616G3安川变频器驱动电路.doc

1、1616G3-55kW 安川变频器主电路uuuTA15600u400Vx6500uH150AHI-35E2T2CU-U/70AKM0220W1RRM100DZ-24x3RSTr/R60W10RMS1250D225POR6L-150S12AA1-024x6GR40WCTA2ECECR5.1kx2EGECMS1250D225NMS1250D225POR6L-150TA3GRCECECREGECMS1250D225NMS1250D225POR6L-150GRCECECREGECMS1250D225NUVWFU1/ATM53CN/4N1M1C7KA11KA116CN17CN4FAN散热风扇DM1KM0

2、1CN4CN/210CNP1uFANx4200V60W10R60W10R60W10R60W10R60W10R200V200V380V400/415V440V460V400V/S1CNM1M1M1XY2CN5CN1234M23风扇故障检测端子2.3开路时跳FAN故障123KM0状态检测开路时跳FU故障5CNKM0RC已短接开路时跳OH故障14CN/15CN外接热传感器开路时跳OH故障PN2uF2uF2616G3-55kW 安川变频器主电路图说所有变频器主电路的结构都是相似的，乃至于是相同的。而安川变频器的主电路和台湾东元变频器的主电路更是如出一辙。稍后我观察到两机的控制面板是一样的，控制面板和参

3、数的设置也是相似的。发现两种从硬件到软件都相似甚至于是相同的机器，给安装调试与维修，都会带来很多的方便。只要手头有一种技术资料参考，就可以调试和维修二种设备了。打开这两种大功率变频器的外壳，检查主电路时，安装于逆变模块上方（与模块并联的）的六只长方形盒体状的大东西，首先会引起我们的兴趣与每相上臂 IGBT 管子并联的是型号为 MS1250D225P，与下臂 IGBT 管子并联的型号为MS1250D225N。用句网络上的话说：这究竟是个什么东东？安装于此处意欲何为呢？大凡并联在 IGBT 管子上的东西，或电容或阻容网络，均是为保护 IGBT 管子而设置的。即当该管子截止时，快速消耗掉反向电压所形

4、成的能量，提供一个反向电流的通路，以保护 IGBT 管子不承受（实质上是使其承受得少一点罢了）反压的冲击。众所周知，无论是双极型或是场效应器件，在承受正向电压上往往有一定的富裕量， 但对于反向电压的耐受能力却是极其脆弱的。 所以在 IGBT 管子上并联的一嘟喽一嘟喽的东西，可以说都是完成此一消耗反压任务的。需要说明的是：MS1250D225P 和 MS1250D225N 的内部电路，笔者并未打开实物进行验证，模块损坏后，这两种器件往往都是完好的，所以也不便将其破坏后拆解。上图的内部电路是据测量揣摩画出的，仅为读者朋友提供一个参考。我查找了大量资料和在网络上进行了搜寻，均未找到此元件的资料。从揣

5、测电路的基础上进行原理上的分析，显然容易产生误导。故暂时省略对其原理的解析。但在模块上并联了此类元件后，将在检修上给我们带来新的体验。见下述。按照常规的检修方法，我们在更换损坏的模块后，进行通电试验前，须将上图中的 P 点切断，串入两只 25W（或 40W）灯泡，再行上电，这样万一逆变模块回路或驱动电路异常，造成上、下臂两只 IGBT 管子共通对直流电源的短路时，因灯泡的限流作用，使昂贵的 IGBT 模块免遭损坏。其它品牌的变频器，在管子两端并联皮法级的小容量电容，在通电或变频器启动后，只要 U、V、W 输出端子空载，灯泡是不会亮的。 但安川变频器在检修中的表现就有所不同了。 在 P 点串入灯

6、泡，上电，灯泡不亮，是对的，我松了一口气；按操作面板启动变频器，灯泡变为雪亮！坏了，输出模块有短路现象！这是我的第一判断。停电检查模块和驱动电路，均无异常。回头查看电路结构，在拆除掉 MS1250D225P 和 MS1250D225N 后，启动变频器后灯泡不亮了。测空载输出三相电压正常。这两只元件与外接 1080W 电阻，提供了约百毫安的电流通路，使 25W 灯泡变为雪亮。以几十瓦的功耗的牺牲换来 IGBT 管子更高的安全性，这是安川变频器的模块保护电路的特色。变频器空载启动后，由于 MS1250D225P 和 MS1250D225N 等元件的关系，逆变电路自身形成了一定的电路通路，并非为逆变

