數控機床變頻器開關電源的典型電路原理及故障實例分析

聶 琴

（鶴壁高級技工學校，河南鶴壁 458030）

在數控機床中，變頻器開關電源電路為變頻器提供整機控制用電，是變頻器工作的先決條件，它屬于直—交—直型的逆變電路。一般變頻器的開關電源，常提供以下幾種電壓輸出:CPU及附屬電路、控制電路和操作控制面板的+5 V供電;電流、電壓、溫度等故障檢測電路、控制電路的±15 V供電;控制端子和工作繼電器線圈的24 V供電。四路相互隔離的約為22 V的驅動電路的供電，該四路供電往往又經穩壓電路處理成+15 V、－7.5 V的正、負電源，為IGBT逆變輸出電路提供勵磁電流。下面以具有典型性的臺安N2—405—1013型3.7 kW變頻器的開關電源（圖1所示）為例，結合維修實例，介紹其工作原理和排故思路。

1 變頻器開關電源原理

在圖1中，變頻器主電路中直流回路的530 V電壓經供電端子P1、N進入開關電源，為開關電源供電。其中 R248、R249、R250、R266 4 只 75 kΩ 2 W 電阻承擔了提供開關電源起動電流的任務，可稱之為起動電路。電源起振后，IC201的供電即由自供電繞組N2的輸出電壓經VD215、C236整流濾波成直流電壓供給。電源起動后，IC201的8腳輸出5 V基準電壓，除提供8、4腳之間的R、C振蕩定時電路的供電外，還提供穩壓控制電路中PC9輸出側內部晶體管的電源;IC201的1、2腳之間所并聯的R238、C230等元件，構成了內部電壓誤差放大器的反饋回來，決定了放大器的增益和頻率傳輸特性。由1腳到8腳的VD216、VD217，則將1腳電位嵌位在6.2 V左右，當反饋電壓瞬間過低時，避免了IC201內部誤差放大器輸出過高的電壓信號，而使輸出電壓產生過沖現象;6腳內部為PWM波形成電路，振蕩脈沖由6腳輸出，由R241、ZD204消噪和正向限幅，經R240加到開關管TR1的柵極，TR1的導通，形成了開關變壓器TL1一次繞組N1中的電流，TL1的自供電繞組、二次繞組隨即產生感生電壓，并經負載電路形成輸出電流通路。

TL1一次繞組中的電流，在R242、R243、R244 3只并聯電流采樣電阻上，產生電壓降信號，此電流采樣信號經R261輸入到IC201的3腳，與內部電路基準電壓比較，產生控制信號送后級PWM波形成電路。因電流采樣信號能對一次繞組電流變化做出快速反應，使整體電路有較好的電流控制性能，在過電流程度較輕時，電流的閉環控制，使輸出電流趨于穩定;在過電流程度較重時，使開關電源停振，保護了開關管和后級負載電路的安全。

穩壓電路由5 V輸出端、R233、R234、IC202、PC9、IC201的8腳基準電壓、R235、R236等環節構成。開關電源輸出的5 V為CPU直接供電，而CPU較之其他電路對供電由較苛刻的要求，要求電壓的波動不大于5%，因而開關電源的電壓反饋信號就取自這里。5 V電源是直接受開關電源穩壓支路控制的，屬于“嫡系電源”，其他各路輸出電源的穩壓精度稍次之，屬于“旁系電源”了。

穩壓控制過程如下:當5 V輸出電壓上升時，R233，R234分壓點電壓上升，流過電壓基準源 L431陽極、陰極間的電流上升，因R231的降壓作用，L431陽極電壓反而下降。L431電路出現了一個負的電壓放大倍數，回路電流的上升，使光耦合器PC9中的二極管發光強度隨之上升，PC9輸出側光敏晶體管因受光面的光通量的上升，其導通等效內阻減小，由R235輸入到IC201的2腳（反饋電壓引入腳）的電壓升高，IC201內部誤差放大器的輸出增大，此信號控制內部PWM波發生器，IC201的6腳輸出的脈沖占空比變化——低電平脈沖時間加長，使開關管TR1的截止時間變長，開關變壓器TL1的儲能減少，二次繞組輸出電壓回落。在因電網電壓降低或負載電流上升，引起5 V輸出電壓下降時，實施反過程穩壓控制。

二次繞組的整流、濾波電路輸出24 V、15 V、－15 V等各路常規用電。－15 V的供電繞組，有兩組整流電路，一路即 D206、C241的－15 V電源，一路是CD207、R225、R254、C40、R226 等的正電壓輸出電路。注意，此路“電源”的濾波電容僅0.1 uF，又經約10 k電阻串聯輸出。這路輸出顯然是不能當做電源使用的，它不需要提供大的負載電流，它只是提供一個電壓信號，它是直流回路的電壓檢測輸出信號。這個模擬電壓信號，反映了530 V直流回路電壓的高低。從維修的角度出發，可將本電路分成4個工作環節:

（1）振蕩支路。R248、R249、R266為電源起動電路;N2繞組、VD215等構成提供IC201的工作供電;IC201本身及4、8、6腳內電路和外接元件、TR1、N1繞組等構成了振蕩電路。

