中達VFD-B型22kW變頻器電流檢測與保護電路

中達VFD-B型22kW變頻器電流檢測與保護電路

——故障報警代碼解密之一

本例機型的電流檢測與保護電路，其電路結構與信號處理方式分為：

1)前級電流檢測信號處理電路，用電流互感器取得輸出電流信號;

2)電流檢測電路的模擬信號處理電路，將前級電流檢測信號進行模擬放大后，輸入MCU引腳;

3)接地故障信號處理電路，用比較器電路取得開關量故障報警信號;

4)過流故障信號處理電路，用比較器電路取得開關量故障報警信號。

為了檢修上的方便，電流檢測信號的輸入端、輸出端和運算放大器的輸入、輸出腳，標注了靜態(tài)電壓值，讀者也可由標注電壓值的不同，比較處于線性放大器區(qū)的模擬信號處理電路，和處于非線性放大區(qū)的電壓比較器電路，兩者的特點和不同。由之“推測”出變頻器運行中對動態(tài)信號的處理過程，和故障時開關量輸出信號的變化趨勢。

注意：MCU主板電路中，部分小體積貼片電阻，沒有阻值標注，只能標出在線測量值。如同屬1kΩ電阻，以下電路圖中標注102(有標注電阻)的，是實際值;標注為1kΩ(無標注電阻)的，是在線測量值，請讀者予以注意。

1、前級電流檢測信號處理電路

電流互感器CS1~CS3分別取出U、V、W運行電流信號，由集成運算放大器DU1內部3組放大器和外圍元件構成的同相比例放大器，將信號電壓放大約1.5倍后，送入后級電流檢測電路。

注意，因電流互感器CS1~CS3焊裝于一塊小線路板上，經J1*/DJ2端子輸入至DU1進行放大，再經DJP1/J1端子排引入MCU主板電路，檢修過程中，為了測量方便，當J1*與DJ2的端子排脫離時，因3級同相放大器的同相輸入端“懸空”，會使輸出端電壓由0V變?yōu)?13.6V(三組放大器的供電為+15V、-15V)，則后級電路因輸入異常的“過電流信號”，形成故障停機報警信號。

若J1*與DJ2的端子排脫離后，再為控制板上電，則報出 “GFF”故障代碼，意為輸出端“接地故障”;若在上電后使之脫離，則報出“OC”故障代碼，意為“過電流故障”?？梢?，當電流檢測電路的“源頭”產生異常時，后級各個檢測電路同時有了異常信號輸出時，MCU先行判斷并報出比較嚴重的故障，如接地故障等，以起到警示作用。操作顯示面板顯示OC或GFF故障代碼時，可以操作面板STOP/RESET按鍵進行故障復位。

屏蔽該故障的方法，是解決DU1同相輸入端子懸空的問題，可暫時將DU1的5、10、12腳短接后，再接供電電源地。

前級電路檢測信號處理電路的故障檢測和判斷：

電流檢測電路能正常工作的前提是，供電電源正常和靜態(tài)工作點正常。因而檢測靜態(tài)工作點，是檢修中重要的一個步驟。

1)CS1~CS3電流互感器的信號輸出端，靜態(tài)電壓正常值為0V。若測得靜態(tài)輸出電壓值為正或負的0V以上電壓值，切斷輸出端與后級電路的連接，輸出電壓值無變化，說明電流互感器內部電路損壞;

