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工业变频器研发中的特性检测与试验方法

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1 引言

变频驱动作为一种节能手段，在工业领域得到了广泛的应用，变频器的市场是巨大的。作为一个合格的变频器产品在进入市场之前，必须进行各种特性检测试验，可以称为评价试验。这些试验的实施者包括研发部门、品质保证部门及出厂检查部门。评价试验的试验条件、试验方法、结果判定等是一件很重要的事情。一般来讲，试验的种类包括：

（1）形式试验（Type test）是检验变频器制造商的产品中给出的额定条件、规格及其他是否满足要求的试验，在变频器的样机试作阶段进行。

（2）常规试验（Routine test）检验产品特性是否与形式试验得到的特性一致。

（3）参考试验（Option test）是和产品的式样、额定参数无直接关系，仅作为了解产品使用过程中的某些能力而进行的试验。

（4）组合试验（combined test）是包括电机和负载在内的整体系统评价试验。

限于篇幅，本文大致给出了工业变频器研发阶段所需的各种特性评价试验。

2 产品取得认证所需的电磁兼容性试验

电磁兼容性试验也就是变频器设备的抗扰度试验，目前主要是指静电抗扰度试验、由射频场引起的辐射抗扰度试验、电快速瞬态脉冲抗扰度试验、雷击浪涌抗扰度试验、由射频感应引起的传导抗扰度试验及电压瞬时跌落和短时中断抗扰度试验。电磁兼容性试验是产品研发阶段中比较重要的试验。由于是一系列产品认证试验，所以试验的条件和规格应当严格按照一定的标准(如国标)进行。

静电放电试验就是通过放电枪来模拟实际的放电过程，分为直接放电和间接放电。直接放电是模拟人或者物体在接触设备时引发的静电可能对设备造成的损坏。间接放电是模拟人或者物体对设备邻近的物体放电对设备工作造成的影响。

实际电网中众多的机械开关在切换电感性负载时，会产生较大的干扰。快速瞬态脉冲抗扰度试验就是模拟这种干扰而进行的。试验时可以通过耦合/去耦网络将脉冲叠加在电源线上，也可以通过电容耦合夹将脉冲叠加到通讯线路上，以此模拟对变频器的主电源回路和通讯回路的干扰。

雷击浪涌抗扰度试验是模拟自然界的雷击对变频器的电源线路和通讯线路造成的影响。浪涌试验的特是脉冲重复率低、幅值较高、能量巨大，因此对设备的影响可能是破坏性的。

电压跌落和瞬时中断试验是模拟来自于电源侧和负载侧的突然变化引起的干扰而进行的试验。实际中，这些现象的发生机率是随机的，特点是偏离额定电压并且持续一定的时间。该试验的主要目的是检测变频器在上述情况下能够正常工作或者能够及时作出反应，保证数据不丢失。

射频辐射电磁场试验是模拟设备遭受射频辐射干扰的工作状况，射频传导试验是模拟射频传导干扰对设备的影响。两项试验都不是单台机器就能完成的，需要一套仪器实现。也不是能在普通试验室可以进行的，射频辐射电磁场试验应当在电波暗室中进行。射频传导试验一般应在屏蔽室中进行。

3 硬件电路设计中的评价试验

硬件设计中的试验项目很多，严格讲来，对于产品中设计的各种电路都要进行功能性评价试验，如初始电流限制电路动作、风扇动作等附属电路的确认。对于产品中使用的各种元器件都需要进行品质评价试验，如电解电容的纹波电流及寿命推算、风扇的轴电压等等。

