616G3-55kW安川變頻器主電路、驅動電路圖及圖說
一、《616G3-55kW安川變頻器》主電路
《616G3-55kW安川變頻器》主電路圖說
所有變頻器主電路的結構都是相似的，乃至于是相同的。而安川變頻器的主電路和臺灣東元變頻器的主電路更是如出一轍。稍后我觀察到兩機的控制面板是一樣的，控制面板和參數的設置也是相似的。發現兩種從硬件到軟件都相似甚至于是相同的機器，給安裝調試與維修，都會帶來很多的方便。只要手頭有一種技術資料參考，就可以調試和維修二種設備了。
打開這兩種大功率變頻器的外殼，檢查主電路時，安裝于逆變模塊上方（與模塊并聯的）的六只長方形盒體狀的大東西，首先會引起我們的興趣——與每相上臂IGBT管子并聯的是型號為MS1250D225P，與下臂IGBT管子并聯的型號為MS1250D225N。用句網絡上的話說：這究竟是個什么東東？安裝于此處意欲何為呢？
大凡并聯在IGBT管子上的東西，或電容或阻容網絡，均是為保護IGBT管子而設置的。即當該管子截止時，快速消耗掉反向電壓所形成的能量，提供一個反向電流的通路，以保護IGBT管子不承受（實質上是使其承受得少一點罷了）反壓的沖擊。眾所周知，無論是雙極型或是場效應器件，在承受正向電壓上往往有一定的富裕量，但對于反向電壓的耐受能力卻是極其脆弱的。所以在IGBT管子上并聯的一嘟嘍一嘟嘍的東西，可以說都是完成此一消耗反壓任務的。
需要說明的是：MS1250D225P和MS1250D225N的內部電路，筆者并未打開實物進行驗證，模塊損壞后，這兩種器件往往都是完好的，所以也不便將其破壞后拆解。上圖的內部電路是據測量揣摩畫出的，僅為讀者朋友提供一個參考。我查找了大量資料和在網絡上進行了搜尋，均未找到此元件的資料。從揣測電路的基礎上進行原理上的分析，顯然容易產生誤導。故暫時省略對其原理的解析。
但在模塊上并聯了此類元件后，將在檢修上給我們帶來新的體驗。見下述。
按照常規的檢修方法，我們在更換損壞的模塊后，進行通電試驗前，須將上圖中的P點切斷，串入兩只25W（或40W）燈泡，再行上電，這樣萬一逆變模塊回路或驅動電路異常，造成上、下臂兩只IGBT管子共通對直流電源的短路時，因燈泡的限流作用，使昂貴的IGBT模塊免遭損壞。其它品牌的變頻器，在管子兩端并聯皮法級的小容量電容，在通電或變頻器啟動后，只要U、V、W輸出端子空載，燈泡是不會亮的。但安川變頻器在檢修中的表現就有所不同了。在P點串入燈泡，上電，燈泡不亮，是對的，我松了一口氣；按操作面板啟動變頻器，燈泡變為雪亮！壞了，輸出模塊有短路現象！這是我的第一判斷。停電檢查模塊和驅動電路，均無異常。回頭查看電路結構，在拆除掉MS1250D225P和MS1250D225N后，啟動變頻器后燈泡不亮了。測空載輸出三相電壓正常。這兩只元件與外接10Ω80W電阻，提供了約百毫安的電流通路，使25W燈泡變為雪亮。以幾十瓦的功耗的犧牲換來IGBT管子更高的安全性，這是安川變頻器的模塊保護電路的特色。
變頻器空載啟動后，由于MS1250D225P和MS1250D225N等元件的關系，逆變電路自身形成了一定的電路通路，并非為逆變模塊不良造成。該機是一個特例。有了電路通路，也并一定是模塊已經損壞了，觀察一下，是哪些元件提供了此電流的通路？當新鮮的經驗固化成思維定式，對故障的誤判就在所難免了。
