变频器开关电源线路及故障案例.docx

作为一台工控电子设备正常运行的前提条件，平稳可靠的电源无疑是坚实的支撑。在已接触过的各类变频器、伺服控制器、开关电源等设备当中，有近2/3为使用UC28/3842、43、44、45系列电流反激型电源IC的线路结构。由于该系列IC的开关电源线路具有结构相对固定、运行可靠性较高、制作成本低廉等优点！在未来十年中，相信该系列IC构成的开关电源线路，仍会在各类工控电子设备中被广泛使用，为此大家非常有必要了解一下该系列IC所构成开关电源电路的相关知识。本文便以该系列电源IC的典型应用线路原理图为分析蓝本，给大家介绍一下其各个元器件的作用，以及常见故障类型，且为大家讲述一下，在此过程中遇上的故障实例，供大家参考借鉴！手绘电路图是变频器、伺服控制器、电动车充电器等装置中，UC28/384X系列IC的典型应用线路原理图。本图为三垦某型号变频器开关电源部分实测反绘线路，限于篇幅开关电源次级输出部分仅绘出+5V回路供分析之用。此处需要指出的是：28是该系列IC工业级产品的命名前缀；38则是其民用级别的命名前缀；这两者之间仅在工作运行环境适应温度上有所差别，在性能、管脚排列等方面则一致。目前，大品牌厂家多采用UC284X系列IC,国内小厂杂牌机、相当部分的开关电源、家用小电器等当中多见UC384X系列IC。代换时，28系列IC可以直接代换38系列IC,至于38系列IC则要考虑设备实际使用环境来选择性地进行代换28系列IC。下面，我们分段了解一下电源IC（图中UI）各管脚的功能，以及外围电路组件等知识。首先我们来看IC的电源端5脚为IC电源地端（GND）,实际线路中均直接同直流母线电源N端直连。7脚为IC电源正端（VCC）,该管脚供电来自两个回路：在变频器上电初期,7脚的电源由直流母线P端经Rl、R2降压供给；当IC得电开始正常工作后，由高频变压器T之自供电绕组1.2所产生的电压，经D2整流、R5限流后为IC供电。此中，Cl为变频器直流母线端（P、N两端）的高频滤波电容、C2为IC工作电源端的滤波电容。实际线路中，部分厂家在两支降压电阻之后，会串入一支1.ED发光二极管,其作为限流元件的同时兼顾指示作用。还有部分比较负责任的厂家，为了近一步确保IC平稳运行，还会在C2两端反并一支稳压二极管，亦或是在C2端并接一只小容量的高频滤波电容。这部分电路需要注意的事项有两处：一是降压电阻部分，因牵扯到电阻耐压问题，故必须使用两支及两支以上的同规格同参数的电阻串联组成（使用贴片电阻多见并、串结构形式）；二是开关电源变压器工作在高频状态，故自供电整流二极管严禁使用普通整流二极管代替！故障处置实例：1、中达VFD系列1.5KW变频器，接通交流电源后，整机无任何反显示。测量直流母线P、N两端有DC540V,顺势检测开关电源部分线路，发现六只贴片100KC电阻中，有一只已经近似开路损坏！2、一台日虹牌某型号22KW变频器，在通电后显示面板呈现出明、暗交替缓慢变化症状。经查开关电源输出端电压在低于正常值1/3至正常值间来回波动，针对电源IC（UC2844）测量过程中发现其电源7#管脚电压在1116.5V间波动，后发现故障为7#管脚所接滤波电容失容，导致滤波效果变差所致！3、某开关电源电路出现“炸机”故障的阿尔法55KW变频器，在将损坏元器件更换通电约半分钟后，再次发生包括电源IC（UC2842）烧毁故障！再次将损坏元件换新后，仔细排查电路元件，赫然发现自供电回路整流二极管存在软击穿故障现象！将其代换后，再次通电试机，变频器恢复正常。接下来我们看一下电源IC8#基准电压输出管脚。当电源IC的5、7脚通入额定的工作电压后，正常情况下IC的8脚会输出恒定的+5V基准电压。利用这一特性，我们可以方便地判断出IC性能好坏，如果IC通入额定工作电压，8#管脚无+5V电压，则IC必坏无疑！