中频电源故障分析及维修

褚晓虹

南京电子技术研究所 江苏南京 210039

中频电源故障分析及维修

褚晓虹

南京电子技术研究所 江苏南京 210039

介绍了中频电源的工作原理，分析了几种中频电源中常见的故障，并以实例阐述了电源故障的处理方法和维修经验。

中频电源；故障；维修

400Hz中频电源，是将50Hz转换成400Hz中频，额定输出相电压115V线电压200V的一种交流电源设备。在电力电子高速发展的今天，这种逆变电源被广泛应用于通讯、探测、航空航天等领域，其质量的好坏直接影响着整个系统的工作。而电源在长时间使用中，受外界和内部种种因素的影响，使得电源设备常成为故障率较高的电器设备。

目前，科研生产单位使用较多的西安爱科公司的ACS400系列和艾普斯公司的AMF系列中频逆变电源。这两种系列电源操作简单、性能可靠、对负载的适应性高、可维护性好，在军用和民用领域均有良好的运用。

1 电路组成及工作原理

中频逆变电源的基本组成框图如图1所示。主电路采用交-直-交结构，用IGBT作为开关元件，PWM方式对逆变器进行控制；控制电路包括驱动保护和主控两大部分，辅以检测电路，共同完成输出电压、频率及波形的控制，IGBT驱动，故障检测及保护，状态显示等功能。

1.1 整流逆变主电路

输入整流电路通常有二极管不控整流、晶闸管半控整流和晶闸管全控整流等不同的方式。ACS400系列中频电源采用晶闸管半控整流电路：电源开机时通过调节导通角使整流电压逐渐上升到最大值，限制冲击电流不超过电源满载时的额定电流，实现软启动；AMF系列中频电源采用二极管构成的全桥电路进行整流：开机时先启动限流电阻，将冲击电流限定在一定的范围内，实现输入限流缓启动，此时逆变器的驱动信号是关闭的，然后通过操作者手动按下复位按钮，短路启动电阻，逆变器驱动信号同时送出，电源正常工作。

为提高不平衡负载的适应能力，两种三相电源主电路按照三套独立的单相电源设计：三套完全相同的逆变器、变压器、LC滤波器，共用一条直流母线，输出互差120°，在变压器副边接成星型，输出所需三相交流电。

1.2 控制电路

中频电源的控制电路，主要包括P W M波形成、IGBT驱动及各类保护电路，并辅以检测或集中控制电路。由于采用不同的控制策略，这部分电路，不同厂家采用不同的设计方法。

1.2.1 PWM波产生电路

PWM波的产生，是利用基准正弦波和高频三角波的叠加而形成具有高频特性的含基波频率周期的波形。两家公司的中频电源均是采用晶振产生高频信号，经分频器分别送至三角波和正弦波发生器，产生10KHz三角波和400Hz正弦波。标准正弦数据存于EPROM中，按输出频率选通EPROM，经D/A转换输出标准正弦信号。由于三相EPROM地址选通为同一信号，所存数据互差120°，因而产生的三路标准正弦波互差120°，从而实现输出电压的相位控制。

艾普斯公司的AMF系列电源内部三相用一块SIN0和两块SIN3电路板来实现波形的生成：频率控制由SIN0板实现，SIN3板可实现相位控制，再送至05板产生PWM信号；而爱科公司的ACS400系列电源是通过三相数据集成在一起的一块波形发生板完成此功能。

1.2.2 驱动电路及保护电路

驱动电路是强电和弱电间的结合部分，关系到器件及整个电源系统的工作性能和可靠性，生产厂家一般直接选用专业公司生产的大功率专用模块。ACS400系列中频电源选用日本三菱公司采用双电源驱动技术的M系列驱动模块，由外部提供+15V/10V的双电源，输出反偏压可达9V，比较高，适合于在高压、大电流的场合应用；AMF中频电源选用日本富士公司的EXB841驱动电路，它被设计放在驱动板上，由外部提供+20V的单电源，负栅压只有5V，比较低，在高电压或大电流的电路应用中可能会降低IGBT工作的可靠性。这两种驱动模块均具有短路保护及软关断的功能。

针对IGBT在逆变器中的核心地位，完善可靠的保护至关重要。两家公司的电源设计均有相应的IGBT过流，直流母线欠压，散热器过热等保护电路。ACS400系列电源将这3种保护统一做在每相对应的驱动板上。而AMF系列中频电源则是通过专门的AMF05板实现保护功能。

