关电源的供电是取自a点(见图3-1b)供电电压降低为原来的1/2。如英威腾INVT-P9系列小功率变频器的开关电源取自直流回路的265V分压。开关电源电路的3种检修供电方式3)开关电源的供电不接自直流回路而另用380V/220V变压器从变频器电源输人端子R、S、T的任两相上取得再经整流滤波后送至开关电源如富士、安川、东元变频器的一些机型。由图3-1中的3种变频器开关电源电路的供电方式可以自己动手制作一个简易的维修电源(见图3-2)放置于检修工作台的一个位置上这个维修电源可用于对变频器进行拆机的上电检查、维修完毕装机后的上电检查、对CPU主板和电源/驱动板的脱机检修等。图3-2a中AC端子电源的作用如下:1)用户送修变频器测量主接线端子无短路故障后可从变频器的R、T电源输入端子接入图3-2a的AC端子电源为变频器上电进行初步检查如操作显示面板无显示、控制端子无电压等即可判断故障出在开关电源电路。操作面板有显示可通过调看故障记录(一些变频器无此功能)起、停变频器观察运行和报警(故障代码)情况进一步判48 变频器电路维修与故障实例分析断故障所在为拆机检测提供依据。需注意的是:1如图3-1c电路应将AC端子电压接入该变频器的S、T电源输人端子否则机器内部开关电源因得不到工作电源整机不能工作。测量T、S端子间只有几十欧的电阻值需细致检查和观察一下不一定是整流模块短路故障有可能是该电源端子接人了内部变压器的一次绕组。部分变频器内部有三相电源输人检测电路接入单相电源上电会跳“输入断相”故障需找出电路板中的相关电路将此一报警信号切断或屏蔽掉(见第6章故障电路维修)。3大功率变频器(如55kW以上机型)因直流回路的储能电容器容量大电容器的瞬态充电电流过大使维修电源中的断路器跳闸此时可在AC端子上串联大功率电阻(如1000/400W)进行限流充电。4维修部有三相动力电源可直接用三相电源上电检修。2)变频器维修完毕整机装配后可送人上图3-2a中的AC端子电源将负载端接入2.2kW三相电动机上电试验。虽然变压器TK1有较强的过载能力但也要及时调整变频器的频率使输出电流值较大时(如4A)的时间要短一些限制在10s以内以保障变压器的运行安全。图3-2a中DC端子的作用如下:维修部有三相动力电源此试机步骤则不必用维修电源。接入DC端子电源是将原变频器内三相整流电路、直流回路全部脱开而用此电源代替之。从一定意义上讲DC端子电源也是一种安全检修电源一是变压器本身供电隔离作用在检修中万一触及强电部分因无对地回路不会造成对人体触电的危害(若同时接触两个电源端子会使人触电)。二是该电源为小容量电源又串人2A熔断器机器电路即使有短路故障存在但因电源容量所限和熔断器的作用不致损坏整流和逆变模块。1)单独维修电源/驱动板和CPU主板时可将DC端子直接接人开关电源的供电端子上为开关电源提供工作电源对CPU主板电路和驱动电路进行检查。2)整机试机时可用此电源代替原直流回路给逆变输出电路供电对逆变电路进行试验与检查。须注意的是:对于大、中功率变频器储能电容的容量较大一般单独组装于一个容器箱内。在检修过程中一定要将其撤去当逆变电路、驱动电路及开关电源有异常时储能电容上存储的电能足以在瞬间内烧毁昂贵的逆变模块。用DC端子电源可直接为逆变电路供电和开关电源电路供电。严禁将原大容量储能电容并接于逆变供电电源上待各部电器检修完毕进行整机装配时再装人储能电容。7.5kW以下小功率变频器储能电容往往直接焊装于电路板上如方便拆下拆下最好。如不能拆下需从P端切断对逆变电路的供电串人1A或2A熔断器后再接入P端的供电。