616G3-55kW安川變頻器主電路、驅(qū)動(dòng)電路圖及圖說
一、《616G3-55kW安川變頻器》主電路
《616G3-55kW安川變頻器》主電路圖說
所有變頻器主電路的結(jié)構(gòu)都是相似的，乃至于是相同的。而安川變頻器的主電路和臺(tái)灣東元變頻器的主電路更是如出一轍。稍后我觀察到兩機(jī)的控制面板是一樣的，控制面板和參數(shù)的設(shè)置也是相似的。發(fā)現(xiàn)兩種從硬件到軟件都相似甚至于是相同的機(jī)器，給安裝調(diào)試與維修，都會(huì)帶來很多的方便。只要手頭有一種技術(shù)資料參考，就可以調(diào)試和維修二種設(shè)備了。
打開這兩種大功率變頻器的外殼，檢查主電路時(shí)，安裝于逆變模塊上方（與模塊并聯(lián)的）的六只長方形盒體狀的大東西，首先會(huì)引起我們的興趣——與每相上臂IGBT管子并聯(lián)的是型號(hào)為MS1250D225P，與下臂IGBT管子并聯(lián)的型號(hào)為MS1250D225N。用句網(wǎng)絡(luò)上的話說：這究竟是個(gè)什么東東？安裝于此處意欲何為呢？
大凡并聯(lián)在IGBT管子上的東西，或電容或阻容網(wǎng)絡(luò)，均是為保護(hù)IGBT管子而設(shè)置的。即當(dāng)該管子截止時(shí)，快速消耗掉反向電壓所形成的能量，提供一個(gè)反向電流的通路，以保護(hù)IGBT管子不承受（實(shí)質(zhì)上是使其承受得少一點(diǎn)罷了）反壓的沖擊。眾所周知，無論是雙極型或是場效應(yīng)器件，在承受正向電壓上往往有一定的富裕量，但對(duì)于反向電壓的耐受能力卻是極其脆弱的。所以在IGBT管子上并聯(lián)的一嘟嘍一嘟嘍的東西，可以說都是完成此一消耗反壓任務(wù)的。
需要說明的是：MS1250D225P和MS1250D225N的內(nèi)部電路，筆者并未打開實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證，模塊損壞后，這兩種器件往往都是完好的，所以也不便將其破壞后拆解。上圖的內(nèi)部電路是據(jù)測量揣摩畫出的，僅為讀者朋友提供一個(gè)參考。我查找了大量資料和在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行了搜尋，均未找到此元件的資料。從揣測電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行原理上的分析，顯然容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。故暫時(shí)省略對(duì)其原理的解析。
但在模塊上并聯(lián)了此類元件后，將在檢修上給我們帶來新的體驗(yàn)。見下述。
按照常規(guī)的檢修方法，我們?cè)诟鼡Q損壞的模塊后，進(jìn)行通電試驗(yàn)前，須將上圖中的P點(diǎn)切斷，串入兩只25W（或40W）燈泡，再行上電，這樣萬一逆變模塊回路或驅(qū)動(dòng)電路異常，造成上、下臂兩只IGBT管子共通對(duì)直流電源的短路時(shí)，因燈泡的限流作用，使昂貴的IGBT模塊免遭損壞。其它品牌的變頻器，在管子兩端并聯(lián)皮法級(jí)的小容量電容，在通電或變頻器啟動(dòng)后，只要U、V、W輸出端子空載，燈泡是不會(huì)亮的。但安川變頻器在檢修中的表現(xiàn)就有所不同了。在P點(diǎn)串入燈泡，上電，燈泡不亮，是對(duì)的，我松了一口氣；按操作面板啟動(dòng)變頻器，燈泡變?yōu)檠┝粒牧?，輸出模塊有短路現(xiàn)象！這是我的第一判斷。停電檢查模塊和驅(qū)動(dòng)電路，均無異常?；仡^查看電路結(jié)構(gòu)，在拆除掉MS1250D225P和MS1250D225N后，啟動(dòng)變頻器后燈泡不亮了。測空載輸出三相電壓正常。這兩只元件與外接10Ω80W電阻，提供了約百毫安的電流通路，使25W燈泡變?yōu)檠┝痢Ｒ詭资叩墓牡臓奚鼡Q來IGBT管子更高的安全性，這是安川變頻器的模塊保護(hù)電路的特色。
