工業(yè)機(jī)器人變頻器的電路分析及維修方式

下圖是它的結(jié)構(gòu)圖。

圖1.1

變頻器基本電路圖分析

目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交—直—交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，其主回路圖（見(jiàn)圖1.1），它是變頻器的核心電路，由整流回路（交—直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直—交變換）組成，當(dāng)然還包括有限流電路、制動(dòng)電路、控制電路等組成部分。

圖1.2

1）整流電路

如圖1.2所示，通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過(guò)吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號(hào)和浪涌過(guò)電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相380V時(shí)，整流器件的最大反向電壓一般為1200—1600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。

2）濾波電路

逆變器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動(dòng)機(jī)，無(wú)論異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動(dòng)機(jī)之間，總會(huì)有無(wú)功功率的交換，這種無(wú)功能量要靠直流中間電路的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖。同時(shí)，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動(dòng)，直流濾波電路起到對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。

通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個(gè)阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會(huì)嚴(yán)重制約變頻器的壽命。

3）逆變電路

逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。

最常見(jiàn)的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。

通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)電路。如三菱公司生產(chǎn)的IPMPM50RSA120，富士公司生產(chǎn)的7MBP50RA060，西門(mén)子公司生產(chǎn)的BSM50GD120等，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測(cè)保護(hù)功能。模塊的典型開(kāi)關(guān)頻率為20KHz，保護(hù)功能為欠電壓、過(guò)電壓和過(guò)熱故障時(shí)輸出故障信號(hào)燈。

逆變電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過(guò)程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)，同時(shí)處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時(shí)，對(duì)換流器件進(jìn)行保護(hù) .

4）驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是將主控電路中CPU產(chǎn)生的六個(gè)PWM信號(hào)，經(jīng)光電隔離和放大后，作為逆變電路的換流器件（逆變模塊）提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的各種要求，因換流器件的不同而異。同時(shí)，一些開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)了許多適宜各種換流器件的專用驅(qū)動(dòng)模塊。有些品牌、型號(hào)的變頻器直接采用專用驅(qū)動(dòng)模塊。但是，大部分的變頻器采用驅(qū)動(dòng)電路。從修理的角度考慮，這里介紹較典型的驅(qū)動(dòng)電路。圖二是較常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)電路（驅(qū)動(dòng)電路電源見(jiàn)圖2.3）。

驅(qū)動(dòng)電路由隔離放大電路、驅(qū)動(dòng)放大電路和驅(qū)動(dòng)電路電源組成。三個(gè)上橋臂驅(qū)動(dòng)電路是三個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源電路，三個(gè)下橋臂驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)公共的驅(qū)動(dòng)電源電路。

5）保護(hù)電路

當(dāng)變頻器出現(xiàn)異常時(shí)，為了使變頻器因異常造成的損失減少到最小，甚至減少到零。每個(gè)品牌的變頻器都很重視保護(hù)功能，都設(shè)法增加保護(hù)功能，提高保護(hù)功能的有效性。

在變頻器保護(hù)功能的領(lǐng)域，廠商可謂使盡解數(shù)，作好文章。這樣，也就形成了變頻器保護(hù)電路的多樣性和復(fù)雜性。有常規(guī)的檢測(cè)保護(hù)電路，軟件綜合保護(hù)功能。有些變頻器的驅(qū)動(dòng)電路模塊、智能功率模塊、整流逆變組合模塊等，內(nèi)部都具有保護(hù)功能。

圖四所示的電路是較典型的過(guò)流檢測(cè)保護(hù)電路。由電流取樣、信號(hào)隔離放大、信號(hào)放大輸出三部分組成。

6）開(kāi)關(guān)電源電路

開(kāi)關(guān)電源電路向操作面板、主控板、驅(qū)動(dòng)電路及風(fēng)機(jī)等電路提供低壓電源。圖五富士G11型開(kāi)關(guān)電源電路組成的結(jié)構(gòu)圖。