在实际线路运用当中，该路电压常被用来为IC稳压反馈环节中光电耦合器之输出端提供工作电压：图示RlO（该电阻起到限流作用）与PCI即这种情况。但最为普遍的应用则是为图中，由R3和C3构成的IC工作频率振荡电路提健由源八故箴维修实例：一台汇川MD38075KW变频器，运行过程中突然发生报“过热”故障代码信息，经查故障原因，系变频器内部供散热风扇使用的开关电源板损坏所致。在维修由UC2844构成的开关电源板过程中，本人发现IC表面温升较高，呈现出类似过载故障现象。排查常见的故障可能后，本人并未找到故障诱因，此时无意间测量了IC8脚的输出电压，居然显示为异常的3.5V左右！在将8#管脚同所接关联电路断开后，其输出+5V电压居然恢复正常，这无疑表明其所接电路当中有元件发生了异常经过细致测量，发现本例故障为8#管脚所接的一支0.047uF消噪电容变质所致！开关电源的经典电路之一图1东元7200PA37kW变频器开关电源电路图1所示电路为单端正激式隔离型开关稳压电源。电路由分立元件组成，非常简洁，故障率较低。与由UC3844振荡芯片为主干构成的电源电路有所不同，但电路原理与检查方法都是相近的。开关电源的供电取自直流回路的530V直流电压，由端子CN19引入到电源/驱动板。电路原理简述：由R26-R33电源启动电路提供VT2上电时的起始基极偏压,由VT2的基极电流Ib的产生，导致了流经TC2主绕组IC的产生，继而正反馈电压绕组也产生感应电压，经R32、VD8力口至JVT2基极；强烈的正反馈过程，使VT2很快由放大区进入饱合区；正反馈电压绕组的感应电压由此降低，VT2由饱合区退出进入放大区，IC开始减小；正反馈绕组的感应电压反向，由于强烈的正反馈作用，VT2又由放大状态进入截止区。以上电路为振荡电路。VD2、R3将VT2截止期间正反馈电压绕组产生的负压，送入VTl基极，迫使其截止，停止对VT2的Ib的分流，R26-R33支路再次从电源提供VTl的起振电流，使电路进入下一个振荡循环过程。5V输出电压作为负反馈信号（输出电压采样信号）经稳压电路，来控制VT2的导通程度，实施稳压控制。稳压电路由Ul基准电压源、Pel光电耦合器、VTl分流管等组成。5V输出电压的高低变化，转化为PCl输入侧发光二极管的电流变化，进而使PCl输出测光电三极管的导通内阻变化，经VD1.R6、PCl调整了VT2的偏置电流。以此调整输出电压使之稳定。在VT2截止期间，开关变压器TC2中储存的磁能量，由二次电路进行整流滤波释放给负载电路，在VT2导通期间，TC2从电源吸取能量进行储存。在二次绕组上产生交变的感应电压，正向脉冲宽度较大，幅值较低，经正向整流后提供负载电路的供电；反向脉冲宽度极窄，但因无电流释放回路，故能维持较高的幅值。VT2饱合导通时，将TC2的一次绕组接入直流530V电源的两端，因而二次绕组所感应的负向脉冲电压，是能反映TC2主绕组供电电压高低的。VDll和VD12接于同一个次级绕组上，VD12将“大面积低幅度”的正向脉冲整流作为5V供电，而VDlI却将“小面积而幅度高”的负向脉冲做负向整流后，经R20、CI9、RI9、C17等元件简单滤波处理后，将此能反映一次主绕组供电高低的-42V电压信号，作为直流电路电压的检测信号，送入CPUo如图2所示，供显示直流电压值和参与CPU程序控制之用。图2直流回路电压采样等效电路及波形示意图直流回路的直流电压检测信号，即为VDIl的后续R、C电路输出的-42V电压信号。属于对直流回路电压的间接采样。这几乎成为电压检测电路的一个机密,好多维修人员从与直流回路有联系的电路上查找电压检测电路，结果是可知的。此一电路功能的揭示，对相关故障检修有重要的意义。为驱动电路供电的6组相互隔离的整流、滤波电路，省略未画。对开关电源故障的检修，要找出其中关键的脉络。主要有两个电路环节：1）振荡支路一一包括起振电路和正反馈信号回路。