中达VDF-B型22kW变频器主电路原理及检修

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中达VDF-B型22kW变频器主电路原理及检修

——晶闸管主电路和触发脉冲形成电路的故障检修方法

一、主电路工作原理简析

中达VDF-B型22kW变频器主电路结构(见下图1),与其它变频器主电路的不同,是省去了充电接触器,3相输入整流电路采用晶闸管半控桥电路。

晶闸管

图1 中达VDF-B型22kW变频器主电路(简化图)

晶闸管3相半控桥的工作原理简述如下:

变频器上电初始时期,VT1~VT3等3只晶闸管器件因无触发信号送入,处于截止状态。R相输入交流电压(与S、T相构成通路)经D1半波整流、R1/R4限流、直流电抗器L为直流回路的储能电容充电,使主电路的P、N端子间的直流电压逐渐上升至一定值时,开关电源电路起振工作,主板MCU器件检测到直流回路的电压值上升至某一阈值后,从DJP1的23端子输出低电平的“晶闸管开通信号”,光耦合器DPH7由此产生输入侧电流,输出侧内部光敏晶体管导通,将振荡器DU2由3脚输出的脉冲信号输入晶体管DQ14的基极,经复合放大器DQ14、DQ15进行功率放大,由二极管DD16、DD30、DD31将触发脉冲信号分为3路,输入至晶闸管VT1~VT3等3只晶闸管的栅阴结,使VT1~VT3等3只晶闸管同时开通,由3只晶闸管和3只整流二极管构成的半控桥电路“变身为”3相桥式整流电路。

脉冲形成电路的供电电源由开关电源电路(开关变压器DT1的一个绕组)提供,整流电源的负端接主电路P端(3只晶闸管的阴极),振荡电路输出的正向脉冲,经功率放大电路输入晶闸管的栅极,形成触发电流的通路。触发脉冲形成电路由DU2、DQ14、DQ15等元件组成。时基电路1455B(同NE555)与外围DR64、DR45、DD27/DD28、DC42等定时元件构成多谐振荡电路,脉冲信号由3脚输出,脉冲信号向后级电路的传输与否受耦合器DPH7(MCU主板信号)的控制。变频器上电及主电路储能电容充电结束后,DU2输出脉冲信号一直在传输中,与常规晶闸管调压电路中的触发信号不同,信号不必与电网同步和具备确定的相位关系,这是一个振荡频率约为5kHz的“高频触发信号”,呈随机性地加到晶闸管的栅阴结上,总是使用3只晶闸管在电网电压过零点位置“尽早”开通。

二、晶闸管整流电路的故障检修

1、故障表现和检修思路(以图1变频器主电路为例)

晶闸管电路的典型故障表现,是启动时报“欠电压”故障,或上电无反应(操作显示面板也无指示)。上电无反应说明开关电源失去电源供应,变频器的充电限流电阻可能已经烧断,但其故障原因有可能是3只晶闸管半控桥没有投入正常,启动过程中,运行电流流经充电限流电阻令其烧断。

另外,报“欠电压”故障和3相电源电压偏低、储能电容的电容量变小,直流电压检测电路误报故障等,都有关系,须排除其它故障原因后,再检修晶闸管整流电路。

1)上电无反应。检查(见图1)D1、R1/R4等充电限流电路,排除其故障后,进而检查晶闸管整流电路和脉冲形成电路;

2)上电即(为变频器输送3相交流电源的空气断路器)跳闸,说明晶闸管整流电路存在短路故障,用万用表测量晶闸管半控桥,检查损坏元件;

4)上电反应正常,但一给出起动信号,即报“欠电压”故障,先排除其它故障原因后,再检查是否由晶闸管半控桥模块损坏或触发电路不良造成的故障原因:

a、晶闸管半控桥模块中有1只晶闸管损坏或1路触发脉冲电路不良,空载或轻载运行正常,负载率达50%以上时报欠电压故障,保护停机;

b、晶闸管半控桥模块中有2只晶闸管损坏或3路触发信号丢失,晶控管半控桥电路不工作,轻载投入启动信号,即报欠电压故障,变频器处于停机保护状态。

2、故障检修方法和步骤

1)先排除晶闸管半控模块的故障。

确诊为晶闸管整流电路没有正常工作,本着先易后难的故障检查原则,和先检查故障概率高的元件或电路,后检查故障概率低的元件电路的原则,先在机器停电状态,用电阻法或如图3-27的晶闸管在线测量法,判断并排除3块晶闸管半控桥的故障,再进而检修脉冲触发电路。

