变频器电压检测电路

变频器的电压检测电路（新）
——正弦变频器电压检测实际电路分析
一、电路构成和原理简析
电压检测电路，是变频器故障检测电路中的一个重要组成部分，旨在保障使IGBT 逆变电路的工作电源电压在一特定安全范围以内，若工作电源危及IGBT （包含电源本身的储通电容）器件的安全时，实施故障报警、使制动电路投入工作、停机保护等措施。

此外，少数机型还有对输出电压的检测，在一定程度上，起到对IGBT 导通管压降检测的同样作用，取代驱动电路中IGBT 的管压降检测电路。

1、电压检测电路的构成、电压采样方式及故障表现
图1 电路检测电路的构成（信号流程）框图
1、电压检测电路的电压采样形式（前级电路） 1）直接对DC530V 电压采样
78L05C
8
P N
图2 DC530V 电压检测电路之一
直接对P 、N 端DC530V 整流后电源电压进行进行采样，形成电压检测信号。

如阿尔法ALPHA2000型变
频器的电压检测电路，如图2所示。

电路中U14线性光耦合器的输入侧供电，由开关变压器的独立绕组提供的交流电压，经整流滤波、由78L05稳压处理得到5V 电源所提供，电源地端与主电路N 端同电位。

输出侧供电，则由主板+5V 所提供。

直流回路P 、N 端的DC530V 电压，直接经电阻分压，取得约120mV 的分压信号，输入U14（线性光耦合器，其工作原理前文已述）进行光、电隔离与线性放大后，在输出端得到放大了的检测电压信号，再由LF353减法放大器进一步放大，形成VPN 直流电压检测信号，经CNN1端子，送入MCU 主板上的电压检测后级电路。

2）由开关变压器次级绕组取得采样电路信号
+5V
-42V
图3 DC530V 电压检测电路之二
N
+5V
N1输入电压波形示意图V T
截止
VT
饱合导通
0V
530V
5V
0V
-42V
N3输出电压波形示意图
压采样等效电路T1
图4 直流回路电压采样等效电路及波型示意图
主电路的DC550V 直流电压检测信号，并不是从主电路的P 、N 端直接取得，而是“间接”从开关电源的二次绕组取出，这是曾经令一些检修人员感到困惑、找不到电压检测信号是从何处取出的一件事情，也成为该部分电路检修的一个障碍。

电压采样电路如上图4所示。

在开关管VT 截止期间，开关变压器TRAN 中储存的磁能量，由次级电路进行整流滤波得到+5V 工作电源，释放给负载电路；在VT 饱和导通期间，TC2从电源吸取能量进行储存。

N3二级绕组上产生的电磁感应电压，正向脉冲出现的时刻对应开关管的截止时间，宽度较大，幅值较低，经二极管D12正向整流后提供负载电路的供电，有电流释放回路；反向脉冲出现的时刻对应开关管的饱和导通时间，宽度极窄，但并不提供电流输出，回路的时间常数较大（不是作为供电电源应用，只是由R 、C 电路取得电压检测信号），故能在电容C17上维持较高的幅值。

开关管VT 饱合导通时，相当于将N1绕组直接接入530V 电源，因而在同一时刻N3绕组此时所感应的负向脉冲电压，是直接反映N1绕组供电电压高低的，并与其成线性比例关系——N3绕组感应电压的高低，仅仅取决于N1、N3绕组的匝数比。

整
流二极管D12和D11接于同一个次级绕组上，D12将“大面积低幅度”的正向脉冲整流作为+5V供电，而D11却将“小面积而幅度高”的负向脉冲做负向整流后，经R20、R18、R19、C19、C17等元件简单滤波处理后，将此能反映一次主绕级供电高低的-42V电压信号，作为直流回电压的检测信号，送入MCU主板电路，供显示直流电压值和参与CPU程序控制之用。

直流电压检测电路与其它输出电源电压电路的显着不同，1）在于该电路整流电压的输出端无大容量滤波（电解）电容；2）输出电压回路中串接有数千欧姆或数十千欧姆的大阻值电阻。

显然该路输出电压不能用作供电电源。

3）同一绕组所整流得出的供电电源电压值，要数倍低于检测电压值。

这是判断该电路为直流电压检测信号输出电路的3种依据。

3）通过对充电接触器辅助触点的状态检测，间接作出对直流回路是否正常的逻辑判断
上篇博文，在海利普HLP-P型15kW变频器电压检测电路原理及检修一文中，已作出详细的分析，当充电接触器未正常作出吸合动作，表现为辅助常开闭点没有在电容充电结束后，接触良好，检测信号输入MCU引脚后，MCU经逻辑分析，判断充电接触器的未正常动作，因而直流回路的供电电压“肯定”也是不正常的，因而有时检测充电接触器的辅助常开触点未闭合时，也会报出“直流回路欠电压”故障。

3）三相输入电源电压的检测电路
部分机型有了DC530V的电压检测，就省略了对3相输入电压的断相检测（DC530V的高低一定程度上也反映了三相电压电源电压的输入状况），有些机型的电压检测电路，则“面面俱到”，检测电路比较完善。

