變頻器檢測臺的設計、制作及主控板維修

摘 要：文章對變頻器檢測臺的設計和制作方法進行了探討，并分析了變頻器主控板常見的故障及其維修方法，對于相似的變頻器維修具有較高的參考價值。

關鍵詞：變頻器；設計；主控板；維修

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）11-0089-02

變頻器主要是用來替代傳統的中頻發電機組，作為高速磨床電主軸和其他無級調速裝置的電源，其頻率范圍為200～1 500 Hz之間，可以任意調節頻率，有效節電40%，降低噪音，提高加工工件質量，在自動磨床及數控機床的應用幾乎達到100%，數量已接近百臺。面對數量如此之多的變頻器，如何保障其正常運轉，成為一個迫切需要解決的問題，而變頻器的真正維修難點在其主回路控制板上。

1 變頻器檢測臺的結構與基本工作原理

變頻器檢測臺主要由檢測臺控制電路、取樣電路板，互感器、補償器，頻率V/F設定，啟動電路，故障指示器、頻率顯示板，晶體管模塊，電源變壓器、示波器等組成。被檢測的變頻器主控板用插板形式與檢測臺相連接，如圖1所示。現將變頻器檢測臺的基本原理及電路框圖說明如下。

將直流電變為三相交流電的過程稱三相逆變。其完成是通過三相逆變器來執行的，見圖1中的晶體管部分，目前廣泛采用的晶體管模塊是SANREXQCA75AA100系列和FUJI2DI75D-100系列。在實驗臺中，晶體管模塊有三只，由六只晶體開關管BG1～BG6組成，其工作簡圖如圖2所示，R、S、T為三相工頻電源進端。

圖2中M5、M0為輸入直流電源的兩端，ZU、ZV、ZW為三相負載，晶體管BG1～BG6作開關，每一晶體管上所并二極管構成感性負載時，電流流向電源的通道。從120°通電型三相逆變過程看，設M5點電位為+E、M0點電為-E，這樣M5和M0兩端電源電壓則為2E。在三相逆變器中，晶體管導通順序是BG1、BG2～BG6，各觸發信號間相隔60°電角度，此時，當BG1導通時，U點電位為+E，隔60°后，BG2又導通，使W點的電位為-E，再隔60°，由于是120°通電型，BG1關閉，同時BG3導通，此時V點電位變為+E，再隔60°，BG2關閉，BG4導通，此時U點電位為-E，此后，BG3、BG4相繼關閉而BG5、BG6再相繼導通，同樣可使V、W兩點電位發生變化。120°通電型的三相逆變器的特點是，每只晶體管的導通時間為120°，任意瞬間有兩只晶體管同時導通，它們的換流是在相鄰橋臂中進行。120°通電型逆變器在同一橋臂上的兩只晶體管導通時間為60°的間隔，利用雙蹤示波器可以觀察出其任意兩組波形有否會重合，從而判斷出其驅動脈沖是否正常錯開，其環形分配器工作是否正常。

從圖3可以看出，逆變器三點輸出電壓波形相同，但相位相差120°且三相對稱，這樣它們就構成了三相交流電源，由此完成了直流電轉換為三相交流電的逆變。由于交流頻率f=1/T，所以改變周期時間的長短，即可以變頻率的高低。在檢測臺上用給定信號來改變頻率發生器的振蕩頻率，進而控制逆變器橋臂上六個晶體管的開關頻率來達到控制逆變器的輸出頻率。

