壓縮機(jī)變頻電路板故障試驗(yàn)研究

李欣 趙洋 徐華保 張建雄

中家院（北京）檢測(cè)認(rèn)證有限公司 北京 100176

1 引言

壓縮機(jī)是制冷裝置中最主要的設(shè)備之一，是制冷系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，相當(dāng)于制冷系統(tǒng)的心臟。其安全與性能的好壞對(duì)制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能力起著決定性的影響，在壓縮機(jī)安全方面，國內(nèi)專家學(xué)者已具備一定的研究成果，孫英提出的三相壓縮機(jī)過電流保護(hù)控制系統(tǒng)，著重改進(jìn)了三相壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中的故障保護(hù)機(jī)制，通過電流互感器檢測(cè)壓縮機(jī)的過電流值，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)速斷，達(dá)到在惡劣環(huán)境下保護(hù)壓縮機(jī)的目的[1]。史明君等人涉及的變頻冰箱壓縮機(jī)短路保護(hù)電路，通過對(duì)壓縮機(jī)電路板的重新設(shè)計(jì)，達(dá)到提高短路保護(hù)執(zhí)行速度的目的，從而實(shí)現(xiàn)故障下對(duì)壓縮機(jī)的保護(hù)[2]。吳海明研發(fā)的冰箱壓縮機(jī)延時(shí)保護(hù)電路，利用電容器的充放電特性、二極管的正向?qū)ㄌ匦砸约爸骺匦酒綦姴徊脸奶匦?，解決了現(xiàn)有保護(hù)電路的復(fù)雜性等難題[3]。然而，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于壓縮機(jī)安全性的研究僅側(cè)重于電路改進(jìn)，并沒有著眼于電路板故障的檢測(cè)方面。另一方面，國內(nèi)對(duì)于壓縮機(jī)的安全檢測(cè)通常包括沖擊、壓力、潮態(tài)、接地、堵轉(zhuǎn)、爬電距離、針焰等試驗(yàn)[4]。而變頻電路板的非正常測(cè)試往往因?yàn)殡y度大、危險(xiǎn)性高等原因被檢測(cè)人員忽略，本研究針對(duì)這一現(xiàn)象重點(diǎn)對(duì)變頻電路板故障中的低功率電路判定和短路進(jìn)行試驗(yàn)，希望為今后壓縮機(jī)變頻電路板的安全試驗(yàn)以及設(shè)計(jì)思路提供參考。

2 低功率電路判定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及依據(jù)

低功率電路判定試驗(yàn)是判定相關(guān)電路是否需要進(jìn)一步進(jìn)行短路故障試驗(yàn)的重要依據(jù)，即被判定為低功率的電路如果不用于危險(xiǎn)性功能需要保護(hù)的前提下，可以不進(jìn)行相關(guān)短路故障試驗(yàn)。依據(jù)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(duì)于低功率電路檢測(cè)方法的描述，需要將一個(gè)可變電阻連接在被調(diào)查點(diǎn)和電源異性極之間，逐漸減小電阻后測(cè)量電阻器消耗的功率[5]。如圖1所示為被測(cè)壓縮機(jī)變頻電路板低壓前端部分電路圖。

根據(jù)理論判斷可知，低功率電路通常發(fā)生在低壓電部分，本試驗(yàn)涉及的某國產(chǎn)D品牌壓縮機(jī)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(diǎn)和接地點(diǎn)之間連接可變電阻R，將電阻R的阻值調(diào)至100 Ω，測(cè)量通過該可變電阻的電流值和電壓值，每次測(cè)量時(shí)間為5秒，待電壓表、電流表穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)并以此進(jìn)行功率計(jì)算。隨后以每次檢測(cè)減少5 Ω電阻阻值重新進(jìn)行電流、電壓的測(cè)量，以此獲得功率最大點(diǎn)，直至電阻減少一定值后壓縮機(jī)停機(jī)，隨即停止試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

如表1所示，當(dāng)可變電阻從100 Ω逐漸減小時(shí)，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(jì)算的功率值由于電流值的增大而增大。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，當(dāng)可變電阻值為100 Ω時(shí)，所測(cè)功率值為最小的1.06 W；當(dāng)可變電阻值為40 Ω時(shí)，所測(cè)功率值為最大的2.46 Ω；當(dāng)可變電阻值為35 Ω或小于35 Ω時(shí)，壓縮機(jī)停機(jī)。

