壓縮機變頻電路板故障試驗研究

李欣 趙洋 徐華保 張建雄

中家院（北京）檢測認證有限公司 北京 100176

1 引言

壓縮機是制冷裝置中最主要的設備之一，是制冷系統的發動機，相當于制冷系統的心臟。其安全與性能的好壞對制冷系統的穩定性和能力起著決定性的影響，在壓縮機安全方面，國內專家學者已具備一定的研究成果，孫英提出的三相壓縮機過電流保護控制系統，著重改進了三相壓縮機在運行過程中的故障保護機制，通過電流互感器檢測壓縮機的過電流值，實現壓縮機速斷，達到在惡劣環境下保護壓縮機的目的[1]。史明君等人涉及的變頻冰箱壓縮機短路保護電路，通過對壓縮機電路板的重新設計，達到提高短路保護執行速度的目的，從而實現故障下對壓縮機的保護[2]。吳海明研發的冰箱壓縮機延時保護電路，利用電容器的充放電特性、二極管的正向導通特性以及主控芯片掉電不擦除的特性，解決了現有保護電路的復雜性等難題[3]。然而，國內學者對于壓縮機安全性的研究僅側重于電路改進，并沒有著眼于電路板故障的檢測方面。另一方面，國內對于壓縮機的安全檢測通常包括沖擊、壓力、潮態、接地、堵轉、爬電距離、針焰等試驗[4]。而變頻電路板的非正常測試往往因為難度大、危險性高等原因被檢測人員忽略，本研究針對這一現象重點對變頻電路板故障中的低功率電路判定和短路進行試驗，希望為今后壓縮機變頻電路板的安全試驗以及設計思路提供參考。

2 低功率電路判定試驗

2.1 試驗系統及依據

低功率電路判定試驗是判定相關電路是否需要進一步進行短路故障試驗的重要依據，即被判定為低功率的電路如果不用于危險性功能需要保護的前提下，可以不進行相關短路故障試驗。依據GB 4706.1《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》第19章對于低功率電路檢測方法的描述，需要將一個可變電阻連接在被調查點和電源異性極之間，逐漸減小電阻后測量電阻器消耗的功率[5]。如圖1所示為被測壓縮機變頻電路板低壓前端部分電路圖。

根據理論判斷可知，低功率電路通常發生在低壓電部分，本試驗涉及的某國產D品牌壓縮機電路板低壓部分分別為3.3 V和15 V，以15 V電路部分為例，選取圖1中PT124點和接地點之間連接可變電阻R，將電阻R的阻值調至100 Ω，測量通過該可變電阻的電流值和電壓值，每次測量時間為5秒，待電壓表、電流表穩定后進行讀數并以此進行功率計算。隨后以每次檢測減少5 Ω電阻阻值重新進行電流、電壓的測量，以此獲得功率最大點，直至電阻減少一定值后壓縮機停機，隨即停止試驗。

2.2 試驗結果及分析

如表1所示，當可變電阻從100 Ω逐漸減小時，通過該電阻的電流值不斷增加，電壓值有小幅度遞減，最終計算的功率值由于電流值的增大而增大。從試驗數據看出，當可變電阻值為100 Ω時，所測功率值為最小的1.06 W；當可變電阻值為40 Ω時，所測功率值為最大的2.46 Ω；當可變電阻值為35 Ω或小于35 Ω時，壓縮機停機。

從以上數據結果以及GB 4706.1《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》中第19章的判定要求，可以判斷所測量的點最大功率不超過15 W，視為低功率點。距電源比低功率點遠的電路為低功率電路。結合圖1可知，點PT124和接地點所包括的末端電路，即15 V末端的供電電路均可以視作低功率電路。根據標準的要求，當該電路進一步滿足其不用于電擊、火災危險、機械危險或危險性功能失效保護時，可不做故障施加的電路試驗。

表1 某國產D品牌壓縮機低功率電路判定試驗結果

圖1 被測壓縮機變頻電路板低壓前端部分電路圖

如圖2所示，根據低功率電路判定試驗結果中功率、電流的變化曲線圖可以進一步分析：當可變電阻的阻值線性減少時，電流的變化表現為指數型增長，功率變化曲線與電流變化曲線基本保持一致。由此可以得出以下結論：由于可變電阻并聯在15 V低壓電路的電源端，因此阻值的變化對電阻兩端電壓變化影響很少，但隨著阻值的減少，通過該電阻的電流、功率未呈現線性變化，原因在于低功率電路末端存在的電容等元器件受到并聯電阻的影響，并反作用于可變電阻通路，對電路的電流、功率造成影響并顯現為指數型曲線。

圖2 低功率電路判定試驗功率、電流與可變電阻值的關系

3 短路故障試驗

3.1 試驗系統及依據

圖3 短路試驗系統布置圖

短路和開路是隨著電路板老化最常發生的故障，依據經驗，短路故障造成的過熱、火災風險遠高于開路，因此，短路故障試驗是壓縮機乃至整機電路安全檢測中最重要的部分之一。如圖3所示，短路故障試驗裝置包括被測電路板、與被測電路板匹配的D品牌壓縮機、信號發生器、短路探針以及220 V電源。依據GB 4706.1《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》第19章的要求，試驗操作方法為：將信號發生器調頻至50 Hz，用220 V電源給變頻電路板及壓縮機供電，通過兩端帶探針的導線將重點電容器、主要非集成電路電子元件進行短路，觀察電路板及壓縮機狀態。

