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工業(yè)機(jī)器人變頻器的電路分析及維修方式

工業(yè)機(jī)器人變頻器的電路分析及維修方式

2020/7/3 14:53:28

下圖是它的結(jié)構(gòu)圖。

圖1.1

變頻器基本電路圖分析


目前,通用型變頻器絕大多數(shù)是交—直—交型變頻器,通常尤以電壓器變頻器為通用,其主回路圖(見圖1.1),它是變頻器的核心電路,由整流回路(交—直交換),直流濾波電路(能耗電路)及逆變電路(直—交變換)組成,當(dāng)然還包括有限流電路、制動電路、控制電路等組成部分。

圖1.2

1)整流電路

如圖1.2所示,通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流,經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用,是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過電壓,從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相380V時,整流器件的最大反向電壓一般為1200—1600V,最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。


2)濾波電路

逆變器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動機(jī),無論異步電動機(jī)處于電動或發(fā)電狀態(tài),在直流濾波電路和異步電動機(jī)之間,總會有無功功率的交換,這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時,三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動,直流濾波電路起到對整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。

通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容,通常是由若干個電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組,以得到所需的耐壓值和容量。另外,因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^大的離散性,這將使它們隨的電壓不相等。因此,電容器要各并聯(lián)一個阻值等相的勻壓電阻,消除離散性的影響,因而電容的壽命則會嚴(yán)重制約變頻器的壽命。


3)逆變電路

逆變電路的作用是在控制電路的作用下,將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出,所以逆變電路是變頻器的核心電路之一,起著非常重要的作用。

最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個功率開關(guān)器件(GTR、IGBT、GTO等)組成的三相橋式逆變電路,有規(guī)律的控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷,可以得到任意頻率的三相交流輸出。

通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動電路。如三菱公司生產(chǎn)的IPMPM50RSA120,富士公司生產(chǎn)的7MBP50RA060,西門子公司生產(chǎn)的BSM50GD120等,內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測保護(hù)功能。模塊的典型開關(guān)頻率為20KHz,保護(hù)功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時輸出故障信號燈。

逆變電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時,異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中,寄生電感釋放能量提供通道。另外,當(dāng)位于同一橋臂上的兩個開關(guān),同時處于開通狀態(tài)時將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象,并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路,以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時,對換流器件進(jìn)行保護(hù) .


4)驅(qū)動電路

驅(qū)動電路是將主控電路中CPU產(chǎn)生的六個PWM信號,經(jīng)光電隔離和放大后,作為逆變電路的換流器件(逆變模塊)提供驅(qū)動信號。

對驅(qū)動電路的各種要求,因換流器件的不同而異。同時,一些開發(fā)商開發(fā)了許多適宜各種換流器件的專用驅(qū)動模塊。有些品牌、型號的變頻器直接采用專用驅(qū)動模塊。但是,大部分的變頻器采用驅(qū)動電路。從修理的角度考慮,這里介紹較典型的驅(qū)動電路。圖二是較常見的驅(qū)動電路(驅(qū)動電路電源見圖2.3)。

驅(qū)動電路由隔離放大電路、驅(qū)動放大電路和驅(qū)動電路電源組成。三個上橋臂驅(qū)動電路是三個獨(dú)立驅(qū)動電源電路,三個下橋臂驅(qū)動電路是一個公共的驅(qū)動電源電路。


5)保護(hù)電路

當(dāng)變頻器出現(xiàn)異常時,為了使變頻器因異常造成的損失減少到最小,甚至減少到零。每個品牌的變頻器都很重視保護(hù)功能,都設(shè)法增加保護(hù)功能,提高保護(hù)功能的有效性。

在變頻器保護(hù)功能的領(lǐng)域,廠商可謂使盡解數(shù),作好文章。這樣,也就形成了變頻器保護(hù)電路的多樣性和復(fù)雜性。有常規(guī)的檢測保護(hù)電路,軟件綜合保護(hù)功能。有些變頻器的驅(qū)動電路模塊、智能功率模塊、整流逆變組合模塊等,內(nèi)部都具有保護(hù)功能。