從以上數(shù)據(jù)結(jié)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(cè)量的點(diǎn)最大功率不超過15 W，視為低功率點(diǎn)。距電源比低功率點(diǎn)遠(yuǎn)的電路為低功率電路。結(jié)合圖1可知，點(diǎn)PT124和接地點(diǎn)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，當(dāng)該電路進(jìn)一步滿足其不用于電擊、火災(zāi)危險(xiǎn)、機(jī)械危險(xiǎn)或危險(xiǎn)性功能失效保護(hù)時(shí)，可不做故障施加的電路試驗(yàn)。

表1 某國產(chǎn)D品牌壓縮機(jī)低功率電路判定試驗(yàn)結(jié)果

圖1 被測(cè)壓縮機(jī)變頻電路板低壓前端部分電路圖

如圖2所示，根據(jù)低功率電路判定試驗(yàn)結(jié)果中功率、電流的變化曲線圖可以進(jìn)一步分析：當(dāng)可變電阻的阻值線性減少時(shí)，電流的變化表現(xiàn)為指數(shù)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(jié)論：由于可變電阻并聯(lián)在15 V低壓電路的電源端，因此阻值的變化對(duì)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(xiàn)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(lián)電阻的影響，并反作用于可變電阻通路，對(duì)電路的電流、功率造成影響并顯現(xiàn)為指數(shù)型曲線。

圖2 低功率電路判定試驗(yàn)功率、電流與可變電阻值的關(guān)系

3 短路故障試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及依據(jù)

圖3 短路試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖

短路和開路是隨著電路板老化最常發(fā)生的故障，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，短路故障造成的過熱、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于開路，因此，短路故障試驗(yàn)是壓縮機(jī)乃至整機(jī)電路安全檢測(cè)中最重要的部分之一。如圖3所示，短路故障試驗(yàn)裝置包括被測(cè)電路板、與被測(cè)電路板匹配的D品牌壓縮機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、短路探針以及220 V電源。依據(jù)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(yàn)操作方法為：將信號(hào)發(fā)生器調(diào)頻至50 Hz，用220 V電源給變頻電路板及壓縮機(jī)供電，通過兩端帶探針的導(dǎo)線將重點(diǎn)電容器、主要非集成電路電子元件進(jìn)行短路，觀察電路板及壓縮機(jī)狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 高壓整流電路部分

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，短路故障試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)對(duì)變頻電路板的電容器及主要非集成電路電子元件進(jìn)行短路?？稍谠囼?yàn)時(shí)將變頻電路板分為高壓和低壓兩個(gè)部分進(jìn)行，圖4所示電路為被測(cè)壓縮機(jī)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(jìn)行短路試驗(yàn)，電容C101與C105、C108與C107容量及工作原理相同，其試驗(yàn)結(jié)果可參照C105、C107的試驗(yàn)結(jié)果，另外選擇非集成電路電子元件D100的1、2點(diǎn)以及D100的3、4點(diǎn)分別進(jìn)行短路試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果表

圖4 被測(cè)壓縮機(jī)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(yàn)結(jié)果如表2所示，僅電容C105在短路試驗(yàn)時(shí)，壓縮機(jī)和變頻電路板表現(xiàn)為正常運(yùn)行，大部分電容在短路試驗(yàn)時(shí)，變頻電路板表現(xiàn)為爆炸，壓縮機(jī)停機(jī)，其中整流器D100在進(jìn)行1、2點(diǎn)短路時(shí)，變頻電路板狀態(tài)表現(xiàn)為高溫（51.7℃）。由于高壓整流電路是壓縮機(jī)及電路板整體的電源輸入端，在主要部件發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)很大程度影響整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)且電路故障表現(xiàn)比較明顯。

