变频器电压检测电路.pdf

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1、.变频器的电压检测电路（新）正弦变频器电压检测实际电路分析 一、电路构成和原理简析 电压检测电路，是变频器故障检测电路中的一个重要组成部分，旨在保障使 IGBT 逆变电路的工作电 源电压在一特定安全范围以内，若工作电源危及 IGBT（包含电源本身的储通电容）器件的安全时，实施 故障报警、使制动电路投入工作、停机保护等措施。此外，少数机型还有对输出电压的检测，在一定程度 上，起到对 IGBT 导通管压降检测的同样作用，取代驱动电路中 IGBT 的管压降检测电路。1、电压检测电路的构成、电压采样方式及故障表现 运 模 行 拟 电 信 压 号 显 开 a 放 示 MCU 绕 大、关 模 组 处 程

2、模拟量输入端 变 拟 电 理 序 压 量 压 控 器 信 检 制 二 号 测 用 次 U 输 P 模 梯 过 、入 开、电 级、c V 电 关 N 、端 压 拟 电 欠 W 压 量 检 量 压 压 端 检 信 MCU 信 比 报 测 号 测 号 b 较 警 数 字 DC530V 、器 R 输 /启 I/O 开 开 、入 口 动 S 电 关 关 d 直 、压 量 量 流 T 信 信 端 检 制 号 号 测 动 图 1 电路检测电路的构成（信号流程）框图 1、电压检测电路的电压采样形式（前级电路）1）直接对 DC530V 电压采样 78L05C C47 1 VOUT VIN 8 C46 D41 2

3、 GND GND 7 +3 GND GND 6 47u50V 220k Nc 4 Nc Nc 5 Nc 2W 220k 2W U14+15V P N 1 8+5V R55 LF353 510 2 7 1002 3 8 1 C48 3 6 C50 2 4 CNN1 R54A C49 R56 VPN 2200 4 5 -15V 2000 1002 8 A7840 R57 020T510P 1002 1002 R54B C51 103 .图 2 DC530V 电压检测电路之一 直接对 P、N 端 DC530V 整流后电源电压进行进行采样，形成电压检测信号。如阿尔法 ALPHA2000 型 18.5k

4、W 变频器的电压检测电路，如图 2 所示。电路中 U14 线性光耦合器的输入侧供电，由开关变压器的独立绕组提供的交流电压，经整流滤波、由 78L05 稳压处理得到 5V 电源所提供，电源地端与主电路 N 端同电位。输出侧供电，则由主板+5V 所提供。直流回路 P、N 端的 DC530V 电压，直接经电阻分压，取得约 120mV 的分压信号，输入 U14（线性 光耦合器，其工作原理前文已述）进行光、电隔离与线性放大后，在输出端得到放大了的检测电压信号，再由 LF353 减法放大器进一步放大，形成 VPN 直流电压检测信号，经 CNN1 端子，送入 MCU 主板上的 电压检测后级电路。2）由开关变

5、压器次级绕组取得采样电路信号 C19 R20 R18 R19 -42V D11 C17 101 5621 82k L432 +5V D12 C14 C13 N3 680u 470u 16V 25V 图 3 DC530V 电压检测电路之二 D11-42V P1 T1 D12+5V 5V 530V 530V N3 0V N1 0V VT V T-42V 饱合 截 止 导通 VT 电压采样等效电路 N1输入电压波形示意图 N3输出电压波形示意图 N 图 4 直流回路电压采样等效电路及波型示意图 主电路的 DC550V 直流电压检测信号，并不是从主电路的 P、N 端直接取得，而是“间接”从开关电源 的

6、二次绕组取出，这是曾经令一些检修人员感到困惑、找不到电压检测信号是从何处取出的一件事情，也 成为该部分电路检修的一个障碍。电压采样电路如上图 4 所示。在开关管 VT 截止期间，开关变压器 TRAN 中储存的磁能量，由次级电路进行整流滤波得到+5V 工作 电源，释放给负载电路；在 VT 饱和导通期间，TC2 从电源吸取能量进行储存。N3 二级绕组上产生的电磁感应电压，正向脉冲出现的时刻对应开关管的截止时间，宽度较大，幅值 较低，经二极管 D12 正向整流后提供负载电路的供电，有电流释放回路；反向脉冲出现的时刻对应开关管 .的饱和导通时间，宽度极窄，但并不提供电流输出，回路的时间常数较大（不是作

