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变频器故障检测电路中用到的模拟电路

故障检测电路的主体电路还是由由运算放大器构成，通常，运算放大器被接成以下几种类型的电路，完成着对信号模拟放大、比较输出和精密整流三种工作任务。
一、反相放大器电路：

图6.19运算放大器反相放大电路

运算放大器，具有输入阻抗高（不取用信号源电流）、输出阻抗低（负载特性好）、放大差模信号（两输入端信号之差）、抑制共模信号（两输入端极性与大小相同）和交、直流信号都能提供线性放大的优良特性。
上图（1）、（2）、（3）、在电路形式上为反相放大器，输出信号与输入信号相位相反，又称为倒相放大器。电路对输入电压信号有电压和电流的双重放大作用，但在小信号电路中，只注重对电压信号的放大和处理。电路的电压放大倍数取决于R2（反馈电阻）与R1（输入电阻）两者的比值。R3为偏置电阻，其值为R1、R2的并联值。因R2、R1的选值（比值）不同，可完成三种信号传输作用，即构成反相放大器、反相器和衰减器三路信号处理电路。（1）电路为反相放大器电路，电路放大倍数为5；（2）电路为倒相器，对输入信号起到倒相输出作用，无放大倍数，不能称为放大器了。或输入0∽5V信号，则输出0∽-5V倒相信号；（3）电路为衰减器电路，若输入0∽10V信号，输出0∽-3。3V倒相信号，为一个比例衰减器。
图（1）、（2），（3）电路，有两个特征：1、输入、输出信号反相；2、无论是放大或衰减或倒相电路，输出信号对输入信号维持一个比例输出关系，可以笼统地称为反相放大器，因为倒相器的放大倍数为1，而衰减器恰恰也是利用了电路的放大作用。
有趣的是，此三种反相放大器，在电流、电压检测电路中，都有应用。以电流检测电路为例：这是因为，串于三相输出端的电流互感器内置放大器，输出信号已达伏特级的电压幅度，而CPU的输入信号幅度又须在5V以下的电压幅度内，故反续电流信号处理电路，有的采用了有一定放大倍数的反相放大器；有的采用了倒相器电路，只是根据CPU输入电压信号极性的要求，只对信号进入了倒相处理，并不须再进行放大；部分电路为适配后级电路的信号幅度范围，甚至采用了衰减器电路，对电流互感器来的电压信号衰减一下，再送入后级电路。
检测电路中的模拟信号电路的供电，根据放大交流信号的要求，一般采用正、负15V双电源供电。根据反相放大器的电路形式和运算放大器的电路特性，我们可找到相应的检测方法：
1、据反相放大器的特性，以正、负供电的0V（地）为基准电位，当输入正的信号电压时，输入电压必为0V以下的负压，反之输出0V以上的正电压。要根据电路和输入、输出脚的静态电路值判断是否处于正常状态；
2、查明该级电路为放大器或倒相器或衰减器，据输入电阻与反馈电阻的比值，可大致测算出输出电压值，由此可判断电路是否处于正常状态；
3、根据电路对差模信号有放大（或衰减）作用，而对共模信号放大作用为0的特性，当短接两输入端时，输出电压应接近0电位值；或者测量输出端已有正电压（或负电压输出），但一短接两个输入端，输出电压马上降（或升）为0V左右。说明电路是好的，能正常传输信号。
4、可以人为改变输入电压值，则输出电压必定有相应变化，可由此判断放大器是否处于正常状态。

[故障实例1]
某台变频器上电后，即报出OC故障，故障复位无效，测电流检测电路，如上图（1）电路，输出电压为+12V，CPU因有严重过流信号输入，故在上电后报出OC信号。用金属镊子短接运算放大器2、3脚，测量1输出脚电路无变化，仍为+12V，判断运算放大器损坏，更换后，故障排除。
[故障实例2]
某台变频器，上电后输出欠电压信号，检测上电图（2）电路，输入电压为-3V，但输出电压为0。7V，说明为本级放大器故障，用一外接直流12V电源串接10k电阻，输入到反相输入端，输出电压无变化，判断该级放大器损坏，更换后故障排除。

