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開關電源體積小、重量輕、效率高、動態穩壓效果好,被廣泛應用到了各種電子設備中.下面就以UC3844開關電源芯片為例講述一下開關電源的基本原理和在變頻電路中的作用.
7腳是芯片的電源輸入端,該端在內部集成了穩壓器和最低門限電壓控制器,所以該芯片不用在外圍設置穩壓電路,只要接一只降壓電阻即可.最低門限值為10V,當7腳輸入電壓低于10V,該芯片將禁止輸出,處于保護狀態.正常工作時該端電壓約為12V―16V之間. 4腳是內部壓控振蕩器的定時端,通過接上合適的RC網絡,使輸出的PWM波控制在20KHZ―100KHZ之間.
a―1 2腳、3腳是輸出取樣反饋端,用于檢測開關電源的輸出,以便進行PWM調制控制,從而達到穩壓的目的. 在變頻器系統中,開關電源需要輸出:一組5V/DC、一組±12V/DC、四組20V/DC等多組電壓.其中5V/DC 主要用作主板及控制板的供電,±12V/DC用作霍爾檢測器件的供電,四組20V/DC用作IGBT的觸發供電.變頻器的型號及品牌不同,其開關電源的電壓值也不盡相同,但基本構架是一樣的,在此僅以下圖為例講一講開關電源的工作原理.
a―2 如圖a―2所示:電源經D1―D4、C1、C2整流濾波之后,通過降壓電阻R3到了UC3844的7腳電源正端,為其供電,UC3844通過檢測當7腳電壓大于10V時,控制內部壓控振蕩器開始工作,通過R8、C5將PWM的頻率控制在要求范圍之內.此時6腳輸出PWM信號去控制開關管Q1的通斷,R10是開關管的電流檢測電阻,通過檢測R10的電壓值來實時調整PWM的脈沖寬度,從而達到自動穩壓的目的.在圖中變壓器的副繞組通過D6、C7、C8整流濾波之后到了UC3844的7腳,增強了UC3844的驅動能力.C9、R11、D5是開關管的濾波吸收網絡,目的在于吸收變壓器的反向脈沖,保護開關管.
AC-1――AC-4是開關變壓器的次級輸出繞組,通過D7、D8、D9、D10、C10、C11---C17進行整流濾波后輸出對后級電路進行供電.了解了開關電源的原理之后,讓我們來看看如果開關電源出現問題應該怎樣進行維修.開關電源的幾個維修步驟如下: 1、檢測整流電路D1―D4是否擊穿或斷路,濾波電路的電容是否損壞,平衡電阻R1、R2是否正常,降壓電阻R3是否燒斷或阻值增大失效(斷電情況下測試). 2、檢測開關管b-e結、c-e結是否有擊穿短路現象、測量開關變壓器各個繞組是否有短路現象,以確定開關管、及開關變壓器的好壞(斷電情況下測試). 3、檢測次級輸出繞組的整流濾波元件,重點察看濾波電容是否鼓包或損壞,以排除次級電路短路的可能. 4、檢測吸收回路D5、R11、C9是否正常(斷電情況下測試). 5、在確定上述元件正常的情況下,我們可以把開關電源板從變頻器上取下單獨對其進行加電試驗.用調壓器緩緩地調至開關電源的額定電壓值,此時應能聽到變壓器起振時的吱吱聲,如沒有聽到起振的聲音,用萬用表檢測UC3844的電源正、負級之間是否有12V―16V左右的直流電壓. 6、在確定UC3844的供電端電壓正常后,可用示波器察看一下UC3844的6腳是否有PWM波輸出到開關管的觸發端(根據電路設計的不同,PWM波的頻率一般在20KHZ―100KHZ之間). 7、如果沒有PWM波輸出,則更換定時元件C5、R8、C6或UC3844.經過上述幾個步驟的排除,開關電源應該可以正常工作了.在變頻器中,開關電源的種類很多,但基本原理都是一樣的,比如說每個PWM管理芯片都有供電端、定時元件RC網絡、輸出PWM波的端口等,只要我們了解了它們的工作原理,按照一定的方法步驟都能夠把故障排除掉.