7、为供电电源应用，只是 由 R、C 电路取得电压检测信号），故能在电容 C17 上维持较高的幅值。开关管 VT 饱合导通时，相当于将 N1 绕组直接接入 530V 电源，因而在同一时刻 N3 绕组此时所感应的负向脉冲电压，是直接反映 N1 绕组 供电电压高低的，并与其成线性比例关系 N3 绕组感应电压的高低，仅仅取决于 N1、N3绕组的匝数比。整流二极管 D12 和 D11 接于同一个次级绕组上，D12 将“大面积低幅度”的正向脉冲整流作为+5V 供电，而 D11 却将“小面积而幅度高”的负向脉冲做负向整流后，经 R20、R18、R19、C19、C17 等元件简单滤 波处理后，将此能反映一次主绕

8、级供电高低的 -42V 电压信号，作为直流回电压的检测信号，送入 MCU 主 板电路，供显示直流电压值和参与 CPU 程序控制之用。直流电压检测电路与其它输出电源电压电路的显著不同，1）在于该电路整流电压的输出端无大容量 滤波（电解）电容；2）输出电压回路中串接有数千欧姆或数十千欧姆的大阻值电阻。显然该路输出电压 不能用作供电电源。3）同一绕组所整流得出的供电电源电压值，要数倍低于检测电压值。这是判断该电 路为直流电压检测信号输出电路的 3 种依据。3）通过对充电接触器辅助触点的状态检测，间接作出对直流回路是否正常的逻辑判断 上篇博文，在海利普 HLP-P 型 15kW 变频器电压检测电路原理

9、及检修一文中，已作出详细的分析，当 充电接触器未正常作出吸合动作，表现为辅助常开闭点没有在电容充电结束后，接触良好，检测信号输入 MCU 引脚后，MCU 经逻辑分析，判断充电接触器的未正常动作，因而直流回路的供电电压“肯定”也是 不正常的，因而有时检测充电接触器的辅助常开触点未闭合时，也会报出“直流回路欠电压”故障。3）三相输入电源电压的检测电路 部分机型有了 DC530V 的电压检测，就省略了对 3 相输入电压的断相检测（DC530V 的高低一定程度 上也反映了三相电压电源电压的输入状况），有些机型的电压检测电路，则“面面俱到”，检测电路比较完 善。D31 D32 D33 R143 U15

10、J2 35 R35 R45 R28 R29 1001 R R65 C91 R65 P181 R141 R142 R49 R50 R70 R72 R64 R65 C17 Z19 S R144 R146 R85 R86 R95 R96 R103 R112 T R145 R147 R89 R90 7502x24 图 5 三相输入电源电压检测电路 三相输入电源电压检测电路，将 R、S、T 端输入的电源电压先经电阻网络降压/限流，再经桥式整流 电路变为六波头 300Hz 脉动直流，送入光耦合器输入侧，3 相电源正常时，光耦输出侧为六波头 300Hz 的 脉冲直流信号，或认为 J2 端子的 35 脚一直为

11、低电平；电源任缺一相时，光耦输出侧为四波头 200Hz 的电 压信号，或认为 J2 的 35 端子有出现高电平的时刻，经后级电路处理送入 MCU，MCU 判断缺相故障，报 警并停机保护。光耦合器 U15 的输入侧串入稳压管 Z19，使 U15 输出信号的动作“干脆利落”，对三相电 源电压的不平衡也有检测作用。检测电路将输入模拟信号转化为映波头数目的“数字信号形式”，利于 MCU 的检测和判断。4）3 相输出电压 /频率检测电路 .3 相输出电压检测电路，在少数变频器产品中有采用。其主要作用，是检测逆变电路的输出状态，由 此起到对 IGBT 的保护作用，如同驱动电路的 IGBT 管压降检测与保护