DC端子电源可直接并接于7.5kW以下小功率变频器的直流回路。图3-2b中的AC端子电源可对220V交流供电的变频器进行拆机前和装机后的上电检修;DC端子电源可对该供电级别的变频器进行CPU主板、电源/驱动板的上电检修;可作为如图3-1b所示的电路开关电源的供电便于对电路板进行上电检修。可以看到PC1、PC2、PC3、Q1构成了开关电源电路的主干和骨架。PC1为专用振荡芯片是振荡、稳压与保护的控制中心。PC2是一只光耦合器跨接在一次和二次绕组之间既将负载供电电压的采样信号传递给PC1又起到对输人、输出供电绝缘隔离的作用。PC2可依输出侧、输入侧为界将稳压电路切成两部分。PC3为电压基准源电路PC2的工作状态完全依赖于PC3的工作状态。两者结合承担着对输出电压的稳压控制。V1为开关管电路的所有控制都落实到对V1导通与截止时间的控制上。一次、二次电路的功率传递是通过V1进行的。因其工作于高电压、大电流状态成为开关电源电路的易损元件。下面详解一下开关电源电路4个元器件的工作参数和测量方法。1.开关管双极型器件晶体管和场效应晶体管开关管都有采用如图3-4所示以场效应晶体管为多。表3-1列出了晶体管QM5HG-24和场效应晶体管BFC40的部分参数。型号为K1317和K2225的场效应晶体管应用最多两者可互换。器件互换首先考虑的是耐压和工作电流值尤其是耐压值应不低于1200V为宜。另外应注意封装形式C极或漏极接金属散热壳体的应加装绝缘片和涂覆导热硅脂后进行安装。大功率晶体管如图3-4a所示B、E极间并接有几十欧姆的电阻。测量发射结的正、反向电阻为一并接电阻的阻值。但集电结的正、反向电阻特性同一般晶体管。应与好的管子对比测量晶体管的放大倍数这在故障检修中尤为重要。图3-4 开关管的电路结构符号图大功率场效应晶体管如图3-4b所示G、S间并接有双向击穿二极管在D、S极间反向并联有二极管(有资料说此二极管为工艺过程中自然生成)两者都对场效应晶体管起到保护作用。测量D、S极间呈二极管的正、反向电阻特性。对场效应晶体管的测量应利用G、S结电容的电荷存储特性观测D、S极间电阻变化的方法检测其好坏。具体测量方法见2.1的相关内容。故障检修中仅靠测量管子的电阻判断其性能是不够的一般条件下对管子的低效、老化现象是检测不出的须根据故障现象综合分析不放过看似“隐蔽”的故障环节和表现“揪”出故障元件。2.光耦合器由于光耦电路简单对不能共地的、电压差异较大的输入、输出信号有较好的隔离度又具有较高的抗干扰性能故在开关电源电路、数字隔离和模拟信号传输通道中被广泛采用。更换损坏光耦器件时要充分考虑其在电路中的位置和作用用同类型光耦器件进行代换。在变频器电路中常用到3种类型的光耦合器(不只是开关电源电路中的应用在此一并交待一下)一种为晶体管型光耦耦合器如PC816、PC817、4N35等常用于开关电源电路的输出电压采样和电压误差放大电路也应用于变频器控制端子的数字信号输人回路。3种光耦合器结构如图3-5所示输人侧为一只发光二极管输出侧为一只光敏晶体管。第2种为集成电路型光耦合器如6N137、HCPL2601等其频率响应速度比晶体管型光耦合器大为提高输人侧发光管采用了延迟效应低微的新型发光材料输出侧为门电路和肖基特晶体管构成使工作性能大为提高。在变频器的故障检测电路和开关电源电路中也有应用。第3种为线性光耦合器如A7840。便于对模拟信号进行线性传输A7840往往与后续运算电路相配合实现对输人信号的线性放大和传输。(1)第一类型的光耦合器输入端工作压降约为1.2V输人最大电流50mA;输出最大电流1A左右因而可直接驱动小型继电器输出饱和压降小于0.4V。