由于硬件电路设计中的最重要的部分是IGBT（IPM）周边电路设计和开关电源设计，因此本文将着重介绍这两方面的相关评价试验。

IGBT的设计要点包括选型、驱动电路设计、保护电路设计、散热设计。对于大容量的变频器设计，器件的并联应用设计也是一个很重要的内容。主要的评价试验包括：

[p] （1）选型试验

一般来讲，IGBT的选型包括电压、电流和成本方面的考虑。但严格来讲，损耗也是选型阶段的一个考虑因素。分析损耗的方法基本有计算方法、软件仿真方法和实验方法三种。由于集电极-发射极饱和电压Vce（sat）和二极管正向电压VF分别是计算IGBT和反并联二极管损耗的重要参数。因此在模块选型和代换中，对这两项电压的评价试验也是很重要的。测试时需要注意饱和电压是只有数伏左右的低值，为了消除测量时示波器内部增幅器饱和的影响，可以用下图所示的外加电压钳制电路的方法。

图1 IGBT饱和电压的测量方法

为了安全测试特性需要注意上电顺序，此外为保证在规定的结温下，测定电压，必须使用低占空比的脉冲测试法。

交换损耗表示了从交换开始到交换动作完成回复稳定状态为止所发生的损耗。开关损耗与直流侧电压、集电极电流、门极电压及驱动电阻都有关系。因此，试验测量开关损耗时必须注意上述试验条件。开关损耗的波形包括电压和电流的波形，请使用示波器的图形面积计算功能进行，注意使用有效的滤波措施消除示波器对电流波形采集的失真。下图给出了IGBT开关损耗的实测波形。

(a) 开通损耗 (b) 关断损耗

图2 IGBT开关损耗的实测波形（Vce：200V/div，Vge：10V/div，Ic：200A/div）

（试验条件：直流侧电压600V、集电极电流600A、门极驱动电阻3.3Ω、驱动电压+15V及-10V）

（2）驱动电路评价试验

在门极驱动电路设计中，驱动电压、电流和功率的测量是重要的项目。下图给出了大容量变频器中的门极驱动电压瞬间波形。由于采用了正负双电源的供电模式，可以看出：导通时电压值为+15V左右，关断时电压值为-10V左右。

（a） ON （b） OFF

图3 门极电压实测波形

（3）保护电路评价试验

IGBT使用中最重要的一个方面是器件的电压和电流不能超过安全工作区：①在关断时，包括任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流必须处在开关安全工作区的规定之内②在短路时，保护电路的动作时间不能超过短路耐量。相关的评价试验包括关断安全工作区确认试验和短路试验。下图给出了两种试验中的实测波形图。

(a) 浪涌电压测试波形 (b) 短路电流测试波形

图4 安全工作区确认试验实测波形

测量时需要注意：①使用有充分频率的频带的探测器和示波器②事先调整示波器的灵敏度，调整探测器的频率修正③测量用探测器与元件的端子直接相连④注意CT的检测灵敏度和变流比。尤其在测量浪涌电压时电流的方向需要格外注意，因为不同的电流方向代表了浪涌电压来自于IGBT还是反并联二极管。

（4）散热性能评价试验

IGBT使用中最重要的另一个方面是任何情况下，IGBT的工作结温必须始终保持在Tjmax以下。要达到这样的要求，需要进行精确的损耗计算，进而设计优良的散热系统。散热性能的评价主要是温度试验。当然温度试验并不完全是为IGBT而准备的，变频器中其他元器件同样需要进行温度试验，包括电解电容、变压器、接触器及驱动电路上的主要器件等等。

温度试验首先要确定器件的温度测量点，然后要模拟各种过载条件，以保证在最恶劣的情况下器件的结温不超过最大值。

[p] （5）器件并联评价试验

IGBT并联使用时，需要用测量变流器来检测通过各个器件的电流，以确认导通状态下电流是否均衡。

开关电源的设计是变频器硬件电路设计中的另一个重要方面。开关电源的设计完成之后的评价试验很多。这里仅介绍其中较重要的试验项目。包括开关电源的动作确认试验、开关电源的器件特性确认、高低温启动测定试验、电解电容纹波电流确认试验、开关电源容量确认试验。作为变频器中使用的开关电源，主要提供的电源有：控制回路用5V电源、检测用传感器用电源、继电器电源，风扇用电源以及驱动用电源。