2)DU1內部3組放大器的靜態(tài)電壓值，正常時也為0V(空載運行時仍為0V)。測得有正或負的電壓值輸出時說明DU1損壞。

在帶載運行中，測DU1的7、8、14腳輸出交流電壓幅度應相等。若不相等，測輸入端5、10、12腳輸入電壓值若不等，說明CS1~CS3電流互感器，有壞掉的。

圖1 前級電流檢測信號處理電路

2、電流檢測電路的模擬信號處理電路

由前級電路輸出的交流電壓信號，由MCU主板的排線端子J1引入MCU主板，因輸入該電路的UI、VI、WI電流檢測信號為以0V為基準上下浮動的交流電壓信號，直接輸入U2組成的3組(同相端接地的)反相放大器，放大器只對0V以下負半波輸入信號起作用，輸出電壓也為0V以下的負電壓信號，不能滿足對輸入信號進行“全部放大”和適應MCU單極性輸入電壓的要求，所以由-2.5V基準電壓源電路，向U2的2、9、12腳先行提供-2.5V的直流偏置電壓，人為形成輸出端2.5V的靜態(tài)輸出(MCU判斷2.5V為電流零點，大于零點為正半波電流信號，小于零點為負半波電流信號)。這樣，當輸入交流電壓信號時，輸出端電壓便以2.5V為“中心”形成0~3V左右的輸出信號電壓。發(fā)所以該電路，又起到將-1.5V~1.5V交流輸入信號，轉變?yōu)?~3V的交-直變換——電平位移的作用。

電流檢測電路的模擬信號處理電路，輸出的模擬電壓信號，主要用于運行電流值顯示和VVV/F控制，但檢測電路本身異常時，也會在上電或運行中誤報過流故障。

圖2 電流檢測電路的模擬信號處理電路

電流檢測電路的模擬信號處理電路的故障表現：

同一個故障來源，在待機和運行兩個不同的工作狀態(tài)，會顯示兩個不同的故障代碼。換言之，同一個故障來源，依據變頻器工作狀態(tài)的不同，會出現兩種故障報警。下面以待機和運行兩種工作狀態(tài)為例，分析一下電流檢測電路的模擬信號處理電路，在電路本身故障時誤報故障的相關現象。

1)上電后。當U電流檢測輸出信號——U2的8腳電壓偏離正常值2.5V時，MCU上電后檢測93腳輸入信號電壓值異常(U相電流值不為零，說明檢測電路硬件電路異常)，面板顯示“CF3.3”故障代碼，意為“U相電流感測器異?！?，提示用戶送廠維修。故障信號不能復位(操作面板STOP/RESET按鍵無效)。

2)運行中。投入起動信號，但頻率值未及上升尚為0時，當U相電流檢測輸出信號——U2的8腳偏離2.5V正常值，面板顯示“GFF”故障代碼，意為“接地故障產生”。但故障信號可以復位。

如上，當VI、WI另兩路電流檢測信號處理電路異常時，會報“CF3.4”、“ CF3.5”的V相、W相“電流感測器異常”故障，拒絕開機操作。

電流檢測電路的模擬信號處理電路的故障檢測和判斷：

1)-2.5V直流偏置電壓和信號電壓的輸入，使U2電路形成加法器的電路結構。靜態(tài)時，因為信號電壓為0V，U2電路實際構成-2.5V的反相器電路，輸出端正常電壓值應為2.5V。由放大器兩輸入端的“虛短”特性可知，U2內部放大器兩輸入端的電壓值應等于0V。

2)-2.5V基準電壓源的異常，同時影響到3組反相比例放大器的工作異常，對電流檢測電路進行檢測時，不要忽略對基準電壓源電路的檢查——同供電電源重要性一樣，只有當基準電壓源工作正常了，放大器電路才能正常工作。

3)根據故障代碼提示內容，檢修相關電路。如上電后顯示“ CF3.5”故障代碼，說明W相電流檢測電路的模擬信號處理電路異常，重點檢查U2的1、2、3腳相關電路。

3、接地故障信號處理電路

接在故障處理電路，由反相求和(加法器)電路、窗口電壓比較器(遲滯電壓比較器)電路，和由Q4晶體管組成的電平轉換電路構成。

圖3 接地故障信號處理電路

由J1端子排的3、1、4腳引入的UI、VI、WI電流檢測信號，輸入U2的5/6/7腳放大器和外圍電路組成的反相求和電路，在輸出3相電流平衡時，由R198、R199、R200形成“中性點”的電壓接近0V， DU2的輸出端7腳接近0V，后級U4維持原輸出狀態(tài)不變(1、7腳電壓為15V高電平)，晶體管Q4基極偏流為零處于截止狀態(tài)，U7(MCU器件)的75腳輸入信號為由R208限流引入，D19鉗位后的5.6V高電平信號，MCU判斷無接地短路故障產生，變頻器正常運行。