整機控制電源是由圖下方一只多抽頭變壓器來取得的。插座3CN和4CN的短接線不同，可調整輸入電壓的級別，以保證次級繞組AC220V電壓的精確度。散熱風機是采用AC220V電源的，此電源又經整濾波做為開關電源的輸入。單獨檢修驅動板時，須將風扇端子的2、3；接觸器端子的3、4；14CN，15CN，16CN的端子均短接，人為消除欠壓（FU/LU）、過熱（OH）、風扇壞（FAN）等故障信號，才能使CPU輸出六路脈沖信號，便于對驅動電路進行檢查。
二、《616G3-55kW安川變頻器》驅動/保護電路
《616G3-55kW安川變頻器》驅動電路/保護電路圖說
驅動電路的種類也是大同小異的。我們見得最多的是用PC929、A316J等IC構成的驅動電路，模塊故障檢測電路（保護電路）也同時集成在內了。雖然可以找到有關A3316J等的電路資料，能看到內部的單元方框電路圖和對電路原理的介紹，但對其保護電路的具體構成，總是感到一絲“觸不到實處”的茫然——IC內部的保護電路，的確是看不到也摸不著的呀。恰巧本電路是用分立元件構成的檢測與保護電路，更便于理解檢測與保護動作過程。將上圖中的一路脈沖與保護電路稍為改畫，即可看出IGBT管壓降檢測電路是如何對模塊實施保護動作的了：
電路原理：由CPU引腳來的PWM脈沖信號，經U2光電耦合器隔離和放大后，送入模塊保護電路。正常狀態下，此脈沖信號再經Q2和Q3的推挽式功率放大電路放大，直接驅動IGBT模塊。一般認為，IGBT模塊為電壓型驅動模塊，此種觀念有失偏頗。IGBT管子的輸入柵-射結電容，恰恰需要瞬態的大涌入電流！這就是為什么會采用Q2、Q3來做功率放大的原因。驅動信號的引入電阻，也是5Ω8W的功率電阻。而從這個意義上來講，從本質上來看，IGBT模塊，仍為電流型驅動器件。這是筆者的看法，不知當否？當驅動電路的電流輸出能力不足時，會使三相輸出電流產生斷續，電機振動，發出隆隆聲。脈沖處理電路原理另見其它圖說，此處重點是看保護電路如何動作的。
在變頻器未接受啟動信號時，U2的輸出腳7、8為截止負電壓，如以0V電源線做為參考點的話，此時7、8腳電壓約-9.5V(忽略內部管子的飽合壓降)，此負壓經R13、R3引入到Q2和Q3的基極。Q2因反偏壓而截止，Q3因正偏壓而導通，IGBT模塊的柵偏壓為負，處于截止狀態。電阻R1、R2對+15V和負-9.5V分壓得到3V的電平。D9為擊穿電壓值為9V的穩壓管，R1與R2的分壓值不足以使其擊穿，故Q3無偏流，處于截止狀態。光電耦合器U1無輸入電流，故無GF（接地）和OC（過載、短路）等故障信號返回CPU。當CPU發送驅動脈沖的時候，U2的7、8腳變為峰值為15V的正脈沖電壓，D1的正極此際便上升為+15V，此時便出現了兩種情況：一種情況下是模塊良好，IGBT管子在正激勵脈沖驅動下迅即導通，可認為P、E兩點之間瞬時短接了。D1的負端電位瞬即拉為0V，也將D2的負端電位拉為1V以下，因未達到D2的擊穿值，使Q3仍無基極偏流而截止；一種情況下是模塊已或因負載異常使運行電流過大，或因Q3等驅動電路本身不良使IGBT管子并未良好地導通，D1的負端為高電位而截止，+15V經R1使D2擊穿，Q3得到偏流導通，將Q2基極的正脈沖電壓拉為零電平，IGBT模塊失去脈沖而截止。同時Q3的導通產生了U1的輸入電流，U1將模塊故障信號送入CPU。可見此電路是保護電路先切斷了IGBT管子的驅動脈沖，同時送出了模塊故障信號。保護是及時和快速的。