7、模块不良造成。该机是一个特例。有了电路通路，也并一定是模块已经损坏了，观察一下，是哪些元件提供了此电流的通路？当新鲜的经验固化成思维定式，对故障的误判就在所难免了。整机控制电源是由图下方一只多抽头变压器来取得的。插座 3CN 和 4CN 的短接线不同，可调整输入电压的级别，以保证次级绕组 AC220V 电压的精确度。散热风机是采用 AC220V 电源的， 此电源又经整滤波做为开关电源的输入。 单独检修驱动板时，须将风扇端子的 2、3；接触器端子的 3、4；14CN，15CN，16CN 的端子均短接，人为消除欠压（FU/LU） 、过热（OH） 、风扇坏（FAN）等故障信号，才能使 CPU 输出六

8、路脉冲信号，便于对驱动电路进行检查。3616G3-55kW 安川变频器驱动/保护电路1CNQ2R13A144475RC1Q3R3IN1C36943kPWMR5TLP2501 Nc25VU29.5V470u1.5kD5T1C7D1116V680uC82 IN+3 IN-4 NcVcc 8OUT 7OUT 6GND 5R10 5R3WR203kR243kR12.2kR22kPR11 3.3kR123kD3D4D1D2VssQ3VccC2GGF/OCTLP7501 NcU12 IN+3 IN-4 NcVcc 8Nc 7OUT 6GND 5R41.2k2CNQ8R43A144475RC1Q9R31IN

9、2C36943kPWMR45TLP2501 Nc25VU79.5V470u1.5kD15T1C21D2116V680uC222 IN+3 IN-4 NcVcc 8OUT 7OUT 6GND 5R40 5R3WR363kR473kR292.2kR302kR41 3.3kR423kD13D14D9D12VssQ7VccC18GF/OCTLP2501 NcU42 IN+3 IN-4 NcVcc 8Nc 7OUT 6GND 5R441.2kEGE3CNQ16R70A144475RC30Q17R60IN3C36943kPWMR62TLP2501 Nc25VU99.5V470u1.5kD30T1C35D3

10、516V680uC362 IN+3 IN-4 NcVcc 8OUT 7OUT 6GND 5R67 5R3WR633kR743kR582.2kR592kPR68 3.3kR693kD28D29D26D27VssQ15VccC33GGF/OCTLP7501 NcU82 IN+3 IN-4 NcVcc 8Nc 7OUT 6GND 5R611.2kQ22R91A144475RC42Q23R84IN2C36943kPWMR45TLP2501 Nc25VU119.5V470u1.5kD15T1C21D2116V680uC222 IN+3 IN-4 NcVcc 8OUT 7OUT 6GND 5R88 5R3

11、WR963kR822.2kR832kR89 3.3kR903kD39D40D32D38VssQ21VccC45GF/OCTLP2501 NcU102 IN+3 IN-4 NcVcc 8Nc 7OUT 6GND 5R921.2kE4CNGER983k2-V-2-0V1-V-1-0V0.330.330.330.33W相上臂脉冲W相下臂脉冲V相上臂脉冲V相下臂脉冲9V9V9V9V3V/14V4616G3-55kW 安川变频器驱动电路/保护电路图说驱动电路的种类也是大同小异的。我们见得最多的是用 PC929、A316J 等 IC构成的驱动电路，模块故障检测电路（保护电路）也同时集成在内了。虽然可以找到

12、有关 A3316J 等的电路资料，能看到内部的单元方框电路图和对电路原理的介绍，但对其保护电路的具体构成，总是感到一丝“触不到实处”的茫然IC内部的保护电路，的确是看不到也摸不着的呀。恰巧本电路是用分立元件构成的检测与保护电路，更便于理解检测与保护动作过程。将上图中的一路脉冲与保护电路稍为改画， 即可看出 IGBT 管压降检测电路是如何对模块实施保护动作的了：1CNQ2R13A144475RC1Q3R3IN1C36943kPWMR5TLP2501 Nc25VU29.5V470u1.5kD5T1C7D1116V680uC82 IN+3 IN-4 NcVcc 8OUT 7OUT 6GND 5R10