直流高壓P端加到高頻脈沖變壓器初級(jí)端，開(kāi)關(guān)調(diào)整管串接脈沖變壓器另一個(gè)初級(jí)端后，再接到直流高壓N端。開(kāi)關(guān)管周期性地導(dǎo)通、截止，使初級(jí)直流電壓換成矩形波。由脈沖變壓器耦合到次級(jí)，再經(jīng)整流濾波后，獲得相應(yīng)的直流輸出電壓。它又對(duì)輸出電壓取樣比較，去控制脈沖調(diào)寬電路，以改變脈沖寬度的方式，使輸出電壓穩(wěn)定。

7）主控板上通信電路

當(dāng)變頻器由可編程（PLC）或上位計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面等進(jìn)行控制時(shí)，必須通過(guò)通信接口相互傳遞信號(hào)。圖六是LG變頻器的通訊接口電路。

頻器通信時(shí)，通常采用兩線制的RS485接口。西門(mén)子變頻器也是一樣。兩線分別用于傳遞和接收信號(hào)。變頻器在接收到信號(hào)后傳遞信號(hào)之前，這兩種信號(hào)都經(jīng)過(guò)緩沖器A1701、75176B等集成電路，以保證良好的通信效果。

所以，變頻器主控板上的通信接口電路主要是指這部分電路，還有信號(hào)的抗干擾電路。

8）外部控制電路

變頻器外部控制電路主要是指頻率設(shè)定電壓輸入，頻率設(shè)定電流輸入、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)及停止運(yùn)行控制，多檔轉(zhuǎn)速控制。頻率設(shè)定電壓（電流）輸入信號(hào)通過(guò)變頻器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入CPU。其他一些控制通過(guò)變頻器內(nèi)輸入電路的光耦隔離傳遞到CPU中。

在下面文章中,上傳了有關(guān)變頻器的維修知識(shí)供大家分享!

根據(jù)大家對(duì)我的提議以及對(duì)我的支持，現(xiàn)在將一些變頻器最基本，基礎(chǔ)的知識(shí)貢獻(xiàn)給大家

變頻器開(kāi)關(guān)電源電路， 變頻器開(kāi)關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路。我們公司產(chǎn)品開(kāi)關(guān)電源電路如下圖，是由UC3844組成的開(kāi)關(guān)電路：開(kāi)關(guān)電源主要有以下特點(diǎn): 1,體積小,重量輕:由于沒(méi)有工頻變頻器，所以體積和重量只有線性電源的20~30% 2，功耗小，效率高：功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以晶體管的上功耗小，轉(zhuǎn)化效率高，一般為60~70%，而線性電源只有30~40%

二極管限幅電路

限幅器是一個(gè)具有非線性電壓傳輸特性的運(yùn)放電路。其特點(diǎn)是：當(dāng)輸入信號(hào)電壓在某一范圍時(shí)，電路處于線性放大狀態(tài)，具有恒定的放大倍數(shù)，而超出此范圍，進(jìn)入非線性區(qū)，放大倍數(shù)接近于零或很低。在變頻器電路設(shè)計(jì)中要求也是很高的，要做一個(gè)好的變頻器維修技術(shù)員，了解它也相當(dāng)重要。

1、 二極管并聯(lián)限幅器電路圖如下所示：

2、二極管串聯(lián)限幅電路如下圖所示：

9）變頻器控制電路組成

如下圖所示，控制電路由以下電路組成：頻率、電壓的運(yùn)算電路、主電路的電壓、電流檢測(cè)電路、電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)電路、將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)電路，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)電路。

在圖 1點(diǎn)劃線內(nèi)，無(wú)速度檢測(cè)電路為開(kāi)環(huán)控制。在控制電路增加了速度檢測(cè)電路，即增加速度指令，可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。

1)運(yùn)算電路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

2)電壓、電流檢測(cè)電路與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。

3)驅(qū)動(dòng)電路為驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路，它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。

4)I/0輸入輸出電路為了變頻器更好人機(jī)交互，變頻器具有多種輸入信號(hào)的輸入 (比如運(yùn)行、多段速度運(yùn)行等)信號(hào)，還有各種內(nèi)部參數(shù)的輸出“比如電流、頻率、保護(hù)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)等)信號(hào)。

5)速度檢測(cè)電路以裝在異步電動(dòng)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器 (TG、PLG等)的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