12、电路一样。有些变频器，驱动电路没有 IGBT 管压降检测保护电路，对 IGBT 的保护，一定程度上依赖于三相输出电压检测电路三相输 出电压信号经电路转变为输出频率信号，再输入 MCU，起到对逆变电路的 6 只 IGBT 是否正常工作的判断。Vref R32 512 CN5 N1 U输出检测 R31 470k3W R36 Vref +Vc1 1 102 12 14 PR2.2 PR2.4 C19 输出波动/缺相检测 -R34 470k3W R35 13 103 103 2 W输出检测 D16 D17 PR1.2 N3 E13 2N4 U7 PR2.3 R33 512 102 PR1.1 5+7

13、25 Vref 1036-1016W 103 1 CN1 R37 103 3 R40 P521 102 D12 MUR160 028 PR1.3 103 PR1.4 512 T2 C17 103 Vc1 N2 PR2.1 R38103 R39 R41302 9-103 Vref E10 Vref 8 105 +47u 10 N1-N4:U6 LM324 50V Z3 C21 C21 图 6 输出电压/频率检测电路 这是一个典型仪用放大器的电路结构，N1、N2、N3 前三级电路构成了双端输入、单端输出的差动放 大电路，第四级接成反相放大器，将信号放大到一定幅度后推动 U7 光电耦合器。U、W 输

14、出端电压信号 经 R31、R34 降压，D16、D17 双向限幅，C17 滤掉了高频载波信号，将信号还原为两相电压信号，加入 N1、N2、N3 组成的差动放大电路，再经 N4 放大后推动 U7 输出。N1、N2、N3 电路又是 V 相电压信号 的合成电路，输入的 U、W 两相信号中，包含了 V 相电压信号，经 N1、N2、N3 电路的合成作用，实际 上 N3 输出的是表征着 V 相频率与时间基准的脉冲信号。耦合电容 E13 起到了隔直通交及对信号进行零电 平“置位”的作用，以适应 N4 单电源供电电路的要求，N4 则相当于一个整形电路，将 N3 输出信号整形 为矩形脉冲信号输出，以驱动光电耦合

15、器 U7。当 U7 输出的信号满足要求时，说明 U、V、W 三相输出都 是正常的。U7 的输出信号反映了三相电压的输出状态，此信号输入到 CPU，与内部时间基准相比较，通 对脉冲计数的时间比对，从面可判断出是否存在输出缺相（d.f.）故障。故障时可实施停机保护。（试分析）因输入端 D16、D17 两只二极管的嵌位作用，电路本身并不是用来对输入信号进行放大的，而是实现了对三相脉冲信号的合成作用。电路输出的脉冲信号，并不是表征着输出电压幅度的模拟电压信 号，而是表征着输出频率的脉冲信号。电路是通过电压信号检测输出频率，相当于完成了 “模/数”转换 的作用，将输入模拟电压信号，转变化“脉冲信号”输出

16、。输出信号用于对逆变输出电路的检测，当逆变 输出电路中某一臂 IGBT 在故障状态时，报出缺相故障，并实施停机保护。2、电压检测电路的后级电路 电压检测电路的后级电路对信号的处理方式，同电流检测电路对信号的处理方式基本是相同的。1）由前级电路送来的电压检测信号，进一步经模拟放大，或电压跟随，输入 MCU 相关引脚，供运行 电压显示、过、欠压时延时报警。2）以梯级电压比较器电路，将输入模拟电压信号转化为两个开关量报警信号，送入 MCU 相关引脚，用于启动直流制动电路、过压时保护停机。电路实例的分析见下文。3、电压检测电路的报警内容和故障表现 1）报警内容 LU：直流回路电压（直流高压侧）过低；O