起振电路：由TC2一次绕组、VT2的C、E极构成VT2的IC电流回路，和由启动电阻R26R33、VT2的发射结构成的（Ib）起振回路；由TC2的正反馈绕组（有时称自供电绕组，本电路中兼有两种身份）、R32、VD8构成的正反馈回路。起振回路和正反馈回路，两者结合，共同提供了和满足了VT2的振荡条件。2）稳压支路UI、PCl、VTl构成了对输出电压的采样电路和电压误差放大电路，以VTl对VT2的IC的分流作用实现对输出电压的调整。在实际工作中，开关电源电路的两个支路其实共同构成了对VT2的Ib的控制。显然，稳压支路会影响到振荡支路。如VT2的漏电或击穿，将会造成对VT2的Ib分流过大，导致电路停振。电路停振肯定不单只是振荡电路本身的问题，但检修的步骤，却可以围绕两个支路来展开。故障实例1接手一台7200GA-41kVA变频器，属雷击故障。检查三相整流模块其中一块短路；开关电源电路中开关管VT2,分流控制管VTI都已击穿短路。开关变压器TC2的一次绕组受冲击而开路。采购整流模块、电源损坏元件。开关变压器TC2须采购原配件。因市售晶体管的耐压一般在900V以下,也需采购原型号或工作参数与原管子接近的元件。分流控制管最好有原型号管子，如不易购到，可用市售彩电开关电源中的分流管代用。拆下电源/驱动板，更换损坏元件。上电，测各路输出电压正常，连接CPU主板，屏显正常。检测驱动电路的六路触发脉冲正常，整机装配后，带电机试验。修复。故障实例2该机在遭受雷击损坏修复后，运行了一个多月，又出现了奇怪的故障现象：运行当中出现随机停机现象，可能几天停机一次，也可能几个小时停机一次；起动困难，起动过程中电容充电接触器“哒哒”跳动，起动失败，但操作面板不显示故障代码。费些力气起动成功后又能运转一段时间。将控制板从现场拆回，将热继电器的端子短接，以防进入热保护状态不能试机；将充电接触器的触点检测端子短接以防进入低电压保护状态不能试机，进行全面检修，检查不出什么异常，都是好的呀。又将控制板装回机器，上电试机，起动时充电接触器“哒哒”跳动，不能起动。拔掉12CN插头散热风扇的连线，为开关电源减轻负载后，情况大为好转，起动成功率上升。仔细观察，起动过程中显示面板的显示亮度有所降低，判断故障为开关电源带负载能力差。拆下电源/驱动板，从机外送入直流500V维修电源，单独检修开关电源电路。各路电源输出空载时，输出电压为正常值。将各路电源输出加接电阻性负载,电压值略有降低；+24V接入散热风扇和继电器负载后，5V降为4.7V,此时屏显及其它操作均正常。但若使变频器进入起动状态，则出现继电器“哒哒”跳动，间或出现“直流电压低”、“CPU与操作面板通信中断”等故障代码，使操作失败。测量中，当5V降为4.5V以下时，则变频器马上会从起动状态变为待机状态。详查各电源负载电路，均无异常。分析：控制电源带负载能力差的判断是正确的。由于CPU对电源的要求比较苛刻，不低于4.7V时，尚能勉强工作；但当低于4.5V时，则被强制进入“待机状态”；在4.7V-4.5V之间时，则检测电路工作发出故障报警。意想不到的是此故障的检修竟然相当棘手，遍查开关电源的相关元器件竞“无一损坏”！试将UI(KA431AZ)的基准电压分压电阻之一的Rl(5101)并联电阻试验，其目的是改变分压值而使输出电压上升。测输出电压略有上升，但带载能力仍差。细观察线路板，分流调整管VTl似有焊接痕迹，但看其型号为原型号，即使更换也是从同类机中拆换的。该机的开关管VT2为高反压和高放大倍数的双极型晶体管，市场上较难购到，况电路对这两只管子的参数有较严格的要求。再结合故障分析，可能为VT2低效，如B值降低等，使TC2储能下降,电路带载能力变差；也可能为VTl的工作偏移，对VT2基极电流分流能力过强,使电源带载能力变差。试调整电路，将分流调整管的工作点下调，使之降低对VT2基极电