變頻器三相輸出不平衡的原因分析及處理

馮贏 郭立 魯繼峰

摘要：變頻器在提升生產(chǎn)效率和增強(qiáng)節(jié)能降耗中發(fā)揮了重要作用。在變頻器調(diào)速系統(tǒng)和測(cè)速儀表系統(tǒng)中，經(jīng)常需要三相低頻信號(hào)源，現(xiàn)實(shí)中多數(shù)信號(hào)源是利用電子線路產(chǎn)生的，而這種信號(hào)源大都是單相的，而且頻率大多在1KHz以上，因?yàn)橹挥性诟哳l段信號(hào)源的波形才標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定，可調(diào)性強(qiáng)。本文就變頻器三相輸出不平衡的原因分析及處理展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：變頻器;觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路;故障

引言

變頻器在提升生產(chǎn)效率和增強(qiáng)節(jié)能降耗中發(fā)揮了重要作用。隨著變頻器的廣泛應(yīng)用，故障問(wèn)題也越來(lái)越多，對(duì)工程技術(shù)人員提出了更多考驗(yàn)。

1變頻器三相信號(hào)源發(fā)生器構(gòu)思

利用單片機(jī)作為信號(hào)源經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)源放大輸出，配合數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)頻率數(shù)。通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)就能夠較好地解決這一技術(shù)難題。單片機(jī)產(chǎn)生單相方波很方便。但是要產(chǎn)生三相方波并且對(duì)相序有嚴(yán)格要求時(shí)，在技術(shù)處理上就增加了難度。這也是我重點(diǎn)研究的對(duì)象。所謂三相信號(hào)源發(fā)生器就是能夠提供如圖1所示的三相方波信號(hào)：其中：A相比B相超前120°，或者B相比A相超前240°。B相比C相超前120°，或者C相比B相超前240°。C相比A相超前120°，或者A相比C相超前240°。同時(shí)要求在相序不變的前提下實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)。當(dāng)用作變頻器信號(hào)源時(shí)要求其頻率在0～50Hz之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。利用單片機(jī)的定時(shí)器能夠較好地解決相序與調(diào)頻的問(wèn)題。那就是通過(guò)改變定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間很方便地改變了頻率，因?yàn)轭l率是定時(shí)時(shí)間的倒數(shù)，即頻率=1/定時(shí)時(shí)間。獲取方波的方法是（以A相為例）這樣的：在第一個(gè)定時(shí)時(shí)間中讓單片機(jī)的I/O口的輸出位為“1”、在第二個(gè)定時(shí)時(shí)間中讓單片機(jī)的I/O口的輸出位為“0”，在第三個(gè)定時(shí)時(shí)間中讓單片機(jī)的I/O口的輸出位為“1”、在第四個(gè)定時(shí)時(shí)間中讓單片機(jī)的I/O口的輸出位為“0”······以此類推，就能獲取標(biāo)準(zhǔn)的方波。B相和C相一樣。獲取相序的方法是當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)2/3時(shí)啟動(dòng)B相I/O口的輸出位，當(dāng)啟動(dòng)B相I/O口的輸出位以后的定時(shí)時(shí)間的2/3時(shí)啟動(dòng)C相I/O口的輸出位······以此類推，就能保證各相之間相差120°。綜上所述，方波頻率實(shí)際上是1/（2倍定時(shí)時(shí)間），這是因?yàn)橛昧?個(gè)定時(shí)時(shí)間得到1個(gè)方波周期。單片機(jī)定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間是由定時(shí)器初值決定的，由于M0=M-t/單片機(jī)機(jī)器周期其中：M0為單片機(jī)定時(shí)器初值M為單片機(jī)定時(shí)最大值。如果選擇工作方式1，M=65536，可作為常數(shù)看待。t為定時(shí)時(shí)間單片機(jī)機(jī)器周期由晶體振蕩器的頻率決定的，當(dāng)晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHz時(shí)，單片機(jī)機(jī)器周期為1μs。當(dāng)晶體振蕩器的振蕩頻率為6MHz時(shí)，單片機(jī)機(jī)器周期為2μs。改變晶體振蕩器的振蕩頻率，就能獲取不同的單片機(jī)機(jī)器周期。當(dāng)晶體振蕩器的振蕩頻率一旦確定下來(lái)，單片機(jī)機(jī)器周期也是一個(gè)常數(shù)。由上式不難看出定時(shí)時(shí)間：t=（M-M0）/單片機(jī)機(jī)器周期只要改變M0的大小就能獲得不同的定時(shí)時(shí)間t、有了不同的定時(shí)時(shí)間t就能得到不同不同頻率的方波。例如：輸出25Hz方波時(shí)對(duì)應(yīng)的M0的確定方法是：∵25Hz=1/2t，其中t的單位為秒（s）∴t=0.02s=20ms又∵t=（M-M0）/單片機(jī)機(jī)器周期如果選定晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHz時(shí)，單片機(jī)機(jī)器周期=1μs。如果選擇工作方式1，M=65536∴M0=M-t/單片機(jī)機(jī)器周期=65536-20ms/1μs=65536-20000=45536=B1E0H將B1E0H作為初值寫(xiě)入定時(shí)器，在程序控制下就能獲得25Hz的三相方波。只要改變定時(shí)器初值就能獲取不同頻率的三相方波。如果把方波用函數(shù)u進(jìn)行描述，單片機(jī)晶體振蕩器的振蕩頻率用v表示，單片機(jī)定時(shí)器初值用w表示那么：u=f（v、w）。改變v或w就能獲取不同頻率的方波。由于單片機(jī)晶體振蕩器的振蕩頻率由硬件確定，修改起來(lái)不方便。而單片機(jī)定時(shí)器的初值可以通過(guò)軟件獲取，易于修改。這里將單片機(jī)晶體振蕩器的振蕩頻率固定在12MHz不變，通過(guò)修改單片機(jī)定時(shí)器的初值來(lái)獲取不同頻率的方波。

