数控机床变频器开关电源的典型电路原理及故障实例分析

聂 琴

（鹤壁高级技工学校，河南鹤壁 458030）

在数控机床中，变频器开关电源电路为变频器提供整机控制用电，是变频器工作的先决条件，它属于直—交—直型的逆变电路。一般变频器的开关电源，常提供以下几种电压输出:CPU及附属电路、控制电路和操作控制面板的+5 V供电;电流、电压、温度等故障检测电路、控制电路的±15 V供电;控制端子和工作继电器线圈的24 V供电。四路相互隔离的约为22 V的驱动电路的供电，该四路供电往往又经稳压电路处理成+15 V、－7.5 V的正、负电源，为IGBT逆变输出电路提供励磁电流。下面以具有典型性的台安N2—405—1013型3.7 kW变频器的开关电源（图1所示）为例，结合维修实例，介绍其工作原理和排故思路。

1 变频器开关电源原理

在图1中，变频器主电路中直流回路的530 V电压经供电端子P1、N进入开关电源，为开关电源供电。其中 R248、R249、R250、R266 4 只 75 kΩ 2 W 电阻承担了提供开关电源起动电流的任务，可称之为起动电路。电源起振后，IC201的供电即由自供电绕组N2的输出电压经VD215、C236整流滤波成直流电压供给。电源起动后，IC201的8脚输出5 V基准电压，除提供8、4脚之间的R、C振荡定时电路的供电外，还提供稳压控制电路中PC9输出侧内部晶体管的电源;IC201的1、2脚之间所并联的R238、C230等元件，构成了内部电压误差放大器的反馈回来，决定了放大器的增益和频率传输特性。由1脚到8脚的VD216、VD217，则将1脚电位嵌位在6.2 V左右，当反馈电压瞬间过低时，避免了IC201内部误差放大器输出过高的电压信号，而使输出电压产生过冲现象;6脚内部为PWM波形成电路，振荡脉冲由6脚输出，由R241、ZD204消噪和正向限幅，经R240加到开关管TR1的栅极，TR1的导通，形成了开关变压器TL1一次绕组N1中的电流，TL1的自供电绕组、二次绕组随即产生感生电压，并经负载电路形成输出电流通路。

TL1一次绕组中的电流，在R242、R243、R244 3只并联电流采样电阻上，产生电压降信号，此电流采样信号经R261输入到IC201的3脚，与内部电路基准电压比较，产生控制信号送后级PWM波形成电路。因电流采样信号能对一次绕组电流变化做出快速反应，使整体电路有较好的电流控制性能，在过电流程度较轻时，电流的闭环控制，使输出电流趋于稳定;在过电流程度较重时，使开关电源停振，保护了开关管和后级负载电路的安全。

稳压电路由5 V输出端、R233、R234、IC202、PC9、IC201的8脚基准电压、R235、R236等环节构成。开关电源输出的5 V为CPU直接供电，而CPU较之其他电路对供电由较苛刻的要求，要求电压的波动不大于5%，因而开关电源的电压反馈信号就取自这里。5 V电源是直接受开关电源稳压支路控制的，属于“嫡系电源”，其他各路输出电源的稳压精度稍次之，属于“旁系电源”了。

稳压控制过程如下:当5 V输出电压上升时，R233，R234分压点电压上升，流过电压基准源 L431阳极、阴极间的电流上升，因R231的降压作用，L431阳极电压反而下降。L431电路出现了一个负的电压放大倍数，回路电流的上升，使光耦合器PC9中的二极管发光强度随之上升，PC9输出侧光敏晶体管因受光面的光通量的上升，其导通等效内阻减小，由R235输入到IC201的2脚（反馈电压引入脚）的电压升高，IC201内部误差放大器的输出增大，此信号控制内部PWM波发生器，IC201的6脚输出的脉冲占空比变化——低电平脉冲时间加长，使开关管TR1的截止时间变长，开关变压器TL1的储能减少，二次绕组输出电压回落。在因电网电压降低或负载电流上升，引起5 V输出电压下降时，实施反过程稳压控制。

二次绕组的整流、滤波电路输出24 V、15 V、－15 V等各路常规用电。－15 V的供电绕组，有两组整流电路，一路即 D206、C241的－15 V电源，一路是CD207、R225、R254、C40、R226 等的正电压输出电路。注意，此路“电源”的滤波电容仅0.1 uF，又经约10 k电阻串联输出。这路输出显然是不能当做电源使用的，它不需要提供大的负载电流，它只是提供一个电压信号，它是直流回路的电压检测输出信号。这个模拟电压信号，反映了530 V直流回路电压的高低。从维修的角度出发，可将本电路分成4个工作环节:

（1）振荡支路。R248、R249、R266为电源起动电路;N2绕组、VD215等构成提供IC201的工作供电;IC201本身及4、8、6脚内电路和外接元件、TR1、N1绕组等构成了振荡电路。

