引言
變頻驅動作為一種節能手段，在工業領域得到了廣泛的應用，變頻器的市場是巨大的。作為一個合格的變頻器產品在進入市場之前，必須進行各種特性檢測試驗，可以稱為評價試驗。這些試驗的實施者包括研發部門、品質保證部門及出廠檢查部門。評價試驗的試驗條件、試驗方法、結果判定等是一件很重要的事情。一般來講，試驗的種類包括：
（1）形式試驗（Type test）  是檢驗變頻器制造商的產品中給出的額定條件、規格及其他是否滿足要求的試驗，在變頻器的樣機試作階段進行。
（2）常規試驗（Routine test）  檢驗產品特性是否與形式試驗得到的特性一致。
（3）參考試驗（Option test） 是和產品的式樣、額定參數無直接關系，僅作為了解產品使用過程中的某些能力而進行的試驗。
（4）組合試驗（combined test） 是包括電機和負載在內的整體系統評價試驗。
限于篇幅，本文大致給出了工業變頻器研發階段所需的各種特性評價試驗。
 
2   產品取得認證所需的電磁兼容性試驗
    電磁兼容性試驗也就是變頻器設備的抗擾度試驗，目前主要是指靜電抗擾度試驗、由射頻場引起的輻射抗擾度試驗、電快速瞬態脈沖抗擾度試驗、雷擊浪涌抗擾度試驗、由射頻感應引起的傳導抗擾度試驗及電壓瞬時跌落和短時中斷抗擾度試驗。電磁兼容性試驗是產品研發階段中比較重要的試驗。由于是一系列產品認證試驗，所以試驗的條件和規格應當嚴格按照一定的標準(如國標)進行。
靜電放電試驗就是通過放電槍來模擬實際的放電過程，分為直接放電和間接放電。直接放電是模擬人或者物體在接觸設備時引發的靜電可能對設備造成的損壞。間接放電是模擬人或者物體對設備鄰近的物體放電對設備工作造成的影響。
    實際電網中眾多的機械開關在切換電感性負載時，會產生較大的干擾。快速瞬態脈沖抗擾度試驗就是模擬這種干擾而進行的。試驗時可以通過耦合/去耦網絡將脈沖疊加在電源線上，也可以通過電容耦合夾將脈沖疊加到通訊線路上，以此模擬對變頻器的主電源回路和通訊回路的干擾。
      雷擊浪涌抗擾度試驗是模擬自然界的雷擊對變頻器的電源線路和通訊線路造成的影響。浪涌試驗的特是脈沖重復率低、幅值較高、能量巨大，因此對設備的影響可能是破壞性的。
      電壓跌落和瞬時中斷試驗是模擬來自于電源側和負載側的突然變化引起的干擾而進行的試驗。實際中，這些現象的發生機率是隨機的，特點是偏離額定電壓并且持續一定的時間。該試驗的主要目的是檢測變頻器在上述情況下能夠正常工作或者能夠及時作出反應，保證數據不丟失。
      射頻輻射電磁場試驗是模擬設備遭受射頻輻射干擾的工作狀況，射頻傳導試驗是模擬射頻傳導干擾對設備的影響。兩項試驗都不是單臺機器就能完成的，需要一套儀器實現。也不是能在普通試驗室可以進行的，射頻輻射電磁場試驗應當在電波暗室中進行。射頻傳導試驗一般應在屏蔽室中進行。
3   硬件電路設計中的評價試驗
硬件設計中的試驗項目很多，嚴格講來，對于產品中設計的各種電路都要進行功能性評價試驗，如初始電流限制電路動作、風扇動作等附屬電路的確認。對于產品中使用的各種元器件都需要進行品質評價試驗，如電解電容的紋波電流及壽命推算、風扇的軸電壓等等。
由于硬件電路設計中的最重要的部分是IGBT（IPM）周邊電路設計和開關電源設計，因此本文將著重介紹這兩方面的相關評價試驗。
IGBT的設計要點包括選型、驅動電路設計、保護電路設計、散熱設計。對于大容量的變頻器設計，器件的并聯應用設計也是一個很重要的內容。主要的評價試驗包括：
（1）選型試驗 
一般來講，IGBT的選型包括電壓、電流和成本方面的考慮。但嚴格來講，損耗也是選型階段的一個考慮因素。分析損耗的方法基本有計算方法、軟件仿真方法和實驗方法三種。由于集電極-發射極飽和電壓Vce（sat）和二極管正向電壓VF分別是計算IGBT和反并聯二極管損耗的重要參數。因此在模塊選型和代換中，對這兩項電壓的評價試驗也是很重要的。測試時需要注意飽和電壓是只有數伏左右的低值，為了消除測量時示波器內部增幅器飽和的影響，可以用下圖所示的外加電壓鉗制電路的方法。
               
