末级故障电路的原理与检修方法

各种故障检测信号，尤其是故障停机信号，常由末级故障信号处理电路在CPU相关指令的配合下，经过处理（其控制方式为硬件电路与软件程序的相结合），再送入CPU电路，供实施故障保护之用。其电路特点如下：

1）停机保护信号集中处理。

2）依工作过程中的不同阶段，选择和处理相应的故障信号，如在起动初始阶段优先处理的OE接地或地过电流信号，在起动过程的末后阶段，则被忽略或屏蔽；当其他故障信号出现时，OE信号的传输被中断。在不同工作阶段，OE信号的优先权是不一样的。

3）对各种故障保护信号的处理，各厂家变频器虽大致相同，但因设计者的思路不同，存在具体上的差异。如阿尔法变频器，变频器上电期间，检测到OU过电压信号输入，会报出OC故障，而运行当中检测到OU信号，则报出OU故障。英威腾P9/G9系列变频器，在上电期间检测到OCH故障信号输入时，则屏显H：00，所有操作均失灵。

图7-14的故障末级信号处理电路，由U7（HC4044）三态与非门R-S锁存触发器和U8（74HC08D）四2输入与门两片IC电路构成。由于对软件程序控制只能揣摩得知，只能做出试分析：

图7-14 英威腾变频器G9/P9机型CPU主板电路之六：末级故障信号处理电路一

U7担任对OCL（过电流一：轻度过电流）、OLH（过电流二；中度过电流）、SC（重度过电流：输出短路）、OU（过电压）四路故障信号的可控传输。据此四路故障信号对逆变功率模块的危害程度不同，则处理方式也有所不同。对OCL、OCH过电流的信号和处理，有一个延时和调控的过程，无效再实施停机保护。有的机型OCL信号只是在起动过程中有效，而运行过程中OCH有效。当起动或运行过程中，出现轻微过电流状况时，如过电流115%，此过流程度不足以危害功率模块的安全，也可能为负载不稳定所引起，CPU并不马上给出停机保护信号，而是采取相应措施，自动降低频率，等待电流稳定降到允许电流值以内时，再按给定频率运行。若经此降频调节，过电流状态消失，则继续运行；若采取调整措施，输出电流仍旧上升，到达OCH的保护阈值，则OCL信号被屏蔽，CPU以OCH信号为参考进行控制。同样采取降频限流和延时修理，但延时时间大为缩短，有的机型在此动态调整过程中，操作显示面板闪烁OL2故障代码，但不停机，延时时间到后，保护停机。有的机型则在停机动作后，报出OL故障。SC和OU故障对功率模块的安全形成较大的威胁，在本机电路中，一旦有故障信号输入，则立即停机保护，并报警，没有延时调整和处理过程。本机型中，对OU信号则有两个梯度控制，在检测到轻度过电压信号时，首先起动直流制动电路，将直流回路接入制动电阻进行有效消耗，若能在一段时间内使直流回路的电压有效回落，则不报出OU信号，若制动动作不但不能使直流电路电压回落到允许值内，而且直流回路电压还在呈上升趋势，以至于达到了OU报警阈值，则报出OU信号，保护停机。本机电路的制动动作是由前级电压检测电路所完成，制动信号不是由CPU处理的。

我们看到，四路故障信号分别输入到U7的4个复位端，而置位端电位则由CPU输出指令信号所控制。故障信号的前级电路见第6章的相关章节，是由LM393构成的电压比较器输出低电平的故障信号。U7电路是“0”电平输入信号触发有效，当故障信号动作时，故障信号输入R端有触发信号输入，但电路的输出状态还同时取决于CPU的指令信号对S置位端的控制。

在起动初始阶段，CPU的58脚输出低电平信号，此时U7若有OCL信号输入，则U7的13脚Q0输出端因“与非”关系成立，将高电平信号输入CPU的56脚，CPU据此信号的存在，进行降频和延时处理。随着变频器进入起动过程的后半阶段和运行阶段，CPU的58脚变为高电平信号，OCL信号被屏蔽，CPU的63脚变为低电平，同时加到U7的3个S端，SC、OU、OCH 3个故障输入通道因而生效。