13、 5R3WR203kR243kR12.2kR22kPR11 3.3kR123kD3D4D1D2VssQ3VccC2GGF/OCTLP7501 NcU12 IN+3 IN-4 NcVcc 8Nc 7OUT 6GND 5R41.2kE0.33W相上臂脉冲9V3V/14VGECWP0V+15V-9.5V电路原理：由 CPU 引脚来的 PWM 脉冲信号，经 U2 光电耦合器隔离和放大后，送入模块保护电路。正常状态下，此脉冲信号再经 Q2 和 Q3 的推挽式功率放大电路放大，直接驱动 IGBT 模块。一般认为，IGBT 模块为电压型驱动模块，此种观念有失偏颇。IGBT 管子的输入栅-射结电容，恰恰需要瞬

14、态的大涌入电流！这就是为什么会采用 Q2、Q3 来做功率放大的原因。驱动信号的引入电阻，也是58W 的功率电阻。而从这个意义上来讲，从本质上来看，IGBT 模块，仍为电流型驱动器件。这是笔者的看法，不知当否？当驱动电路的电流输出能力不足时，会使三相输出电流产生断续，电机振动，发出隆隆声。脉冲处理电路原理另见其它图说，此处重点是看保护电路如何动作的。在变频器未接受启动信号时，U2 的输出脚 7、8 为截止负电压，如以 0V 电源线做为参考点的话，此时 7、8 脚电压约-9.5V(忽略内部管子的饱合压降)，此负压经 R13、R3 引入到 Q2 和 Q3 的基极。Q2 因反偏压而截止，Q3 因正偏压

15、而导通，IGBT 模块的栅偏压为负，处于截止状态。电阻 R1、R2 对+15V 和负-9.5V 分压得到 3V 的电平。D9 为击穿电压值为 9V 的稳压管，R1 与 R2 的分压值不足以使其击穿，故 Q3 无偏流，处于截止状态。光电耦合器 U1 无输入电流，故无 GF（接地）和 OC（过载、短路）等故障信号返回 CPU。当 CPU 发送驱动脉冲的时候，U2 的 7、8 脚变为峰值为 15V 的正脉冲电压，D1 的正极此际便上升为+15V，此时便出现了两种情况：一种情况下是模块良好，IGBT 管子在正激励脉冲驱动下迅即导通，可认为 P、E 两点之间瞬时短接了。D1 的负端电位瞬即拉为 0V，也

16、将 D2 的负端电位拉为 1V 以下，因未达到 D2 的击穿值，使 Q3 仍无基极偏流而截止；一种情况下是模块已或因负载异常使运行电流过大，或因 Q3 等驱动电路本身不良使 IGBT 管子并未良好地导通，D1 的负端为高电位而截止，+15V 经R1 使 D2 击穿，Q3 得到偏流导通，将 Q2 基极的正脉冲电压拉为零电平，IGBT模块失去脉冲而截止。同时 Q3 的导通产生了 U1 的输入电流，U1 将模块故障信号送入 CPU。可见此电路是保护电路先切断了 IGBT 管子的驱动脉冲，同时送出了模块故障信号。保护是及时和快速的。5616G3-55kW 安川变频器驱动/FU 电路5CNQ26R119

17、A144475RC61Q27R106IN1C36943kPWMR108TLP2501 Nc25VU149.5V470u1.5kD49T1C77D5416V680uC782 IN+3 IN-4 NcVcc 8OUT 7OUT 6GND 5R166 5R3WR1123kR1473kR1042.2kR1052kPR117 3.3kR1183kD47D48D45D46VssQ24VccC70GGF/OCTLP7501 NcU132 IN+3 IN-4 NcVcc 8Nc 7OUT 6GND 5R1071.2k6CNQ31R171A144475RC91Q32R163IN2C36943kPWMR173TL

18、P2501 Nc25VU199.5V470u1.5kD65T1C101D7016V680uC1022 IN+3 IN-4 NcVcc 8OUT 7OUT 6GND 5R168 5R3WR1643kR1903kR1612.2kR1622kR1683.3kR1703kD63D64D53D62VssQ30VccC98GF/OCTLP2501 NcU182 IN+3 IN-4 NcVcc 8Nc 7OUT 6GND 5R1721.2kEGEA117510kQ28Q29R160C92104R1572kR156510RR159510kR158510kN2501A1175Q19Q20C40104R772kR

