变频器检测台的设计、制作及主控板维修

   文章对变频器检测台的设计和制作方法进行了探讨,并分析了变频器主控板常见的故障及其维修方法,对于相似的变频器维修具有较高的参考价值。 
  关键词变频器;设计;主控板;维修 
  中图分类号TM921.51 文献标识码A 文章编号16-8937(213)11-89-2 
  变频器主是用来替代传统的中频发电机组,作为高速磨床电主轴和其他无级调速装置的电源,其频率范围为2~1 5 Hz之间,可以任意调节频率,有效节电4%,降低噪音,高加工工件质量,在自动磨床及数控机床的应用几乎达到1%,数量已接近百台。面对数量如此之多的变频器,如何保障其正常运转,成为一个迫切需解决的问题,而变频器的真正维修难点在其主回路控制板上。 
  1 变频器检测台的结构与基本工作原理 
  变频器检测台主由检测台控制电路、取样电路板,互感器、补偿器,频率V/F设定,启动电路,故障指示器、频率显示板,晶体管模块,电源变压器、示波器等组成。被检测的变频器主控板用插板形式与检测台相连接,如图1所示。现将变频器检测台的基本原理及电路框图说明如下。 
  将直流电变为三相交流电的过程称三相逆变。其完成是通过三相逆变器来执行的,见图1中的晶体管部分,目前广泛采用的晶体管模块是SANREXQCA75AA1系列和FUJI2DI75D-1系列。在实验台中,晶体管模块有三只,由六只晶体开关管BG1~BG6组成,其工作简图如图2所示,R、S、T为三相工频电源进端。 
  图2中M5、M为输入直流电源的两端,ZU、ZV、ZW为三相负载,晶体管BG1~BG6作开关,每一晶体管上所并二极管构成感性负载时,电流流向电源的通道。从12°通电型三相逆变过程看,设M5点电位为+E、M点电为-E,这样M5和M两端电源电压则为2E。在三相逆变器中,晶体管导通顺序是BG1、BG2~BG6,各触发信号间相隔6°电角度,此时,当BG1导通时,U点电位为+E,隔6°后,BG2又导通,使W点的电位为-E,再隔6°,由于是12°通电型,BG1关闭,同时BG3导通,此时V点电位变为+E,再隔6°,BG2关闭,BG4导通,此时U点电位为-E,此后,BG3、BG4相继关闭而BG5、BG6再相继导通,同样可使V、W两点电位发生变化。12°通电型的三相逆变器的特点是,每只晶体管的导通时间为12°,任意瞬间有两只晶体管同时导通,它们的换流是在相邻桥臂中进行。12°通电型逆变器在同一桥臂上的两只晶体管导通时间为6°的间隔,利用双踪示波器可以观察出其任意两组波形有否会重合,从而判断出其驱动脉冲是否正常错开,其环形分配器工作是否正常。 
  从图3可以看出,逆变器三点输出电压波形相同,但相位相差12°且三相对称,这样它们就构成了三相交流电源,由此完成了直流电转换为三相交流电的逆变。由于交流频率f=1/T,所以改变周期时间的长短,即可以变频率的高低。在检测台上用给定信号来改变频率发生器的振荡频率,进而控制逆变器桥臂上六个晶体管的开关频率来达到控制逆变器的输出频率。 
  检测台的控制电路有电压控制电路,频率控制电路,驱动电路和保护电路等组成。控制电路的主令电压经给定积分器得到一个线性变化的给定电压,该给定电压而后分二路,其中一路经比例积分调节器送入电压频率转换器,转换后的输出脉冲一部分经分频器分频后送入环形分配器,在封锁门开启的前下经驱动器作为三相逆变器的六个大功率晶体管的基极控制信号,见图1中的晶体管模块中的B、E极。另外电压频率转换后输出的脉冲信号的另一部分则通过频率电压转换器和比例器得到一直流电压信号,该电压作为比例积分调节器的反馈信号,用来保证在一定主令电压下输出频率的稳定性。由给定积分器分出的另一路给定电压则送入电压调节器,其输出与三角波发生器的输出同时输入比较器后再经封锁门输出。 
  补偿器的作用是在电压调节器的输入端加入低频电压补偿,有利调节V/F特性,改善启动电流;在比例积分调节器的输入端加入初始频率补偿,是考虑调节逆变器输出初始频率。 
  取样电路板是获取外部短路的信号,互感器是获取过流缺相信号。 
  以上是变频器检测台的基本组成部分及工作原理。 
  2 变频器主电路控制板的维修 
  变频器主电路控制板,也就是给主电路供控制信号的回路。大部分的控制回路由以下回路组成频率、电压的“运算回路”,主电路的“电压/电流检测回路”,电动机的“速度检测回路”,将运算回路的控制信号进行放大的“驱动回路”,以及逆变器和电动机的“保护回路”。 
  运算回路是将外部的速度、转矩等指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。 
  电压/电流检测回路是与主回路电位隔离检测电压、电流等。 
  驱动回路为驱动主回路元件的回路。它与控制回路隔离使主回路元件导通、关断。 
  保护回路是检测主回路的电压、电流等,当发生过载或过压等异常时,为了防止变频器和异步电动机损坏,使变频器停止工作或抑制电压、电流值。 
  变频器主电路控制板的维修主是根据上述四种回路进行维修。在我所制作的变频器检测台上,可以对我公司使用广泛的MF-Ⅲ、MF-Ⅴ型的15 kW、25 kW变频器的主电路控制板进行维修及调试。其出现的故障主有下面几个方面无输出电压,有输入电压但无频率显示,有频率显示但不正确而且不稳定,频率显示不正确但显示稳定,过流、过载、短路、输出缺相等其他故障。 
  有了检测台控制电路图就可以较容易地对变频器主电路控制板进行维修。拿到一个有故障的主控板后,将它安装在检测台上后,首先应对其电源部分进行检查,见图1中的电源变压器输出端,5 V、±12 V电源是否正常,接着检查晶体管模块的六路驱动脉冲是否正常(见图1中的9L6、9L1、9L1、9L5、8L6、8L1、8L1、8L5、7L9、7L1、7L8、7L7)其正常波形如图3所示,(假设其工作频率在4 Hz)。根据笔者多年的维修经验,变频器主电路控制板的常见故障经常出现在六路驱动脉冲上,用示波器可以很直观地观察到六路矩形波,如无示波器,可用万用表直流档测晶体管模块中的B、E极电压,其电压大致平衡。如果六路驱动脉冲有几路异常,就检查驱动回路的电源、驱动片及对管等电子元器件以及运算回路各级输出信号及波形,根据检测台故障指示板显示的情况,按照检测台控制电路方框图3,从前级往后级逐步检查,直至排除故障。 
  3 结 语 
  由于变频器的检测台设计制作的成功,在变频器的维修过程中,当外围线路故障排除后,碰到变频器主控板损坏,可以把好的备用主控板直接更换上,而把有故障的主控板拿到检测台上进行维修调试,所以其制作的成功可以使变频器的故障问题得到及时排除而不耽误生产,使机床电气的维护高到较高的水平。 
  参考文献 
  1 三菱电机株式会社(日).许振茂,赵曜,王俊岳(译).变频调速器使用手册M.北京兵器工业出版社,1992.