                   圖1  IGBT飽和電壓的測量方法
為了安全測試特性需要注意上電順序，此外為保證在規定的結溫下，測定電壓，必須使用低占空比的脈沖測試法。
交換損耗表示了從交換開始到交換動作完成回復穩定狀態為止所發生的損耗。開關損耗與直流側電壓、集電極電流、門極電壓及驅動電阻都有關系。因此，試驗測量開關損耗時必須注意上述試驗條件。開關損耗的波形包括電壓和電流的波形，請使用示波器的圖形面積計算功能進行，注意使用有效的濾波措施消除示波器對電流波形采集的失真。下圖給出了IGBT開關損耗的實測波形。

       (a)  開通損耗                          (b)  關斷損耗
     圖2  IGBT開關損耗的實測波形（Vce：200V/div，Vge：10V/div，Ic：200A/div）
    （試驗條件：直流側電壓600V、集電極電流600A、門極驅動電阻3.3Ω、驅動電壓+15V及-10V）
（2）驅動電路評價試驗
在門極驅動電路設計中，驅動電壓、電流和功率的測量是重要的項目。下圖給出了大容量變頻器中的門極驅動電壓瞬間波形。由于采用了正負雙電源的供電模式，可以看出：導通時電壓值為+15V左右，關斷時電壓值為-10V左右。

             （a） ON                          （b） OFF   
                           圖3   門極電壓實測波形
（3）保護電路評價試驗
IGBT使用中最重要的一個方面是器件的電壓和電流不能超過安全工作區：①在關斷時，包括任何被要求的過載條件下，集電極峰值電流必須處在開關安全工作區的規定之內②在短路時，保護電路的動作時間不能超過短路耐量。相關的評價試驗包括關斷安全工作區確認試驗和短路試驗。下圖給出了兩種試驗中的實測波形圖。
    
         (a) 浪涌電壓測試波形                     (b) 短路電流測試波形   
                      圖4 安全工作區確認試驗實測波形
測量時需要注意：①使用有充分頻率的頻帶的探測器和示波器②事先調整示波器的靈敏度，調整探測器的頻率修正③測量用探測器與元件的端子直接相連④注意CT的檢測靈敏度和變流比。尤其在測量浪涌電壓時電流的方向需要格外注意，因為不同的電流方向代表了浪涌電壓來自于IGBT還是反并聯二極管。
（4）散熱性能評價試驗
    IGBT使用中最重要的另一個方面是任何情況下，IGBT的工作結溫必須始終保持在Tjmax以下。要達到這樣的要求，需要進行精確的損耗計算，進而設計優良的散熱系統。散熱性能的評價主要是溫度試驗。當然溫度試驗并不完全是為IGBT而準備的，變頻器中其他元器件同樣需要進行溫度試驗，包括電解電容、變壓器、接觸器及驅動電路上的主要器件等等。
溫度試驗首先要確定器件的溫度測量點，然后要模擬各種過載條件，以保證在最惡劣的情況下器件的結溫不超過最大值。
（5）器件并聯評價試驗 
   IGBT并聯使用時，需要用測量變流器來檢測通過各個器件的電流，以確認導通狀態下電流是否均衡。                    
開關電源的設計是變頻器硬件電路設計中的另一個重要方面。開關電源的設計完成之后的評價試驗很多。這里僅介紹其中較重要的試驗項目。包括開關電源的動作確認試驗、開關電源的器件特性確認、高低溫啟動測定試驗、電解電容紋波電流確認試驗、開關電源容量確認試驗。作為變頻器中使用的開關電源，主要提供的電源有：控制回路用5V電源、檢測用傳感器用電源、繼電器電源，風扇用電源以及驅動用電源。
(1)開關電源的動作確認試驗
主要是指開關電源的各路輸出電壓的變動范圍是否在設計的容許誤差之內，這里包括靜態和動態兩方面。靜態是變頻器主電源供電穩定的狀態，又包括輕載和重載兩種負載狀態。動態主要測量變頻器主電源供電初始狀態下各路電源的輸出尖峰脈動，如下圖所示。

圖5  開關電源24V瞬間起動實測波形
(2)高低溫啟動試驗  開關電源的設計必須保證在變頻器指定的工作溫度下正常起振、工作。該試驗是檢驗在高、低溫時開關電源的工作性能，試驗波形如下圖（MOSFET管D-S間電壓）。

