數(shù)控機床變頻器開關(guān)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(xué)校，河南鶴壁 458030）

在數(shù)控機床中，變頻器開關(guān)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(guān)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(qū)動電路的供電，該四路供電往往又經(jīng)穩(wěn)壓電路處理成+15 V、－7.5 V的正、負(fù)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(guān)電源（圖1所示）為例，結(jié)合維修實例，介紹其工作原理和排故思路。

1 變頻器開關(guān)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(jīng)供電端子P1、N進(jìn)入開關(guān)電源，為開關(guān)電源供電。其中 R248、R249、R250、R266 4 只 75 kΩ 2 W 電阻承擔(dān)了提供開關(guān)電源起動電流的任務(wù)，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(jīng)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(zhǔn)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(wěn)壓控制電路中PC9輸出側(cè)內(nèi)部晶體管的電源;IC201的1、2腳之間所并聯(lián)的R238、C230等元件，構(gòu)成了內(nèi)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(dāng)反饋電壓瞬間過低時，避免了IC201內(nèi)部誤差放大器輸出過高的電壓信號，而使輸出電壓產(chǎn)生過沖現(xiàn)象;6腳內(nèi)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(jīng)R240加到開關(guān)管TR1的柵極，TR1的導(dǎo)通，形成了開關(guān)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(chǎn)生感生電壓，并經(jīng)負(fù)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(lián)電流采樣電阻上，產(chǎn)生電壓降信號，此電流采樣信號經(jīng)R261輸入到IC201的3腳，與內(nèi)部電路基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)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(yīng)，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(huán)控制，使輸出電流趨于穩(wěn)定;在過電流程度較重時，使開關(guān)電源停振，保護(hù)了開關(guān)管和后級負(fù)載電路的安全。

穩(wěn)壓電路由5 V輸出端、R233、R234、IC202、PC9、IC201的8腳基準(zhǔn)電壓、R235、R236等環(huán)節(jié)構(gòu)成。開關(guān)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(guān)電源的電壓反饋信號就取自這里。5 V電源是直接受開關(guān)電源穩(wěn)壓支路控制的，屬于“嫡系電源”，其他各路輸出電源的穩(wěn)壓精度稍次之，屬于“旁系電源”了。

穩(wěn)壓控制過程如下:當(dāng)5 V輸出電壓上升時，R233，R234分壓點電壓上升，流過電壓基準(zhǔn)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(xiàn)了一個負(fù)的電壓放大倍數(shù)，回路電流的上升，使光耦合器PC9中的二極管發(fā)光強度隨之上升，PC9輸出側(cè)光敏晶體管因受光面的光通量的上升，其導(dǎo)通等效內(nèi)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(nèi)部誤差放大器的輸出增大，此信號控制內(nèi)部PWM波發(fā)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(guān)管TR1的截止時間變長，開關(guān)變壓器TL1的儲能減少，二次繞組輸出電壓回落。在因電網(wǎng)電壓降低或負(fù)載電流上升，引起5 V輸出電壓下降時，實施反過程穩(wěn)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(guī)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(jīng)約10 k電阻串聯(lián)輸出。這路輸出顯然是不能當(dāng)做電源使用的，它不需要提供大的負(fù)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(fā)，可將本電路分成4個工作環(huán)節(jié):

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

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

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

（4）二次繞組供電電路及負(fù)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(qū)動IC已損壞大半。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，開關(guān)電源有一奇特現(xiàn)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(qū)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(xiàn)異常升高現(xiàn)象;如22 V的驅(qū)動供電甚至于上升為近40 V（驅(qū)動IC電路的供電極限電壓為36 V），驅(qū)動IC的損壞即源于此。重點檢查穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，IC202、PC9等外圍電路皆無異常。脫開5 V負(fù)載電路后，在R233上并聯(lián)5 kΩ電阻，輸出5 V電壓有明顯下降，且能穩(wěn)壓在一定值上，說明穩(wěn)壓電路是在正常工作的。進(jìn)一步查找其他電路也無“異?！?，檢修陷入僵局。

分析:電路的穩(wěn)壓環(huán)節(jié)是起作用的。穩(wěn)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(dāng)于5 V輕載或空載，5 V的上升趨勢使電壓的負(fù)反饋量加大，電源開關(guān)驅(qū)動脈沖的占空比減小，開關(guān)電源的勵磁電流減小，其他支路的輸出電壓相對較低;當(dāng)插入CPU主板的接線排時，相當(dāng)于5 V帶載或重載，5 V的下降趨勢使電壓負(fù)反饋量減小，電源開關(guān)管驅(qū)動脈沖的占空比加大，開關(guān)變壓器的勵磁電流上升，使其他支路的輸出電壓幅度上升?，F(xiàn)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(xiàn)異常高的電壓輸出;故障環(huán)節(jié)要么是5 V供電電路本身故障導(dǎo)致帶載能力變差，要么是負(fù)載電路異常（過載），兩者的異常都使得穩(wěn)壓電路進(jìn)行了恪盡職守的“誤”調(diào)節(jié)，結(jié)果是維護(hù)了5 V故障電路的“電壓穩(wěn)定”，出現(xiàn)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(fù)載能力差，漏電使負(fù)載變重。

處理:更換C238、C239電容后，開關(guān)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(guān)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(guān)電源無輸出，開關(guān)管損壞，電源引入銅箔及開關(guān)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(guān)電源電路損壞。

更換開關(guān)管、開關(guān)管源極電流信號采樣電阻、振蕩塊3844B和開關(guān)電源熔斷器F1后，給開關(guān)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(xiàn)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(guān)電源供電低時不起振，當(dāng)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(jù)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(guān)變壓器匝間短路、負(fù)載電路有元件存在加電后軟擊穿現(xiàn)象。再次檢查，替換開關(guān)變壓器實驗，無效。將負(fù)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(guān)電源的電路板上有一條異常黑線，開關(guān)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(fù)極引線銅箔條，發(fā)現(xiàn)電路板邊緣正、負(fù)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(fù)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(guān)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(xiàn)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(guān)變壓器自供電繞組的整流二極管D38（LL4148，相當(dāng)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(jié)語

通過維修機床變頻器開關(guān)電源，發(fā)現(xiàn)其工作原理和維修方法與家電中的開關(guān)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(guān)電源的維修。