变频器维修之制动电路原理及维修技巧.doc

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变频器维修之制动电路原理和维修技巧
变频器维修之制动电路原理和维修技巧
一、为什么要采用制动电路？

因惯性或某种原因，导致负载电机的转速大于变频器的输出转速时，此时电机由“电动”状态进入“动电”状态，使电动机暂时变成了发电机。一些特殊机械，如矿用提升机、卷扬机、高速电梯等，风机等,当电动机减速、制动或者下放负载重物时，因机械系统的位能和势能作用，会使电动机的实际转速有可能超过变频器的给定转速，电机转子绕组中的感生电流的相位超前于感生电压，并由互感作用，使定子绕组中出现感生电流——容性电流，而变频器逆变回路IGBT两端并联的二极管和直流回路的储能电容器，恰恰提供了这一容性电流的通路。电动机因有了容性励磁电流，进而产生励磁磁动势，电动机自励发电，向供电电源回馈能量。这是一个电动机将机械势能转变为电能回馈回电网的过程。
此再生能量由变频器的逆变电路所并联的二极管整流，馈入变频器的直流回路，使直流回路的电压由530V左右上升到六、七百伏，甚至更高。尤其在大惯性负载需减速停车的过程中，更是频繁发生。这种急剧上升的电压，有可能对变频器主电路的储能电容和逆变模块，造成较大的电压和电流冲击甚至损坏。因而制动单元与制动电阻（又称刹车单元和刹车电阻）常成为变频器的必备件或首选辅助件。在小功率变频器中，制动单元往往集成于功率模块内，制动电阻也安装于机体内。但较大功率的变频器，直接从直流回路引出P、N端子，由用户则根据负载运行情况选配制动单元和制动电阻。
一例维修实例：
一台东元7300PA 75kW变频器，因IGBT模块炸裂送修。检查U、V相模块俱已损坏，驱动电路受强电冲击也有损坏元件。将模块和驱动电路修复后，带7.5kW电机试机，运行正常。即交付用户安装使用了。
运行约一个月时间，用户又因模块炸裂。检查又为两相模块损坏。这下不敢大意了，询问用户又说不大清楚。到用户生产现场，算是弄明白了损坏的原因。原来变频器的负载为负机，因工艺要求，运行三分钟，又需在30秒内停机。采用自由停车方式，现场做了个试验，因风机为大惯性负荷，电机完全停住需接近20分钟。为快速停车，用户将控制参数设置为减速停车，将减速时间设置为30秒。在减速停车过程中，电机的再生电能回馈，使变频器直流回路电压异常升高，有时即跳出过电压故障而停机。用户往往实施故障复位后，又强制开机。正是这种回馈电能，使直流回路电压异常升高，超出了IGBT的安全工作范围，而炸裂了。
此次修复后，给用户说明情况，增上了制动单元和制动电阻器后，变频器投入运行，几年来再未发生模块炸裂故障。

此种制动方式，加快机械惯性能量的消耗，利于缩短停车进程，将电机的再生发电能量耗散于“制动电阻”上，其工作状态为动力制动状态。小功率变频器，由内置制动开关管和内置制动功率电阻，根据直流回路的电压检测信号，直接或由CPU输出控制指令控制制动开关管的通断，将制动电阻并接入直流回路，使直流回路的电压增量，变为电阻的热量耗散于空气中。

 小功率变频器机型常采用一体化模块，制动单元和温度检测电路也集成在内了。上图Q0为制动开关管，该机器内置1.5k80W的制动电阻一只，并预留了P1、PB制动电阻的接入端子，当内置制动电阻不足将将再生能量消耗掉时，可外接辅助制动电阻，进一步加大消耗量。因制动电阻为线绕式电阻，有一定的电感量存在，接入D8，提供Q0截止期间的续流，保护制动开关管的安全。
   制动控制信号的来源有二：
1、  由CPU根据直流回路电压检测信号，发送制动动作指令，经普通光耦或驱动光耦控制制动开关管的通断。制动指令可能为脉冲信号，也可能为直流电压信号；
    2、由直流回路电压检测电路，处理成直流开关量信号，直接控制光耦器件，进而控制制动开关管的开通和断开。
   制动开关管的控制电路如下图：

下图为台达VFD-A型3.7kW变频器的制动控制电路，控制电路由独立绕组供电，以实现强、弱电隔离。从CPU来的BRK信号，经KPH光耦隔离与功率放大，驱动制动开关管。B1、B2为制动电阻接入端子。

三、制动单元：

   中、大功率变频器，安装空间、制动功率、现场运行情况不一等原因，一般不内置制动开关管和制动电阻，只是从直流回路引出P、N两个端子，供用户外接制动单元和制动电阻。
下图为一变频器选配件——制动单元的电路原理图：