U8完成对OE地短路信号的处理（故障代码为GF）。GF信号的定义：变频器输出接地电流大于额定电流的50%。对接地故障的检测，实际是对三输出不平衡电流值的检测。在本机电路中，该信号用于在起动初始阶段，对GF故障的报警和停机保护。在此阶段，该信号具有最高优先权。在起动过程的中、后阶段和运行阶段，故障信号的优先权则让位于SC、OU、OCL、OCH 4个故障信号。

在电路中，OE信号实际是与OCL、OCH、SC、OU 4个故障信号相与后，再送入CPU的72（EXTINT外部中断，低电平输入有效）脚。对OE信号控制分为两个阶段：

1）U7的4个输出Q端，初始状态为“0”电位，OE信号通道为通态。当OE信号一经形成，与门电路的“两低出低”逻辑关系，使U8的11脚输出故障低电平信号，CPU运行程序即被中断，报出OE故障。

2）当OCL、OCH、SC、OU 4个故障信号中的任一个信号作用输出时，因与OE信号的相与作用，形成“高低出高”的逻辑关系，U8的11脚被钳定于高电平状态，OE信号即被中止。4个故障信号作用期间，OE信号的传输被中断。

U7（HC4044）三态与非门R-S锁存触发器的EN端（三态允许端）经R29接入5V高电平，4个传输通道已被强制接通。

末级故障信号处理电路是硬件和软件密切配合下的结果，必须从对故障信号的控制方式上着手，进行原理分析和故障诊断。

除了被集中处理和传输的图7-14电路中的5路“主故障”信号，还有图7-15中的8路“辅助故障”信号，也直接输入CPU的相关引脚，用于输出和其他控制或实施停机保护。

图7-15 英威腾变频器G9/P9机型CPU主板电路之七：末级故障信号处理电路二

故障检测电路中的电压检测电路，其检测内容约有4项：

1）对直流回路电压的检测，或用电阻网络直接取自于直流回路，或由开关变压器二次绕组取得。可称之为直流回路的电压检测。

2）对充电接触器的触点状态进行检测，这是另一种形式的电压检测方法，当其触点不能良好接通时，被CPU认为有直流回路“欠电压”故障发生。这是一种“预测”，当充电接触器接触不良时，有可能导致欠电压故障发生。

3）对开关电源输出电压的检测，供电电压正常是控制电路正常工作的前提，这称为控制回路电路检测。

4）对三相逆变输出电压（频率）的检测，也用于对IGBT的快速保护，其作用如同IG-BT管压降检测电路的作用相似。少数变频器，如5000G9/P9160kW富士变频器，还把三相输出电压检测信号做为电压反馈信号，对三相输出电压实行稳压输出控制，对提升控制性能，提高负载电动机的“硬”的机械输出特性有一定作用。

图7-15所示电路由U3a（LF353）和晶体管VT？开关电路构成了对控制电压——开关电源二次输出电压的检测电路，U3a及外围元件组成了一个具有滞后特性的、具有输出电压限幅功能的电压比较器电路，在同相输入端和输出端接入了R75，以引入电压回差，实现滞后特性，在反相输入端与输出端之间则接入了5.1V稳压二极管VS1，VS1接入起到对输出正负电压的双向限幅作用。当VD16整流负压存在，且幅度达正常值时，此负压与R19引入的5V电压、R46接地电阻组成的分压网络，输入U3a反相输入端的为0V（接近0V）以下的负电压，因放大器的同相端地电位高于反相端负电位，放大器输出为高电平，VS1处于反向击穿状态，将输出端电压嵌位为5V左右的正电压，此输出正压形成晶体管VT？的基极偏流，VT？饱和导通，输出一个低电平的“控制回路正常”的信号，进入CPU的12脚。当VD16整流电压由于故障等原因丢失或电压幅度严重变低时，因R19引入5V的缘故，U3a反相输入端的电压由负变正，此输入正压被VS1的正向导通所钳位（限幅），U3a输出端输出-0.6V左右的电压值，使VT？既能处于良好的反偏截止状态，而又避免了其发射结承受过高反偏压而发生反向击穿现象。VT？的截止，使集电极变为5V高电平，CPU认为控制回路供电失常，报出Uu2（控制回路电压不足）的故障代码，并停机保护。