圖四所示的電路是較典型的過流檢測保護(hù)電路。由電流取樣、信號隔離放大、信號放大輸出三部分組成。

6)開關(guān)電源電路

開關(guān)電源電路向操作面板、主控板、驅(qū)動電路及風(fēng)機(jī)等電路提供低壓電源。圖五富士G11型開關(guān)電源電路組成的結(jié)構(gòu)圖。

直流高壓P端加到高頻脈沖變壓器初級端,開關(guān)調(diào)整管串接脈沖變壓器另一個初級端后,再接到直流高壓N端。開關(guān)管周期性地導(dǎo)通、截止,使初級直流電壓換成矩形波。由脈沖變壓器耦合到次級,再經(jīng)整流濾波后,獲得相應(yīng)的直流輸出電壓。它又對輸出電壓取樣比較,去控制脈沖調(diào)寬電路,以改變脈沖寬度的方式,使輸出電壓穩(wěn)定。


7)主控板上通信電路

當(dāng)變頻器由可編程(PLC)或上位計算機(jī)、人機(jī)界面等進(jìn)行控制時,必須通過通信接口相互傳遞信號。圖六是LG變頻器的通訊接口電路。

頻器通信時,通常采用兩線制的RS485接口。西門子變頻器也是一樣。兩線分別用于傳遞和接收信號。變頻器在接收到信號后傳遞信號之前,這兩種信號都經(jīng)過緩沖器A1701、75176B等集成電路,以保證良好的通信效果。

所以,變頻器主控板上的通信接口電路主要是指這部分電路,還有信號的抗干擾電路。


8)外部控制電路

變頻器外部控制電路主要是指頻率設(shè)定電壓輸入,頻率設(shè)定電流輸入、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動及停止運(yùn)行控制,多檔轉(zhuǎn)速控制。頻率設(shè)定電壓(電流)輸入信號通過變頻器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入CPU。其他一些控制通過變頻器內(nèi)輸入電路的光耦隔離傳遞到CPU中。

在下面文章中,上傳了有關(guān)變頻器的維修知識供大家分享!

根據(jù)大家對我的提議以及對我的支持,現(xiàn)在將一些變頻器最基本,基礎(chǔ)的知識貢獻(xiàn)給大家

變頻器開關(guān)電源電路, 變頻器開關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路。我們公司產(chǎn)品開關(guān)電源電路如下圖,是由UC3844組成的開關(guān)電路:開關(guān)電源主要有以下特點(diǎn): 1,體積小,重量輕:由于沒有工頻變頻器,所以體積和重量只有線性電源的20~30% 2,功耗小,效率高:功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài),所以晶體管的上功耗小,轉(zhuǎn)化效率高,一般為60~70%,而線性電源只有30~40%

二極管限幅電路


限幅器是一個具有非線性電壓傳輸特性的運(yùn)放電路。其特點(diǎn)是:當(dāng)輸入信號電壓在某一范圍時,電路處于線性放大狀態(tài),具有恒定的放大倍數(shù),而超出此范圍,進(jìn)入非線性區(qū),放大倍數(shù)接近于零或很低。在變頻器電路設(shè)計中要求也是很高的,要做一個好的變頻器維修技術(shù)員,了解它也相當(dāng)重要。


1、 二極管并聯(lián)限幅器電路圖如下所示:

2、二極管串聯(lián)限幅電路如下圖所示:

9)變頻器控制電路組成

如下圖所示,控制電路由以下電路組成:頻率、電壓的運(yùn)算電路、主電路的電壓、電流檢測電路、電動機(jī)的速度檢測電路、將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的驅(qū)動電路,以及逆變器和電動機(jī)的保護(hù)電路。

在圖 1點(diǎn)劃線內(nèi),無速度檢測電路為開環(huán)控制。在控制電路增加了速度檢測電路,即增加速度指令,可以對異步電動機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。


1)運(yùn)算電路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算,決定逆變器的輸出電壓、頻率。

2)電壓、電流檢測電路與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。

3)驅(qū)動電路為驅(qū)動主電路器件的電路,它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。

4)I/0輸入輸出電路為了變頻器更好人機(jī)交互,變頻器具有多種輸入信號的輸入 (比如運(yùn)行、多段速度運(yùn)行等)信號,還有各種內(nèi)部參數(shù)的輸出“比如電流、頻率、保護(hù)動作驅(qū)動等)信號。