2)还可以进一步划分脉冲形成电路的故障范围。

触发脉冲形成电路输出的脉冲信号,换言之,触发脉冲形成电路,是变频器上电后即开始工作的。但触发脉冲信号能否加到晶闸管的栅阴结上,受到MCU主板来的“开关信号”的控制,暂时短接光耦合器DPH7输出侧(3、4脚)进行试验——人为形成“模拟的MCU晶闸管开通控制信号”,若晶闸管半控桥电路能正常工作,或在3只晶闸管的栅阴结能测得1V左右的正向脉冲电压值(栅极搭红表笔),说明DU2、DQ14、DQ15等脉冲形成电路是正常工作的,只是MCU主板的晶闸管开通信号,未能正常送入光耦合器DPH7的输入侧。

故障检查范围在光耦合器DPH7、排线端子的23端子及MCU主板前级电路,当MCU输出晶闸管开通信号,23端子应该变为0V(针对+5V而言)的低电平,或测量DPH7输入侧(1、2脚之间)的电压值为1.2V左右,说明由MCU主板的晶闸管开通控制信号已正常输入DPH7,DPH7不能正常传输控制信号已经损坏;若测量23端子电压为+5V,或测量DPH7输入侧(1、2脚之间)的电压值为0V左右,说明MCU主板未送入晶闸管开通信号,检查MCU主板前级电路的故障原因。

若暂时短接DPH7的输出侧,在晶闸管的栅阴结上仍检测不到正常的脉冲信号电压,说明触发脉冲形成电路本身故障。一般采用两种方法,即“电压法”和“波形法”进行对脉冲信号有、无的检查。

先看一下标注有正常工作电压值和波形图的触发脉冲形成电路(见图2)。

晶闸管

图2 触发脉冲形成电路

确定是触发信号形成电路的故障,则可以在脱开主电路、甚至与MCU主板电路相脱离的情况下,单独检修触发信号电路。只要单独为开关电源提供DC500V维修电源,使开关电源工作,提供触发脉冲信号形成电路的工作电源即可。当然,如果手头有独立的可调稳压电源,作为触发脉冲形成电路的工作电源也是可以的。可以采用3种检测方法,找到触发脉冲电路的故障所在。

触发脉冲电路的核心器件为DU2时基电路,该器件在工业控制电路中应用广泛,单稳态(延时)电路、双稳态(开关)电路、无稳态(振荡)电路的应用,器件属于模拟、数字混合电路,其电路结构及应用原理,读者可以参见相关技术书籍,这里不再作详细说明。但是检修以前,维修者须对器件的电路原理及引脚功能有所了解,并据此找到检修方法。

a、 “估算电压法”

DU2与外围元件接成无稳态(振荡)电路,充、放电电阻DR64、DR45对2、6脚外接电容DC42,在隔离二极管DD27、DD28作用下,形成各自的充、放电时间常数电路,在2、6脚形成锯齿波电压,其波形谷底电压为电源电压的1/3,波形的峰顶电平值为电源电压的2/3;3脚为脉冲信号输出脚,输出脉冲(矩形信号电压)的占容比取决于DR64、DR45和DC42的形成定时电路的时间常数,其波形峰顶为电源电压值,波形谷低为0V低电平。

无论是指针电压表或数字式电压表,其直流电压挡对所测量脉冲信号电压都有“平均化”作用,由此可以估算DU2的2、6脚电压值:1/3Vcc<2、6脚测量电压值<3/2Vcc,在已知电源电压为6.2V的前提下,可以推知2、6脚的信号电压值在2.5V~3.5V左右(实测值为3V,与推算值相近);DU2 的3脚所测信号电压的高低,与脉冲信号的占空比有关,根据电路特点(或根据DR64、DR45、DC42的值计算)分析,为降低不必要的触发功耗,脉冲占空比以10:1估算,所测信号电压值应在0.4V左右(实测值为0.34V,与推算值接近)。

以上对电路关键点信号电压值的推算或说是“估算”,能在维修者大脑中快速建立起电路正常状态的“参考座标”,如果所测量信号电压值偏离推算值过多,如测得0V或8V的电压值,则可以断定DU2振荡电路处于停止工作(停振)的异常状态。当电路修复正常后,测量准确的信号电压值与推算进行比较,可以修正推算误差,进而提高自己的推算准确度和推算能力。而多个检修过程的推演,由量变到质变,会形成检修者“个体化”的——快速判断电路异常——的检修经验。电路检修者的“功夫”也许就是这样“练成”的。

b、“动态电压法”

