中頻電源故障分析及維修

褚曉虹

南京電子技術研究所 江蘇南京 210039

中頻電源故障分析及維修

褚曉虹

南京電子技術研究所 江蘇南京 210039

介紹了中頻電源的工作原理，分析了幾種中頻電源中常見的故障，并以實例闡述了電源故障的處理方法和維修經驗。

中頻電源；故障；維修

400Hz中頻電源，是將50Hz轉換成400Hz中頻，額定輸出相電壓115V線電壓200V的一種交流電源設備。在電力電子高速發展的今天，這種逆變電源被廣泛應用于通訊、探測、航空航天等領域，其質量的好壞直接影響著整個系統的工作。而電源在長時間使用中，受外界和內部種種因素的影響，使得電源設備常成為故障率較高的電器設備。

目前，科研生產單位使用較多的西安愛科公司的ACS400系列和艾普斯公司的AMF系列中頻逆變電源。這兩種系列電源操作簡單、性能可靠、對負載的適應性高、可維護性好，在軍用和民用領域均有良好的運用。

1 電路組成及工作原理

中頻逆變電源的基本組成框圖如圖1所示。主電路采用交-直-交結構，用IGBT作為開關元件，PWM方式對逆變器進行控制；控制電路包括驅動保護和主控兩大部分，輔以檢測電路，共同完成輸出電壓、頻率及波形的控制，IGBT驅動，故障檢測及保護，狀態顯示等功能。

1.1 整流逆變主電路

輸入整流電路通常有二極管不控整流、晶閘管半控整流和晶閘管全控整流等不同的方式。ACS400系列中頻電源采用晶閘管半控整流電路：電源開機時通過調節導通角使整流電壓逐漸上升到最大值，限制沖擊電流不超過電源滿載時的額定電流，實現軟啟動；AMF系列中頻電源采用二極管構成的全橋電路進行整流：開機時先啟動限流電阻，將沖擊電流限定在一定的范圍內，實現輸入限流緩啟動，此時逆變器的驅動信號是關閉的，然后通過操作者手動按下復位按鈕，短路啟動電阻，逆變器驅動信號同時送出，電源正常工作。

為提高不平衡負載的適應能力，兩種三相電源主電路按照三套獨立的單相電源設計：三套完全相同的逆變器、變壓器、LC濾波器，共用一條直流母線，輸出互差120°，在變壓器副邊接成星型，輸出所需三相交流電。

1.2 控制電路

中頻電源的控制電路，主要包括P W M波形成、IGBT驅動及各類保護電路，并輔以檢測或集中控制電路。由于采用不同的控制策略，這部分電路，不同廠家采用不同的設計方法。

1.2.1 PWM波產生電路

PWM波的產生，是利用基準正弦波和高頻三角波的疊加而形成具有高頻特性的含基波頻率周期的波形。兩家公司的中頻電源均是采用晶振產生高頻信號，經分頻器分別送至三角波和正弦波發生器，產生10KHz三角波和400Hz正弦波。標準正弦數據存于EPROM中，按輸出頻率選通EPROM，經D/A轉換輸出標準正弦信號。由于三相EPROM地址選通為同一信號，所存數據互差120°，因而產生的三路標準正弦波互差120°，從而實現輸出電壓的相位控制。

艾普斯公司的AMF系列電源內部三相用一塊SIN0和兩塊SIN3電路板來實現波形的生成：頻率控制由SIN0板實現，SIN3板可實現相位控制，再送至05板產生PWM信號；而愛科公司的ACS400系列電源是通過三相數據集成在一起的一塊波形發生板完成此功能。

1.2.2 驅動電路及保護電路

驅動電路是強電和弱電間的結合部分，關系到器件及整個電源系統的工作性能和可靠性，生產廠家一般直接選用專業公司生產的大功率專用模塊。ACS400系列中頻電源選用日本三菱公司采用雙電源驅動技術的M系列驅動模塊，由外部提供+15V/10V的雙電源，輸出反偏壓可達9V，比較高，適合于在高壓、大電流的場合應用；AMF中頻電源選用日本富士公司的EXB841驅動電路，它被設計放在驅動板上，由外部提供+20V的單電源，負柵壓只有5V，比較低，在高電壓或大電流的電路應用中可能會降低IGBT工作的可靠性。這兩種驅動模塊均具有短路保護及軟關斷的功能。

針對IGBT在逆變器中的核心地位，完善可靠的保護至關重要。兩家公司的電源設計均有相應的IGBT過流，直流母線欠壓，散熱器過熱等保護電路。ACS400系列電源將這3種保護統一做在每相對應的驅動板上。而AMF系列中頻電源則是通過專門的AMF05板實現保護功能。