由前级电压检测电路来的直流回路电压的检测信号VPN，送入CPU的47脚，为模拟电压信号，用于操作显示面板显示直流回路电压（交流输入电压）值，供控制和欠电压报警之用，直流回路电压异常时，报出Uu1（直流回路电压不足）故障，并保护停机。

充电接触器触点状态检测电路：上电期间，储能电容充电过程结束，若充电接触器触点闭合，则经R48、R3两电阻对触点引入24V分压，得到约5.2V的电压信号，经VD1钳位，由R50输入到CPU的11脚。若CPU已输出接触器闭合指令，但因某种（故障）原因造成充电接触器未能闭合，则变频器报出Uu3（充电的主接触器断开）故障，变频器进入故障锁定状态，起动信号不被接受。

母线汇流排电压/电流波动信号检测电路：前级电路请参阅第6章的相关章节，当输入断相，储能电容容量降低等原因造成母线汇流排上电压波动过大时，三相电流的输出波形便不再是等幅和匀称的，而“多出（或少了）了几个谷底或峰顶”，当CPU的42脚输入反映三相输出电压的不规则的波头信号时，变频器报出SPI（母线汇流排上波动过大）和SPO（变频器输出断相）故障信号，变频器停机保护。

变频器的三相输出侧还接有由两路光耦合器U1、U2对输出电压的检测电路，U、W相的正、负半波均可形成U1、U2的输入电流通路，U、W两相正、负半波的电流通路，恰恰“全息反映了”三相电流的通路。U1、U2输出电流的通路提供了晶体管VT1的基极偏流，VT1将检测到输出脉冲信号输入到CPU的42脚。CPU的42脚脉冲信号的出现，意味着输出电压已经建立——ACOK。该信号是否在CPU内部与PWM脉冲形成电路的输出脉冲做一个时序上的比较，以判断是否有输出断相故障存在，由此承担对变频器输出断相的检测？由于未作相应试验，不好下结论。

故障检测电路中的电流检测电路，其检测内容和具体电路有4种：

1）驱动电路对IGBT管压降检测的IGBT保护电路，当流过IGBT的电流值异常上升时，保护电路动作，驱动电路向CPU返回OC或SC信号，变频器立即保护停机。

2）变频器起动的初始阶段，当三相不平衡电流达到一定幅度后，变频器则报出OE接地故障，保护停机，OE信号有的机型由驱动电路报出，有的机型则由三相输出电流检测电路报出。

3）OL（或OL1、OL2、OL3）轻、中度过电流检测信号，此种过电流信号形成后，并不是马上就停机保护的，而是否停机，是有“商量余地”的，在故障信号输入期间，变频器采取降低运行频率、延时等措施，过电流状态可以避过则继续运行，否则经一个时间段后再停机保护。

4）CPU还需要输入一路模拟电流信号，由三相输出电流回路，经电流互感器取得，由后续电流检测电路进一步模拟放大处理后，输入到CPU引脚。引入此信号的目的，不是用于保护停机，而是供操作显示面板用作运行电流显示，也可能参与对三相输出电流/电压的控制。

以上前3种输入CPU的信号均为开关量故障检测信号，即便是由三相输出电路的电流互感器来的模拟电流信号，也是经后级电压比较器电路处理为开关量信号，再送入CPU的。其作用，一是保护停机，二是调控兼延时停机保护。主要作用是用于对IGBT逆变模块的保护。