當因負載電機繞組的單相接地故障(或其它原因)，導致3相電流不平衡度上升至一定程度時，UI、VI、WI相加出現信號電壓差，U2的7腳輸入電壓值高于0.9V或低于-1.05V時，U4窗口電壓比較器的輸出端1腳或7腳內部放大管導通，由15V高電平變?yōu)?15V低電平，Q4產生基極偏流而飽和導通，發(fā)射極電平變?yōu)?V低電平，二極管D54反偏截止，U7的75腳的5.6V高電平信號變?yōu)?V，MCU判斷產生接地故障信號，變頻器報警并停機保護。

接地故障信號處理電路的故障表現：

1)上電后。若因檢測電路本身故障原因，上電后，接地故障信號即存在，表現為U7的75腳輸入0V低電平，面板顯示“HPF.1”故障代碼，意為“控制器硬件電路異?！?。注意!有時變頻器在上電后，可能會報出一個在變頻器使用說明書中，無法查到的一個故障代碼，(試分析)意為“控制電路有異常故障信號存在”，提示廠家售后服務人員檢查檢測電路部分。但對一般(未接受廠家技術培訓的)維修人員而言，上電后遇到這種查不到代碼意義的報警現象，往往是一頭霧水，不知所措了。對此類現象，檢修的重點，是檢測各個檢測電路的輸出端，看是否有錯誤的故障報警信號存在，解除檢測電路的誤報警后，故障也就隨之修復了。

2)運行中。有接地故障信號輸出時，面板顯示GFF(接地故障)代碼。

電流檢測電路的模擬信號處理電路的故障檢測和判斷：

1)在待機狀態(tài)，確定電路的靜態(tài)工作點是否正常。U2的5/6/7腳電路，為線性放大器，3個引腳的靜態(tài)電壓值均為0V;U4的兩組比較器電路，處于非線性放大區(qū)，兩個引腳之間有較大的電壓差，并且輸出狀態(tài)為15V高電平狀態(tài);Q4接成電壓跟隨器(也稱射極輸出器)電路，發(fā)射結輸出電壓狀態(tài)是跟隨于基極電壓狀態(tài)的，也是一個同相放大器。測量靜態(tài)電壓值與標注值有較大差異，則檢查故障原因并排他故障使其恢復為正常值。

2)變頻器上電后顯示不明意義的故障代碼，不接受運行信號。變頻器上電即顯示某一(報警)代碼，復位操作無效，拒絕接受起動信號，但可以進行參數設置等操作，說明MCU在上電自檢過程中，發(fā)現有危險故障信號存在(因檢測電路異?？赡軐е逻\行危險)，給出警示，并拒絕起動操作。發(fā)現不明意義的報警代碼，暫且將其假定為某一故障報警信號，檢查電流、電壓、溫度、IGBT管壓降檢測等檢測電路，確定是否有故障報警信號輸出。若存在報警信號輸出，屏蔽報警信號后，變頻器顯示正常，則修復檢測電路的誤報警故障;發(fā)現報警信號存在屏蔽無效，或未發(fā)現報警信號的存在，就要考慮其它方面的原因了。

現在一些變頻器廠家，為了實現銷售商“索要用戶欠款方便”的要求，添加了一個變頻器到達設置運行期限后自動停機的軟件功能，變頻器運行到一定的積累時間后，自動停機，上電后顯示某一代碼，不能操作運行。檢修人員，不可避免地要遭遇如此的問題，解決方法是：

a、盡量多掌握一些由變頻器的“萬能密碼”或所謂“超級密碼”，輸入相關的密碼后，可解除變頻器運行鎖定狀態(tài)，或可以改寫相關參數，達到使變頻器正常運行的目的;