可用于几十kHz或较低频率信号的传输。第3章开关电源的检修 51测量方法:1)数字式万用表二极管档测量输人侧正向压降为1.2V反向无穷大。输出侧正、反压降或电阻值均接近无穷大。2)用指针式万用表的x10k电阻档测其1、2脚有明显的正、反电阻差异正向电阻约为几十k0反向电阻无穷大;3、4脚正、反向电阻无穷大。3)两表笔测量法。用指针式万用表的x10k电阻档(能提供15V或9V、几十uA的电流输出)正向接通1、2脚(黑表笔搭1脚)用另一表的x1k电阻档测量3、4脚的电阻值当表笔接人1、2脚时3、4脚之间呈现20k02左右的电阻值脱开1、2脚的表笔3.4 脚间电阻为无穷大。4)可用一个直流电源串人电阻将输入电流限制在10mA以内。输入电路接通时3、4脚电阻为通路状态输人电路开路时3、4脚电阻值无穷大。3、4种测量方法比较准确如用同型号光耦器件相比较甚至可检测出失效器件(如输出侧电阻过大)。上述测量是新器件装机前的必要过程。对上线不便测量的情况下必要时也可将器件从电路中拆下脱机测量进一步判断器件的好坏。在实际检修中脱机测量电阻不是很便利上电检测则较为方便和准确。要采取措施将输入侧电路变动一下根据输出侧产生的相应的变化(或无变化)测量判断该器件的好坏。即打破故障中的“平衡状态”使之出现“暂态失衡”从而将故障原因暴露出来。光耦器件的输入、输出侧在电路中串有限流电阻在上电检测中可用减小(并联)电阻和加大电阻的方法(将其开路)等方法配合输出侧的电压检测判断光耦器件的好坏。部分电路中甚至可用直接短接或开路输入侧、输出侧来检测和观察电路的动态变化利于判断故障区域和检修工作的开展(详见第5、6故障电路检修一章)。如图3-6a所示电路为变频器控制端子电路的数字信号输入电路当正转端子FWD与公共端子COM短接时PC817的1、2脚电压为1.2V4脚电压由5V变为OV。同理当控制端子呈开路状态时PC817的1、2脚之间电压为0V而3、4脚之间电压为5V。从图3-6a电路可以看出光耦器件的各脚电压值故障或正常状态测量输入、输出脚电压即可得出判断。如图3-6b所示电路测量1、2之间为0.7V(交流信号平均值)3、4脚之间为3V说明光耦合器有了输人信号但光耦器件本身是否正常?用金属镊子短接PC817的1、2脚测量4脚的电压由原3V上升为5V(或有明显上升)说明光耦器件是好的。若电压不变说明光耦损坏。(2)光耦合器(6N137)输人端工作压降约为1.5V左右但输入、输出最大电流仅为mA级只起到对较高频率信号的传输作用电路本身不具备电流驱动能力可用于对MHz级信号进行有效的传输。3种在线测量方法可用短接或开路2、3输人脚同时测量输出6、5脚的电压变化;减小或加大输入脚外接电阻测量输出脚电压有无相应变化;从5V供电或其他供电串限流电阻引入到输入脚检测输出脚电压有无相应变化来判断器件是否正常。(3)第3种类型的光耦合器输人侧不是发光二极管输人、输出阻抗较高用于对小信号的传输。检测方法同上。注意:在开关电源电路应用的光耦合器是作为电压误差放大器的一个环节来使用的测量中输入、输出脚的电压扰动会引起负载供电的突变。尤其是5V的CPU主板负载电路在连接状态下不可带电在线检测光耦合器的引脚电压测试不慎将造成烧掉CPU的危险!对其好坏的判断应通过停电后对引脚电阻值的检测来进行。运用于其他电路的光耦合器如控制端子的光耦合器则完全可以带电在线测量比电阻测量更为方便。3.专用电流模式PWM振荡芯片UC3844(3842)UC3844与UC3842在变频器的开关电源中都有应用前者应用为多其电路图如图3-7所示。