2三相輸出不平衡的原因與處理

2.1逆變單元電路基本工作原理

變頻器三相（U、V、W）交流輸出頻率波形質(zhì)量和電壓平衡的程度直接影響電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行的狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)的使用壽命，同時(shí)也影響變頻器的壽命。正常的變頻器，其交流輸出的波形應(yīng)該符合要求，同時(shí)電壓平衡，否則會(huì)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、三相負(fù)載不平衡等故障出現(xiàn)。逆變器主要是由主電路中的IGBT等功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成，給電動(dòng)機(jī)提供電壓、頻率可變的電源，由控制回路的控制指令進(jìn)行控制。而控制指令是由CPU主板產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)該脈沖信號(hào)的傳輸電路先將脈沖信號(hào)加到驅(qū)動(dòng)光耦的輸入腳。一般在輸入信號(hào)低電平期間使光耦輸出高電平信號(hào)，然后去驅(qū)動(dòng)后置放大電路，提供正向偏流，經(jīng)兩級(jí)互補(bǔ)式電壓跟隨器的功率放大，最后引入IGBT的G極，IGBT飽和導(dǎo)通;在輸入信號(hào)的高電平期間，IGBT截止關(guān)斷。觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路工作狀態(tài)的正常與否，有著至關(guān)重要的作用，它只有一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)：能正常地傳輸和放大六路驅(qū)動(dòng)脈沖，輸出的六路驅(qū)動(dòng)脈沖，應(yīng)具備符合要求的電壓幅度和電流供給能力。否則將直接影響三相輸出主電路的輸出平衡。通過(guò)有序的導(dǎo)通與關(guān)斷六個(gè)功率IGBT，則可將直流功率變換為所要頻率的交流功率輸出信號(hào)。從主板過(guò)來(lái)的PWM脈沖信號(hào)，通過(guò)光電耦合器模塊產(chǎn)生信號(hào)，加到IGBT的柵極，使柵極驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)啟，使IGBT飽和。當(dāng)柵極電壓處于零時(shí)，為了保證IGBT可靠關(guān)斷，需要在柵極施加個(gè)一個(gè)關(guān)斷的反向偏壓。一般用推挽式放大電路來(lái)提高輸出電流的能力，去匹配IGBT驅(qū)動(dòng)要求。

