變頻器的控制端子電路分析與維修
變頻器的控制端子電路,也在CPU主板上,為主板電路內(nèi)容之一。因為與外部控制線路相連接,由外部引入異常電壓造成的故障率也較高,是維修工作中經(jīng)常要接觸到的電路。
變頻器的控制端子,以電路性質(zhì)來分,可分為數(shù)字控制端子和模擬控制端子兩大類;以信號的輸入、輸出來分,可分為輸入信號端子和輸出信號端子;以信號性質(zhì)來分,可分為開關(guān)量信號、模塊量信號和脈沖信號三種。下面以海利普HLP-P型5.5kW變頻器控制端子電路為例,給出電路分析和維修參考。
1、數(shù)字控制端子——數(shù)字信號輸入端子
圖1:數(shù)字信號輸入端子電路
數(shù)字信號輸入端子電路,一般為光耦合器組成的電路,其特點是光耦合器的輸入、輸出側(cè)需兩路不“共地”的隔離電源,本電路輸入側(cè)供電為12V,數(shù)字信號的公共端為DOM端子。由開關(guān)電源輸出的12V,經(jīng)C8、L10、C71濾波,標記為控制電壓EV;輸出側(cè)采用主板+5V供電。
數(shù)字信號輸入端子,可對變頻器完成起動、停止、復位、多段速運行等控制,各端子作用有固定(出廠時默認)的控制功能,本電路都為多功能或稱為編程控制端子,每個端子的控制作用可用參數(shù)靈活設(shè)置。
以SPH端子電路為例,看一下輸入電流是如何產(chǎn)生的。當SPH端子由外部控制電路(開關(guān)元件)與DCM連接時,形成了EV(控制電源正極)至光電耦合器PC5的輸入側(cè)1腳→輸入側(cè)2腳→R141→外部控制電路→DCM(控制電源負極)的電流通路,PC5因輸入側(cè)二極管得電發(fā)光,輸出側(cè)光敏三極管導通,將低電平的(約為0V)信號電壓輸入CPU的24腳;當外部控制電路斷開時,PC5輸入電流為零,CPU的24腳又變?yōu)殪o態(tài)高電平(為5V)。換言之,輸入信號生效時,CPU信號輸入腳變?yōu)?V,無信號輸入時,CPU信號輸入腳為5V,輸入信號呈現(xiàn)0和1的數(shù)字邏輯關(guān)系。
通過參數(shù)設(shè)置,也可將數(shù)字輸入信號端子,設(shè)置為脈沖信號輸入,如用作對輸入脈沖計數(shù),以控制轉(zhuǎn)速輸出等。
當外部控制電路正常,變頻器的相關(guān)控制參數(shù)的設(shè)置也正確時,變頻器對輸入信號不能作出正常反應(yīng),有可能是輸入端子電路的問題了。先檢查光耦合器輸入側(cè)、輸出側(cè)的供電電源,確定控制電源正常后,再進行以下檢查。
數(shù)字輸入信號端子電路的檢測也非常方便(仍以SPH端子電路為例),當短接SPH與DCM端子時,測量PC5輸入側(cè)的1、2腳應(yīng)有1.2V電壓值,若此電壓等于12V,說明光耦合器輸入側(cè)已經(jīng)開路,若為0V(以DCM為基準測試點),說明輸入回路有斷路或PC5輸入側(cè)已經(jīng)擊穿損壞。進一步檢測當PC5為1.2V時,輸出側(cè)應(yīng)為0V(以+5V電源地為基準測試點),若仍為+5V,說明PC5輸出測三極管已經(jīng)有開路性損壞。
2、數(shù)字控制端子——數(shù)字信號輸出端子
數(shù)字信號輸出端子有兩種類型,一為開關(guān)量信號輸出端子,輸出繼電器觸點信號(也稱為無源觸點信號),觸點輸出電路形式有很好的電氣隔離度,對外部控制線路的電壓級別和高低,均無要求,可用于外接指示燈、繼電器等,用于運行指示或故障示警。該類輸出觸點有兩組,由CPU的17、18引腳輸出開關(guān)量信號(5V或0V)控制三極管T3、T4的導通和截止,進而驅(qū)動繼電器EDQ1和EDQ2的吸合和釋放,控制其觸點作出相應(yīng)動作,本電路的輸出信號內(nèi)容也為可編程設(shè)置。繼電器電源也由+5V提供,其它變頻器一般都是24V供電的。下圖中的T3、T4三極管工作于開關(guān)狀態(tài),相當于繼電器的一個電源開關(guān)。繼電器兩端并聯(lián)有二極管D26、D27,用于吸收繼電器開斷瞬間感生的反向電壓,以保護三極管的安全。