2)懷疑是此類原因，或不明代碼意義時，咨詢廠家技術人員是一個好的方法。MCU自檢過程中，對一些硬件電路異常的報警，其意義是什么，有時也只有廠家技術人員，才能給予有效的提示。由此我們可找到解決問題的又一個途徑。

4、過流故障信號處理電路

過流故障信號處理電路，對輸入UI、VI、WI電流檢測信號，完成精密半波整流、輸出IUVW電流檢測信號至MCU的89腳。同時該輸出信號，進一步經梯級電壓比較器電路，獲得開關量過流故障報警信號，輸入MCU的17、18引腳。

圖4 過流故障信號處理電路

U1內部3組放大器和外圍元件，組成輸入信號正半波的整流器電路，輸出整流信號經U1的8/9/10腳反相器進行合成和倒相、二極管D6雙向鉗位和RC電路濾波后，輸入至MCU的89腳，這是一路3波頭的脈動直流信號，其電壓幅度反映運行電流的大小，和有無輸出缺相，主要用于起動、運行、停機過程中的過電流檢測、故障報警和延時處理后的停機保護。

輸入U7的89腳電流檢測信號的作用及表現：

1)在上電后，變頻器未運行前，若產生錯誤的電流檢測信號電壓，面板顯示“CF3.7”故障代碼，意為“交流電機驅動器偵測電路異?！猯sum模擬/數字電路異?！?，故障信號不可復位。

2)送入啟動信號，MCU即檢測89腳的高電平信號電壓，判斷有IGBT短路故障發(fā)生時，無延時報出“OC(意為恒速中過電流)”信號，并停機保護;

3)在起動、停機和運行過程中，MCU檢測89腳輸入電流檢測信號電壓，與內部程序基準值相比較，判斷有過流現象出現時，面板分別顯示“OCA”、“OCd”、“OCn”故障代碼，提示“加速中過電流”、“減速中過電流”、“運行中過電流”等故障發(fā)生，經程序延時處理，過流信號仍存在時，停機保護。報警信號可以復位。

U6為8引腳專用電壓比較器芯片，輸出端為開路集電極輸出電路。U6的4/5/2腳電路和外圍元件組成的遲滯電壓比較器電路，將輸入IUVW電流檢測信號與5腳4.4V動作閥值電壓相比較，輸入電流檢測信號電壓大于4.4V時，2腳輸出端由+5V變電壓變?yōu)?V低電平報警信號，直到IUVW電流檢測信號電壓低于2.7V時，輸出才再度翻轉為正常狀態(tài)的+5V高電平。避免了在IUVW檢測信號波動時，產生不必要的故障報警信號輸出。該路輸出信號，主要用于變頻器上電后對本級及前級電路檢測硬件電路的故障判斷，在起動、運行和停機過程中，該信號無效。

輸入U7的17腳開關量故障報警信號的作用及表現：

1)上電后，MCU若檢測17腳電壓值不為+5V高電平，說明該路故障信號報警處理電路工作異常，面板顯示“HPF.2”，意為“控制器硬件保護電路異?！狾C電流鉗制硬件保護電路異?！?，故障信號不可復位。

2)起動和運行過程中，該路輸出信號電壓異常時，MCU“不理會”，面板不顯示報警代碼。起動和運行后，MCU只檢測18腳信號的電平狀態(tài)，并作出反應。

U6的1/6/7腳電路和外圍元件組成的遲滯電壓比較器電路，用于起動、運行過程中對輸出電流的監(jiān)控、過流保警、停機保護。電路本身異常時，在上電后，也給出故障警示。

輸入U7的18腳開關量故障報警信號的作用及表現：

1)上電后，MCU若檢測18腳電壓值不為+5V高電平，說明該路故障信號報警處理電路工作異常，面顯示“HPF.3”，意為“控制器硬件保護電路異?！狾C硬件保護電路異?！?，故障信號不可復位。