19、76510RR80510kR79510kN25012-V-2-0VA1175Q4Q5C15104R332kR32510RR27510kR26510kN25011-V-1-0VC97FU故障检测0.330.33U相上臂脉冲U相下臂脉冲9V9V6616G3-55kW 安川变频器驱动/FU 电路图说驱动电路的保护电路，是根据激励脉冲发送期间，IGBT 管子的管压降的大小，来实施保护动作和发送 OC 信号的。 据资料上介绍： IGBT 模块在正常 （额定电流）情况下的导通压降为 3V 左右。而当其管压降达到 7V 以上时，说明 IGBT 模块中流过的电流已超过 Ie 的 180%至 200%，此时的保

20、护动作当然是愈快愈好的了。 设置此保护电路的目的，是弥补电流互感器等后续电流检测电路保护动作迟缓的不足电流检测电路中不可避免地应用较大容量的滤波电容，使电路有了一定时间常数，而反应迟缓。而 IGBT 的管压降检测电路，则由于反应迅速可称之为快速保护动作电路，犹如快速行动部队，是处理应急事件的。对轻微过流和限流调节等处理，还是由电流互感器回路的电流检测电路来实施的。在驱动电路中还附设了保险熔断的检测电路。一般变频器，是在主电路 P 点处串入一只快速熔断保险，来实施模块保护的。而本机电路却在每相输出模块上各串入了一只保险。每个厂家生产的变频器，大致都有如此的趋势：早期产品不免粗老笨重之嫌，其用户控

21、制功能上不够完善，但在其制作选料上却有较大的富裕量；在保护性能上有保守之嫌，却不惜添加现在看来是多余的元器件，来保障保护电路的可靠性。安川变频器的早期产品也未能免俗。而随着产品技术的进步和市场竞争的激烈，变频器功能提升，而成本下降甚至有偷工减料之嫌。变频器的运行可靠性也因此打了折扣，国产变频器当以此为戒。三路保险熔断的检测电路，是将下三臂驱动电源的 0V 线与主直流回路的 N线做比较，来判断熔丝是否正常的。正常状态下，驱动电源的 0V 线与 N 线是经保险相连的，是等电位的。即下三臂 IGBT 管子的 E 极是与主直流回路的 N 线是相连的。故三极管 Q4、Q19、Q28 的基极偏压为零。三只

22、管子均截止。当任一相输出模块的保险断开时，N 线与该相驱动电源的 0V 线产生了巨大的电位差，三极管承受正偏压而导通。Q5、Q20、Q29 三只光耦接成或门电路，任一只光耦的输入信号都会传输到同一个输出点上，将快速保险的熔断信号传送给 CPU，使CPU 报出 FU（熔丝）断信号，并拒绝接受启动信号。安川变频器的故障信号报警，也有一个先后次序的有趣问题。如过热、欠压、过流、风扇故障、保险熔断故障等，上电时，即给出故障代码的警示，并拒绝启动操作；在启动期间，由模块保护电路检测到的模块故障，以 GF（接地故障）代码警示。而在运行过程中检测到模块故障时，则报以 OC（运行过流，负载短路等）故障代码信号

23、。IGBT 管压降检测电路输出的同一个信号，因输出的时机不同（一个是在启动过程中，一个是在运行过程中） ，变频器报出的却是两个不同的故障代码（GF：接地故障；OC：过载或短路故障） 。同样，在电流和电压检测电路，有时也会采用相同的手段，同一处保护电路报出的过流或过压信号，则因变频器工作状态的不同 （启动中或运行中） ， 而有可能报出不相同的故障代码或对此采取不相同的处理措施。这一切取决于软件设计者的思路。每一个厂家的变频器，在控制思路上，必然会有大同小异之处。注意变频器报故障的相关特点，便于高效率地判断故障所在。分析保护电路，要配合主电路和驱动（保护）两部分或三部分综合起来看，好多图纸是分解成各个单元电路来绘制的。读者诸君必须强化自己综合读图、连贯读图的能力。这是我送给您的一个忠告。7旷野之雪2009-11-22