电路无论为塑封或贴片元器件都有8脚和14脚两种双列封装型式。两种电路的主要区别为UC3842输出频率等于振荡器的振荡频率输出频率的最大占空比可达100%;而UC3844内部集成了一个二分频触发器输出频率只有振荡频率的一半输出最大占空比为50%。另外两者内部欠电压锁定电路的开启阈值有所差异。UC3844、UC3845 可互换UC3842、UC3843可互换。一般电路的实际振荡频率在100kHz 以下为40~60kHz左右。电路内部集成了基准电源、高频振荡器、电压误差放大器、电流检测比较器、PWM锁存器及输出电路。利用误差放大器和外围电压采样电路能构成电压闭环(稳压)控制;利用电流检测比较器和外围电流检测电路能构成电流闭环控制。引脚功能说明(以下均以8脚封装为例):1脚为误差放大器输出端与引脚2之间接入R、C反馈网络以决定误差放大器的带宽频率特性和放大倍数;2脚为误差放大器反馈输入端该端接输人电压反馈信号以实现电压闭环(稳压)控制;3脚为电流检测比较器输人端该端接电流(电压)检测信号以实现过电流(过电压)保护;4脚为振荡器定时元件接入端所接R、C元件决定了电路振荡频率的高低;8脚为基准电源输出端可提供5V温度稳定性良好的基准电压实际应用中R、C振荡电路及稳压电路常取用该电源以增加振荡和稳压的稳定性;7、5脚是供电Vcc、GND端子额定供电电压为30V实际电路中自供电绕组提供的直流电压约为20V左右;6脚为PWM波形输出脚最大输出电流(拉、灌电流)达1A。UC3842/44的3脚内部误差放大器的同相端已在内部供入2.5V意味着:当2脚反馈输入电压也稳定于2.5V--也必然会保持在2.5V时电路的动态反馈及输出的稳定过程已经完成在此稳定状态下输出电压的高低取决于外围电压采样、反馈电压处理电路而与芯片本身和振荡环节无关;2脚反馈电压的输人范围为-0.55~5.5V当2脚反馈电压维持一个低于2.5V的值时负载电压将维持一个超压输出状态。当2脚反馈电压维持一个高于2.5V的值时输出电压将维持一个低于正常值的状态。由此可判断反馈电压处理电路相关元件的故障。UC3842/44欠电压锁定开启阈值为16VUC3843/3845则为8.5V;UC3842/44欠电压锁定关断阈值为10VUC3843/3845则为7.6V。其意义是:当芯片供电电压高于16V 时8脚输出5V电压提供给4脚R、C振荡定时元件电路起振工作当供电低于10V时欠电压保护电路起控8脚输出电压为0电路停振避免了开关管因欠激励(功耗过大)而烧毁。应用此一特点当电路出现停振故障而又查不出故障点时可单独为振荡芯片提供10~20V的可调直流电源(将其他供电全部停掉!)在调压过程中检测8脚的电压变化(应有0~5V的跳变输出)6脚也相继有0V和1.2V的输出从而大致确定振荡芯片及外围部分电路的好坏。要使UC3844内部的保护电路动作通常有两种方法:使引脚1(内部误差电压放大器输出端)上的电压降至1V以下;使引脚3(电流检测比较器输入端)电压升至1V以上。前者为输出过电压保护后者为输出过电流保护两种方法都会导致电流检测比较器输出高电平PWM锁存器复位输出端关闭。其意义在于:当电路出现停振故障时可能为保护电路故障或其他电路故障引发保护电路动作而使芯片的1、3脚电压值分别降至了1V以下和升至了1V以上.UC3844芯片各引脚电阻值见表3-2。表3-2UC3844芯片各引脚电阻(用MF47指针式万用表x1k档测量)值5脚搭红表笔:以上所测贴片元件3844B各引脚电阻值与双列塑封直插元件的引脚电阻稍有差异。