1.2.3 其他電路

除了檢測采樣電路外，兩家公司的電源還包含了輸出聯動保護、輸出過載延時、顯示操作、調頻等其他功能的很多電路。它們被分別設計在一塊或多塊印制板上，共同實現著對電源設備的控制保護功能。

2 電源常見故障分析及維修實例

前面我們對西安愛科ACS400系列和艾普斯AMF系列中頻電源內部各電路的基本原理做了簡單介紹。下面，我們通過具體實例，闡述這兩種電源易發生的故障現象以及相應的維修方法。

2.1 愛科公司ACS400系列中頻電源故障維修

ACS400系列中頻電源，開機后，首先風機運轉，電源進入待機狀態。再按下“運行”鍵,電源即開始工作，輸出電壓經軟起動后到達設定值。起動后，電源對關鍵電路和電氣參數先進行自檢，如果控制系統檢測到某個電路有故障或電氣參數值超過了安全工作極限，控制系統將自動關閉輸出，并顯示故障代碼。

(1)故障現象：輸入錯、缺相、過欠壓。

故障原因：此類故障報警通常出現在電源開機后，“運行”按鍵尚未按下的情況下。此時，僅風機運轉，電源尚未正常工作。市電輸入通過同步變壓器變壓采樣，送至輸入保護板，板上的相序檢測電路(PH2001)做出相應的相序檢測和缺相判斷，欠壓檢測電路做出過欠壓判斷。此類故障來自于電源輸入部分，與其后的功率變換和控制保護電路無關。

處理方法：維修時，應首先考慮是否三相電源的輸入相序錯誤或是某一相掉電？再檢查輸入同步變壓器、輸入保護板是否有故障？

例如，某次設備開機報警，故障代碼顯示輸入錯、缺相。排除相序錯誤后，打開機箱，發現輸入保護板上發光管一個都不亮(正常狀態下，開機后板上紅色發光管先亮后滅，然后板上2個綠色發光管常亮)。分析，可能保護板未上電。經查，輸入保護板上保險絲斷，更換保險絲后，設備正常工作。同樣情況，出現過輸入同步變壓器損壞、輸入保護板上繼電器損壞、輸入保護板上接插件管腳氧化接觸不良等各種故障。

(2)故障現象：輸出A相、B相或C相過流。

故障原因：引起IGBT過電流的主要原因有：輸出短路；負載電路接地短路；逆變器或驅動單元出現故障。

處理方法：首先檢測負載回路是否短路？無短路狀態下，試將負載分批帶載，減小啟動沖擊電流；檢查IGBT是否已壞？驅動板上是否有器件損壞？更換相應逆變單元或驅動板。

例如，某次設備故障總是A相過流，反復檢查一切正常。分析后疑點落A相逆變單元上。更換IGBT后，電源正常工作。原來這組IGBT動態性能已變壞，加電工作一段時間后其工作狀態不穩定，但在斷電情況下用萬用表測量是根本無法判斷的。

(3)故障現象：故障代碼顯示輸出A相、B相或C相過熱。

故障原因：IGBT驅動電路設計得不好；電流過大；開關頻率太高；散熱狀況不良。可以利用溫度傳感器檢測IGBT的外殼溫度，當超過允許溫度時，使主電路停止工作，實現過熱保護。此類現象通常對應電源風機不轉或環境溫度過高。

2.2 艾普斯公司AMF系列中頻電源故障維修

開機后，AMF中頻電源首先通過內部限流電阻將沖擊電流限定在一定的范圍內，同時啟動報警系統蜂鳴器鳴叫，此時逆變器尚未工作。然后再通過操作者手動按下復位按鈕，短路啟動電阻使輸入電流不再受限，蜂鳴器停止鳴叫，同時送出逆變器驅動信號，電源開始正常工作。

(1)故障現象：開機不報警，按復位按鈕無用，接觸器不吸合。

故障原因：開機后，蜂鳴器未響，復位按鈕未用，電源工作狀態就不正常，說明故障發生在接觸器吸合前，此時整流逆變相關電路并未工作，引起故障的原因發生在整個系統的前級。從圖2可知，接觸器的線圈是通過AFC-05板延時接通上電的，05板本身故障會帶來此類現象；另外接觸器損壞也會引起該類問題。

處理方法：檢查05板上是否有器件燒壞？05板CN11線插是否接好？檢查接觸器線圈是否已燒壞或線圈的接線是否松動？

(2)故障現象：開機報警，按下復位按鈕后，接觸器跳脫，報警聲響起。

故障原因：按下復位按鈕后，交流接觸器吸合，電源設備的逆變部分即開始工作。隨后接觸器跳起，說明故障出現在逆變器工作部分。逆變單元的所有器件、驅動電路的問題都會引起這類故障。

