中達VDF-B型22kW變頻器主電路原理及檢修

——晶閘管主電路和觸發(fā)脈沖形成電路的故障檢修方法

一、主電路工作原理簡析

中達VDF-B型22kW變頻器主電路結(jié)構(gòu)(見下圖1)，與其它變頻器主電路的不同，是省去了充電接觸器，3相輸入整流電路采用晶閘管半控橋電路。

圖1 中達VDF-B型22kW變頻器主電路(簡化圖)

晶閘管3相半控橋的工作原理簡述如下：

變頻器上電初始時期，VT1~VT3等3只晶閘管器件因無觸發(fā)信號送入，處于截止狀態(tài)。R相輸入交流電壓(與S、T相構(gòu)成通路)經(jīng)D1半波整流、R1/R4限流、直流電抗器L為直流回路的儲能電容充電，使主電路的P、N端子間的直流電壓逐漸上升至一定值時，開關(guān)電源電路起振工作，主板MCU器件檢測到直流回路的電壓值上升至某一閾值后，從DJP1的23端子輸出低電平的“晶閘管開通信號”，光耦合器DPH7由此產(chǎn)生輸入側(cè)電流，輸出側(cè)內(nèi)部光敏晶體管導通，將振蕩器DU2由3腳輸出的脈沖信號輸入晶體管DQ14的基極，經(jīng)復(fù)合放大器DQ14、DQ15進行功率放大，由二極管DD16、DD30、DD31將觸發(fā)脈沖信號分為3路，輸入至晶閘管VT1~VT3等3只晶閘管的柵陰結(jié)，使VT1~VT3等3只晶閘管同時開通，由3只晶閘管和3只整流二極管構(gòu)成的半控橋電路“變身為”3相橋式整流電路。

脈沖形成電路的供電電源由開關(guān)電源電路(開關(guān)變壓器DT1的一個繞組)提供，整流電源的負端接主電路P端(3只晶閘管的陰極)，振蕩電路輸出的正向脈沖，經(jīng)功率放大電路輸入晶閘管的柵極，形成觸發(fā)電流的通路。觸發(fā)脈沖形成電路由DU2、DQ14、DQ15等元件組成。時基電路1455B(同NE555)與外圍DR64、DR45、DD27/DD28、DC42等定時元件構(gòu)成多諧振蕩電路，脈沖信號由3腳輸出，脈沖信號向后級電路的傳輸與否受耦合器DPH7(MCU主板信號)的控制。變頻器上電及主電路儲能電容充電結(jié)束后，DU2輸出脈沖信號一直在傳輸中，與常規(guī)晶閘管調(diào)壓電路中的觸發(fā)信號不同，信號不必與電網(wǎng)同步和具備確定的相位關(guān)系，這是一個振蕩頻率約為5kHz的“高頻觸發(fā)信號”，呈隨機性地加到晶閘管的柵陰結(jié)上，總是使用3只晶閘管在電網(wǎng)電壓過零點位置“盡早”開通。

二、晶閘管整流電路的故障檢修

1、故障表現(xiàn)和檢修思路(以圖1變頻器主電路為例)

晶閘管電路的典型故障表現(xiàn)，是啟動時報“欠電壓”故障，或上電無反應(yīng)(操作顯示面板也無指示)。上電無反應(yīng)說明開關(guān)電源失去電源供應(yīng)，變頻器的充電限流電阻可能已經(jīng)燒斷，但其故障原因有可能是3只晶閘管半控橋沒有投入正常，啟動過程中，運行電流流經(jīng)充電限流電阻令其燒斷。

另外，報“欠電壓”故障和3相電源電壓偏低、儲能電容的電容量變小，直流電壓檢測電路誤報故障等，都有關(guān)系，須排除其它故障原因后，再檢修晶閘管整流電路。

1)上電無反應(yīng)。檢查(見圖1)D1、R1/R4等充電限流電路，排除其故障后，進而檢查晶閘管整流電路和脈沖形成電路;

