本文通过形象分析数控机床中变频器开关电源的典型电路及其故障实例。阐述维修中弱电和强电有机结合的方法和经验，可供机床维修电工参考。 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，它属于直一交一直型的逆变电路。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+5V供电；电流、电压、温度等故障检测电路、控制电路的±15V供电；控制端子和工作继电器线圈的24V供电。四路相互隔离的约为22V的驱动电路的供电，该四路供电往往又经稳压电路处理成+15V、-7.5V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。
本文通过形象分析数控机床中变频器开关电源的典型电路及其故障实例。阐述维修中弱电和强电有机结合的方法和经验，可供机床维修电工参考。
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，它属于直一交一直型的逆变电路。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+5V供电；电流、电压、温度等故障检测电路、控制电路的±15V供电；控制端子和工作继电器线圈的24V供电。四路相互隔离的约为22V的驱动电路的供电，该四路供电往往又经稳压电路处理成+15V、-7.5V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530V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75kΩ 2w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5V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l脚电位嵌位在6.2V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TRl的栅极，TRl的导通，形成了开关变压器TLl一次绕组Nl中的电流，TLl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。
TLl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输人到IC20l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5V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。5V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5V输出电压上升时，R233，R234分压点电压上升，流过电压基准源L43l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。L43l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输人到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TRl的截止时问变长，开关变压器TLl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5V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24V、15V、-15V等各路常规用电。-15V的供电绕组，有两组整流电路，一路即D206、C24l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0.1uF，又经约10kΩ 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530V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、TRl、N1绕组等构成了振荡电路。
(2)稳压控制支路。N3绕组、+5V整流滤波电路、IC202、Pc9、IC20l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。TRl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(TRl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 3.7kW变频器，检测主电路无短路故障。接入交流380V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5V正常，但其他支路的供电较正常偏高，如15 V为18V，22V的驱动供电为26V；插上CPu主板的接线排时，测+5V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36V)，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5V负载电路后，在R233上并联5kΩ 电阻，输出5V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”，检修陷人僵局。
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5V电路，拔掉CPU主板的接线排时，相当于5V轻载或空载，5V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；当插人CPU主板的接线排时，相当于5V带载或重载，5V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，5V电路空载时，其他供电虽输出较低，但仍偏高。5V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5V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5V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 55kw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人了雷电，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，给开关电源先送人直流300V直流维修电源，不起振；再送人500V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300V时，不起振，送入500V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450V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Fl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
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530V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500V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500V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。
