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变频器的控制端子电路分析与维修

  • 发布日期:2020-03-11      浏览次数:527
    • 变频器的控制端子电路,也在CPU主板上,为主板电路内容之一。因为与外部控制线路相连接,由外部引入异常电压造成的故障率也较高,是维修工作中经常要接触到的电路。

      变频器的控制端子,以电路性质来分,可分为数字控制端子和模拟控制端子两大类;以信号的输入、输出来分,可分为输入信号端子和输出信号端子;以信号性质来分,可分为开关量信号、模块量信号和脉冲信号三种。下面以海利普HLP-P型5.5kW变频器控制端子电路为例,给出电路分析和维修参考。

      1、数字控制端子——数字信号输入端子

      图1:数字信号输入端子电路

      数字信号输入端子电路,一般为光耦合器组成的电路,其特点是光耦合器的输入、输出侧需两路不“共地”的隔离电源,本电路输入侧供电为12V,数字信号的公共端为DOM端子。由开关电源输出的12V,经C8、L10、C71滤波,标记为控制电压EV;输出侧采用主板+5V供电。

      数字信号输入端子,可对变频器完成起动、停止、复位、多段速运行等控制,各端子作用有固定(出厂时默认)的控制功能,本电路都为多功能或称为编程控制端子,每个端子的控制作用可用参数灵活设置。 

      以SPH端子电路为例,看一下输入电流是如何产生的。当SPH端子由外部控制电路(开关元件)与DCM连接时,形成了EV(控制电源正极)至光电耦合器PC5的输入侧1脚→输入侧2脚→R141→外部控制电路→DCM(控制电源负极)的电流通路,PC5因输入侧二极管得电发光,输出侧光敏三极管导通,将低电平的(约为0V)信号电压输入CPU的24脚;当外部控制电路断开时,PC5输入电流为零,CPU的24脚又变为静态高电平(为5V)。换言之,输入信号生效时,CPU信号输入脚变为0V,无信号输入时,CPU信号输入脚为5V,输入信号呈现0和1的数字逻辑关系。

      通过参数设置,也可将数字输入信号端子,设置为脉冲信号输入,如用作对输入脉冲计数,以控制转速输出等。

         当外部控制电路正常,变频器的相关控制参数的设置也正确时,变频器对输入信号不能作出正常反应,有可能是输入端子电路的问题了。先检查光耦合器输入侧、输出侧的供电电源,确定控制电源正常后,再进行以下检查。

      数字输入信号端子电路的检测也非常方便(仍以SPH端子电路为例),当短接SPH与DCM端子时,测量PC5输入侧的1、2脚应有1.2V电压值,若此电压等于12V,说明光耦合器输入侧已经开路,若为0V(以DCM为基准测试点),说明输入回路有断路或PC5输入侧已经击穿损坏。进一步检测当PC5为1.2V时,输出侧应为0V(以+5V电源地为基准测试点),若仍为+5V,说明PC5输出测三极管已经有开路性损坏。

      2、数字控制端子——数字信号输出端子

      数字信号输出端子有两种类型,一为开关量信号输出端子,输出继电器触点信号(也称为无源触点信号),触点输出电路形式有很好的电气隔离度,对外部控制线路的电压级别和高低,均无要求,可用于外接指示灯、继电器等,用于运行指示或故障示警。该类输出触点有两组,由CPU的17、18引脚输出开关量信号(5V或0V)控制三极管T3、T4的导通和截止,进而驱动继电器EDQ1和EDQ2的吸合和释放,控制其触点作出相应动作,本电路的输出信号内容也为可编程设置。继电器电源也由+5V提供,其它变频器一般都是24V供电的。下图中的T3、T4三极管工作于开关状态,相当于继电器的一个电源开关。继电器两端并联有二极管D26、D27,用于吸收继电器开断瞬间感生的反向电压,以保护三极管的安全。

      图2:数字信号输出端子电路

      继电器驱动电路的三极管,因流通较大驱动电源,实际检修中可能会碰到三极管短路或断路的故障。正常状态下,若EDQ1输出的为运行信号,当启动变频器时,测T3的基极应为4.3V左右,停止变频器后,测量T3基极电压应上升为5V,测量R127的左端,运行和停机时的电压,应分别为0V和5V。测量R127的左端电压变化,可以确定CPU来的控制信号是否正常,测量T3的基极电压或发射结电压,可以确定T3是否正常。当发射结电压远远大于0.7V时,说明三极管的发射结已经开路。该电路损坏后,表现为误输出故障或运行信号(上电后触点一直闭合),或不能正常输出运行或故障信号(应该有触点动作信号输出时,触点一直不能闭合)。

      数字信号输出端子的另一电路类型,开路集电极输出电路,用户可以外接继电器转化为触点信号输出,因元件参数限制(光耦合器),对外部控制电路的供电电压和负载能力是有限制的,一般外接控制电压为24V以内,负载回路电流在100mA以下。采用开路集电极输出,输出常规开关量信号是没有优势的,但其好处是通过参数设置,可以实现脉冲信号输出,如输出对应运转频率的脉冲信号,可挂接数字计数器,显示运转频率。其检修方法同上。