檢測臺的控制電路有電壓控制電路，頻率控制電路，驅動電路和保護電路等組成。控制電路的主令電壓經給定積分器得到一個線性變化的給定電壓，該給定電壓而后分二路，其中一路經比例積分調節器送入電壓頻率轉換器，轉換后的輸出脈沖一部分經分頻器分頻后送入環形分配器，在封鎖門開啟的前提下經驅動器作為三相逆變器的六個大功率晶體管的基極控制信號，見圖1中的晶體管模塊中的B、E極。另外電壓頻率轉換后輸出的脈沖信號的另一部分則通過頻率電壓轉換器和比例器得到一直流電壓信號，該電壓作為比例積分調節器的反饋信號，用來保證在一定主令電壓下輸出頻率的穩定性。由給定積分器分出的另一路給定電壓則送入電壓調節器，其輸出與三角波發生器的輸出同時輸入比較器后再經封鎖門輸出。

補償器的作用是在電壓調節器的輸入端加入低頻電壓補償，有利調節V/F特性，改善啟動電流；在比例積分調節器的輸入端加入初始頻率補償，是考慮調節逆變器輸出初始頻率。

取樣電路板是獲取外部短路的信號，互感器是獲取過流缺相信號。

以上是變頻器檢測臺的基本組成部分及工作原理。

2 變頻器主電路控制板的維修

變頻器主電路控制板，也就是給主電路提供控制信號的回路。大部分的控制回路由以下回路組成：頻率、電壓的“運算回路”，主電路的“電壓/電流檢測回路”，電動機的“速度檢測回路”，將運算回路的控制信號進行放大的“驅動回路”，以及逆變器和電動機的“保護回路”。

運算回路：是將外部的速度、轉矩等指令同檢測回路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

電壓/電流檢測回路是與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。

驅動回路為驅動主回路元件的回路。它與控制回路隔離使主回路元件導通、關斷。

保護回路是檢測主回路的電壓、電流等，當發生過載或過壓等異常時，為了防止變頻器和異步電動機損壞，使變頻器停止工作或抑制電壓、電流值。

變頻器主電路控制板的維修主要是根據上述四種回路進行維修。在我所制作的變頻器檢測臺上，可以對我公司使用廣泛的MF-Ⅲ、MF-Ⅴ型的15 kW、25 kW變頻器的主電路控制板進行維修及調試。其出現的故障主要有下面幾個方面：無輸出電壓，有輸入電壓但無頻率顯示，有頻率顯示但不正確而且不穩定，頻率顯示不正確但顯示穩定，過流、過載、短路、輸出缺相等其他故障。

有了檢測臺控制電路圖就可以較容易地對變頻器主電路控制板進行維修。拿到一個有故障的主控板后，將它安裝在檢測臺上后，首先應對其電源部分進行檢查，見圖1中的電源變壓器輸出端，5 V、±12 V電源是否正常，接著檢查晶體管模塊的六路驅動脈沖是否正常（見圖1中的9L6、9L10、9L1、9L5、8L6、8L10、8L1、8L5、7L9、7L10、7L8、7L7）其正常波形如圖3所示，（假設其工作頻率在400 Hz）。根據筆者多年的維修經驗，變頻器主電路控制板的常見故障經常出現在六路驅動脈沖上，用示波器可以很直觀地觀察到六路矩形波，如無示波器，可用萬用表直流檔測晶體管模塊中的B、E極電壓，其電壓大致平衡。如果六路驅動脈沖有幾路異常，就要檢查驅動回路的電源、驅動片及對管等電子元器件以及運算回路各級輸出信號及波形，根據檢測臺故障指示板顯示的情況，按照檢測臺控制電路方框圖3，從前級往后級逐步檢查，直至排除故障。

3 結 語

由于變頻器的檢測臺設計制作的成功，在變頻器的維修過程中，當外圍線路故障排除后，碰到變頻器主控板損壞，可以把好的備用主控板直接更換上，而把有故障的主控板拿到檢測臺上進行維修調試，所以其制作的成功可以使變頻器的故障問題得到及時排除而不耽誤生產，使機床電氣的維護提高到較高的水平。

參考文獻：

[1] 三菱電機株式會社（日）.許振茂，趙曜，王俊岳（譯）.變頻調速器使用手冊[M].北京：兵器工業出版社，1992.