第二章變頻空調(diào)器模塊和變頻壓縮機(jī)
第一節(jié)模塊
IPM為智能功率模塊(簡(jiǎn)稱(chēng)模塊)，是變頻空調(diào)器電控系統(tǒng)中最重要的元器件之一，也是故障率較高的一個(gè)器件，屬于電控系統(tǒng)主要元器件之一，由于知識(shí)點(diǎn)較多，因此單設(shè)-節(jié)進(jìn) 行詳細(xì)說(shuō)明。
一、基礎(chǔ)知識(shí)
1.模塊板組件
(1)接線(xiàn)端子
圖2-1左圖為海爾公司早期某款交流變頻空調(diào)器使用的模塊板組件，主要接線(xiàn)端子功能如下:ACL和ACN:共2個(gè)端子，為交流220V輸入，接室外機(jī)主板的交流220V。
RO和RI:共2個(gè)端子，接外置的濾波電感。
N-和P+:共2個(gè)端子，接外置的濾波電容。
U、V、W:共3個(gè)端子，為輸出，接壓縮機(jī)線(xiàn)圈。
右下角的白色插座共4個(gè)引針，為信號(hào)傳送，接室外機(jī)主板，使室外機(jī)主板CPU控制模塊板組件以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行。
從圖2-1右圖可以看出，用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的IGBT開(kāi)關(guān)管，采用分立元件形式。
（2）單元電路
取下模塊板組件的散熱片，查看電路板單元電路，見(jiàn)圖2-2，主要由以下幾個(gè)單元電路組成:整流電路( 整流硅橋)、PFC電路(改善電源功率因數(shù))、電流
檢測(cè)電路、開(kāi)關(guān)電源電路(提供直流15V、3-3V等電壓)、控制電路( 模塊板組件CPU)、驅(qū)動(dòng)電路(驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)管)和6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管等電路組成。
由于分立元件形式的IGBT開(kāi)關(guān)管故障率和成本均較高，且體積較大，如果將6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管、驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路等單獨(dú)封裝在一一起，見(jiàn)圖2-2右圖，即組成常見(jiàn)的IPM模塊。
說(shuō)明:圖2-2左圖中，控制電路使用的集成塊為東芝公司生產(chǎn)的微處理器，型號(hào)為T(mén)MG88CH4oMG;驅(qū)動(dòng)電路使用的集成塊為IR公司生產(chǎn)，型號(hào)為2136S，功能是3相橋式驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管。
(3) IGBT開(kāi)關(guān)管
模塊內(nèi)部開(kāi)關(guān)管方框簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2-3，實(shí)物圖見(jiàn)圖2-4。模塊最核心的部件是IGBT開(kāi)關(guān)管，壓縮機(jī)有3個(gè)接線(xiàn)端子，模塊需要3組獨(dú)立的橋式電路，每組橋式電路由上橋和下橋組成，因此模塊內(nèi)部共設(shè)有6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，分別稱(chēng)為U相上橋(U+)和下橋(U-)、V相上橋(V+)和下橋(V-)、W相上橋(W+)和下橋(W-)，由于工作時(shí)需要通過(guò)較大的電流，6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管固定在面積較大的散熱片上面。
圖2-4中IGBT開(kāi)關(guān)管的型號(hào)為東芝GT20J321,為絕緣柵雙極型晶體管，共有3個(gè)引腳，從左到右依舊為G (門(mén)極)、C (集電極或稱(chēng)為漏極D)、E (發(fā)射極或稱(chēng)為源極S)，內(nèi)部C極和E極并聯(lián)有續(xù)流二極管。室外機(jī)CPU ( 或控制電路)輸出的6路信號(hào)(弱電)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后接6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管的門(mén)極，3個(gè)上橋的集電極接直流300V的正極P端子，3個(gè)下橋的發(fā)射極接直流3ooV的負(fù)極N端子，3個(gè)上橋的發(fā)射極和3個(gè)下橋的集電極相通為中點(diǎn)輸出，分別為U、V、W接壓縮機(jī)線(xiàn)圈。
(4) IPM模塊
嚴(yán)格意義的IPM模塊見(jiàn)圖2-5，是一種智能的模塊，將IGBT連同驅(qū)動(dòng)電路和多種保護(hù)電路封裝在同一個(gè)模塊內(nèi)，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了穩(wěn)定性。IPM模塊只有固定在外圍電路的控制基板上，才能組成模塊板組件。
2.工作原理
模塊可以簡(jiǎn)單地看作是電壓轉(zhuǎn)換器。室外機(jī)主板CPU輸出6路信號(hào)，經(jīng)模塊內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路放大后控制IGBT開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止，將直流300V電壓轉(zhuǎn)換成與頻率成正比的模擬三相交流電( 交流30~ 220V、頻率15 ~ 120Hz)，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行。