            （a）正常起振波形                        （b）起振失敗波形
                    圖6   -15℃時開關電源的起振波形
(3)元件的品質確認試驗   是指在最嚴酷的過載條件下，確認各個主要的元器件，如MOSFET、二極管等的工作電壓電流有沒有超出器件的最大工作范圍。
(4)紋波電流確認試驗   是確認多路開關電源設計中所使用的濾波電解電容的紋波電流是否符合設計要求。
(5)其他試驗
   作為高品質的開關電源設計，還需要進行輸入ON/OFF試驗、異常狀態啟動試驗、負載短路試驗、輸入電壓和負載電流的急變試驗、反饋電路安全動作確認、各電路溫升試驗及破壞試驗等。
4   軟件設計的功能評價項目 
每種變頻器都有一些通用的軟件功能和自己的特殊軟件功能。通用軟件功能包括一些常見的功能，如加減速功能、直流制動功能、轉矩提升功能、轉速跟蹤功能、瞬停再啟動功能等等。專用軟件功能更多的是適合于不同應用場合的專用功能。在變頻器設計完成之后，對這些軟件的功能進行評價稱為軟件的功能評價。這些試驗的目的在于檢驗軟件設計的正確性，以便更好地改正軟件中的一些參數。這些試驗的項目、條件、方法由于各個廠家生產變頻器的不同而不同。其中矢量控制是現在大多數高性能變頻器中都帶有的一種功能，是區分變頻器優劣的一項重要指標。現在主要講述一下這種功能的評價方案。
從控制策略本身來講，矢量控制的控制特性主要為電流控制、轉矩控制、速度控制和磁鏈控制。因此作為矢量控制變頻器的技術指標為速度控制范圍、速度控制精度、轉矩控制的響應速度以及轉矩控制的精度。下圖給出了矢量控制性能評價的幾個典型試驗波形。

        （a）速度靜特性                       （b）急加減速試驗

       （c）負載急變特性                       （d）轉矩控制特性
                   圖7  矢量控制性能評價的典型試驗波形   
圖（a）為速度靜特性測量試驗的波形。速度靜特性主要是確定速度控制范圍、速度控制的精度。可以從測量的波形看出低速段電流的控制效果。    
圖（b）為急加減速試驗波形。該試驗的主要目的是確認一定的參數下，速度響應的快速性、加減速時間內的輸出轉矩控制性能及速度響應的超調量。 
圖（c）為負載急變特性試驗波形。該試驗實際上是系統受到擾動作用（外加負載）時，速度恢復到原來平衡狀態的動態響應過程。主要的評價指標為：速度的變動量、速度回復時間以及電流的控制性能。
    圖（d）為轉矩的控制性能測試波形。變頻器具有轉矩限制功能和轉矩控制功能之分。轉矩限制功能是矢量控制中速度控制時，將變頻器的輸出轉矩限制在一定范圍內。而轉矩控制則是指變頻器的給定信號并不是控制變頻器的輸出頻率，而是控制電動機產生轉矩的大小。轉矩控制的性能有轉矩控制靜特性和動態特性之分。該圖是動特性測試的波形，主要考查轉矩的響應速度和精度，尤其要注意低速度、低轉矩給定時的運行情況。
5   參考試驗
    參考試驗主要包括：速度-轉矩及速度-電流特性試驗、泄漏電流測定試驗、振動特性試驗、軸電壓特性試驗、噪聲特性試驗及溫升特性試驗。這些試驗主要是為了了解變頻器在實際應用中可能的問題而進行的。由于參考試驗的條件較高，同時不直接涉及產品的規格參數，因此一般變頻器生產廠家是不做的。
如泄漏電流的測定線路如下圖所示。
         
                      圖8  泄漏電流的測定線路示意圖
泄漏電流的測量需要用泄漏電流計。對輸入電線的長度、輸出電線的長度、電線的線徑等試驗條件都需要注意。一般來講，變頻器在50Hz～60Hz運行時的泄漏電流最大，低于50Hz保持在一定的水平，60Hz以上則處于更低的水平。
6   結束語
變頻器試驗的種類有很多，限于篇幅，本文介紹了研發階段中對變頻器所做的各種評價試驗。要完成評價試驗，不僅要有良好的實驗室、試驗儀器等條件，而且要明確試驗的目的，規范試驗的方法。要求試驗人員有足夠的細心和耐心。只有這樣，才能保證評價試驗的準確性和可信賴性，才能保證合格的變頻器產品。