二、同相放大器和电压跟随器电路：

图6.20同相放大电路、电压跟随器电路

上图（1）电路为同相放大器的典型电路形式，也为放大器电路之一种。输入信号进入放大器的同相端，输出信号同输入信号同相位，电路的电压放大倍数=1+R2/R1。也用于故障信号检测电路中对模拟信号的放大处理。该电路当R2短接或R3开路时，输出信号与输入信号的相位一致且大小相等，因而（1）电路可进一步“进化”为（2）、（3）电路。
上图（2）、（3）为电压跟随器电路，输出电压完全跟踪于输入电路的幅度与相位，故电压放大倍数为1，虽无电压放大效果，但有一定的电流输出能力。电路起到了阻抗变换作用，提升电路的带负载能力，减弱信号输入回路高阻抗和输出回路低阻抗的相互影响。作为电路跟随器应用时，有时候也采用单电源供电。
（1）、（2）、（3）种电路，也在故障检测电路中，被用于模拟信号的放大、基准电压信号的处理等。
根据电路的特性与作用，可得出检测方法如下：
1、（1）电路为同相放大器电路，输出电压幅度与极性比例跟踪于输入电压，该级电压放大倍数约为6倍。当输入电压值为1V时，输出电压约为6V。可据输入、输出电压值的测算判断电路是否处于正常状态；
2、（2）（3）电路均为电压跟随器电路，输出电压完全跟踪于输入电压，输出电压应与输入电压相等，据此可以判断电路是否处于正常状态。
3、可通过短接两输入端或人为改变输入端电压的方法，测量输出端电压的相应变化，来判断电路是否处于正常状态。

[故障实例1]
某台变频器，上电即跳OH故障，测温度检测电路的基准电压电路如图（2）的输出电压为1V，该机为电压比较器电路，测其输入端电压为5V，正常状态下输出端电压也应为5V。将输出端负载电路切除后，输出端电压仍为1。2V，判断为该级放大器损坏，更换后故障排除。

三、精密正、负半波整流器和全波整流器电路：

图6.21精密半波、全波整流器电路

由电流互感器来的交流电压信号，要经后续半波或全波整流电路整流成直流电压后，再送入CPU，供电流显示和控制之用。精密半波或全波整流电路也用作模拟信号的处理和放大。普通整流电路采用二极管做为整流器件，但二极管整流存在非线性失真、有死区电压等缺点，尤其用于小信号整流时，将使输出信号畸变，出现输出误差。利用运算放大器的放大作用和深度负反馈作用，在放大电路中加入二极管，利用二极管的单向导电特性，实现对输入正、负半波信号引入不同深度的负反馈，可以对输入μV级信号进行整密整流，电路本身还具有电压跟随或放大作用。
上图（2）为精密负半波整流电路，电路将输入负半波信号进行精密整流后，倒相输出。对正半波输入信号来说，D1的接入，为放大器引入了深度负反馈；在负半波输入信号的起始段，因信号输入幅度小于D1、D2均处于截止，电路处于开环放大状态，微小的信号输入，便会使输出脚电压大于-0。7V，D1导通，D2反偏截止；D2与R125串联引入了适度负反馈（由R125的阻值可决定本级电路是整流器还是整流放大器，本级电路为精密整流器，无放大作用），相当于一个反相放大器，输出与输入信号成倒相关系。
上图（1）电路与图（2）电路的不同之处，在于电路中两只二极管的极性相反，成为对输入正半波信号的精密整流电路。整流原理是一样的。
由一个半波整流器电路再加上一个反相求和电路，如图（3），实现将正、负半波输入并反相后输出，可得到全波输出电压波形，即构成了一个全波高精度整流电路。
在故障检测电路中，往往采用整流器电路，对三相输出电流采样信号，进行整流与放大，作为模拟电压信号（电流检测信号）输入后级故障信号处理电路和CPU电路，用作过载报警和运行电流的采样处理。
电路输入为交流电压信号，而输出为直流电压信号，大部分电路为整流器，部分电路为整流放大器。
检测方法：
1、 整流器电路：输入侧为交流电压，输出侧为直流电压，两测量值比较接近。
2、整流放大器，输入侧为交流电压，输出侧为直流电压，输出直流电压值高于输入交流电压值。
3、可通过短接两输入端或人为改变输入端电压的方法，测量输出端电压的相应变化，来判断电路是否处于正常状态。
[故障实例1]
某台变频器，上电即跳OC故障，检测电流检测电路如图（2）的输出电压为13V，拨掉电流互感器引线端子，该级放大器仍为13V，判断整流器电路损坏，更换后故障排除。

四、电压比较器、梯级电压比较器和窗口电压比较器电路：
上述几种电路，都用于模拟信号的放大整流等，其输出信号仍有模拟信号，可称为模拟信号（放大）处理电路，而下文电压比较等电路，则输出为开关量信号，其电路已脱离了模拟放大的范畴，似乎进入了“数字电路”的领域，是拿模拟电路当作了数字电路来应用。