變頻器空載啟動(dòng)后，由于MS1250D225P和MS1250D225N等元件的關(guān)系，逆變電路自身形成了一定的電路通路，并非為逆變模塊不良造成。該機(jī)是一個(gè)特例。有了電路通路，也并一定是模塊已經(jīng)損壞了，觀察一下，是哪些元件提供了此電流的通路？當(dāng)新鮮的經(jīng)驗(yàn)固化成思維定式，對(duì)故障的誤判就在所難免了。
整機(jī)控制電源是由圖下方一只多抽頭變壓器來取得的。插座3CN和4CN的短接線不同，可調(diào)整輸入電壓的級(jí)別，以保證次級(jí)繞組AC220V電壓的精確度。散熱風(fēng)機(jī)是采用AC220V電源的，此電源又經(jīng)整濾波做為開關(guān)電源的輸入。單獨(dú)檢修驅(qū)動(dòng)板時(shí)，須將風(fēng)扇端子的2、3；接觸器端子的3、4；14CN，15CN，16CN的端子均短接，人為消除欠壓（FU/LU）、過熱（OH）、風(fēng)扇壞（FAN）等故障信號(hào)，才能使CPU輸出六路脈沖信號(hào)，便于對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行檢查。
二、《616G3-55kW安川變頻器》驅(qū)動(dòng)/保護(hù)電路
《616G3-55kW安川變頻器》驅(qū)動(dòng)電路/保護(hù)電路圖說
驅(qū)動(dòng)電路的種類也是大同小異的。我們見得最多的是用PC929、A316J等IC構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，模塊故障檢測電路（保護(hù)電路）也同時(shí)集成在內(nèi)了。雖然可以找到有關(guān)A3316J等的電路資料，能看到內(nèi)部的單元方框電路圖和對(duì)電路原理的介紹，但對(duì)其保護(hù)電路的具體構(gòu)成，總是感到一絲“觸不到實(shí)處”的茫然——IC內(nèi)部的保護(hù)電路，的確是看不到也摸不著的呀。恰巧本電路是用分立元件構(gòu)成的檢測與保護(hù)電路，更便于理解檢測與保護(hù)動(dòng)作過程。將上圖中的一路脈沖與保護(hù)電路稍為改畫，即可看出IGBT管壓降檢測電路是如何對(duì)模塊實(shí)施保護(hù)動(dòng)作的了：
電路原理：由CPU引腳來的PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)U2光電耦合器隔離和放大后，送入模塊保護(hù)電路。正常狀態(tài)下，此脈沖信號(hào)再經(jīng)Q2和Q3的推挽式功率放大電路放大，直接驅(qū)動(dòng)IGBT模塊。一般認(rèn)為，IGBT模塊為電壓型驅(qū)動(dòng)模塊，此種觀念有失偏頗。IGBT管子的輸入柵-射結(jié)電容，恰恰需要瞬態(tài)的大涌入電流！這就是為什么會(huì)采用Q2、Q3來做功率放大的原因。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的引入電阻，也是5Ω8W的功率電阻。而從這個(gè)意義上來講，從本質(zhì)上來看，IGBT模塊，仍為電流型驅(qū)動(dòng)器件。這是筆者的看法，不知當(dāng)否？當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的電流輸出能力不足時(shí)，會(huì)使三相輸出電流產(chǎn)生斷續(xù)，電機(jī)振動(dòng)，發(fā)出隆隆聲。脈沖處理電路原理另見其它圖說，此處重點(diǎn)是看保護(hù)電路如何動(dòng)作的。