2)上電即(為變頻器輸送3相交流電源的空氣斷路器)跳閘，說明晶閘管整流電路存在短路故障，用萬用表測量晶閘管半控橋，檢查損壞元件;

4)上電反應(yīng)正常，但一給出起動信號，即報“欠電壓”故障，先排除其它故障原因后，再檢查是否由晶閘管半控橋模塊損壞或觸發(fā)電路不良造成的故障原因：

a、晶閘管半控橋模塊中有1只晶閘管損壞或1路觸發(fā)脈沖電路不良，空載或輕載運行正常，負載率達50%以上時報欠電壓故障，保護停機;

b、晶閘管半控橋模塊中有2只晶閘管損壞或3路觸發(fā)信號丟失，晶控管半控橋電路不工作，輕載投入啟動信號，即報欠電壓故障，變頻器處于停機保護狀態(tài)。

2、故障檢修方法和步驟

1)先排除晶閘管半控模塊的故障。

確診為晶閘管整流電路沒有正常工作，本著先易后難的故障檢查原則，和先檢查故障概率高的元件或電路，后檢查故障概率低的元件電路的原則，先在機器停電狀態(tài)，用電阻法或如圖3-27的晶閘管在線測量法，判斷并排除3塊晶閘管半控橋的故障，再進而檢修脈沖觸發(fā)電路。

2)還可以進一步劃分脈沖形成電路的故障范圍。

觸發(fā)脈沖形成電路輸出的脈沖信號，換言之，觸發(fā)脈沖形成電路，是變頻器上電后即開始工作的。但觸發(fā)脈沖信號能否加到晶閘管的柵陰結(jié)上，受到MCU主板來的“開關(guān)信號”的控制，暫時短接光耦合器DPH7輸出側(cè)(3、4腳)進行試驗——人為形成“模擬的MCU晶閘管開通控制信號”，若晶閘管半控橋電路能正常工作，或在3只晶閘管的柵陰結(jié)能測得1V左右的正向脈沖電壓值(柵極搭紅表筆)，說明DU2、DQ14、DQ15等脈沖形成電路是正常工作的，只是MCU主板的晶閘管開通信號，未能正常送入光耦合器DPH7的輸入側(cè)。

故障檢查范圍在光耦合器DPH7、排線端子的23端子及MCU主板前級電路，當MCU輸出晶閘管開通信號，23端子應(yīng)該變?yōu)?V(針對+5V而言)的低電平，或測量DPH7輸入側(cè)(1、2腳之間)的電壓值為1.2V左右，說明由MCU主板的晶閘管開通控制信號已正常輸入DPH7，DPH7不能正常傳輸控制信號已經(jīng)損壞;若測量23端子電壓為+5V，或測量DPH7輸入側(cè)(1、2腳之間)的電壓值為0V左右，說明MCU主板未送入晶閘管開通信號，檢查MCU主板前級電路的故障原因。

若暫時短接DPH7的輸出側(cè)，在晶閘管的柵陰結(jié)上仍檢測不到正常的脈沖信號電壓，說明觸發(fā)脈沖形成電路本身故障。一般采用兩種方法，即“電壓法”和“波形法”進行對脈沖信號有、無的檢查。

先看一下標注有正常工作電壓值和波形圖的觸發(fā)脈沖形成電路(見圖2)。

圖2 觸發(fā)脈沖形成電路

確定是觸發(fā)信號形成電路的故障，則可以在脫開主電路、甚至與MCU主板電路相脫離的情況下，單獨檢修觸發(fā)信號電路。只要單獨為開關(guān)電源提供DC500V維修電源，使開關(guān)電源工作，提供觸發(fā)脈沖信號形成電路的工作電源即可。當然，如果手頭有獨立的可調(diào)穩(wěn)壓電源，作為觸發(fā)脈沖形成電路的工作電源也是可以的。可以采用3種檢測方法，找到觸發(fā)脈沖電路的故障所在。