4.基准电压源(可调式精密并联稳压器)TL431以上所测贴片元件3844B各引脚电阻值与双列塑封直插元件的引脚电阻稍有差异。TL431是一种具有电流输出能力的可调基准电压源输出电压范围2.5~36V。在开关电源电路中常与光耦合器配合构成隔离式电压反馈(误差电压放大器)电路。其主要优点是动态阻抗低典型值为0.20若构成稳压电路能显著提高稳压精度。工作电流IxA为1~100mA范围较宽。器件一般为3引脚和8引脚两种封装形式为三端控制器件。内部基准电压V.为2.5V接人电路达到稳态输出后外部基准端子VnEF电压也为2.5V因而此端子也称为外部基准端子。短接VReF和K端子接成图3-8中的左边的测试电路即成为2.5V稳压电路。稳压控制原理如下:当负载电流减小引起输出电压上升时内部运算放大器的同相端电压上升晶体管VT导通增强对负载电路进行并联式分流直到Vner端子电压等于2.5V为止。若在VREF端子和K、A极间接入分压电阻如图3-8中右边的测试电路可以调整输出电压为2.5~36V以内的任意值。在稳压电路中TL431与外围电路接成闭环电压控制电路从VRer端子输入的为输出电路反馈信号电路的动态调整即是将此反馈信号调整到2.5V左右电路达到平衡状态。TL431原理图和测试电路图测量线路图图3-8TL431元件符号、封装形式、原理图和测试电路图但在开关电源电路中对TL431并不是作为一个稳压电路来使用的如图3-3所示。分析一下稳压控制过程:当5V输出电压上升时R8、R9分压点电压上升流过TL431阳极、阴极间的电流上升。TL431的Ix电流的上升使光耦合器PC2输入侧二极管发光强度随之上升PC2输出侧光敏晶体管因受光面的光通量上升其导通等效内阻减小PC1的2脚(反馈电压引人脚)的电压升高IC201内部误差放大器的输出增大此信号控制内部PWM波发生器IC201的6脚输出的脉冲占空比变化使开关管TR1的截止时间变长TL1的储能减少二次绕组输出电压回落。常规由TL431构成的稳压电路中K极输出电压再经分压电阻反馈到VnEF端电路工作于闭环状态形成并联分流式稳压控制。而开关电源电路中TL431自身恰恰是工作于开环状态的利用VREF端子输人小信号电压的变化控制IAx较大电流的输出。当VReF端电压2.5V 时PC2、PC3中无电流U2约为5V;当VREF端电压≥2.5V时PC2、PC3中产生电流Ux约为2V左右。而且随着5V输出电压的上升Ik有明显的上升因回路电流在R6、R7上产生压降的缘故Ux反而有一定的下降。此种变化对控制光耦合器中的发光二极管的发光强度有较好的作用对二次绕组输出5V电压的稳压性有较好的保障。如同用一个高阻抗的电压源获得了一个低阻抗的电流源从而提高了控制的灵敏度。表3-3为三线端TL431各引脚电阻值8引脚贴片封装型式的TL431引脚电阻稍有差异。TL431的上电检测(见图3-3):脱开开关电源的输入电源和5V供电负载电路单独在C4两端加上5V左右的电源。1)测量第1脚(或第8脚)电压应为2.5V测量U2电压应为2V左右。2)测量R7两端电压降正常时应为3V左右。过低TL431漏电或短路损坏。等于5V时TL431已经开路损坏。3)用同阻值电阻并联R8时测量R7两端电压有显著上升;用同阻值电阻并联R9时R7两端电压有显著下降。说明TL431性能良好。采样电阻设计TL431的参考端流入电流最小为2uA但这样抗干扰性能很差一般取大于100倍即200uA以上对应采样电阻R25最大取值为12.5K。从而可以得到对应的R21电阻。