(1)开关电源的动作确认试验

主要是指开关电源的各路输出电压的变动范围是否在设计的容许误差之内，这里包括静态和动态两方面。静态是变频器主电源供电稳定的状态，又包括轻载和重载两种负载状态。动态主要测量变频器主电源供电初始状态下各路电源的输出尖峰脉动，如下图所示。

图5 开关电源24V瞬间起动实测波形

(2)高低温启动试验开关电源的设计必须保证在变频器指定的工作温度下正常起振、工作。该试验是检验在高、低温时开关电源的工作性能，试验波形如下图（MOSFET管D-S间电压）。

（a）正常起振波形（b）起振失败波形

图6 -15℃时开关电源的起振波形

(3)元件的品质确认试验是指在最严酷的过载条件下，确认各个主要的元器件，如MOSFET、二极管等的工作电压电流有没有超出器件的最大工作范围。

(4)纹波电流确认试验是确认多路开关电源设计中所使用的滤波电解电容的纹波电流是否符合设计要求。

(5)其他试验

作为高品质的开关电源设计，还需要进行输入ON/OFF试验、异常状态启动试验、负载短路试验、输入电压和负载电流的急变试验、反馈电路安全动作确认、各电路温升试验及破坏试验等。

[p] 4 软件设计的功能评价项目

每种变频器都有一些通用的软件功能和自己的特殊软件功能。通用软件功能包括一些常见的功能，如加减速功能、直流制动功能、转矩提升功能、转速跟踪功能、瞬停再启动功能等等。专用软件功能更多的是适合于不同应用场合的专用功能。在变频器设计完成之后，对这些软件的功能进行评价称为软件的功能评价。这些试验的目的在于检验软件设计的正确性，以便更好地改正软件中的一些参数。这些试验的项目、条件、方法由于各个厂家生产变频器的不同而不同。其中矢量控制是现在大多数高性能变频器中都带有的一种功能，是区分变频器优劣的一项重要指标。现在主要讲述一下这种功能的评价方案。

从控制策略本身来讲，矢量控制的控制特性主要为电流控制、转矩控制、速度控制和磁链控制。因此作为矢量控制变频器的技术指标为速度控制范围、速度控制精度、转矩控制的响应速度以及转矩控制的精度。下图给出了矢量控制性能评价的几个典型试验波形。

（a）速度静特性（b）急加减速试验

（c）负载急变特性（d）转矩控制特性

图7 矢量控制性能评价的典型试验波形

[p] 图（a）为速度静特性测量试验的波形。速度静特性主要是确定速度控制范围、速度控制的精度。可以从测量的波形看出低速段电流的控制效果。

图（b）为急加减速试验波形。该试验的主要目的是确认一定的参数下，速度响应的快速性、加减速时间内的输出转矩控制性能及速度响应的超调量。

图（c）为负载急变特性试验波形。该试验实际上是系统受到扰动作用（外加负载）时，速度恢复到原来平衡状态的动态响应过程。主要的评价指标为：速度的变动量、速度回复时间以及电流的控制性能。

图（d）为转矩的控制性能测试波形。变频器具有转矩限制功能和转矩控制功能之分。转矩限制功能是矢量控制中速度控制时，将变频器的输出转矩限制在一定范围内。而转矩控制则是指变频器的给定信号并不是控制变频器的输出频率，而是控制电动机产生转矩的大小。转矩控制的性能有转矩控制静特性和动态特性之分。该图是动特性测试的波形，主要考查转矩的响应速度和精度，尤其要注意低速度、低转矩给定时的运行情况。

5 参考试验

参考试验主要包括：速度-转矩及速度-电流特性试验、泄漏电流测定试验、振动特性试验、轴电压特性试验、噪声特性试验及温升特性试验。这些试验主要是为了了解变频器在实际应用中可能的问题而进行的。由于参考试验的条件较高，同时不直接涉及产品的规格参数，因此一般变频器生产厂家是不做的。

如泄漏电流的测定线路如下图所示。