圖2:數(shù)字信號輸出端子電路
繼電器驅(qū)動電路的三極管,因流通較大驅(qū)動電源,實際檢修中可能會碰到三極管短路或斷路的故障。正常狀態(tài)下,若EDQ1輸出的為運行信號,當啟動變頻器時,測T3的基極應(yīng)為4.3V左右,停止變頻器后,測量T3基極電壓應(yīng)上升為5V,測量R127的左端,運行和停機時的電壓,應(yīng)分別為0V和5V。測量R127的左端電壓變化,可以確定CPU來的控制信號是否正常,測量T3的基極電壓或發(fā)射結(jié)電壓,可以確定T3是否正常。當發(fā)射結(jié)電壓遠遠大于0.7V時,說明三極管的發(fā)射結(jié)已經(jīng)開路。該電路損壞后,表現(xiàn)為誤輸出故障或運行信號(上電后觸點一直閉合),或不能正常輸出運行或故障信號(應(yīng)該有觸點動作信號輸出時,觸點一直不能閉合)。
數(shù)字信號輸出端子的另一電路類型,開路集電極輸出電路,用戶可以外接繼電器轉(zhuǎn)化為觸點信號輸出,因元件參數(shù)限制(光耦合器),對外部控制電路的供電電壓和負載能力是有限制的,一般外接控制電壓為24V以內(nèi),負載回路電流在100mA以下。采用開路集電極輸出,輸出常規(guī)開關(guān)量信號是沒有優(yōu)勢的,但其好處是通過參數(shù)設(shè)置,可以實現(xiàn)脈沖信號輸出,如輸出對應(yīng)運轉(zhuǎn)頻率的脈沖信號,可掛接數(shù)字計數(shù)器,顯示運轉(zhuǎn)頻率。其檢修方法同上。
3、模擬控制端子——模擬信號輸入端子
模擬控制信號輸入端子,即是用模擬信號,給出頻率指令,用于控制變頻器的輸出頻率。模擬信號,一般有0~10V,和0/4~20mA兩種類型,前者需要一個10V調(diào)節(jié)電源,一般由變頻器內(nèi)部電路供給,由+10V端子輸出,供外接調(diào)速電位器;后者往往接收來自外部控制儀表的電流信號,用于調(diào)速,或運行于PID閉環(huán)控制。圖3為+10V調(diào)節(jié)電源的電路。
圖3 調(diào)速電源電路
這是一個電壓跟隨器的“變形”電路,放大器的9腳引入由R122和R24的分壓值,放大器10腳可看作是一個5V基準電壓端,電路兩輸入腳電壓比較輸出的結(jié)果,是使9腳分壓值等于10腳基準電壓,即R123的左端電壓為10V時,電路的輸出達到平衡。電路具有穩(wěn)壓或者說是電壓伺服效果,無論外部負載電路的負載如何變化,R123左端的電壓輸出總是(2倍壓)跟蹤于較為穩(wěn)定的基準電壓,應(yīng)該說,電路的動態(tài)穩(wěn)壓性能,還算比較優(yōu)良。
+10V調(diào)節(jié)電源的電路形式,在其它變頻器中還有多種電路形式,如將+15V電壓串聯(lián)一個低壓差7810穩(wěn)壓器,或?qū)㈦娮杞祲?、穩(wěn)壓二極管的電路形式,得到10V輸出,更多的電路形式是采用LM317可調(diào)穩(wěn)壓IC或TL431基準電壓源,通過器件電壓基準端的分壓電阻的取值,得到10V調(diào)節(jié)電源。
該電路由于外部引線的原因,常常會誤引入異常電壓(如交流220V甚至于雷擊電壓)或使電源端子長時間對模擬信號公共地短路,致使內(nèi)部電路損壞。故障表現(xiàn)外調(diào)速電位器調(diào)速失效,用萬用表測量+10端子,電路為0V或為一不穩(wěn)定值,可以確定是內(nèi)部10V調(diào)節(jié)電源電路損壞。