處理方法：檢查IGBT是否燒毀，FUSE是否熔斷。更換DC FUSE和IGBT之后，必須測試其對應相序的一組驅動板上的驅動信號是否正常。若信號異常則更換驅動板。實際維修中，故障大多為驅動板不良造成；有時也會是IBGT的G1-E1，E2-G2開路造成的信號封鎖引起的故障；甚至有時故障的原因僅是驅動板上接插線接觸不良帶來的。

(3)故障現象：帶輕微負載即報警，按復位按鈕無用。

故障原因：當驅動板觸發信號異常時，空載狀態下其輸出波形已出現畸變，帶上輕微負載就可引起報警；另外，IGBT性能不良，其內置二極管開路，也會引起此現象。

處理方法：先檢查驅動板觸發信號是否正常？檢查IGB內置二極管是否已開路？用示波器觀察G1-E1，E2-G2波形是否對稱，有無畸變？檢查05板是否存在問題？實際維修中，大部分為驅動板觸發信號異常造成的。而05板本身異常引起的此類故障，實際維修中并不多見。

例如，一次設備出現上述故障，經用示波器檢查，驅動板有一路無驅動信號，在空載情況下，輸出波形已出現畸變，帶上輕微負載即報警；又如，同樣上述故障，經查是由IGBT內部的一內置二極管開路，引起IGBT性能不良而造成的。

(4)故障現象：設備在正常運行過程中，出現接觸器跳脫，報警聲響起。

故障原因：由圖2可知，電源設計有相應的IGBT過流，散熱器過熱、保險絲斷電等保護電路。接觸器的跳脫控制，是接收到過載、過熱及保險絲斷電等檢測信號后，通過05板上的自動跳脫保護電路對IGBT做出的保護。所以應依次檢查相應的保護原因。

處理方法：首先檢查是否電源風機不轉或環境溫度過高？檢查FUSE是否熔斷？示波器測量AFC-SIN板上正弦波形是否畸變？驅動板信號波形是否正常？負載是否瞬時電流過大？電源在封閉環境中連續長時間使用，個別風扇不轉，機內工作溫度過高，散熱條件惡化，導致器件燒壞報警。

以上幾例僅是很典型的故障現象，在實際工作中，故障情況千變萬化，很難用簡單的例子來包括。對于我們維修人員來說，首先必須了解設備的電路結構和工作原理，分析故障時不能只看表面現象，而是要找到內在的原因，從根本上予以解決。維修中，根據故障情況，分塊進行檢查，比較容易判斷出故障發生的部位。

3 結束語

通過多年對中頻逆變電源的維修實踐，筆者有以下幾點經驗和體會。

(1)工作溫度：就中頻逆變電源來說，其故障多發生在連續長時間使用時。由于其內部是大功率電子器件，機內工作溫度過高，散熱條件惡化，會導致器件燒壞，如啟動電阻、可控硅、二極管、IGBT等，發生故障時需要重點檢查。

(2)環境溫度：盡管電源機箱內部風扇仍在正常工作，但溫度太高且溫度變化較大時，封閉的機器內部可能會出現結露現象。其絕緣性能會大大降低，甚至可能會引發短路事故。必要時需在箱中增加加熱器或打開機箱進行工作。

(3)維修中不要忽視一些最簡單、最基本的問題，包括連接線的通斷、接插頭的牢固等，這些問題在電源設備經過移動或受到機械振動和沖擊后尤其需要注意。通常很多故障是由最簡單的問題所引發的。

(4)某些元器件常溫下測量是正常的，但其熱性能已變壞，加電就不能正常工作，這一點需引起注意。當維修陷入困境時，必須借助示波器等測量手段捕捉分析是否是某些元器件的熱性能已經變壞。

(5)電源設備接地的正確與否，也會直接影響其輸出的波形品質。接地正確是抑制噪聲能力的重要手段。其接線端子的接地電阻應越小越好；接地線長度要盡量短、截面積盡量大；接地必須與動力設備接地點分開，不能共地。

中頻電源在電能變換領域中應用廣泛，性能優越。我們只要掌握了它們的工作原理和性能，避免故障的發生，并及時維修，就可以發揮它們更大的作用，提供安全穩定的動力保障。

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[3]譚漢興，李孝全，白小青.大功率中頻靜變電源在制導雷達中的應用[J].現代雷達，2002，5：82～85

Abstract: This paper introduced the working principle of medium frequency power supply, and some common power faults are analyzed. By several real examples, it also discussed the treatments and maintaining experience of these faults.

Key words: medium frequency power supply; faults; maintenance

Fault analysis on medium frequency power supply and its maintenance

Chu Xiaohong
Nanjing research institute of electronics technology, Nanjing, 210039, China

2010-09-14

褚曉虹，碩士，工程師。