在變頻器未接受啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，U2的輸出腳7、8為截止負(fù)電壓，如以0V電源線做為參考點(diǎn)的話，此時(shí)7、8腳電壓約-9.5V(忽略內(nèi)部管子的飽合壓降)，此負(fù)壓經(jīng)R13、R3引入到Q2和Q3的基極。Q2因反偏壓而截止，Q3因正偏壓而導(dǎo)通，IGBT模塊的柵偏壓為負(fù)，處于截止?fàn)顟B(tài)。電阻R1、R2對(duì)+15V和負(fù)-9.5V分壓得到3V的電平。D9為擊穿電壓值為9V的穩(wěn)壓管，R1與R2的分壓值不足以使其擊穿，故Q3無偏流，處于截止?fàn)顟B(tài)。光電耦合器U1無輸入電流，故無GF（接地）和OC（過載、短路）等故障信號(hào)返回CPU。當(dāng)CPU發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)候，U2的7、8腳變?yōu)榉逯禐?/span>15V的正脈沖電壓，D1的正極此際便上升為+15V，此時(shí)便出現(xiàn)了兩種情況：一種情況下是模塊良好，IGBT管子在正激勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)下迅即導(dǎo)通，可認(rèn)為P、E兩點(diǎn)之間瞬時(shí)短接了。D1的負(fù)端電位瞬即拉為0V，也將D2的負(fù)端電位拉為1V以下，因未達(dá)到D2的擊穿值，使Q3仍無基極偏流而截止；一種情況下是模塊已或因負(fù)載異常使運(yùn)行電流過大，或因Q3等驅(qū)動(dòng)電路本身不良使IGBT管子并未良好地導(dǎo)通，D1的負(fù)端為高電位而截止，+15V經(jīng)R1使D2擊穿，Q3得到偏流導(dǎo)通，將Q2基極的正脈沖電壓拉為零電平，IGBT模塊失去脈沖而截止。同時(shí)Q3的導(dǎo)通產(chǎn)生了U1的輸入電流，U1將模塊故障信號(hào)送入CPU?？梢姶穗娐肥潜Ｗo(hù)電路先切斷了IGBT管子的驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)送出了模塊故障信號(hào)。保護(hù)是及時(shí)和快速的。
三、《616G3-55kW安川變頻器》驅(qū)動(dòng)/FU電路
《616G3-55kW安川變頻器》驅(qū)動(dòng)/FU電路圖說
驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)電路，是根據(jù)激勵(lì)脈沖發(fā)送期間，IGBT管子的管壓降的大小，來實(shí)施保護(hù)動(dòng)作和發(fā)送OC信號(hào)的。據(jù)資料上介紹：IGBT模塊在正常（額定電流）情況下的導(dǎo)通壓降為3V左右。而當(dāng)其管壓降達(dá)到7V以上時(shí)，說明IGBT模塊中流過的電流已超過Ie的180%至200%，此時(shí)的保護(hù)動(dòng)作當(dāng)然是愈快愈好的了。設(shè)置此保護(hù)電路的目的，是彌補(bǔ)電流互感器等后續(xù)電流檢測電路保護(hù)動(dòng)作遲緩的不足——電流檢測電路中不可避免地應(yīng)用較大容量的濾波電容，使電路有了一定時(shí)間常數(shù)，而反應(yīng)遲緩。而IGBT的管壓降檢測電路，則由于反應(yīng)迅速可稱之為快速保護(hù)動(dòng)作電路，猶如快速行動(dòng)部隊(duì)，是處理應(yīng)急事件的。對(duì)輕微過流和限流調(diào)節(jié)等處理，還是由電流互感器回路的電流檢測電路來實(shí)施的。