17、 U：直流回路电压（直流高压侧）过高；HOU：瞬态过压；.SOU：稳态过压；SLU：稳态欠压；ILP：R、S、T 输入有缺相；OLP：U、V、W 输出有缺相；主电路接 触器未正常动作，等等。2）若开关量信号硬件电路故障时，上电即报警，无法复位；模拟量信号误报警，一般可以复位的。当输入电源（直流回路 DC530V）异常、充电接触器上电后未正常动作时，在上电、起动、停机过程中、运行中，均有可能报出 1）中的各种故障内容。下文结合实际电路，讲解故障检修方法。二、正弦 SINE300 型 7.5kW 变频器电压检测与保护电路 该机型的电压检测电路共分三部分：输入电源电压检测电路、输出电压检测电路和直流

18、电压（有时称 高压侧，有时称直流母线）检测电路，对信号的作用、报警内容和故障信号屏蔽方法各有不同。1、R、S、T 输入电源电压检测电路，电源原理在上文（见图 5 后文）已有说明，此处从略。D31 D32 D33 R35 R45 R28 R29 +3.3V R R142 R49 R50 R25 U1 R141 U15 J2/J52002 TMS320F2810PBKA R70 R72 R64 R65 R143 4 R293 1 C43 R651001 35 1001 61 T4CTROP/EVBSOC S C91 R144 R146 R85 R86 R65 2 3 R95 R96 R103 R1

19、12 C17 P181 T Z19 R145 R147 R89 R90 7502x24 图 7 三相输入电源电压检测电路 屏蔽“ILP”故障的方法：变频器在上电后，和运行中，若发生电源缺相故障，或三相输入电源电压检测电路本身故障时，均会 显示“ILP”故障代码，报缺相故障，处于停机保护状态。在检修过程中，若为变频器引入单相 AC380V 维 修电源，检测电路上电即报缺相故障，整机控制电路电路停止工作，给下一步的上电检修带来不便。将光耦合器 U15 的 3、4 脚暂时用导线短路，或用焊锡短路，使 U1 的 61 脚变为 0V 低电平，人为形成 一个“三相输入电源电压正常”的信号，可以屏蔽“ILP

20、”故障报警。2、U、V、W 输出电压检测电路 R83 R81 R80 1 V1 V*1003 1003 1003 R83 R81 R80 2 W1 W*1003 1003 1003 U*Nc 5 U1 4 UE+D23+E18 C74 100u 25V 104 3 UE0 SINE2 +3.3V 输 R69/78 U1 J2/J5 6801x2 TMS320F2810PBKA 出OUT1 8 43 CAP4/QEP3 36 R295 缺 C42 C45 相 1001 GND 7 检 测 电 OUT2 6 Nc 路 C48 图 8 三相输出电压检测电路 U、V、W 输出电压检测电路，采用一块标注

21、为 SINE2 的单元电路板，将输出电压检测信号由 SINE2 电路转化为输出频率（开关量）信号，输入 U1 的 43 脚。SINE2 内部电路构成，请参阅上文图 6 电路。电 路工作状态，是在变频器运行状态下，MCU 是对输入 43 脚的矩形脉冲波头数进行计数，判断有无输出缺 相故障的，检修过程中，不需屏蔽该信号。.3、直流电压检测电路 1）模拟信号处理电路 直流电压检测电路的电压采样信号，取自开关变压器的二次绕组，负向电压经整流滤波，得到+15V 供电电源，与 -15V 电源一起，提供检测电路中运算放大器的正、负供电电源；正向电压（对应开关管饱和 导通时刻）经 D12 整流，R11、R10

22、7、C60、C63 等元件分压和滤波后，得到直流电压采样信号，经 J2/J5 排线端子的 30 脚进入 MCU 主板（后级电压检测电路）的直流电压检测电路。D12 R100 R11 R13 R104 R105 R4 100R 2002 2002 2002 1002 1001 C63 30 C60 C1 R107 J2/J5 1501 T1 D16 E13 -15V US1G 220u C68 23 +35V 104 J2 3V C49 3+R49 U1/MCU 引脚:1501 R308 -1 122 ADCINA4 R55 2 D9 2002 C27 1003 U17 1/2 R208 LF3