图7-15中，由前级电流检测电路来的IU、IV两路反映输出电流大小的两路模拟电压信号，分别输入CPU的45脚和41脚，用作运行电流显示（和参与输出控制）。

温度检测电路：用触点型热继电器来检测模块的温度，一般采用常闭触点型，电路输送的是开关量信号；用热敏电阻检测模块温度的变化，输入CPU的是线性模拟信号，可实现智能化温度控制。

图7-15中的温度检测电路由U15内部两级运算放大器、温度传感器（热敏电阻）等元件构成，其电路原理请详见第6章中的温度检测电路。温度模拟信号电压输入CPU的46脚，在功率模块温度达到80℃时，变频器报出OH1（模块过热）故障，操作面板上OH1代码呈闪烁状态，CPU只给出温度报警，变频器仍在运行；当模块温度上升为90℃时，变频器报出OH2（模块过热）故障，停机保护。

末级故障信号处理电路的检修特点：(www.xing528.com)

1）在对故障信号的处理上，具有软、硬件结合控制的特点。

2）故障检测电路各有分工，有的电路处理停机保护信号，输出开关量动作信号，有的电路输出纯模拟信号，信号性质不同而用途不用。

3）因软件设计思路的不同，故障代码有时并非直指故障原因。如上电时报OC故障，故障原因可能为过电压，而非IGBT保护电路示警或输出电流检测电路引起。上电检测到某种故障存在时，有的变频器可能显示故障代码表中所没有的一个代码，让人摸不着头绪；有的变频器则表现为操作失灵、程序不运行等状况。

因此特点，检修变频器的故障检测电路要具有系统的眼光，有时需要揣摩软件设计者的思路，并在维修工作中积累经验，提高自己对故障判断的“精准度”。出现操作失灵、程序“死掉”的状况，先不要着急，第一步先行检测故障信号处理电路的相关状态，是否有故障信号存在，变频器处于故障锁定状态中，而实施了“操作锁定”？在对各路故障信号的处理上，各厂家产品的控制思路和方式有大同小异的特点，将一二种（处于良好状态的）变频器的控制流程摸清楚，便可以举一反三，对其他变频器的类似故障进行判断了。

弄明白故障信号处理电路的特点，其检修方法也在其中了。

1）根据故障代码提示和故障保护动作的实施过程，观察报警的动态现象，确定故障电路区域。上电时或运行中直报故障，无延时处理过程，则故障出在相关的开关量处理电路——OU、OC、SC等检测电路，若有延时处理过程，则故障出在OCL、OCH等电路，操作面板的显示电流值严重偏离正常值，则为电流检测电路中的模拟信号处理电路不良。

2）以故障代码的提示和故障信号输出电路的状态检测相结合，区别“直报故障”和“间报故障”。报OC故障，但检测到OU过电压故障信号有输出，而IGBT保护电路与输出电路检测电路均无OC信号输出时，此OC故障即为“间报故障”，是由OU故障间接报出OC故障，故障的直接来源是OU过电压故障，在设计者看来，会间接造成IGBT模块的损坏，因而不是直报OU，而是间接报出OC。通过检测相关故障信号的输出状态，找出故障代码背后真正的故障原因。

故障实例13

阿尔法18.5kW以下变频器OC故障保护停机的一个隐蔽原因。

在对阿尔法小功率变频器维修的过程中，发现该变频器有一个通病——容易跳OC故障。其表现为：多在起、停操作过程中跳故障，但有时也在运行中跳故障；有时候莫名其妙地又好了，能运行长短不一的一段时间。在以为已经没有问题的时候，又开始频繁跳OC故障；变频器空载时用表笔测量U、V、W输出电压时，易跳故障，但接入电动机后起动运行，又不跳了，再过一阵子，接入电动机还是跳OC故障。

该类故障的处理相当棘手，可能在测试过程中故障已经消除，致使查无所据。即使在故障频繁发生的当口，测试硬件电路（保护电路），却怎么也检查不出什么问题，搞不清此故障的来龙去脉，此故障困惑了我有两个多月的时间。

