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小孙学变频之从变频器的控制框图说起_0

  厂里使用的变频器越来越多了,发生故障和损坏的变频器也多了起来,领导就要求小孙自己学会修理。不消说,小孙又去找张老师了。

  从变频器的控制框图说起

  小孙说:以前主要考虑如何用好变频器,掌握变频器的主电路也就可以了。但要修理变频器,必须涉及到变频器的内部控制电路,我打开变频器一看,觉得实在太复杂了,一时摸不着头绪。

  张老师说:要摸到变频器内部控制电路的头绪,必须首先要弄清楚这控制电路里究竟包含些什么?说着,张老师拿出了一张如图7-1所示的变频器控制框图,然后说:这控制电路里有几个大的部分,分别是主控电路、开关电源、采样及信号的处理电路、CPU的外围电路、以及IGBT的驱动电路,等。下面,我们要一个部分、一个部分地分析一下它们的作用。

图7-1 变频器的控制电路图

  主控电路

  张老师说:这是控制电路的核心,相当于人的大脑。里面的主要部件是计算机的中央处理器CPU。但现在变频器里的CPU,是已经加进了许多变频器的专用功能了,和一般计算机里的CPU很不一样了,估且叫它专用CPU吧。现在,你思考一下,这主控电路应该完成哪些任务?

  小孙拿着控制框图,歪着脑袋思考了一会儿,就说:主要功能有以下几个方面:

  1.接收各种输入信号

  主要有:

  (1)从键盘发出的操作指令;

  (2)从输入控制端输入的频率给定信号和操作指令;

  (3)从各采样器件检测到的各种数据。

  2.发出各种输出信号

  主要有:

  (1)向驱动模块输出IGBT的控制信号;

  (2)向模拟量输出端输出当前的运行数据;

  (3)向开关量输出端输出当前变频器的各种状态信号;

  (4)向显示屏发出显示信号。

  小孙很有些得意,心想,毕竟我对变频器的基本结构已经比较熟悉了。没想到张老师竟说:可是,你遗漏了主控电路的最重要的任务!

  啊?小孙一时不知道张老师指的是什么。张老师见小孙尚未醒悟,就直接说:

  方才说了,主控电路的主要部件是计算机的中央处理器CPU,计算机是要进行计算的,计算什么呢?

  首先,它要计算出正弦脉宽调制(SPWM)的控制信号,提供给IGBT的驱动电路。计算的依据有:

  用户调定的给定频率信号;

  通过键盘预置的控制方式信号;

  如果是V/F控制方式,则还有所预置的转矩提升量;

  如果是矢量控制方式,则还有转速反馈信号(有编码器或无编码器),等。如图7-2所示。

  其次,CPU还要根据采样电路所检测到的变频器运行数据,或变换成模拟量输出信号,提供给模拟量输出端,以便在外部进行测量;或将采样所得数据和由键盘输入的额定数据或基准数据进行比较和判断,以便向开关量输出端提供变频器当前运行状态的信号,如图7-3所示。

  瞧,这是不是更为重要的任务呀?

  这短路保护信号,为什么是从驱动电路发出的呢?小孙问。

  变频器输出侧的短路,是最容易损坏IGBT的故障。因为当外电路短路时,IGBT很快进入放大状态,而我们曾经讨论过,IGBT在放大状态时的功耗将数十倍于额定功耗,导致迅速损坏。如果等CPU接收到信号,再进行判断,然后再保护,岂不误事?所以,在驱动电路里设置了过电流保护的功能。就是说,一旦外电路发生短路,驱动电路将立即将IGBT封锁,然后再通知CPU,从而可靠地进行保护。

  开关电源

  提起开关电源,小孙自告奋勇地说:这个我知道,它是为各部分控制电路提供稳定的低压直流电源的,对不对?

  你只是说了对内的功用。张老师说。

  还有对外的?小孙楞了一下,但很快就一拍脑袋,说:啊,我知道了,它还向控制端子提供+10V的给定电源和+24V直流电源呢。

  要是说得完整一点,则给定电源不一定是+10V,有的变频器是+5V的,或者是可选的。它的功用也并不止于为外接电位器提供给定电源,我们曾经提到过,它也可以为远传压力表提供电源。那+24V是提供给谁的呢?张老师又问。

  是提供给压力变送器或其他变送器的。还有小孙见张老师并没有满意地点头,知道自己还没有说全。终于,他想起来了,补充说:也可以为外部的直流继电器提供电源。

  张老师笑了,说:变频器不是有许多开关量输入端子吗?你输入了一个开关量,变频器如果没有电源,它怎么接收呀?所以,在变频器里,还必须有为了接收开关量控制信号而提供的电源,通常,就是这+24V电源。至于具体的接收电路,我们以后再讲。

  采样及处理电路

  谈到采样电路,小孙觉得,这比较简单,就说:所谓采样,就是实时地测量变频器的运行数据,如直流电压、输出电流和温度等。因为采样所得的数据,并不在CPU的可接收范围内,所以还需要进行处理。小孙抬起头,心想,张老师应该满意地点头了吧。但张老师却补充说:

  如果说得具体一点,则CPU能够接收的是0~5V的电压信号,因此:

  (1)电压信号是从变频器的直流高压电路中取出的,就是说,采样信号是在强电回路里,它不能直接通入CPU,所以要处理;

  (2)电流信号应该转换成电压信号;

  (3)温度是非电信号,也需要转换成电压信号。

  这些就是处理电路需要完成的任务。

  CPU的外围电路

  小孙不敢再冒失了,他对着控制框图思索了一会儿,这才慢条斯理地说了起来:

  CPU的外围电路应该包括采样的处理电路,外接输入端子的信号处理电路和外接输出端子的信号处理电路。采样的处理电路上面已经说过了,其他有:

  1.对输入信号的处理

  (1)模拟量信号的处理电路

  因为模拟量输入信号常常是0~10V的电压信号或0~20mA的电信信号,应转换成0~5V的电压信号。

  (2)开关量输入信号的处理电路。

  2.对输出信号的处理电路

  (1)报警处理电路

  应将CPU输出的报警信号放大成能使报警继电器动作。

  (2)模拟量输出电路

  模拟量输出信号通常也是0~10V的电压信号或0~20mA的电信信号,所以要把CPU输出的0~5V的电压信号转换成模拟量输出端子所需要的信号。

  (3)开关量输出电路

  把CPU的开关量信号转换成能使相关继电器动作,或使输出晶体管导通。

  3.控制面板的处理电路

  (1)接收键盘指令信号的电路。

  (2)显示屏的处理电路。

  我想,就这些了。小孙望着张老师,仿佛说,还有遗漏吗?

  你说的这些内容,可以统称为输入和输出的处理电路,但还不是CPU外围电路的全部。这里还有在控制框图上没有的电路,那就是CPU自身所需要的晶振电路和复位电路。

  关于控制框图,就讨论这些吧。下面应该具体地讨论开关电源了,你回去后,先把直流稳压电源复习一下。

  小孙的笔记

  1.变频器控制电路的核心是主控电路,它将完成各种运算,接受外部的指令,对各种运行数据进行判断,并将变频器的状态输出到外电路。

  2.变频器控制电路所需要的各种挡次的低压直流电源,都由一个开关电源来提供。

  3.变频器的采样电路用于测量各种运行参数,并且整理成CPU所能接受的信号。

  4.变频器的CPU实际上是已经专用化了的中央处理器,它的外围电路包括:对输入信号和输出信号的处理电路,以及对控制面板的处理电路等。

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