2)運行和減速停機過程中，若有開關量信號產生，則報出“OC”，意為“恒速中過電流”，也是一個“重度過流”信號，變頻器無延時處理過程，立即實施停機保護動作。

5、故障檢修實例(以中達VFD-B型22kW變頻器電流檢測與保護電路)

﹝故障實例1﹞變頻器上電后，面板顯示“HPF.3”故障代碼，查說明書，意為“控制器硬件保護電路異?！狾C硬件保護電路異?！薄Ｗ冾l器上電后，即顯示故障代碼(有些機型顯示產品使用說明書中查不到的代碼)，說明MCU在上電期間，檢測到相關引腳有故障信號存在。

1)根據經驗，當驅動IC返回的IGBT故障信號，往往以OC故障代碼的形式出現?！癏PF.3”故障內容，可能為電流、電壓等檢測電路——模擬或開關量信號處理電路，出現了異常的故障信號輸出。

2)模擬量輸出信號，一般在運行中生效。在上電后即報的故障，多數為開關量故障信號處理電路的故障。

3)電流檢測電路的開關量信號輸出點——MCU的輸入引腳有3個，即U7的17、18腳和75腳，檢測遲滯電壓比較器U6的1腳輸出電壓值為0V，正常值應該為5V，判斷該電路誤報故障信號。

測U6的6腳信號電壓為0V，7腳電壓為3.6V，判斷U6的1腳內部電路損壞。更換U6，上電后變頻器顯示正常，故障排除。

﹝故障實例2﹞變頻器上電后面板顯示“CF3.3”故障代碼，復位操作無效，檢測到集成運算放大器U2的輸出端8腳靜態(tài)電壓值為1.2V，偏離正常值2.5V。測U2的1、14腳2.5V靜態(tài)電壓正常，又檢測U2的9、10腳電壓值均為0V，判斷U2的8、9、10腳內部放大器損壞。

更換U2(型號為TL0741，也可用LF347、LM324等型號的貼片IC直接代換)，故障排除。

﹝故障實例3﹞變頻器上電后，面板顯示“HPF.1”故障代碼，意為“控制器硬件電路異?！薄z測接地故障信號處理Q5的發(fā)射極電壓為0V，說明該電路上電后即有故障信號輸出。

為確定是否因U7的75腳的電平狀態(tài)異常，導致“HPF.1”故障報警，可采為人工改變75腳電平的方法，來進一步驗證，方法是：

a、若原輸出為5V，可用金屬小鑷子暫時短接R210，觀察上電期間的面板顯示內容是否變化;

b、若原輸出為0V，可將D19的中心端暫時與+5V端短接，觀察上電期間面板的顯示內容是否變化。

可以看出，U4的發(fā)射極至U7的75腳之間的電路，有了R208的限流作用的二極管D54的反向截止作用，完全可以放心暫時短接兩個元件引腳，使75腳信號電平由5V到0V或由0V到5V的轉換，不必擔心試驗中的短接行為會損壞相關元件。

經試驗，當U7的75腳0V低電平變?yōu)?5V高電平后，變頻器在上電后顯示正常，接受啟動信號號能正常運行，判斷“HPF.1”故障報警，系由接地故障信號處理電路，誤報警所引起。檢測電壓比較器U4的1、7腳為14V，Q4不具備導通條件，懷疑Q4的集電極與發(fā)射極已經短路，停電測量，Q4果然損壞。用普通晶體管S9012或S9014更換Q4，故障排除。

﹝故障實例4﹞變頻器上電后，報出 “GFF”故障代碼，意為輸出端“接地故障”。檢測MCU相關的開關量故障信號輸入腳，如17、18、75、89腳等，都處于故障報警狀態(tài)，這說明電流檢測的前級電路——共用信號電路部分，出現了故障，直接從CS1~CS3電流互感器的信號輸出端子測量，檢測CS1的信號輸入端電壓由正常的0V變?yōu)?2V，判斷CS1損壞。