5)速度檢測電路以裝在異步電動軸機(jī)上的速度檢測器 (TG、PLG等)的信號為速度信號,送入運(yùn)算回路,根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

6)保護(hù)電路檢測主電路的電壓、電流等,當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時,為了防止逆變器和異步電動機(jī)損壞,使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

逆變器控制電路中的保護(hù)電路,可分為逆變器保護(hù)和異步電動機(jī)保護(hù)兩種,保護(hù)功能如下:

變頻器驅(qū)動電路的HCPL-316J特性 HCPL-316J是由Agilent公司生產(chǎn)的一種IGBT門極驅(qū)動光耦合器,其內(nèi)部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路,為驅(qū)動電路的可靠工作提供了保障。其特性為:兼容CMOS/TYL電平;光隔離,故障狀態(tài)反饋;開關(guān)時間最大500ns;“軟”IGBT關(guān)斷;欠飽和檢測及欠壓鎖定保護(hù);過流保護(hù)功能;寬工作電壓范圍(15~30V);用戶可配置自動復(fù)位、自動關(guān)閉。DSP與該耦合器結(jié)合實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動,使得IGBT VCE欠飽和檢測結(jié)構(gòu)緊湊,低成本且易于實(shí)現(xiàn),同時滿足了寬范圍的安全與調(diào)節(jié)需要。HCPL-316J保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)   HCPL-316J內(nèi)置豐富的IGBT檢測及保護(hù)功能,使驅(qū)動電路設(shè)計起來更加方便,安全可靠。


其中下面詳述欠壓鎖定保護(hù)(UVLO) 和過流保護(hù)兩種保護(hù)功能的工作原理:

(1)IGBT欠壓鎖定保護(hù)(UVLO)功能

在剛剛上電的過程中,芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時芯片有輸出會造成IGBT門極電壓過低,那么它會工作在線性放大區(qū)。HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護(hù)的功能(UVLO)可以解決此問題。當(dāng)VCC與VE之間的電壓值小于12V時,輸出低電平,以防止IGBT工作在線性工作區(qū)造成發(fā)熱過多進(jìn)而燒毀。示意圖詳見圖1中含UVLO部分。

圖1 HCPL-316J內(nèi)部原理圖

(2)IGBT過流保護(hù)功能

HCPL-316J具有對IGBT的過流保護(hù)功能,它通過檢測IGBT的導(dǎo)通壓降來實(shí)施保護(hù)動作。同樣從圖上可以看出,在其內(nèi)部有固定的7V電平,在檢測電路工作時,它將檢測到的IGBT C~E極兩端的壓降與內(nèi)置的7V電平比較,當(dāng)超過7V時,HCPL-316J芯片輸出低電平關(guān)斷IGBT,同時,一個錯誤檢測信號通過片內(nèi)光耦反饋給輸入側(cè),以便于采取相應(yīng)的解決措施。在IGBT關(guān)斷時,其C~E極兩端的電壓必定是超過7V的,但此時,過流檢測電路失效,HCPL-316J芯片不會報故障信號。實(shí)際上,由于二極管的管壓降,在IGBT的C~E 極間電壓不到7V時芯片就采取保護(hù)動作。

整個電路板的作用相當(dāng)于一個光耦隔離放大電路。它的核心部分是芯片HCPL-316J,其中由控制器(DSP-TMS320F2812)產(chǎn)生XPWM1及XCLEAR*信號輸出給HCPL-316J,同時HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號FAULT*給控制器。同時在芯片的輸出端接了由NPN和PNP組成的推挽式輸出電路,目的是為了提高輸出電流能力,匹配IGBT驅(qū)動要求。

當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時,推挽電路上管(T1)導(dǎo)通,下管(T2)截止, 三端穩(wěn)壓塊LM7915輸出端加在IGBT門極(VG1)上,IGBT VCE為15V,IGBT導(dǎo)通。當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時,上管(T1)截止,下管(T1)導(dǎo)通,VCE為-9V,IGBT關(guān)斷。以上就是IGBT的開通關(guān)斷過程。

審核編輯(
王靜
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