常規(guī)修理方法是檢查損壞元件,換新修復。如修復時間緊迫,可從主板上15V電源,加7810穩(wěn)壓塊或采用簡單電阻降壓、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓的電路,應(yīng)急修復,一般不會影響正常使用。
下圖4為模擬信號輸入的實際電路,上部電路為0~10V電壓(調(diào)速)信號輸入電路,下部電路為0/4~20mA電流(調(diào)速)信號輸入電路。電路的基本形式也為電壓跟隨器,因為CPU芯片的電源和輸入/出電壓范圍為0~5V,輸入0~10V電壓,先由R115、R114分壓為0~5V電壓值,再輸入放大器的同相輸入端,從輸出端D23的負端整流電壓,作0~5V的跟隨輸出。二極管D22用于輸出電壓大值嵌位(電路異常輸出時將輸出值嵌位于5.5V),以保護CPU的安全,輸出電路再經(jīng)C、R、C濾波電路濾除干擾,進入CPU引腳,經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換,控制頻率輸出。
電路輸入信號的電路形式同電壓輸入電路是基本上是一樣的,只是在輸入端與地之間并接了R105、R106兩只串聯(lián)阻值為250Ω的兩只電阻。經(jīng)常有網(wǎng)友問,如何將0~20mA 電流信號轉(zhuǎn)化為0~5V電壓信號???哎,這個轉(zhuǎn)化電路其實簡單得很!這兩只電阻就是將輸入0~20mA電流信號轉(zhuǎn)化為0~5V電壓信號的轉(zhuǎn)化電路,0~20mA電流信號流經(jīng)兩只串聯(lián)電路,在R105的上端,就變?yōu)榱?~5V的輸入電壓信號,輸入電流為20mA時,兩只串聯(lián)電阻上的電壓降為0.02×250=5V,這是電流流經(jīng)電阻產(chǎn)生電壓降的原理,從基本的歐姆定律推導而來,毫不出奇的。
圖4 模擬電壓/模擬電流信號輸入端子電路
4、模擬控制端子——模擬電壓信號輸出端子
上圖為模擬信號電壓輸出電路,一般規(guī)定輸出值為0~10V,可外接受10V指針電壓表頭,用于顯示輸出轉(zhuǎn)速、輸出電壓、輸出電流等監(jiān)控內(nèi)容,至于顯示何種內(nèi)容,根據(jù)用戶需要,可由參數(shù)設(shè)置,因此也稱為可編程模擬電壓輸出端子。
雖然輸出端子輸出的電壓經(jīng)以上R、C濾波電路處理為較為平穩(wěn)的直流電壓,但CPU的77腳輸出的卻是PWM調(diào)寬脈沖信號,CPU是通過調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的占空比,來調(diào)節(jié)輸出電壓值的。因為是運算放大器直接輸出,又有R120限流的因素存在,電路大輸出電流能力是有限的,約為幾毫安以內(nèi)。
當外接負載過大或輸出端對模擬地公共端短路時,有可能造成運算放大器的損壞,變頻器工作時,測量AM端子直流電壓值為0V或較低,檢查損壞元件進行修復。
5、RS485通訊端子電路
這是一個較為特殊的信號端子,其它信號端子的信號都是單向傳輸?shù)?,或輸入或輸出,該信號端子的信號是雙向傳輸?shù)目偩€方式。
變頻器與變頻器之間,變頻器與PLC之間,只有RS485通訊方式,接線方式簡潔,只有兩線,抗干擾性能好,可以遠距離傳輸,如果以PLC作為上位機(主機),一般多與可32臺變頻器同時通訊,控制32臺變頻器的起、停和調(diào)速,并上傳變頻器的運行或故障數(shù)據(jù)。一般采用半雙工通訊方式,可以由通訊端口向變頻器下傳控制指令,也可以將變頻器運行狀態(tài)上傳至上位機。
RS485通訊,牽扯到通訊參數(shù)的設(shè)置,和通訊程序的編寫等內(nèi)容,在此不予贅述了。
變頻器的控制端子,上文所述,已經(jīng)近于包含了所有的內(nèi)容。其它變頻器的電路,與上述電路相比,是比較相似的,或者可說是大同小異的。由此文,可以管見變頻器控制端子電路的概貌,希望本文對大家能有點用處。