1.2.3 其他电路

除了检测采样电路外，两家公司的电源还包含了输出联动保护、输出过载延时、显示操作、调频等其他功能的很多电路。它们被分别设计在一块或多块印制板上，共同实现着对电源设备的控制保护功能。

2 电源常见故障分析及维修实例

前面我们对西安爱科ACS400系列和艾普斯AMF系列中频电源内部各电路的基本原理做了简单介绍。下面，我们通过具体实例，阐述这两种电源易发生的故障现象以及相应的维修方法。

2.1 爱科公司ACS400系列中频电源故障维修

ACS400系列中频电源，开机后，首先风机运转，电源进入待机状态。再按下“运行”键,电源即开始工作，输出电压经软起动后到达设定值。起动后，电源对关键电路和电气参数先进行自检，如果控制系统检测到某个电路有故障或电气参数值超过了安全工作极限，控制系统将自动关闭输出，并显示故障代码。

(1)故障现象：输入错、缺相、过欠压。

故障原因：此类故障报警通常出现在电源开机后，“运行”按键尚未按下的情况下。此时，仅风机运转，电源尚未正常工作。市电输入通过同步变压器变压采样，送至输入保护板，板上的相序检测电路(PH2001)做出相应的相序检测和缺相判断，欠压检测电路做出过欠压判断。此类故障来自于电源输入部分，与其后的功率变换和控制保护电路无关。

处理方法：维修时，应首先考虑是否三相电源的输入相序错误或是某一相掉电？再检查输入同步变压器、输入保护板是否有故障？

例如，某次设备开机报警，故障代码显示输入错、缺相。排除相序错误后，打开机箱，发现输入保护板上发光管一个都不亮(正常状态下，开机后板上红色发光管先亮后灭，然后板上2个绿色发光管常亮)。分析，可能保护板未上电。经查，输入保护板上保险丝断，更换保险丝后，设备正常工作。同样情况，出现过输入同步变压器损坏、输入保护板上继电器损坏、输入保护板上接插件管脚氧化接触不良等各种故障。

(2)故障现象：输出A相、B相或C相过流。

故障原因：引起IGBT过电流的主要原因有：输出短路；负载电路接地短路；逆变器或驱动单元出现故障。

处理方法：首先检测负载回路是否短路？无短路状态下，试将负载分批带载，减小启动冲击电流；检查IGBT是否已坏？驱动板上是否有器件损坏？更换相应逆变单元或驱动板。

例如，某次设备故障总是A相过流，反复检查一切正常。分析后疑点落A相逆变单元上。更换IGBT后，电源正常工作。原来这组IGBT动态性能已变坏，加电工作一段时间后其工作状态不稳定，但在断电情况下用万用表测量是根本无法判断的。

(3)故障现象：故障代码显示输出A相、B相或C相过热。

故障原因：IGBT驱动电路设计得不好；电流过大；开关频率太高；散热状况不良。可以利用温度传感器检测IGBT的外壳温度，当超过允许温度时，使主电路停止工作，实现过热保护。此类现象通常对应电源风机不转或环境温度过高。

2.2 艾普斯公司AMF系列中频电源故障维修

开机后，AMF中频电源首先通过内部限流电阻将冲击电流限定在一定的范围内，同时启动报警系统蜂鸣器鸣叫，此时逆变器尚未工作。然后再通过操作者手动按下复位按钮，短路启动电阻使输入电流不再受限，蜂鸣器停止鸣叫，同时送出逆变器驱动信号，电源开始正常工作。

(1)故障现象：开机不报警，按复位按钮无用，接触器不吸合。

故障原因：开机后，蜂鸣器未响，复位按钮未用，电源工作状态就不正常，说明故障发生在接触器吸合前，此时整流逆变相关电路并未工作，引起故障的原因发生在整个系统的前级。从图2可知，接触器的线圈是通过AFC-05板延时接通上电的，05板本身故障会带来此类现象；另外接触器损坏也会引起该类问题。

处理方法：检查05板上是否有器件烧坏？05板CN11线插是否接好？检查接触器线圈是否已烧坏或线圈的接线是否松动？

(2)故障现象：开机报警，按下复位按钮后，接触器跳脱，报警声响起。

故障原因：按下复位按钮后，交流接触器吸合，电源设备的逆变部分即开始工作。随后接触器跳起，说明故障出现在逆变器工作部分。逆变单元的所有器件、驱动电路的问题都会引起这类故障。