硬件保护电路（见7.3节），主要由U22和U24两片LM393双运放电路来完成，其信号又经一级数字反相器电路倒相后，送入CPU的16脚，U22和U24共输入了两路输出电流信号：1路由逆变驱动IC返回的过载OC信号，一路直流电压检测信号，分别加至四路运放的输入端，经开环放大处理（运放电路在这里实际上作为开关电路来应用）后，将四路故障信号并联在一起，再经一级倒相处理后，送入了CPU的16脚。检修时先是切断了由逆变驱动IC返回的过载OC信号，后又切断了倒相输出的“总”故障信号，但均无效，故障现象依旧。难道别处还有串入OC信号的途径吗？

可能电路存在说不清道不明的某种干扰，但干扰的来源与起因又很难查找。用尽了一切手段，对所有故障检测电路进行了排查，甚至为故障信号输入、输出端加装了滤波元件试验，但无效果。莫非是起/停瞬间——逆变驱动模块的“加载和卸载”期间，导致了CPU供电的波动而跳故障吗？测量CPU供电为4.98V，很稳定，满足要求呀。

该型号变频器的开关电源，有一只半可调电阻，可以调整5V输出电压的高低。突然地有一想法，将4.98V调整为5.02V，再作起/停试验，故障竟然排除了！

试分析故障原因如下：CPU外部或内部静态电压工作点的设置不当或偏低，恰在信号干扰电平的临界点上，故易出现让人摸不着头脑的随机性的跳OC故障的现象。将其5V供电略调高后，其内部工作点的电压（基准电压）值也相应抬高，避开了干扰电平的临界点，变频器便由“神经”变为“正常”了。

机器在出厂时，CPU供电调整值略高一点的，机器便能长时间正常运行。调整值偏低一点的，或在使用过程中因某种原因（如元件变值、温飘等）使5V略有下降，便出现频繁跳OC的故障。在确保硬件保护电路无问题时，调整5V供电，便能轻易解决问题了。这个故障真算是CPU主板电路的一个疑难故障了。

故障实例14

阿尔法变频器跳OC故障的又一个原因。

一般来讲，OC故障的来源有以下三个方面：

1）当逆变模块运行电流超大，达额定电流的2倍以上时，IGBT的管压降上升到7V以上时，由驱动IC返回过载OC信号，通知CPU，实施快速停机保护。

2）从变频器输出端的3只电流互感器（小功率机型有的采用两只），采集到急剧上升的异常电流后，由电压比较器（或由CPU内部电路）输出一个OC信号，通知CPU，实施快速停机保护。

3）当驱动IC或电流采样电路异常时，变频器会误报OC故障。

小功率机型往往采用在输出端直接串接分流电阻，来采集电流信号，经前级电路检测电路放大处理后，由线性光耦合器隔离以运算放大器处理后输送至CPU。其前级放大器的供电取自驱动IC的悬浮电源，这样当模块损坏后（或拆除后），经由逆变模块连接的供电支路断路，使得电流采样电路输出最高的负压，CPU误认为有大电流信号，而报OC故障。对这种情况，变频器一上电即跳OC故障，致使无法检修驱动IC电路是否能输出六路正常触发脉冲，必须先将由电流检测电路来的过电流信号暂时解除，再对驱动电路进行检修。

另外，驱动IC的外围电路异常或其本身损坏，也会误报OC故障，因而在检修时需区分是电流采样电路还是驱动IC报的故障，是电路损坏误报还是模块损坏，是否真的存在过电流故障？并采取措施解除报警状态，以方便检修。

还遇到一台阿尔法变频器，上电即跳OC故障。将上述与OC故障有关的电路环节，全都细致检查了，但都未发现什么异常。当无意中检测CN1的8端子——直流回路电压检测信号端时，测得此脚电压偏高，为4.5V（正常时应为3V左右），这应是一个过电压故障信号了。跳OC故障是不是由该路故障信号所引起的呢？人为将该脚接入5V可调电压试验，在上电后，变频器处于停机状态时，该脚电压值低于2.5V时跳欠电压故障代码，高于3.8V时跳OC故障；而在运行状态中，该脚电压高于3.8V时才跳OU故障。OC故障竟然由过电压故障所引起！由此发现直流回路电压过高时或直流检测电路异常，是阿尔法变频器跳OC故障的又一个原因。