（2）穩壓控制支路。N3繞組、+5 V整流濾波電路、IC202、PC9、IC201的1、2腳內電路和外接元件等，構成了穩壓電路。

（3）保護電路。TR1的源極電流采樣電阻、R261、IC201的內部電路等構成了電流保護電路;上述穩壓之路也可看作是一個電壓保護支路;N1繞組并聯的尖峰電壓吸收網絡（TR1反向電流泄放通路），則可看作是另一個電壓保護支路。

（4）二次繞組供電電路及負載電路。

2 維修實例

實例1

故障:一臺臺安N2－405－1013 3.7 kW變頻器，檢測主電路無短路故障。接入交流380 V維修隔離電源，上電即跳OC故障（過電流故障）。

檢查:檢測逆變輸出模塊未損壞，6塊逆變驅動IC已損壞大半。進一步檢查發現，開關電源有一奇特現象:甩開CPU主板供電時，測5 V正常，但其他支路的供電較正常偏高，如15 V為18 V，22 V的驅動供電為26 V;插上CPU主板的接線排時，測+5 V仍正常，但其他支路的供電則出現異常升高現象;如22 V的驅動供電甚至于上升為近40 V（驅動IC電路的供電極限電壓為36 V），驅動IC的損壞即源于此。重點檢查穩壓環節，IC202、PC9等外圍電路皆無異常。脫開5 V負載電路后，在R233上并聯5 kΩ電阻，輸出5 V電壓有明顯下降，且能穩壓在一定值上，說明穩壓電路是在正常工作的。進一步查找其他電路也無“異?！?，檢修陷入僵局。

分析:電路的穩壓環節是起作用的。穩壓電路的電壓采樣取自5 V電路，拔掉CPU主板的接線排時，相當于5 V輕載或空載，5 V的上升趨勢使電壓的負反饋量加大，電源開關驅動脈沖的占空比減小，開關電源的勵磁電流減小，其他支路的輸出電壓相對較低;當插入CPU主板的接線排時，相當于5 V帶載或重載，5 V的下降趨勢使電壓負反饋量減小，電源開關管驅動脈沖的占空比加大，開關變壓器的勵磁電流上升，使其他支路的輸出電壓幅度上升。現在的狀況是，5 V電路空載時，其他供電雖輸出較低，但仍偏高。5 V加載后，其他供電支路則出現異常高的電壓輸出;故障環節要么是5 V供電電路本身故障導致帶載能力變差，要么是負載電路異常（過載），兩者的異常都使得穩壓電路進行了恪盡職守的“誤”調節，結果是維護了5 V故障電路的“電壓穩定”，出現了其他供電支路“電壓的異常上升”。接下來檢修5 V電源輸出電路，拔下電源濾波電容C238、C239，檢測:兩只電容容量僅十幾個微法，且存在明顯的漏電電阻。兩只電容的失效正好滿足了兩個條件:容量變小使電源帶負載能力差，漏電使負載變重。

處理:更換C238、C239電容后，開關電源的各路供電輸出正常。

實例2

故障:一臺英威騰P9/G9 55 kW變頻器，開關電源電路與圖1接近。機器在雷雨天氣中突然停機，面板無顯示，疑遭雷擊損壞。

檢查:輸入整流模塊與輸出逆變模塊均無損壞。開關電源無輸出，開關管損壞，電源引入銅箔及開關管漏極回路的銅箔都已與基板脫離，說明該機可能從電源引線引入了雷電，致使開關電源電路損壞。

更換開關管、開關管源極電流信號采樣電阻、振蕩塊3844B和開關電源熔斷器F1后，給開關電源先送入直流300 V直流維修電源，不起振;再送入500 V直流維修電源，上電即燒電源熔斷器F1。停電測量檢查，無短路現象，更換保險管后上電，供電電壓低于300 V時，不起振，送入500 V時仍燒熔斷器。

分析:開關電源供電低時不起振，當供電高到一定幅度，如直流450 V時，電源有可能起振。是否為電源起振后，電路存在“交流”短路而燒掉F1呢?因為據檢測，無短路元件，不存在直流短路。交流短路的原因，不外乎開關變壓器匝間短路、負載電路有元件存在加電后軟擊穿現象。再次檢查，替換開關變壓器實驗，無效。將負載電路逐一切除，無效。

在觀察電路板的過程中，無意中觀察到開關電源的電路板上有一條異常黑線，開關電源的530 V直流電源通過主直流回路引入，電路板為雙面電路板。電源引入端子在電路板的邊緣，正面為正極引線銅箔條，反面為負極引線銅箔條，發現電路板邊緣正、負銅箔條之間有一條“黑線”，由于雷雨潮濕天氣，使電路板材的絕緣降低，引起正、負銅箔之間跳火，電路板碳化，電源電壓低于某值時不會擊穿，高于500 V時便使碳化電路板擊穿，燒斷熔絲。燒斷熔絲的原因并非起振后開關管回路有短路故障，而是由于電路板碳化引起。檢修中并未從供電現象得出絕緣不良的原因，使檢修走了一段彎路。

處理:消除電路板邊緣的碳化物并做了絕緣處理，送入500 V時不再燒斷熔絲，但不能起振。檢查開關變壓器自供電繞組的整流二極管D38（LL4148，相當于圖1中的VD215 BG98）有一定的反向電阻（整流效率變低），更換后試機正常。

3 結語

通過維修機床變頻器開關電源，發現其工作原理和維修方法與家電中的開關電源有很大的共同點。本例中討論和分析的變頻器屬于小功率型的，但其維修方法同樣適用于中、大型變頻器開關電源的維修。