23、53 5101 R209 C154 3V 5101 R215+5V R213 105 R217 U6 74LVS14AO 1201 5+7 6801 12 13 -R216 106 XINT1/XBIO R212 C155 6 D30 C157 1002 3001 R211 U30 1/2 5100 LM393 C156 R220 5101 图 9 直流电压检测电路 送入 MCU 主板的电压采样信号，先经由 U17 与外围元件组成的电压跟随器电路进行缓冲，U17 的 1 脚输出信号，一路经 R49 限流、D9 信号电压钳位电路、C27 滤除高频成分后，输入 MCU 的模拟信号输入 端 122

24、脚，用于直流电压值显示，检测信号幅度过低时，变频器报 SLU（意为稳态欠压）故障，实施停机 保护；当 U17 的 1 脚输出的检测信号电压偏高时，MCU 报出“瞬时过压”故障信号，同时使主电路的直 流制动电路开始工作，使直流电压下降于正常值以内。2）开关量信号处理电路 U17 的 1 脚输出信号，又经 R208、C514、R209 组成的排形滤波电路，得到较为稳定的电压检测信号，输入由 U30、U6 组成的开关量报警信号形成电路，当 U30 的同相输入端检测电压高于反相输入端“设定 的动作阀值”时，U30 的输出端 7 脚变为高电平信号，经 D30 钳位于 5V 电平上，由 U6（施密特反相器

25、）倒相为 0V 故障报警信号，输入 MCU 的 106 脚。变频器报 SOU（意为稳态过压，指启动直流制动电路后 仍无效果），停机保护。4、电压检测电路的报警及故障（误报警）表现：.1）输入电源电压过低，超过（MCU 内部程序设定值），上电过程中可能报出欠电压故障；变频器的供电电源缺相时报出缺相故障；2）检测电路本身故障，上电后报出过、欠压故障，变频器处于保护状态，不接受起动信号。5、电压检测电路故障检修实例（以图 7/8/9 电路为例）故障实例 1送修用户反映：变频器上电后，报 SLU（意为稳态欠压）故障，不能开机运行。1）变频器接入 AC380V 维修电源，上电后报 ILP（输入缺相）故障

26、，从电源/驱动板上找到如图 7 所示 的三相输入电源电压检测电路，先用导线将光耦合器的 3、4 脚短接，以屏蔽输入缺相故障信号。2）上电后，变频器报 SLU（意为稳态欠压）故障。当 U6 的 12 脚电平变化时，变频器应该报过电压故 障，故首先排除开关量报警信号形成电路的故障。检测 U17 和各个引脚电压值，判断 U17 本身没有问题，可能为 3 脚输入电压信号过低所致（见图 9）。3）检查 D12、R100 等元件，也无异常。试将 R4 短接，以提升电压检测信号的电压值，上电不再显示 SLU 故障，可正常操作运行。分析电压检测信号电压低落的原因，可能为电阻分压回路的电阻变值，如 R100 电

27、阻值变大，或 R107 的电阻值变小所致，或 C60、C1、C63 等电容漏电所致，而以电容漏电的可能性为大。当焊下 C63 再为变频器上电时，不再误报欠电压故障，测量电容 C63的两引脚，有数千欧姆的漏电电阻值。用 0.01uF 0.1uF 范围以内的瓷片电容，代换后，上电试机，变频器工作正常。故障实例 2变频器上电后，显示 SOU（意为稳态过压）。本机的过电压开关量信号报警电路由 U30、U6 等电路组成（见图 9），正常状态下，U30 的 7 脚为低电平，U6 的信号输出端 12 脚为高电平。现在的测 试结果是，U30 的 7 脚电平状态正常，测 U6 的 12 脚为 0V 低电平，进一步，测 U6 的信号输入端 13 脚为高 电平，从 U6 的输入端、输出端信号的电平状态，判断 U6 是好的，故障出在前级电路。但检测 U30 的 7 脚输出状态也是对的，故障终点落在电阻 R216 身上，该电路断路或电阻值变大时，会使 U6 的 13 脚输入电压变为高电平，电路误输出过电压报警信号。焊下 R216 测量，其电阻值已变大为 12k，更换 R216，故障排除。咸庆信 2012 年 10 月 1 日 中华工控网原创文章，转载请注明出处 .