如果对电路的“常态”不易把握,或者是懒于推算DU2的关键脚信号电压值,也可以采用“动态电压法”,进一步判断故障在DU2器件本身或处围电路。“动态电压法”,是采用“人工手段”,破坏电路的“常态”,使电路“动起来”,进而由电路的动态变化,确定故障范围或故障元件。这是电路检修中非常有效,也经常采用的方法之一。其关键是在电路中找到“动手的地方”——电路的信号输入端,改变电路信号输入端的常态,同时测量输出端的动态变化,则可以从电路的输出状态能否“响应”输入状态的变化,来判断电路是否正常。

从整个电路构成出发(结合DU2时基电路自身功能),将2/6脚(实际电路中已经短接)作为信号输入端,将输出端3脚作为反相信号输出端,将放电端7脚作为同相信号输出端。即把DU2器件作为反相器(或同相器)电路,用输入开关量信号的方法作为DU2器件好坏的判断。用下述“动态电压法”检查DU2本身的好坏。

方法1:将2、6脚与供电地短接,同时测量输出端3脚应该变为8V高电平,7脚变为0V低电平;方法2:将2、6脚与供电正端(8.6V)相短接,同时测量输出端3脚应该变为0V低电平,7脚变为8V高电平。若测验结果相符,则DU2器件是好的,故障在外围电路;若输出端的电平变化与输入端不相符,或不随输入端电平变化而变化,则说明DU2器件已经损坏。这两种方法其实只需其中一种,即测验出DU2器件的好坏。

当然,还有其它的“动态电压法”也可以检测DU2的好坏,如利用开路和接入2/6脚外接电容DC42的方法,测量3脚的电压变化,从而可判断有无脉冲信号输出。

c、“信号视频化”

对于初学维修的朋友而言,对电路关键点脉冲信号的有无和测量电压值的高低,总有些“不摸底”的不踏实感,如果采用示波器,测试电路中各点的波形,使脉冲信号“视频化”,亲眼见到脉冲信号的有无,更易判断电路故障所在。

用示波器测量信号波形,是一个“直接看到脉冲信号”的好方法,如在DU2的2、6脚,应能测到锯齿波,在DU2的信号输出端3脚至触发脉冲端子的DQ14、DQ15晶体的基极、集电极,均应能测量触发脉冲波形。如在DQ15的基极测到波形,在集电极测不到波形,说明故障出在该级电路,检查晶体管DQ15或DR38等元件的故障就行了。

三、故障检修实例

﹝故障实例1﹞(以中达VDF-B型22kW变频器主电路为例)变频器上电无反应,操作面板无显示,测量控制端子的24V和10V辅助电源电压均为0。判断为开关电源或开关电源的供电回路故障。上电检测直流回路的储能电容两端无530V直流电压,说明由D1、R1/R4组成的预充电电路有故障,检查R1和R4均已断路,致使开关电源得不到输入电源,整机不工作。考虑到充电电阻断路的原因可能为三相整流电路中晶闸管元件因未被触发导通,预充电电路因承受运行电流冲击而烧断。将R1/R4换新后,上电后在三只可控硅的触发端子上检测到有1.9V的触发脉冲电压存在,说明触发脉冲形成电路没有问题,测量主电路电压为530V。故障排除。

﹝故障实例2﹞以中达VDF-B型22kW变频器,上电后显示正常,但带载时投入运行信号,即报欠电压故障。

上电在停机状态,测量3只晶闸管的触发端子,无脉冲信号输入。判断为触发脉冲形成电路故障。先短接光耦合器DPH7的输出侧3、脚,在3只晶闸管的触发端子,仍旧测不到脉冲电压。说明不是MCU主板的晶闸管开通信号异常所致(测DPH7的1、2脚之间,有1、2V电压值,说明由MCU主板来的晶闸管开通信号是正常的)。测DU2各引脚的电压值正常,3脚有正常的脉冲电压输出,故障原因可能后级功率放大电路异常,使脉冲信号不能正常传输至晶闸管的栅阴结。测量晶体管DQ15的发射结电压,正常时应为0、1V左右(系脉冲信号输入),现在的测量值偏高,DQ15的发射结可能已经开路损坏。试短接DQ15的集电极和发射极,在主电路3只晶闸管的触发端子上,都能测到脉冲电压。

以上检查证实DQ15已经损坏,更换新管,故障排除。

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