图6.22 三种电压比较器电路

电压比较器的作用是比较两个输入电压信号的大小，图（1）电路，放大器的同相输入端的电压，为R2、R3两电阻对+5V的分压值2。5V，称为基准电压值，输入信号与此基准值比较，高于此值时，则输出为0V低电平信号，低于低值时，则输出为+15V高电平信号。电路又称为单值比较器，电路的输出状态取决于输入信号电压的一个值（一个点）——2。5V。
将两级电压比较器接为图（2）电路，则成为梯级电压比较器，电路有一路输入信号，两路输出信号。N1、N2两级电压比较器，输入的是同一路信号电压，但两级电路同相输入端的基准电压值不同，N1基准电压为6。6V，N2基准电压值则为3。3V。当输入信号由0V到逐渐上升时，当上升为3。3V以上时，N2的输出状态先变为低电平；N2在输入信号值大于6。6V时，才有低电平信号输出。图（2）电路在用于直流回路电压检测电路时，当因负载电机再生发电能量回馈至直流回路，使直流回路电压上升到一定值时，N2先输出制动动作信号，将制动电阻接入直流回路，消耗电压增量；若电压继续上升，N1则输出OU过压信号，变频器保护停机。
若将两级电压比较器接为图（3）电路，则构成窗口电压比较器电路。相对于单级电压比较器电路，窗口电压比较器可称为双值比较器了。电路有两个基准比较值，输出一路信号。当输入信号≥基准电压1≤基准电压2时，电路输出状态转换。在输入信号的中间值的一个范围内，输出状态不变。图（3）电路为接地故障信号处理电路。N1放大器的同相端是R46、R50对+15V的分压值，N2放大器的反相端是R81、R69对-15V的分压值。输入三相电流采样信号进入到N1的反相输入端和N2的同相输入端，分别与正分压值和负分压值相比较，无论是输入信号的正半波或负半波，只要大于两个基准值，便会报出地短路信号。
电压比较器应用数字电路，可据信号幅度灵活设置基准电压，比采用数字电路更为方便。另外，图（3）电路采用开路集电极输出的运算放大器电路，可以实现输出端的并联输出，使电路更为简洁。若采用普通放大器，则输出信号还要经两只二极管隔离，再并接在一起。
三类电压比较器电路，常用于将检测的电流或电压的模拟信号，转化为开关量信号——故障信号输出，供实施控制动作和停机保护之用。
检测方法：
1、放大器输出端只有两个电平状态，低电平，接近供电的地电平或负供电值；高电平，接近正供电值；
2、测反相输入端低于同相输入端电压值，则输出为低电平，反之，则输出为高电平。
3、可通过短接两输入端或人为改变输入端电压的方法，测量输出端高低电平的相应变化，来判断电路是否处于正常状态。

五、滞回比较器电路：
也为电压比较器电路之一种。电压比较器的图（3）电路，也即为滞回电压比较器电路。电压比较器电路只要再引入一正反馈电路，便可“升级”为滞回比较器电路。滞后比较器双被称为具有滞后特性的电压比较器电路。如果把普通的电压比较看作为“电压点比较”的话，滞回比较器则可看作为“电压段比较”的比较器电路。通常，我们希望电路的输出状态足够稳定，电压比较在一个“点”上比较输出，会因频繁输出造成输出状态的不稳定。将输入电路的“点”比较，改进为“段”比较，能较好地解决此一问题——在输入电压变化的一个“段值”内，输出状态不变。图（2）电路由R4、D1构成一个正反馈支路，将电路的“点”比较特性转化为“段”比较特性。

图6.22 两种滞回比较器电路

控制原理简述如下：
先假定图（2）电路被用于制动动作信号的处理，输入信号为直流回路的电压采样信号。当直流回路的电压因负载电机再发能量回馈造成异常上升，达680V时，Vin输入电压值达9。5V以上，高于放大器反相端基准电压值时，放大器输出低电平信号，后级制动电路动作，将制动电阻接入直流回路，对电压增量进行消耗；因制动电阻的消耗作用，Vin输入电压值很快下降到9。5V以下，可是制动信号仍在输出中，并不是直流回路电压稍为回落，制动信号即行消失，这就看出了滞后比较器的作用。制动电路继续工作，一直到直流回路电压回复为620V以下时，采样输入电压低于7。5V时，制动电路才停止工作。
电路静态时，放大器同相端电压（7。5V）高于反相端电压，输出电压为近15V的高电平电压，由R4、D1引入到同相端电路，将同相端电压“人为垫高”为9。5V。当输入电压高于9。5V时，电路输出状态反转，输出端变为低电平。D1反偏截止，反馈回路中断，同相端基准电压恢复为7。5 V分压值。这样，当输入采样电压低于7。5 V时，制动信号才停止输出。
滞回比较器电路，常用于直流回路的电压检测，输出制动信号和过、欠压故障信号等。
检测方法同电压比较器，从略。

旷野之雪 2009年5月2日
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