      3、模拟控制端子——模拟信号输入端子

         模拟控制信号输入端子,即是用模拟信号,给出频率指令,用于控制变频器的输出频率。模拟信号,一般有0~10V,和0/4~20mA两种类型,前者需要一个10V调节电源,一般由变频器内部电路供给,由+10V端子输出,供外接调速电位器;后者往往接收来自外部控制仪表的电流信号,用于调速,或运行于PID闭环控制。图3为+10V调节电源的电路。

      图3 调速电源电路

      这是一个电压跟随器的“变形”电路,放大器的9脚引入由R122和R24的分压值,放大器10脚可看作是一个5V基准电压端,电路两输入脚电压比较输出的结果,是使9脚分压值等于10脚基准电压,即R123的左端电压为10V时,电路的输出达到平衡。电路具有稳压或者说是电压伺服效果,无论外部负载电路的负载如何变化,R123左端的电压输出总是(2倍压)跟踪于较为稳定的基准电压,应该说,电路的动态稳压性能,还算比较优良。

      +10V调节电源的电路形式,在其它变频器中还有多种电路形式,如将+15V电压串联一个低压差7810稳压器,或将电阻降压、稳压二极管的电路形式,得到10V输出,更多的电路形式是采用LM317可调稳压IC或TL431基准电压源,通过器件电压基准端的分压电阻的取值,得到10V调节电源。

      该电路由于外部引线的原因,常常会误引入异常电压(如交流220V甚至于雷击电压)或使电源端子长时间对模拟信号公共地短路,致使内部电路损坏。故障表现外调速电位器调速失效,用万用表测量+10端子,电路为0V或为一不稳定值,可以确定是内部10V调节电源电路损坏。

      常规修理方法是检查损坏元件,换新修复。如修复时间紧迫,可从主板上15V电源,加7810稳压块或采用简单电阻降压、稳压二极管稳压的电路,应急修复,一般不会影响正常使用。

      下图4为模拟信号输入的实际电路,上部电路为0~10V电压(调速)信号输入电路,下部电路为0/4~20mA电流(调速)信号输入电路。电路的基本形式也为电压跟随器,因为CPU芯片的电源和输入/出电压范围为0~5V,输入0~10V电压,先由R115、R114分压为0~5V电压值,再输入放大器的同相输入端,从输出端D23的负端整流电压,作0~5V的跟随输出。二极管D22用于输出电压最大值嵌位(电路异常输出时将输出值嵌位于5.5V),以保护CPU的安全,输出电路再经C、R、C滤波电路滤除干扰,进入CPU引脚,经内部A/D转换,控制频率输出。

      电路输入信号的电路形式同电压输入电路是基本上是一样的,只是在输入端与地之间并接了R105、R106两只串联阻值为250Ω的两只电阻。经常有网友问,如何将0~20mA 电流信号转化为0~5V电压信号啊?哎,这个转化电路其实简单得很!这两只电阻就是将输入0~20mA电流信号转化为0~5V电压信号的转化电路,0~20mA电流信号流经两只串联电路,在R105的上端,就变为了0~5V的输入电压信号,输入电流为20mA时,两只串联电阻上的电压降为0.02×250=5V,这是电流流经电阻产生电压降的原理,从基本的欧姆定律推导而来,毫不出奇的。

      图4 模拟电压/模拟电流信号输入端子电路

         4、模拟控制端子——模拟电压信号输出端子

      上图为模拟信号电压输出电路,一般规定输出值为0~10V,可外接受10V指针电压表头,用于显示输出转速、输出电压、输出电流等监控内容,至于显示何种内容,根据用户需要,可由参数设置,因此也称为可编程模拟电压输出端子。

      虽然输出端子输出的电压经以上R、C滤波电路处理为较为平稳的直流电压,但CPU的77脚输出的却是PWM调宽脉冲信号,CPU是通过调节输出脉冲宽度的占空比,来调节输出电压值的。因为是运算放大器直接输出,又有R120限流的因素存在,电路最大输出电流能力是有限的,约为几毫安以内。

      当外接负载过大或输出端对模拟地公共端短路时,有可能造成运算放大器的损坏,变频器工作时,测量AM端子直流电压值为0V或较低,检查损坏元件进行修复。

      5、RS485通讯端子电路

      这是一个较为特殊的信号端子,其它信号端子的信号都是单向传输的,或输入或输出,该信号端子的信号是双向传输的总线方式。

      变频器与变频器之间,变频器与PLC之间,只有RS485通讯方式,接线方式简洁,只有两线,抗干扰性能好,可以远距离传输,如果以PLC作为上位机(主机),一般最多与可32台变频器同时通讯,控制32台变频器的起、停和调速,并上传变频器的运行或故障数据。一般采用半双工通讯方式,可以由通讯端口向变频器下传控制指令,也可以将变频器运行状态上传至上位机。

      RS485通讯,牵扯到专用通讯参数的设置,和通讯程序的编写等内容,在此不予赘述了。

       

      变频器的控制端子,上文所述,已经近于包含了所有的内容。其它变频器的电路,与上述电路相比,是比较相似的,或者可说是大同小异的。由此文,可以管见变频器控制端子电路的概貌,希望本文对大家能有点用处。

       

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