R S T
J2
35图5 三相输入电源电压检测电路
三相输入电源电压检测电路，将R、S、T端输入的电源电压先经电阻网络降压/限流，再经桥式整流电路变为六波头300Hz脉动直流，送入光耦合器输入侧，3相电源正常时，光耦输出侧为六波头300Hz的脉冲直流信号，或认为J2端子的35脚一直为低电平；电源任缺一相时，光耦输出侧为四波头200Hz的电压信号，或认为J2的35端子有出现高电平的时刻，经后级电路处理送入MCU，MCU判断缺相故障，报警并停机保护。

光耦合器U15的输入侧串入稳压管Z19，使U15输出信号的动作“干脆利落”，对三相电源电压的不平衡也有检测作用。

检测电路将输入模拟信号转化为映波头数目的“数字信号形式”，利于MCU的检测和判断。

4）3相输出电压/频率检测电路
3相输出电压检测电路，在少数变频器产品中有采用。

其主要作用，是检测逆变电路的输出状态，由此起到对IGBT的保护作用，如同驱动电路的IGBT管压降检测与保护电路一样。

有些变频器，驱动电路没有IGBT管压降检测保护电路，对IGBT的保护，一定程度上依赖于三相输出电压检测电路——三相输出电压信号经电路转变为输出频率信号，再输入MCU，起到对逆变电路的6只IGBT是否正常工作的判断。

图6 输出电压/频率检测电路
这是一个典型仪用放大器的电路结构，N1、N2、N3前三级电路构成了双端输入、单端输出的差动放大电路，第四级接成反相放大器，将信号放大到一定幅度后推动U7光电耦合器。

U、W输出端电压信号经R31、R34降压，D16、D17双向限幅，C17滤掉了高频载波信号，将信号还原为两相电压信号，加入N1、N2、N3组成的差动放大电路，再经N4放大后推动U7输出。

N1、N2、N3电路又是V相电压信号的合成电路，输入的U、W两相信号中，包含了V相电压信号，经N1、N2、N3电路的合成作用，实际上N3输出的是表征着V 相频率与时间基准的脉冲信号。

耦合电容E13起到了隔直通交及对信号进行零电平“置位”的作用，以适应N4单电源供电电路的要求，N4则相当于一个整形电路，将N3输出信号整形为矩形脉冲信号输出，以驱动光电耦合器U7。

当U7输出的信号满足要求时，说明U、V、W三相输出都是正常的。

U7的输出信号反映了三相电压的输出状态，此信号输入到CPU，与内部时间基准相比较，通对脉冲计数的时间比对，从面可判断出是否存在输出缺相（.）故障。

故障时可实施停机保护。

（试分析）因输入端D16、D17两只二极管的嵌位作用，电路本身并不是用来对输入信号进行放大的，而是实现了对三相脉冲信号的合成作用。

电路输出的脉冲信号，并不是表征着输出电压幅度的模拟电压信号，而是表征着输出频率的脉冲信号。

电路是通过电压信号检测输出频率，相当于完成了“模/数”转换的作用，将输入模拟电压信号，转变化“脉冲信号”输出。

输出信号用于对逆变输出电路的检测，当逆变输出电路中某一臂IGBT在故障状态时，报出缺相故障，并实施停机保护。

2、电压检测电路的后级电路
电压检测电路的后级电路对信号的处理方式，同电流检测电路对信号的处理方式基本是相同的。

1）由前级电路送来的电压检测信号，进一步经模拟放大，或电压跟随，输入MCU相关引脚，供运行电压显示、过、欠压时延时报警。

2）以梯级电压比较器电路，将输入模拟电压信号转化为两个开关量报警信号，送入MCU相关引脚，用于启动直流制动电路、过压时保护停机。

电路实例的分析见下文。

3、电压检测电路的报警内容和故障表现
1）报警内容
LU：直流回路电压（直流高压侧）过低；O U：直流回路电压（直流高压侧）过高；HOU：瞬态过压；SOU：稳态过压；SLU：稳态欠压；ILP：R、S、T输入有缺相；OLP：U、V、W输出有缺相；主电路接触器未正常动作，等等。

2）若开关量信号硬件电路故障时，上电即报警，无法复位；模拟量信号误报警，一般可以复位的。

当输入电源（直流回路DC530V）异常、充电接触器上电后未正常动作时，在上电、起动、停机过程中、运行中，均有可能报出1）中的各种故障内容。

下文结合实际电路，讲解故障检修方法。

二、正弦SINE300型变频器电压检测与保护电路
该机型的电压检测电路共分三部分：输入电源电压检测电路、输出电压检测电路和直流电压（有时称高压侧，有时称直流母线）检测电路，对信号的作用、报警内容和故障信号屏蔽方法各有不同。