圖5 變頻電路板部分元件短路試驗(yàn)溫度分布情況一

如圖5所示，從左至右分別為D100（1、2點(diǎn)）、C107以及C105短路故障時(shí)變頻電路板溫度分布情況，從圖中可以看出，在D100（1、2點(diǎn)）發(fā)生短路故障時(shí)，電路板呈現(xiàn)高溫的區(qū)域在電源輸入插口附近；在C107發(fā)生短路故障時(shí)，電路板發(fā)生爆炸，爆炸過后的高溫區(qū)域出現(xiàn)在變壓器T103附近；在C105發(fā)生短路故障時(shí)，電路板正常運(yùn)行，電容C107附近呈現(xiàn)出溫度小幅度升高的現(xiàn)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(yàn)方法與3.2.1節(jié)類似，該電路部分主要選擇電容器、二極管和芯片引腳等進(jìn)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(gè)引腳進(jìn)行短路，此外進(jìn)一步檢測(cè)變壓器T103的端點(diǎn)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(yàn)結(jié)果表

圖6 被測(cè)壓縮機(jī)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(yàn)結(jié)果如表3所示，由于元器件種類不同，短路后壓縮機(jī)及變頻電路板也呈現(xiàn)出了各種不同的狀態(tài)。其中在電容短路時(shí)，設(shè)備的反常狀態(tài)呈現(xiàn)為壓縮機(jī)停機(jī)、電路板升溫及損壞，但與高壓電路不同的是更多的出現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常的情況，這在一定程度上說明低壓電路和部分信號(hào)電路中的電容器短路后對(duì)整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響相對(duì)較小。在二極管和變壓器低壓端方面，在相關(guān)元器件短路后，電路板及壓縮機(jī)在短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)均不受太大影響，但在變壓器低壓端點(diǎn)短路后，電路板溫度呈小幅升高趨勢(shì)。在芯片方面，短路引腳選擇不同則出現(xiàn)了多種不同顯現(xiàn)，但多表現(xiàn)為電路板升溫、損壞和壓縮機(jī)停機(jī)。值得注意的是，即使在低壓芯片電路部分，仍出現(xiàn)部分電路板爆炸的情況，因此在做低壓部分短路試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)員仍需做好安全措施。

圖7 變頻電路板部分元件短路試驗(yàn)溫度分布情況二

如圖7所示為部分元器件短路出現(xiàn)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(dāng)C117短路時(shí)，C117本身呈現(xiàn)出高溫狀況，同時(shí)產(chǎn)生高溫狀態(tài)的還有芯片U100；在C114發(fā)生短路后，電路板大部分區(qū)域溫度未發(fā)生變化；U300的引腳1與引腳23短路后，壓縮機(jī)供電端出現(xiàn)爆炸，爆炸后達(dá)到100℃以上的高溫；U300的引腳1與引腳15短路后，信號(hào)線接口附件出現(xiàn)75℃以上的高溫。從各種短路故障所產(chǎn)生的電路板溫度分布圖可以看出，在低電壓部分發(fā)生短路故障可以造成壓縮機(jī)供電端、信號(hào)端、元器件和芯片等多種部件發(fā)生損壞。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)研究主要包括了低功率電路判定和短路試驗(yàn)兩個(gè)部分，針對(duì)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(yàn)系統(tǒng)。首先在低功率電路判定試驗(yàn)中，可以看出電流、功率與可變電阻阻值之間并非呈現(xiàn)出線性關(guān)系，但卻隨著阻值的增大而增大，在壓縮機(jī)停機(jī)前可以得到可變電阻理論功率的最大值，這一結(jié)論有利于幫助試驗(yàn)員迅速捕捉功率最高點(diǎn)，從而對(duì)電路是否為低功率電路進(jìn)行判斷。在短路試驗(yàn)中，研究發(fā)現(xiàn)在高壓電路部分主要元器件短路時(shí)，大多出現(xiàn)較危險(xiǎn)的爆炸現(xiàn)象，而在低壓電路元器件短路時(shí)，多表現(xiàn)為電路板升溫和停機(jī)，但仍不能排除發(fā)生電路板爆炸的情況，這一結(jié)論也將為今后短路試驗(yàn)結(jié)果提供預(yù)判參考，從而達(dá)到有效指導(dǎo)試驗(yàn)員進(jìn)行試驗(yàn)的目的。