在驅(qū)動(dòng)電路中還附設(shè)了保險(xiǎn)熔斷的檢測電路。一般變頻器，是在直流回路P端串入一只快速熔斷保險(xiǎn)，來實(shí)施模塊保護(hù)的。而本機(jī)電路卻在每相輸出模塊上各串入了一只保險(xiǎn)。每個(gè)廠家生產(chǎn)的變頻器，大致都有如此的趨勢：早期產(chǎn)品不免粗老笨重之嫌，其用戶控制功能上不夠完善，但在其制作選料上卻有較大的富裕量；在保護(hù)性能上有保守之嫌，卻不惜添加現(xiàn)在看來是多余的元器件，來保障保護(hù)電路的可靠性。安川變頻器的早期產(chǎn)品也未能免俗。而隨著產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步和市場競爭的激烈，變頻器功能提升，而成本下降甚至有偷工減料之嫌。變頻器的運(yùn)行可靠性也因此打了折扣，國產(chǎn)變頻器當(dāng)以此為戒。
三路保險(xiǎn)熔斷的檢測電路，是將下三臂驅(qū)動(dòng)電源的0V線與主直流回路的N線做比較，來判斷熔絲是否正常的。正常狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)電源的0V線與N線是經(jīng)保險(xiǎn)相連的，是等電位的。即下三臂IGBT管子的E極是與主直流回路的N線是相連的。故三極管Q4、Q19、Q28的基極偏壓為零。三只管子均截止。當(dāng)任一相輸出模塊的保險(xiǎn)斷開時(shí)，N線與該相驅(qū)動(dòng)電源的0V線產(chǎn)生了巨大的電位差，三極管承受正偏壓而導(dǎo)通。Q5、Q20、Q29三只光耦接成或門電路，任一只光耦的輸入信號(hào)都會(huì)傳輸?shù)酵粋€(gè)輸出點(diǎn)上，將快速保險(xiǎn)的熔斷信號(hào)傳送給CPU，使CPU報(bào)出FU（熔絲）斷信號(hào)，并拒絕接受啟動(dòng)信號(hào)。
安川變頻器的故障信號(hào)報(bào)警，也有一個(gè)先后次序的有趣問題。如過熱、欠壓、過流、風(fēng)扇故障、保險(xiǎn)熔斷故障等，上電時(shí)，即給出故障代碼的警示，并拒絕啟動(dòng)操作；在啟動(dòng)期間，由模塊保護(hù)電路檢測到的模塊故障，以GF（接地故障）代碼警示。而在運(yùn)行過程中檢測到模塊故障時(shí)，則報(bào)以OC（運(yùn)行過流，負(fù)載短路等）故障代碼信號(hào)。IGBT管壓降檢測電路輸出的同一個(gè)信號(hào)，因輸出的時(shí)機(jī)不同（一個(gè)是在啟動(dòng)過程中，一個(gè)是在運(yùn)行過程中），變頻器報(bào)出的卻是兩個(gè)不同的故障代碼（GF：接地故障；OC：過載或短路故障）。同樣，在電流和電壓檢測電路，有時(shí)也會(huì)采用相同的手段，同一處保護(hù)電路報(bào)出的過流或過壓信號(hào)，則因變頻器工作狀態(tài)的不同（啟動(dòng)中或運(yùn)行中），而有可能報(bào)出不相同的故障代碼或?qū)Υ瞬扇〔幌嗤奶幚泶胧?。這一切取決于軟件設(shè)計(jì)者的思路。每一個(gè)廠家的變頻器，在控制思路上，必然會(huì)有大同小異之處。注意變頻器報(bào)故障的相關(guān)特點(diǎn)，便于高效率地判斷故障所在。
分析保護(hù)電路，要配合主電路和驅(qū)動(dòng)（保護(hù)）兩部分或三部分綜合起來看，好多圖紙是分解成各個(gè)單元電路來繪制的。讀者諸君必須強(qiáng)化自己綜合讀圖、連貫讀圖的能力。這是我送給您的一個(gè)忠告。
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