IGBT模塊是變頻器中最容易損壞的核心功率器件之一。當變頻器出現炸機、過流、無輸出或無法啟動等故障時,IGBT模塊往往是重點排查對象。本文以圖文結合的方式,詳細講解變頻器IGBT模塊從檢測到更換的完整維修過程,供電氣維修人員和設備管理人員參考。
閱讀更多IGBT模塊是變頻器中最容易損壞的核心功率器件之一。當變頻器出現炸機、過流、無輸出或無法啟動等故障時,IGBT模塊往往是重點排查對象。本文以圖文結合的方式,詳細講解變頻器IGBT模塊從檢測到更換的完整維修過程,供電氣維修人員和設備管理人員參考。
閱讀更多一. 電源/驅動電路板電路
變頻器的主電路由輸入整流模塊、輸出逆變模塊和儲能電容搭成主框架。小功率變頻器還內置直流制動開關管和制動電阻器,受CPU信號控制,在因負載電動機反發電造成電能饋回直流回路,致使直流回路電壓異常上升,危及逆變模塊和儲能電容的安全時,制動開關管導通,將制動電阻并入直流回路。本電路中光耦合器PC1驅動制動開關管VF1的回路,不能形成激勵電壓的通路,制動電路形同虛設。即使為成品機型,也可能有電路上的失誤之處。維修中需注意!

本變頻器逆變模塊的型號為STK621-051A,為智能功率模塊(IPM)。模塊內含IGBT的驅動電路、欠電壓(驅動電壓跌落時電路動作)和IGBT過電流、短路保護電路,以及模塊溫度檢測電路、故障信號輸出電路。FO為故障信號輸出端子,經CN1的5腳連接到CPU的77腳。模塊內部故障檢測電路往往有自鎖功能,在輸出過電流、短路或驅動電源欠電壓、模塊過熱等故障發生時,也對IGBT實施了關斷措施。模塊輸出的IS電流檢測信號,先由IC2(C4570C)運算放大器處理后,經CN1的4腳送入CPU的59腳,以供運行電流顯示及故障報警之用。因為采用了IPM,使得保護電路大為簡化,電路結構相對簡潔。
6路逆變脈沖信號由CPU經CN1的6個端子輸入到模塊內部驅動電路。U、V、W輸出端子上并接的C11、C12、C133只電容器,為驅動電路的自舉電容,當其失容時,會因不能良好地驅動IGBT而頻報OC、SC故障。
變頻器開關電源電路的供電取自直流回路的+、-端,為直流280V左右。開關電源為單管自激振蕩電路,R1、R2為起動電路,提供開關管VT1上電時的起振電壓。R5、C4等元件形成正反饋支路,控制VT1的截止和飽和導通。VD3、VS1又構成一個穩壓支路,除加速VT1的截止外,利用VS1的電壓擊穿特性,可使振蕩電路完成工作狀態的轉換(VS1的擊穿電壓點,即VT1由飽和導通到進入放大區與截止區的轉折點),以此來控制電路達到穩壓輸出的目的。二次繞組輸出的工作電源還要經后級穩壓電路處理后,才作為控制電源。控制端子的電源Vc1由VD4、C7整流濾波得到,因采用IPM的原因,逆變電路不再需要外部4路相互獨立的驅動電源,這使得電源電路也大為簡化。Vc1提供變頻器控制端子的操作電源。VD5、C10整流濾波得到的VD電源,專供逆變模塊內部的驅動電路的供電。VD6、VD7整流電路提供控制電路所需的正、負電源。除控制端子的操作電源外,其他電源都是共“地”的,與直流回路的-端同電位。電路板上的各路供電,與“強電”有通路,這一點必須注意!檢修時應用隔離220V交流電源供電,避免電擊!

二 、CPU 主板電路
下圖為CPU主板電路之一—CPU的基本電路,也即滿足CPU基本工作條件所需的電路構成。由+5V供電電路、復位電路、晶振電路、外接存儲器電路、操作顯示面板的數碼顯示電路和鍵盤電路組成。

下圖為CPU主板電路之二—數字/模擬信號控制端子電路,是處理變頻器的控制端子輸入、輸出的數字與模擬信號的。10、11控制端子輸出變頻器的狀態(運轉或故障)開關量信號。RP1輸入面板頻率指令信號。2端子輸入控制端子輸入的模擬電壓信號—頻率指令信號。輸入信號的切換由IC4(BU4066BCK)雙向模擬開關來控制。

下圖為CPU主板電路之三—數字控制端子電路。電路處理的都是數字開關量信號。用戶用外接按鈕、開關等,通過數字控制端子,控制變頻器的啟停和故障復位等。3~9端子為控制信號輸入端子,控制信號經光耦合器輸入到CPU引腳。繼電器K1輸出變頻器的工作狀態信號,是無源觸點輸出。VT2、PC2、運算放大器IC6等電路,是將CPU76腳輸出的PWM脈沖信號,經光電隔離、數/模轉換、低通濾波成模擬電壓信號,供外接電壓表來顯示運行頻率的。電路傳輸的實際也為開關量信號。

在變頻器驅動線路中,為了保證控制端和驅動端的電氣隔離,會使用光耦芯片作為控制信號轉驅動信號的耦合元件。其中,比較常見的光耦芯片有6腳,8腳,16腳幾種封裝,比如HCPL3150,HCPL316J,PC923,PC929,TLP350,TLP520,FOD3120等,其中16腳封裝的還集成了管壓降檢測功能,下面以PC923,PC929為例,介紹一下光耦芯片的作用和功能。
閱讀更多上海津信關于丹佛斯變頻器基本原理的講解視頻
現在主流的變頻器基本使用的都是交-直-交的結構,其內部的電路原理也基本相同,我們可以通過對主電路分析,來了解變頻器的內部原理。