本制动单元的供电，是由一只380V/18V变压器取得的，由整流、滤波、稳压电路取出+15V的稳压电源，供整机控制电路。
    变频器的P+、N-端子，接至制动单元的主电路和电压检测电路上。由R3-R7构成电压取样电路，在直流电路电压为550V时，R7约为7V电压，稳压器DW2提供输入保护，C6滤掉引线噪声电压，检测电路经R8输入到由运算放大器LM324的5脚，该级放大器构成电压跟随输出器。由7脚输出的电压检测信号，一路经R9加至后级电压跟随器，驱动HL2——主直流回路电压接入指示灯；一路经R11输入到后级电压比较器的10脚（同相输入端），该级放大器的9脚（反相输入端）接有RP1半可变电阻，接入RP1的目的， 是为了克服取样电阻网络的离散性，可以精确调整制动动作值。RP1的中心臂电压即为基准电压，10脚电压检测信号与此基准电压相比较，在因负载电机反发电能量馈回直流电路使其电压上升到660V（或680V）时，检测信号电压上为8.5V左右，因9脚基准电压已事先调整为8.4V左右，该组放大器两个输入端信号比较的结果，使放大器的输出反转，8脚输出高电平，HL3指示灯点亮，提示电路正在实施制动动作。HL3的电流通路正是Q1的正偏压通路，三极管Q1导通，提供了驱动IC-TLP520（光耦型驱动IC）的输入电流，TLP250的6/7输出脚输出正的激励电压，经R18直接驱动IGBT模块。图中Q2即为IGBT模块，型号为MG100Q2YS42，为100A模块。需更大的制动功率、驱动更大的IGBT模块时，从A点接
入由两只中、大功率三极管构成的互补式电压跟随器（功率放大器电路），将PC2输出的激励电流信号放大到一定幅度后，再驱动IGBT开关模块。
   制动单元电路往往由三部分组成：1、供电电路，由降压变压器整流、滤波、稳压取得；由功率电阻降压、稳压取得；再讲究一、点的，由开关电源逆变再整流、稳压取得。本电路采用了第一种供电方式。2、直流电路电压检测（采样）电路：一般由电阻分压网络取得，再由后级电压比较器，取出制动动作信号，送后级IGBT模块驱动电路。3、IGBT模块驱动电路。往简单处考虑，制动单元就是一个电子开关，承担将制动电阻接入直流电路的任务，此一电子开关用一只接触器来取代也未尝不可。反正开关接通时还有一只制动电阻在电路“限着流”，开关本身的安全性还是有所保障的，只是开关的额定电流值取一定富裕量就可以了。对于电子开关器件，当然还要考虑工作中的散热问题。比较简单的控制，是由电压比较器的输出信号直接控制驱动IC的输出，在直流电路电压高到660V时，模块开通（开关闭合），接入制动电阻进行“能耗制动”，当直流电路电压回落到600V左右时，电压比较器输出状态反转，模块截止（开关断开），制动动作结束。制动动作点和结束点的整定，也不是那么严格和精确，各个厂家的整定值可能有一定的偏差，只要保证直流电路不受高电压冲击就可以了。讲究一点的驱动电路，对IGBT模块，是采用脉冲方式驱动的，效果就要好一些了。
四、另一种制动方式：
   上述制动方式，起到缩短刹车进程、保护IGBT及直流回路储能电容器的作用。还有一种制动控制方式，其目的不是消耗反发电再生能量，电机负载也不一定为惯性负荷。即将电机定子绕组通直流电，常称为直流制动。用于要求准确停车或快速停车的情况可起动前制止电动机由外界因素引起的不规则旋转。由变频器的逆变电路可方便地实施直流制动控制。
   如某一纺织机械，停车过猛容易断针，停车太慢容易断线要求减速到一定值时，1.2秒内柔停车。机械由变频器拖动，设置以下参数：1、启用直流刹车功能；2、直流刹车起始频率，即电机运行到什么频率下实施直流制动刹车，将起始频率调低一些，如8Hz，效果更佳；3、刹车给定直流电压值，决定刹车的力量和快慢；4、刹车电压给定时间。其中2、3、4必须依据现场情况，进行试验调定。
   直流刹车动作时，变频器先行中断三相电压输出，后输出直流到定子绕组，实施能耗制动。此过程并无电机发电的再生能量馈入变频器直流回路，所以不需加装制动单元及制动电阻。
但若为惯性负荷，减速过程中有可能需要启用制动单元及制动电阻。
有人以为：只要是要求快速停车的场合，一概都要装制动单元和制动电阻，这是一个误区。一些机械几乎没有什么运转惯性，电机一停，机械就不动了。采用常规的自由停车控制就可以了。变频器的输出一停，机械也就马上停下来了嘛。
大惯性机械，如对停机时间无要求，一个小时停止下来也不耽误什么事，用自由停车控制也可以呀。
两种情况，只要能采用自由停车控制方式的，都无必要加装制动单元和制动电阻
制动单元和制动电阻，只是用于快速停车和对停车时间有要求的场所，变频器处于减速停车控制方式下，起到对电机再生能量进行消耗、保护IGBT安全、并缩短停车进程的作用。
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