（2）稳压控制支路。N3绕组、+5 V整流滤波电路、IC202、PC9、IC201的1、2脚内电路和外接元件等，构成了稳压电路。

（3）保护电路。TR1的源极电流采样电阻、R261、IC201的内部电路等构成了电流保护电路;上述稳压之路也可看作是一个电压保护支路;N1绕组并联的尖峰电压吸收网络（TR1反向电流泄放通路），则可看作是另一个电压保护支路。

（4）二次绕组供电电路及负载电路。

2 维修实例

实例1

故障:一台台安N2－405－1013 3.7 kW变频器，检测主电路无短路故障。接入交流380 V维修隔离电源，上电即跳OC故障（过电流故障）。

检查:检测逆变输出模块未损坏，6块逆变驱动IC已损坏大半。进一步检查发现，开关电源有一奇特现象:甩开CPU主板供电时，测5 V正常，但其他支路的供电较正常偏高，如15 V为18 V，22 V的驱动供电为26 V;插上CPU主板的接线排时，测+5 V仍正常，但其他支路的供电则出现异常升高现象;如22 V的驱动供电甚至于上升为近40 V（驱动IC电路的供电极限电压为36 V），驱动IC的损坏即源于此。重点检查稳压环节，IC202、PC9等外围电路皆无异常。脱开5 V负载电路后，在R233上并联5 kΩ电阻，输出5 V电压有明显下降，且能稳压在一定值上，说明稳压电路是在正常工作的。进一步查找其他电路也无“异常”，检修陷入僵局。

分析:电路的稳压环节是起作用的。稳压电路的电压采样取自5 V电路，拔掉CPU主板的接线排时，相当于5 V轻载或空载，5 V的上升趋势使电压的负反馈量加大，电源开关驱动脉冲的占空比减小，开关电源的励磁电流减小，其他支路的输出电压相对较低;当插入CPU主板的接线排时，相当于5 V带载或重载，5 V的下降趋势使电压负反馈量减小，电源开关管驱动脉冲的占空比加大，开关变压器的励磁电流上升，使其他支路的输出电压幅度上升。现在的状况是，5 V电路空载时，其他供电虽输出较低，但仍偏高。5 V加载后，其他供电支路则出现异常高的电压输出;故障环节要么是5 V供电电路本身故障导致带载能力变差，要么是负载电路异常（过载），两者的异常都使得稳压电路进行了恪尽职守的“误”调节，结果是维护了5 V故障电路的“电压稳定”，出现了其他供电支路“电压的异常上升”。接下来检修5 V电源输出电路，拔下电源滤波电容C238、C239，检测:两只电容容量仅十几个微法，且存在明显的漏电电阻。两只电容的失效正好满足了两个条件:容量变小使电源带负载能力差，漏电使负载变重。

处理:更换C238、C239电容后，开关电源的各路供电输出正常。

实例2

故障:一台英威腾P9/G9 55 kW变频器，开关电源电路与图1接近。机器在雷雨天气中突然停机，面板无显示，疑遭雷击损坏。

检查:输入整流模块与输出逆变模块均无损坏。开关电源无输出，开关管损坏，电源引入铜箔及开关管漏极回路的铜箔都已与基板脱离，说明该机可能从电源引线引入了雷电，致使开关电源电路损坏。

更换开关管、开关管源极电流信号采样电阻、振荡块3844B和开关电源熔断器F1后，给开关电源先送入直流300 V直流维修电源，不起振;再送入500 V直流维修电源，上电即烧电源熔断器F1。停电测量检查，无短路现象，更换保险管后上电，供电电压低于300 V时，不起振，送入500 V时仍烧熔断器。

分析:开关电源供电低时不起振，当供电高到一定幅度，如直流450 V时，电源有可能起振。是否为电源起振后，电路存在“交流”短路而烧掉F1呢?因为据检测，无短路元件，不存在直流短路。交流短路的原因，不外乎开关变压器匝间短路、负载电路有元件存在加电后软击穿现象。再次检查，替换开关变压器实验，无效。将负载电路逐一切除，无效。

在观察电路板的过程中，无意中观察到开关电源的电路板上有一条异常黑线，开关电源的530 V直流电源通过主直流回路引入，电路板为双面电路板。电源引入端子在电路板的边缘，正面为正极引线铜箔条，反面为负极引线铜箔条，发现电路板边缘正、负铜箔条之间有一条“黑线”，由于雷雨潮湿天气，使电路板材的绝缘降低，引起正、负铜箔之间跳火，电路板碳化，电源电压低于某值时不会击穿，高于500 V时便使碳化电路板击穿，烧断熔丝。烧断熔丝的原因并非起振后开关管回路有短路故障，而是由于电路板碳化引起。检修中并未从供电现象得出绝缘不良的原因，使检修走了一段弯路。

处理:消除电路板边缘的碳化物并做了绝缘处理，送入500 V时不再烧断熔丝，但不能起振。检查开关变压器自供电绕组的整流二极管D38（LL4148，相当于图1中的VD215 BG98）有一定的反向电阻（整流效率变低），更换后试机正常。

3 结语

通过维修机床变频器开关电源，发现其工作原理和维修方法与家电中的开关电源有很大的共同点。本例中讨论和分析的变频器属于小功率型的，但其维修方法同样适用于中、大型变频器开关电源的维修。