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 高壓整流電路部分

根據標準，短路故障試驗應當對變頻電路板的電容器及主要非集成電路電子元件進行短路。可在試驗時將變頻電路板分為高壓和低壓兩個部分進行，圖4所示電路為被測壓縮機變頻電路板高壓部分電路，在該電路中僅選擇主要電容器C102、C107以及C105進行短路試驗，電容C101與C105、C108與C107容量及工作原理相同，其試驗結果可參照C105、C107的試驗結果，另外選擇非集成電路電子元件D100的1、2點以及D100的3、4點分別進行短路試驗，查看整流部分在短路故障下的工作情況。

表2 高壓整流電路部分試驗結果表

圖4 被測壓縮機變頻電路板整流部分電路圖

高壓整流部分元器件短路試驗結果如表2所示，僅電容C105在短路試驗時，壓縮機和變頻電路板表現為正常運行，大部分電容在短路試驗時，變頻電路板表現為爆炸，壓縮機停機，其中整流器D100在進行1、2點短路時，變頻電路板狀態表現為高溫（51.7℃）。由于高壓整流電路是壓縮機及電路板整體的電源輸入端，在主要部件發生短路故障時，會很大程度影響整機的運行狀態且電路故障表現比較明顯。

圖5 變頻電路板部分元件短路試驗溫度分布情況一

如圖5所示，從左至右分別為D100（1、2點）、C107以及C105短路故障時變頻電路板溫度分布情況，從圖中可以看出，在D100（1、2點）發生短路故障時，電路板呈現高溫的區域在電源輸入插口附近；在C107發生短路故障時，電路板發生爆炸，爆炸過后的高溫區域出現在變壓器T103附近；在C105發生短路故障時，電路板正常運行，電容C107附近呈現出溫度小幅度升高的現象。

3.2.2 低壓電路部分

圖1、圖6所示分別為變頻電路板低壓電路的前端和末端部分，短路故障試驗方法與3.2.1節類似，該電路部分主要選擇電容器、二極管和芯片引腳等進行短路，主要電容器包括：C110、C112、C117和C114；二極管包括：D104、D106和D111；芯片引腳包括U300芯片的供電引腳1與其他個引腳進行短路，此外進一步檢測變壓器T103的端點5、3之間以及5、4之間的短路故障情況。

表3 低壓電路部分試驗結果表

圖6 被測壓縮機變頻電路板低壓末端部分電路圖

低壓部分元器件短路試驗結果如表3所示，由于元器件種類不同，短路后壓縮機及變頻電路板也呈現出了各種不同的狀態。其中在電容短路時，設備的反常狀態呈現為壓縮機停機、電路板升溫及損壞，但與高壓電路不同的是更多的出現了設備運轉正常的情況，這在一定程度上說明低壓電路和部分信號電路中的電容器短路后對整機運行狀態影響相對較小。在二極管和變壓器低壓端方面，在相關元器件短路后，電路板及壓縮機在短時間內的運行狀態均不受太大影響，但在變壓器低壓端點短路后，電路板溫度呈小幅升高趨勢。在芯片方面，短路引腳選擇不同則出現了多種不同顯現，但多表現為電路板升溫、損壞和壓縮機停機。值得注意的是，即使在低壓芯片電路部分，仍出現部分電路板爆炸的情況，因此在做低壓部分短路試驗時，試驗員仍需做好安全措施。

圖7 變頻電路板部分元件短路試驗溫度分布情況二

如圖7所示為部分元器件短路出現典型狀況后電路板的溫度分布情況，從左至右分別為C117、C114、U300的引腳1與引腳23、U300的引腳1與引腳15。從圖中看出當C117短路時，C117本身呈現出高溫狀況，同時產生高溫狀態的還有芯片U100；在C114發生短路后，電路板大部分區域溫度未發生變化；U300的引腳1與引腳23短路后，壓縮機供電端出現爆炸，爆炸后達到100℃以上的高溫；U300的引腳1與引腳15短路后，信號線接口附件出現75℃以上的高溫。從各種短路故障所產生的電路板溫度分布圖可以看出，在低電壓部分發生短路故障可以造成壓縮機供電端、信號端、元器件和芯片等多種部件發生損壞。

4 結論

本次試驗研究主要包括了低功率電路判定和短路試驗兩個部分，針對GB 4706.1《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》中第19章的方法搭建了試驗系統。首先在低功率電路判定試驗中，可以看出電流、功率與可變電阻阻值之間并非呈現出線性關系，但卻隨著阻值的增大而增大，在壓縮機停機前可以得到可變電阻理論功率的最大值，這一結論有利于幫助試驗員迅速捕捉功率最高點，從而對電路是否為低功率電路進行判斷。在短路試驗中，研究發現在高壓電路部分主要元器件短路時，大多出現較危險的爆炸現象，而在低壓電路元器件短路時，多表現為電路板升溫和停機，但仍不能排除發生電路板爆炸的情況，這一結論也將為今后短路試驗結果提供預判參考，從而達到有效指導試驗員進行試驗的目的。