主電路中,我們分三部分介紹,分別是:
ABB變頻器的控制方式可以分很多種:
從控制方式上看,有本地控制盤控制,控制盤控制就是在變頻器上直接用操作面板控制或者是PC工具軟件控制。控制盤控制是在控制面板上給定,在控制面板上啟動/停止。PC工具是專用的一些軟件,通過傳輸電纜也可以控制變頻器。這些控制也叫作本地控制。
除了本地控制,還有外部控制。外部控制在變頻器之外,由外部發送控制邏輯控制變頻器。變頻器可以通過控制面板的本地/遠程切換鍵切換本地控制和外部控制。
外部控制也包括很多種類:
1.外部I/O端子控制,外部I/O端子控制包括模擬量輸入端子、數字量輸入端子、模擬量輸出端子、繼電器輸出端子等
2.現場總線適配器控制。現場總線適配器控制就是通過PIC或者是電腦,通過不同的通訊協議卡,連接成控制鏈路,具有接線簡單的特點。
3.DDCS通訊模塊控制,DDCS控制也是通過電腦控制變頻器。
4.外部控制也可以通過控制面板完成對變頻器的控制
5.主從鏈路控制,主從控制就是一個主機,多個從機的控制。一般主機是轉速控制,從機可以是轉速控制,也可以是轉矩控制。一個主機最多可以帶10個從機。
參見下面示意圖:

從對電機的控制來看,有對電機的轉速控制、對電機的頻率控制以及對電機的轉矩控制。
電機的轉速控制,就是要保證在一定負載范圍內,電機的轉速是恒定不變的。當負載輕時,變頻器會減小輸出給電機的轉矩,當負載重時,變頻器增加給電機的轉矩,來保證電機的速度不變。所以,變頻器速度控制就是轉矩變化,速度不變的控制。轉速控制可以在標量模式下使用,也可以在DTC模式下使用。
電機的頻率控制,就是要保證在一定負載范圍內,電機的頻率是恒定不變的。當負載輕時,變頻器會減小輸出給電機的轉矩,當負載重時,變頻器增加給電機的轉矩,來保證電機的頻率不變。所以,變頻器頻率控制就是轉矩變化,頻率不變的控制。這種控制只能在標量模式下使用
電機的轉矩控制,轉矩控制是在一定負載范圍內,電機的轉矩是恒定的,當負載輕時,電機的轉速變快。當負載重時,電機的轉速變慢。所以,電機轉矩控制就是轉矩不變,轉速變化的控制。轉矩控制只能在DTC模式下使用。
從ABB變頻器控制精度上看,變頻器控制分為開環控制和閉環控制。開環控制就是無外圍編碼器的控制。閉環控制是帶有外圍編碼器的控制。開環控制與閉環控制主要區別是控制的精度,閉環控制要比開環控制的精度高。對于一些控制精度高的場合,要加編碼器控制。
變頻器帶電機運行期間,如果電動機產生振動,會使繞組絕緣和軸承壽命縮短,影響滑動軸承的正常潤滑,而且振動力促使絕緣縫隙擴大,使外界粉塵和水分入侵其中,造成絕緣電阻降低和泄露電流增大,甚至形成絕緣擊穿等事故。
另外,電動機產生振動,也容易使冷卻器水管振裂,焊接點振開,同時會造成負載機械的損傷,降低工件精度,導致所有遭到振動的機械部分的疲勞,使地腳螺絲松動或斷掉,并使電動機產生很大噪音。
電機產生振動的原因很多,主要有三種情況:電磁方面原因;機械方面原因;機電混合方面原因。本文主要介紹一下與變頻器相關的原因及處理方法。
一、變頻器輸出不平衡變頻器三相電壓輸出不平衡,導致電機三相電流不平衡,從而導致電機振動。這種情況有可能是變頻器IGBT、或控制IGBT觸發的回路出現問題,將故障元件更換就可解決問題。
二、電機發生共振這種情況,可以在變頻器中設定跳躍頻率來避免。以ACS510變頻器為例,假如電機的共振頻率為10-14HZ,則將參數2502危險頻率低限設為10HZ,2503危險頻率高限設為14HZ,如此變頻器將不會運行在10-14HZ區間,從而避免電機發生共振。
三、諧波影響在變頻器中,通常使用晶閘管、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等開關元件來控制電源的輸出電壓和頻率。這些開關元件在開關過程中會引入非線性特性,從而導致諧波的產生。當電機受到諧波的作用時,會產生額外的力矩,導致電機的轉子振動。高次諧波的產生與頻率范圍、傳輸路徑、環摬條件等相關。

我們通常可以通過加裝輸入、輸出電抗器等濾波裝置來減少諧波的產生。

四、參數設置問題變頻器的參數設置不合理會導致電機運行時產生抖動。解決辦法是根據電機的特性和工作要求,合理設置變頻器的參數,如加速時間、減速時間等,如大力矩負載應使用矢量控制或DTC控制等。
其實一臺變頻器的頻率設置和多臺變頻器頻率設置的原理一樣,都是根據轉速n=60f/p(1-s)這個公式,來進行設置。
閱讀更多變頻器整流電路是變頻器主要的組成部分。其工作的質量直接影響著整個變頻器的運行。
閱讀更多