处理方法：检查IGBT是否烧毁，FUSE是否熔断。更换DC FUSE和IGBT之后，必须测试其对应相序的一组驱动板上的驱动信号是否正常。若信号异常则更换驱动板。实际维修中，故障大多为驱动板不良造成；有时也会是IBGT的G1-E1，E2-G2开路造成的信号封锁引起的故障；甚至有时故障的原因仅是驱动板上接插线接触不良带来的。

(3)故障现象：带轻微负载即报警，按复位按钮无用。

故障原因：当驱动板触发信号异常时，空载状态下其输出波形已出现畸变，带上轻微负载就可引起报警；另外，IGBT性能不良，其内置二极管开路，也会引起此现象。

处理方法：先检查驱动板触发信号是否正常？检查IGB内置二极管是否已开路？用示波器观察G1-E1，E2-G2波形是否对称，有无畸变？检查05板是否存在问题？实际维修中，大部分为驱动板触发信号异常造成的。而05板本身异常引起的此类故障，实际维修中并不多见。

例如，一次设备出现上述故障，经用示波器检查，驱动板有一路无驱动信号，在空载情况下，输出波形已出现畸变，带上轻微负载即报警；又如，同样上述故障，经查是由IGBT内部的一内置二极管开路，引起IGBT性能不良而造成的。

(4)故障现象：设备在正常运行过程中，出现接触器跳脱，报警声响起。

故障原因：由图2可知，电源设计有相应的IGBT过流，散热器过热、保险丝断电等保护电路。接触器的跳脱控制，是接收到过载、过热及保险丝断电等检测信号后，通过05板上的自动跳脱保护电路对IGBT做出的保护。所以应依次检查相应的保护原因。

处理方法：首先检查是否电源风机不转或环境温度过高？检查FUSE是否熔断？示波器测量AFC-SIN板上正弦波形是否畸变？驱动板信号波形是否正常？负载是否瞬时电流过大？电源在封闭环境中连续长时间使用，个别风扇不转，机内工作温度过高，散热条件恶化，导致器件烧坏报警。

以上几例仅是很典型的故障现象，在实际工作中，故障情况千变万化，很难用简单的例子来包括。对于我们维修人员来说，首先必须了解设备的电路结构和工作原理，分析故障时不能只看表面现象，而是要找到内在的原因，从根本上予以解决。维修中，根据故障情况，分块进行检查，比较容易判断出故障发生的部位。

3 结束语

通过多年对中频逆变电源的维修实践，笔者有以下几点经验和体会。

(1)工作温度：就中频逆变电源来说，其故障多发生在连续长时间使用时。由于其内部是大功率电子器件，机内工作温度过高，散热条件恶化，会导致器件烧坏，如启动电阻、可控硅、二极管、IGBT等，发生故障时需要重点检查。

(2)环境温度：尽管电源机箱内部风扇仍在正常工作，但温度太高且温度变化较大时，封闭的机器内部可能会出现结露现象。其绝缘性能会大大降低，甚至可能会引发短路事故。必要时需在箱中增加加热器或打开机箱进行工作。

(3)维修中不要忽视一些最简单、最基本的问题，包括连接线的通断、接插头的牢固等，这些问题在电源设备经过移动或受到机械振动和冲击后尤其需要注意。通常很多故障是由最简单的问题所引发的。

(4)某些元器件常温下测量是正常的，但其热性能已变坏，加电就不能正常工作，这一点需引起注意。当维修陷入困境时，必须借助示波器等测量手段捕捉分析是否是某些元器件的热性能已经变坏。

(5)电源设备接地的正确与否，也会直接影响其输出的波形品质。接地正确是抑制噪声能力的重要手段。其接线端子的接地电阻应越小越好；接地线长度要尽量短、截面积尽量大；接地必须与动力设备接地点分开，不能共地。

中频电源在电能变换领域中应用广泛，性能优越。我们只要掌握了它们的工作原理和性能，避免故障的发生，并及时维修，就可以发挥它们更大的作用，提供安全稳定的动力保障。

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[2]叶斌.电力电子应用技术[M].北京：清华大学出版社，2006

[3]谭汉兴，李孝全，白小青.大功率中频静变电源在制导雷达中的应用[J].现代雷达，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

褚晓虹，硕士，工程师。