三、《616G3-55kW安川變頻器》驅動/FU電路
《616G3-55kW安川變頻器》驅動/FU電路圖說
驅動電路的保護電路，是根據激勵脈沖發送期間，IGBT管子的管壓降的大小，來實施保護動作和發送OC信號的。據資料上介紹：IGBT模塊在正常（額定電流）情況下的導通壓降為3V左右。而當其管壓降達到7V以上時，說明IGBT模塊中流過的電流已超過Ie的180%至200%，此時的保護動作當然是愈快愈好的了。設置此保護電路的目的，是彌補電流互感器等后續電流檢測電路保護動作遲緩的不足——電流檢測電路中不可避免地應用較大容量的濾波電容，使電路有了一定時間常數，而反應遲緩。而IGBT的管壓降檢測電路，則由于反應迅速可稱之為快速保護動作電路，猶如快速行動部隊，是處理應急事件的。對輕微過流和限流調節等處理，還是由電流互感器回路的電流檢測電路來實施的。
在驅動電路中還附設了保險熔斷的檢測電路。一般變頻器，是在直流回路P端串入一只快速熔斷保險，來實施模塊保護的。而本機電路卻在每相輸出模塊上各串入了一只保險。每個廠家生產的變頻器，大致都有如此的趨勢：早期產品不免粗老笨重之嫌，其用戶控制功能上不夠完善，但在其制作選料上卻有較大的富裕量；在保護性能上有保守之嫌，卻不惜添加現在看來是多余的元器件，來保障保護電路的可靠性。安川變頻器的早期產品也未能免俗。而隨著產品技術的進步和市場競爭的激烈，變頻器功能提升，而成本下降甚至有偷工減料之嫌。變頻器的運行可靠性也因此打了折扣，國產變頻器當以此為戒。
三路保險熔斷的檢測電路，是將下三臂驅動電源的0V線與主直流回路的N線做比較，來判斷熔絲是否正常的。正常狀態下，驅動電源的0V線與N線是經保險相連的，是等電位的。即下三臂IGBT管子的E極是與主直流回路的N線是相連的。故三極管Q4、Q19、Q28的基極偏壓為零。三只管子均截止。當任一相輸出模塊的保險斷開時，N線與該相驅動電源的0V線產生了巨大的電位差，三極管承受正偏壓而導通。Q5、Q20、Q29三只光耦接成或門電路，任一只光耦的輸入信號都會傳輸到同一個輸出點上，將快速保險的熔斷信號傳送給CPU，使CPU報出FU（熔絲）斷信號，并拒絕接受啟動信號。
安川變頻器的故障信號報警，也有一個先后次序的有趣問題。如過熱、欠壓、過流、風扇故障、保險熔斷故障等，上電時，即給出故障代碼的警示，并拒絕啟動操作；在啟動期間，由模塊保護電路檢測到的模塊故障，以GF（接地故障）代碼警示。而在運行過程中檢測到模塊故障時，則報以OC（運行過流，負載短路等）故障代碼信號。IGBT管壓降檢測電路輸出的同一個信號，因輸出的時機不同（一個是在啟動過程中，一個是在運行過程中），變頻器報出的卻是兩個不同的故障代碼（GF：接地故障；OC：過載或短路故障）。同樣，在電流和電壓檢測電路，有時也會采用相同的手段，同一處保護電路報出的過流或過壓信號，則因變頻器工作狀態的不同（啟動中或運行中），而有可能報出不相同的故障代碼或對此采取不相同的處理措施。這一切取決于軟件設計者的思路。每一個廠家的變頻器，在控制思路上，必然會有大同小異之處。注意變頻器報故障的相關特點，便于高效率地判斷故障所在。
分析保護電路，要配合主電路和驅動（保護）兩部分或三部分綜合起來看，好多圖紙是分解成各個單元電路來繪制的。讀者諸君必須強化自己綜合讀圖、連貫讀圖的能力。這是我送給您的一個忠告。