案例1:臺達變頻器(故障現象:上電無顯示)經檢測發現電源主回路、充電電阻、主回路接觸器都正常,因此確定為開關電源板故障.按照上述維修步驟對開關電源板進行測量.在進行第一步測量時,發現直流母線560V到PWM調制芯片之間的的330KΩ/2W的降壓電阻損壞,標稱330KΩ/2W的電阻,實際測量值達2MΩ以上,因此PWM調制芯片得不到啟動的電源,所以無法起振工作.為謹慎起見又檢測了開關管、變壓器、整流二極管及濾波電容等關鍵器件,在確定沒問題之后上電試驗,OK!開關電源起振,輸出各組電壓正常,裝回變頻器后開機試驗正常,此變頻器修復完畢(注:維修人員在維修中,一定要養成習慣:發現壞元件后不要急于更換試機,一定要把功率大的、容易壞的元件都測一下,確定沒問題后再試機,這樣既安全又保險).
案例2:臺安變頻器(故障現象:上電無顯示)經檢測發現電源主回路、充電電阻、主回路接觸器都正常,故障確定在電源板.按照維修步驟對開關電源板進行測量.第一步測量通過,第二步測量時發現開關管c-e結擊穿,將其拆下,然后檢測變壓器、及整流二極管、濾波電容等關鍵器件,在確定沒問題之后上電試驗,輸出各組電壓正常,裝機測試正常,故障排除.
案例3:西門子變頻器(故障現象:上電無顯示)經檢測發現電源主回路、充電電阻、主回路接觸器都正常,故障確定在電源板.按照維修步驟對開關電源板進行測量.第一步測量通過,第二步測量通過,第三步測量通過,第四步測量通過,然后單獨對電源板加電測量PWM調制芯片的電源端對地有12.5V左右的電壓,說明供電正常.用示波器看芯片的PWM輸出端,發現沒有PWM調制波形.更換PWM調制芯片后,上電試驗正常,故障排除.
案例4:施耐德變頻器(故障現象:上電無顯示)屢燒開關管經檢測發現電源主回路、充電電阻、主回路接觸器都正常,故障確定在電源板.按照維修步驟對開關電源板進行測量.第一步測量通過,第二步測量發現開關管擊穿,第三步測量通過,第四步測量通過,更換新的開關管,單獨對電源板加電,管子又燒了.把開關管拆下后不裝管子,通電試驗,測量PWM調制芯片的電源端對地有12V左右的電壓,也正常.用示波器看芯片的PWM輸出端,發現PWM波只有5-6 KHZ左右,斷電后把定時元件拆下測量,發現定時電阻阻值變大,更換定時電阻、開關管后上電正常,不再燒電源管,故障排除.案例5:倫茨變頻器(故障現象:上電無顯示)屢燒開關管按照維修步驟對開關電源板進行測量.第一步測量通過,第二步測量時發現開關管c-e結擊穿,第三、四、五、六、七步都測量通過.
裝上新的開關管上電試驗,隨著調壓器電壓的升高,可以聽到起振的吱吱聲,就是有點響,把電壓調到額定電壓后測量輸出電壓低于正常值,不到2分鐘,突然聞到一股燒焦的味,保險絲就斷了,趕快斷電發現開關管很燙手,測量發現其已經擊穿.
拆下開關管通電試驗,測量PWM調制芯片的電源端對地有12V左右的電壓,用示波器看芯片的PWM輸出端,發現有PWM波輸出且頻率在30 KHZ左右,也正常.因此懷疑剛換的開關管質量不行,又換上一只,上電試驗,結果又把管子給燒了,斷電后無意之間碰到了吸收回路的元件,發現燙手,可是在測量的時候正常啊,于是又測一遍,還是正常.干脆把吸收回路先拆了,又換上一只管子通電試驗,發現變壓器的吱吱聲小了,測量各組輸出電壓也正常.運行了20分鐘開關管也沒再燒,斷電后觸摸開關管微熱,屬正常起熱狀態,因此判斷故障在吸收回路,更換吸收回路元件,故障排除.
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