将直流电压检测电路的损坏元件换新，故障排除。

故障实例15

英威腾INVT-G9-004T4小功率机一例“死机”故障。

用户反映：此变频器当时并未开机，但三相电源侧的其他机器有所异常，出现短路跳闸，波及到这台机器也出现电源开关跳闸，但重合闸后，发现操作面板已无显示，故此送修。

检测：R、S、T与主直流回路P、N之间呈开路现象，拆机观察，电源引入铜箔条已被电弧烧断，测模块三相电源引入端子，短路。

故障原因：因电源侧其他负载支路的瞬时短路与跳闸的扰动，导致三相电源产生了异常的电压尖峰冲击，此危险电压导致了变频器模块内的整流电路的击穿短路，短路产生的强电弧烧断了三相电源引入的铜箔条，同时引起了电源开关的保护跳闸。

测模块功率逆变部分尚正常，观察模块也无鼓出、变形现象，故采取切断模块整流部分，另外加装三相整流桥，仍利用原模块内三相逆变电路的低成本修复方案，进行修复试验。

检查：为防异常现象的发生，先切断模块逆变电路的供电；从维修电源引入DC500V直流电压，上电，操作面板显示H.00，所有操作全无效，据经验判断可能有故障信号存在，变频器处于故障锁定状态，而拒绝了所有操作。于是先解除掉驱动电路返回的OC信号，再上电现象依旧。测量故障信号汇集处理电路（见图7-14）U7（HC4044）的4脚和6脚的过电流信号，皆为-0.6V低电平（两引脚正常静态电压约为6V），说明有过电流故障信号输入。顺电流检测电路往前查找，测电流信号输入放大U12d的8脚和14脚电压为0V，正常；U13d的14脚电压为-8V，有误过流信号输出。将R151焊开，断开此路过电流故障信号，操作面板的所有参数设置均正常，但起/停操作无反应。

莫非还有哪路故障信号未排除，变频器仍处于保护状态中，因而拒绝起/停操作？测得模块热报警端子电压为3V，从电路分析，此压正常时当为5V左右。是否模块内三相整流电路损坏后，此电路便输出热报警信号呢？或是整流电路的损坏，导致了该电路的同时损坏，而误输出热报警信号呢？试将热报警输出的铜箔条切断后，操作面板的起/停操作也生效了！

英威腾G9/P9变频器的保护次序大概是这样的：上电检测到驱动电路返回的SC故障信号，即报出SC故障，所有操作被拒绝；当输出电流检测电路有OC过电流信号时，显示H.00，此时所有操作被拒绝；上电检测有热报警信号时，其他大部分操作可进行（参数修改），但起动操作被拒绝。而对模块短路故障和过电流性故障，为保障运行安全，索性拒绝所有操作！但此一保护性措施，常被人误认为是程序进入了死循环，或是CPU外围电路故障，如复位电路、晶振电路异常等。

修复：切断三相电源铜箔条引线，并做好清洁和绝缘处理。外接三相整流电路，将其直流输出引入到P、N端子上；加装了热保护电路：手头有一只75℃常闭触点的热继电器，串入NPN型晶体管基极到5V地回路中，用一只10kΩ电阻接入5V和基极，将晶体管射极接5V地，集电极接热报警电路信号输出端。模块温升正常时，晶体管无驱动电压而截止，不传送热报警信号。当模块温升异常时，热继电器常闭触点断开，晶体管得到驱动电流，饱和输出，使热报警信号输出端子电压降到3V以下，发送热报警停机保护信号，防止了模块的过热烧毁。

总结：故障范围大小和故障危害程度的轻重，决定了变频器接受操控的范围大小。循次解除故障信号时，则变频器的受控范围逐渐加大。