2.2變頻器三相輸出不平衡故障檢測(cè)與維修

在變頻器驅(qū)動(dòng)電路檢修中，某日立變頻器在啟動(dòng)后出現(xiàn)“吱吱”聲，頻率上升則噪音更加尖銳，之后變頻器發(fā)生故障報(bào)警，出現(xiàn)“OCACCEL”。該變頻器在開(kāi)機(jī)升速時(shí)出現(xiàn)高電流，于是降低加速時(shí)間，調(diào)整為30s，但依然出現(xiàn)上述故障。按照變頻器的工作原理，空載下加速延遲不應(yīng)該產(chǎn)生電流增大。拔掉GTR驅(qū)動(dòng)信號(hào)線，各線路信號(hào)、相位正常;但考慮到該變頻器曾維修過(guò)，懷疑主電路走線不合理可能導(dǎo)致干擾電流。但修理后走線位置，故障依然存在;對(duì)電容器漏電可能造成高電流，而檢測(cè)電容器后未發(fā)現(xiàn)異常。通過(guò)全面檢測(cè)，將問(wèn)題歸結(jié)于驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)拔掉GTR模塊時(shí)，未出現(xiàn)電流保護(hù)，而接上GTR模塊，則出現(xiàn)電流保護(hù)。故障原因可能有兩個(gè)：一個(gè)是驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)力衰退;第二個(gè)是電容器失效導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電源不穩(wěn)定。在三相輸出故障檢測(cè)中，先接一相，輸出正常，而其他兩相均發(fā)生保護(hù)動(dòng)作，最終鎖定故障原因?yàn)槿萘枯^小的電容器，因該電容容量不足，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)信號(hào)異常，更換后恢復(fù)正常。

2.3變頻器三相輸出不平衡的處理

解決變頻器三相輸出不平衡故障的步驟是：先檢查六路驅(qū)動(dòng)電路電壓是否正常，如哪路電壓不正常。再檢查相關(guān)的電解電容、光耦等是否正常。最后用示波器檢查六路波形是否符合技術(shù)要求，六路波形一致則三相輸出不平衡問(wèn)題也就解決了。（1）考慮到推挽式輸出觸發(fā)電路中的電解電容一直處在脈沖高頻的工作環(huán)境下，其工作條件較正常狀態(tài)特殊，與正常情況相比工作壽命更短。再者電容性能異常引起波形失真的幾率較高，為了更有把握，可以把所有起平滑作用的電容全部更換。（2）當(dāng)逆變模塊損壞時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路、驅(qū)動(dòng)電源也會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞。先需確定驅(qū)動(dòng)電路能正常輸出六路脈沖信號(hào)后，再更換逆變模塊。 （3）建議用示波器檢查有關(guān)IGBT的驅(qū)動(dòng)波形。這也是最直觀檢查IGBT逆變工作是否正常的手段，波形正常，則輸出必平衡。

結(jié)語(yǔ)

變頻器主要由整流橋、直流電路、逆變橋、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等部分組成，驅(qū)動(dòng)電路往往關(guān)系到整個(gè)變頻器的安全、穩(wěn)定、有效使用。通過(guò)對(duì)變頻器三相輸出不平衡的原因的分析、研究，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及傳輸電路對(duì)IGBT功率輸出有著至關(guān)重要的作用，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不良會(huì)直接導(dǎo)致逆變電路三相輸出不平衡問(wèn)題，在修復(fù)驅(qū)動(dòng)電路后，也就解決了該故障。

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