觸發(fā)脈沖電路的核心器件為DU2時基電路，該器件在工業(yè)控制電路中應(yīng)用廣泛，單穩(wěn)態(tài)(延時)電路、雙穩(wěn)態(tài)(開關(guān))電路、無穩(wěn)態(tài)(振蕩)電路的應(yīng)用，器件屬于模擬、數(shù)字混合電路，其電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)用原理，讀者可以參見相關(guān)技術(shù)書籍，這里不再作詳細說明。但是檢修以前，維修者須對器件的電路原理及引腳功能有所了解，并據(jù)此找到檢修方法。

a、 “估算電壓法”

DU2與外圍元件接成無穩(wěn)態(tài)(振蕩)電路，充、放電電阻DR64、DR45對2、6腳外接電容DC42，在隔離二極管DD27、DD28作用下，形成各自的充、放電時間常數(shù)電路，在2、6腳形成鋸齒波電壓，其波形谷底電壓為電源電壓的1/3，波形的峰頂電平值為電源電壓的2/3;3腳為脈沖信號輸出腳，輸出脈沖(矩形信號電壓)的占容比取決于DR64、DR45和DC42的形成定時電路的時間常數(shù)，其波形峰頂為電源電壓值，波形谷低為0V低電平。

無論是指針電壓表或數(shù)字式電壓表，其直流電壓擋對所測量脈沖信號電壓都有“平均化”作用，由此可以估算DU2的2、6腳電壓值：1/3Vcc<2、6腳測量電壓值<3/2Vcc，在已知電源電壓為6.2V的前提下，可以推知2、6腳的信號電壓值在2.5V~3.5V左右(實測值為3V，與推算值相近);DU2 的3腳所測信號電壓的高低，與脈沖信號的占空比有關(guān)，根據(jù)電路特點(或根據(jù)DR64、DR45、DC42的值計算)分析，為降低不必要的觸發(fā)功耗，脈沖占空比以10：1估算，所測信號電壓值應(yīng)在0.4V左右(實測值為0.34V，與推算值接近)。

以上對電路關(guān)鍵點信號電壓值的推算或說是“估算”，能在維修者大腦中快速建立起電路正常狀態(tài)的“參考座標”，如果所測量信號電壓值偏離推算值過多，如測得0V或8V的電壓值，則可以斷定DU2振蕩電路處于停止工作(停振)的異常狀態(tài)。當電路修復(fù)正常后，測量準確的信號電壓值與推算進行比較，可以修正推算誤差，進而提高自己的推算準確度和推算能力。而多個檢修過程的推演，由量變到質(zhì)變，會形成檢修者“個體化”的——快速判斷電路異常——的檢修經(jīng)驗。電路檢修者的“功夫”也許就是這樣“練成”的。

b、“動態(tài)電壓法”

如果對電路的“常態(tài)”不易把握，或者是懶于推算DU2的關(guān)鍵腳信號電壓值，也可以采用“動態(tài)電壓法”，進一步判斷故障在DU2器件本身或處圍電路。“動態(tài)電壓法”，是采用“人工手段”，破壞電路的“常態(tài)”，使電路“動起來”，進而由電路的動態(tài)變化，確定故障范圍或故障元件。這是電路檢修中非常有效，也經(jīng)常采用的方法之一。其關(guān)鍵是在電路中找到“動手的地方”——電路的信號輸入端，改變電路信號輸入端的常態(tài)，同時測量輸出端的動態(tài)變化，則可以從電路的輸出狀態(tài)能否“響應(yīng)”輸入狀態(tài)的變化，來判斷電路是否正常。

從整個電路構(gòu)成出發(fā)(結(jié)合DU2時基電路自身功能)，將2/6腳(實際電路中已經(jīng)短接)作為信號輸入端，將輸出端3腳作為反相信號輸出端，將放電端7腳作為同相信號輸出端。即把DU2器件作為反相器(或同相器)電路，用輸入開關(guān)量信號的方法作為DU2器件好壞的判斷。用下述“動態(tài)電壓法”檢查DU2本身的好壞。