1、R、S、T输入电源电压检测电路，电源原理在上文（见图5后文）已有说明，此处从略。

61 T4CTROP/EVBSOC
图7三相输入电源电压检测电路
屏蔽“ILP”故障的方法：
变频器在上电后，和运行中，若发生电源缺相故障，或三相输入电源电压检测电路本身故障时，均会显示“ILP”故障代码，报缺相故障，处于停机保护状态。

在检修过程中，若为变频器引入单相AC380V维修电源，检测电路上电即报缺相故障，整机控制电路电路停止工作，给下一步的上电检修带来不便。

将光耦合器U15的3、4脚暂时用导线短路，或用焊锡短路，使U1的61脚变为0V低电平，人为形成一个“三相输入电源电压正常”的信号，可以屏蔽“ILP”故障报警。

2、U、V、W输出电压检测电路
+3.3V
43 CAP4/QEP3
图8 三相输出电压检测电路
U、V、W输出电压检测电路，采用一块标注为SINE2的单元电路板，将输出电压检测信号由SINE2电路转化为输出频率（开关量）信号，输入U1的43脚。

SINE2内部电路构成，请参阅上文图6电路。

电路工作状态，是在变频器运行状态下，MCU是对输入43脚的矩形脉冲波头数进行计数，判断有无输出缺相故障的，检修过程中，不需屏蔽该信号。

3、直流电压检测电路
1）模拟信号处理电路
直流电压检测电路的电压采样信号，取自开关变压器的二次绕组，负向电压经整流滤波，得到+15V 供电电源，与-15V电源一起，提供检测电路中运算放大器的正、负供电电源；正向电压（对应开关管饱和导通时刻）经D12整流，R11、R107、C60、C63等元件分压和滤波后，得到直流电压采样信号，经J2/J5排线端子的30脚进入MCU主板（后级电压检测电路）的直流电压检测电路。

R100R11R13R104R105R4
引脚:
106 XINT1/XBIO
图9 直流电压检测电路
送入MCU主板的电压采样信号，先经由U17与外围元件组成的电压跟随器电路进行缓冲，U17的1脚输出信号，一路经R49限流、D9信号电压钳位电路、C27滤除高频成分后，输入MCU的模拟信号输入端122脚，用于直流电压值显示，检测信号幅度过低时，变频器报SLU（意为稳态欠压）故障，实施停机保护；当U17的1脚输出的检测信号电压偏高时，MCU报出“瞬时过压”故障信号，同时使主电路的直流制动电路开始工作，使直流电压下降于正常值以内。

2）开关量信号处理电路
U17的1脚输出信号，又经R208、C514、R209组成的排形滤波电路，得到较为稳定的电压检测信号，输入由U30、U6组成的开关量报警信号形成电路，当U30的同相输入端检测电压高于反相输入端“设定的动作阀值”时，U30的输出端7脚变为高电平信号，经D30钳位于5V电平上，由U6（施密特反相器）倒相为0V故障报警信号，输入MCU的106脚。

变频器报SOU（意为稳态过压，指启动直流制动电路后仍无效果），停机保护。

4、电压检测电路的报警及故障（误报警）表现：
1）输入电源电压过低，超过（MCU内部程序设定值），上电过程中可能报出欠电压故障；变频器的供电电源缺相时报出缺相故障；
2）检测电路本身故障，上电后报出过、欠压故障，变频器处于保护状态，不接受起动信号。

5、电压检测电路故障检修实例（以图7/8/9电路为例）
﹝故障实例1﹞送修用户反映：变频器上电后，报SLU（意为稳态欠压）故障，不能开机运行。

1）变频器接入AC380V维修电源，上电后报ILP（输入缺相）故障，从电源/驱动板上找到如图7所示的三相输入电源电压检测电路，先用导线将光耦合器的3、4脚短接，以屏蔽输入缺相故障信号。

2）上电后，变频器报SLU（意为稳态欠压）故障。

当U6的12脚电平变化时，变频器应该报过电压
故障，故首先排除开关量报警信号形成电路的故障。

检测U17和各个引脚电压值，判断U17本身没有问题，可能为3脚输入电压信号过低所致（见图9）。

3）检查D12、R100等元件，也无异常。

试将R4短接，以提升电压检测信号的电压值，上电不再显示SLU故障，可正常操作运行。

分析电压检测信号电压低落的原因，可能为电阻分压回路的电阻变值，如R100电阻值变大，或R107的电阻值变小所致，或C60、C1、C63等电容漏电所致，而以电容漏电的可能性为大。

当焊下C63再为变频器上电时，不再误报欠电压故障，测量电容C63的两引脚，有数千欧姆的漏电电阻值。

用~范围以内的瓷片电容，代换后，上电试机，变频器工作正常。

﹝故障实例2﹞变频器上电后，显示SOU（意为稳态过压）。

本机的过电压开关量信号报警电路由U30、U6等电路组成（见图9），正常状态下，U30的7脚为低电平，U6的信号输出端12脚为高电平。

现在的测试结果是，U30的7脚电平状态正常，测U6的12脚为0V低电平，进一步，测U6的信号输入端13脚为高电平，从U6的输入端、输出端信号的电平状态，判断U6是好的，故障出在前级电路。

但检测U30的7脚输出状态也是对的，故障终点落在电阻R216身上，该电路断路或电阻值变大时，会使U6的13脚输入电压变为高电平，电路误输出过电压报警信号。

焊下R216测量，其电阻值已变大为12kΩ，更换R216，故障排除。

咸庆信
2012年10月1日
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