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安川变频器616G3驱动电路图及说明
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qq263946146
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2018-12-30 15:06
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安川变频器616G3驱动电路图及说明
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《616G3-55kW安川变频器》主电路
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10Ω80W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输出六路脉冲信号，便于对驱动电路进行检查。
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《616G3-55kW安川变频器》驱动 保护电路
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。
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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5Ω8W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。
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《616G3-55kW安川变频器》驱动/FU电路
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。
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。
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