方法1：將2、6腳與供電地短接，同時測量輸出端3腳應(yīng)該變?yōu)?V高電平，7腳變?yōu)?V低電平;方法2：將2、6腳與供電正端(8.6V)相短接，同時測量輸出端3腳應(yīng)該變?yōu)?V低電平，7腳變?yōu)?V高電平。若測驗結(jié)果相符，則DU2器件是好的，故障在外圍電路;若輸出端的電平變化與輸入端不相符，或不隨輸入端電平變化而變化，則說明DU2器件已經(jīng)損壞。這兩種方法其實只需其中一種，即測驗出DU2器件的好壞。

當然，還有其它的“動態(tài)電壓法”也可以檢測DU2的好壞，如利用開路和接入2/6腳外接電容DC42的方法，測量3腳的電壓變化，從而可判斷有無脈沖信號輸出。

c、“信號視頻化”

對于初學維修的朋友而言，對電路關(guān)鍵點脈沖信號的有無和測量電壓值的高低，總有些“不摸底”的不踏實感，如果采用示波器，測試電路中各點的波形，使脈沖信號“視頻化”，親眼見到脈沖信號的有無，更易判斷電路故障所在。

用示波器測量信號波形，是一個“直接看到脈沖信號”的好方法，如在DU2的2、6腳，應(yīng)能測到鋸齒波，在DU2的信號輸出端3腳至觸發(fā)脈沖端子的DQ14、DQ15晶體的基極、集電極，均應(yīng)能測量觸發(fā)脈沖波形。如在DQ15的基極測到波形，在集電極測不到波形，說明故障出在該級電路，檢查晶體管DQ15或DR38等元件的故障就行了。

三、故障檢修實例

﹝故障實例1﹞(以中達VDF-B型22kW變頻器主電路為例)變頻器上電無反應(yīng)，操作面板無顯示，測量控制端子的24V和10V輔助電源電壓均為0。判斷為開關(guān)電源或開關(guān)電源的供電回路故障。上電檢測直流回路的儲能電容兩端無530V直流電壓，說明由D1、R1/R4組成的預(yù)充電電路有故障，檢查R1和R4均已斷路，致使開關(guān)電源得不到輸入電源，整機不工作。考慮到充電電阻斷路的原因可能為三相整流電路中晶閘管元件因未被觸發(fā)導通，預(yù)充電電路因承受運行電流沖擊而燒斷。將R1/R4換新后，上電后在三只可控硅的觸發(fā)端子上檢測到有1.9V的觸發(fā)脈沖電壓存在，說明觸發(fā)脈沖形成電路沒有問題，測量主電路電壓為530V。故障排除。

﹝故障實例2﹞以中達VDF-B型22kW變頻器，上電后顯示正常，但帶載時投入運行信號，即報欠電壓故障。

上電在停機狀態(tài)，測量3只晶閘管的觸發(fā)端子，無脈沖信號輸入。判斷為觸發(fā)脈沖形成電路故障。先短接光耦合器DPH7的輸出側(cè)3、腳，在3只晶閘管的觸發(fā)端子，仍舊測不到脈沖電壓。說明不是MCU主板的晶閘管開通信號異常所致(測DPH7的1、2腳之間，有1、2V電壓值，說明由MCU主板來的晶閘管開通信號是正常的)。測DU2各引腳的電壓值正常，3腳有正常的脈沖電壓輸出，故障原因可能后級功率放大電路異常，使脈沖信號不能正常傳輸至晶閘管的柵陰結(jié)。測量晶體管DQ15的發(fā)射結(jié)電壓，正常時應(yīng)為0、1V左右(系脈沖信號輸入)，現(xiàn)在的測量值偏高，DQ15的發(fā)射結(jié)可能已經(jīng)開路損壞。試短接DQ15的集電極和發(fā)射極，在主電路3只晶閘管的觸發(fā)端子上，都能測到脈沖電壓。

以上檢查證實DQ15已經(jīng)損壞，更換新管，故障排除。