6)保護(hù)電路檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

逆變器控制電路中的保護(hù)電路，可分為逆變器保護(hù)和異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)兩種，保護(hù)功能如下:

變頻器驅(qū)動(dòng)電路的HCPL-316J特性 HCPL-316J是由Agilent公司生產(chǎn)的一種IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)光耦合器，其內(nèi)部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測(cè)電路及故障狀態(tài)反饋電路，為驅(qū)動(dòng)電路的可靠工作提供了保障。其特性為：兼容CMOS/TYL電平；光隔離，故障狀態(tài)反饋；開(kāi)關(guān)時(shí)間最大500ns；“軟”IGBT關(guān)斷；欠飽和檢測(cè)及欠壓鎖定保護(hù)；過(guò)流保護(hù)功能；寬工作電壓范圍(15～30V)；用戶可配置自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)關(guān)閉。DSP與該耦合器結(jié)合實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)，使得IGBT VCE欠飽和檢測(cè)結(jié)構(gòu)緊湊，低成本且易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)滿足了寬范圍的安全與調(diào)節(jié)需要。HCPL-316J保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn) 　　HCPL-316J內(nèi)置豐富的IGBT檢測(cè)及保護(hù)功能，使驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)起來(lái)更加方便，安全可靠。

其中下面詳述欠壓鎖定保護(hù)(UVLO) 和過(guò)流保護(hù)兩種保護(hù)功能的工作原理：

(1)IGBT欠壓鎖定保護(hù)(UVLO)功能

在剛剛上電的過(guò)程中，芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時(shí)芯片有輸出會(huì)造成IGBT門(mén)極電壓過(guò)低，那么它會(huì)工作在線性放大區(qū)。HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護(hù)的功能(UVLO)可以解決此問(wèn)題。當(dāng)VCC與VE之間的電壓值小于12V時(shí)，輸出低電平，以防止IGBT工作在線性工作區(qū)造成發(fā)熱過(guò)多進(jìn)而燒毀。示意圖詳見(jiàn)圖1中含UVLO部分。

圖1 HCPL-316J內(nèi)部原理圖

(2)IGBT過(guò)流保護(hù)功能

HCPL-316J具有對(duì)IGBT的過(guò)流保護(hù)功能，它通過(guò)檢測(cè)IGBT的導(dǎo)通壓降來(lái)實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。同樣從圖上可以看出，在其內(nèi)部有固定的7V電平，在檢測(cè)電路工作時(shí)，它將檢測(cè)到的IGBT C～E極兩端的壓降與內(nèi)置的7V電平比較，當(dāng)超過(guò)7V時(shí)，HCPL-316J芯片輸出低電平關(guān)斷IGBT，同時(shí)，一個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)信號(hào)通過(guò)片內(nèi)光耦反饋給輸入側(cè)，以便于采取相應(yīng)的解決措施。在IGBT關(guān)斷時(shí)，其C～E極兩端的電壓必定是超過(guò)7V的，但此時(shí)，過(guò)流檢測(cè)電路失效，HCPL-316J芯片不會(huì)報(bào)故障信號(hào)。實(shí)際上，由于二極管的管壓降，在IGBT的C～E 極間電壓不到7V時(shí)芯片就采取保護(hù)動(dòng)作。

整個(gè)電路板的作用相當(dāng)于一個(gè)光耦隔離放大電路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器(DSP-TMS320F2812)產(chǎn)生XPWM1及XCLEAR*信號(hào)輸出給HCPL-316J，同時(shí)HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號(hào)FAULT*給控制器。同時(shí)在芯片的輸出端接了由NPN和PNP組成的推挽式輸出電路,目的是為了提高輸出電流能力，匹配IGBT驅(qū)動(dòng)要求。

當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時(shí)，推挽電路上管(T1)導(dǎo)通，下管(T2)截止， 三端穩(wěn)壓塊LM7915輸出端加在IGBT門(mén)極(VG1)上，IGBT VCE為15V，IGBT導(dǎo)通。當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時(shí)，上管(T1)截止，下管(T1)導(dǎo)通，VCE為-9V，IGBT關(guān)斷。以上就是IGBT的開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程。