三相交流電壓越高，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出功率也越高(即制冷效果越好) ;反之，三相交流電壓越低，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出功率也就越低(即制冷效果越差)。三相交流電壓的高低由室外機(jī)CPU輸出的6路信號(hào)決定。
3.安裝位置
由于模塊工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的熱量，因此設(shè)有面積較大的鋁制散熱片，并固定在上面，見(jiàn)圖2-6， 模塊設(shè)計(jì)在室外機(jī)電控盒里側(cè)，室外風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)帶走鋁制散熱片表面的熱量，間接為模塊散熱。
二、模塊輸入與輸出電路
圖2-7為模塊輸入與輸出電路框圖;圖2-8為實(shí)物圖。
說(shuō)明:直流30oV供電回路中，在實(shí)物圖上未顯示PTC電阻、室外機(jī)主控繼電器、濾波電感等元器件。1.輸入部分①P、N:由濾波電容提供直流300V電壓，為模塊內(nèi)部的IGBT開(kāi)關(guān)管供電，其中P端外接濾波電容正極，內(nèi)接上橋3個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管的集電極:N端外接濾波電容負(fù)極，內(nèi)接下橋3個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極。②15V:由開(kāi)關(guān)電源電路提供，為模塊內(nèi)部控制電路供電。③6路信號(hào):由室外機(jī)CPU提供，經(jīng)模塊內(nèi)部控制電路放大后，按順序驅(qū)動(dòng)6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止。2.輸出部分 ①U、V、W:即上橋與下橋IGBT開(kāi)關(guān)管的中點(diǎn)，輸出與頻率成正比的模擬三相交流電，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行。
②FO (保護(hù)信號(hào)) :當(dāng)模塊內(nèi)部控制電路檢測(cè)到過(guò)熱、過(guò)電流、短路、15V電壓低4種故障時(shí)，輸出保護(hù)信號(hào)至室外CPU。
三、常見(jiàn)模塊形式與特點(diǎn)
國(guó)產(chǎn)變頻空調(diào)器從問(wèn)世到現(xiàn)在大約有20年的時(shí)間，在此期間出現(xiàn)了許多改進(jìn)的機(jī)型。模塊作為重要部件，也從最初只有模塊的功能，到集成CPU控制電路，再到目前常見(jiàn)的模塊控制電路-體化，經(jīng)歷了很多技術(shù)上的改變。
1.只具有模塊功能的模塊
代表產(chǎn)品有海信KFR-4001GW/BP、海信KFR-3501GW/BP等機(jī)型，模塊實(shí)物外形見(jiàn)圖2-9，此類(lèi)模塊多見(jiàn)于早期的交流變頻空調(diào)器。
使用光耦合器傳遞6路信號(hào)，直流15V電壓由室外機(jī)主板提供( 分為單路15V供電和4路15V供電兩種)。
模塊常見(jiàn)型號(hào)為三菱PM2oCTMo60,可以稱(chēng)其為第二代模塊，最大負(fù)載電流20A，最高工作電壓600V,帶有鋁制散熱片，目前已經(jīng)停產(chǎn)。
2.帶開(kāi)關(guān)電源電路的模塊
代表產(chǎn)品有海信KFR-2601GW/BP、美的KFR-26GW/BPY-R等機(jī)型，模塊實(shí)物外形見(jiàn)圖2-10，此類(lèi)模塊多見(jiàn)于早期的交流變頻空調(diào)器，在只有模塊功能的模塊板基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。
模塊板增加開(kāi)關(guān)電源電路，二次繞組輸出4路直流15V和1路直流12V兩種電壓，直流15V電壓直接供給模塊內(nèi)部的控制電路，直流12V電壓輸出至室外機(jī)主板7805穩(wěn)壓塊的①腳輸入端，為室外機(jī)主板提供5V電壓，室外機(jī)主板則不再設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路。
模塊常見(jiàn)型號(hào)同樣為三菱PM2oCTMo6o，由于此類(lèi)模塊已停產(chǎn)，而市場(chǎng)上還存在大量使用此類(lèi)模塊的變頻空調(diào)器，為供應(yīng)配件，目前有改進(jìn)的模塊作為配件出現(xiàn)，使用東芝或三洋的模塊，東芝型號(hào)為IPMPIG20J503L。
3.集成CPU控制電路的模塊
代表產(chǎn)品有海信KFR-26GW/18BP等機(jī)型，模塊實(shí)物外形見(jiàn)圖2-11,此類(lèi)模塊多見(jiàn)于目前生產(chǎn)的交流變頻空調(diào)器或直流變頻空調(diào)器。
模塊板集成CPU控制電路，室外機(jī)電控系統(tǒng)的弱電信號(hào)控制電路均在模塊板上處理運(yùn)行。室外機(jī)主板只是提供模塊板所必需的直流15V(模塊內(nèi)部控制電路供電)、5V (室外機(jī)CPU和弱電信號(hào)電路供電)電壓，以及傳遞通信信號(hào)、驅(qū)動(dòng)繼電器等功能。
模塊生產(chǎn)廠家有三菱、三洋、仙童(也譯作飛兆)等，可以稱(chēng)其為第三代模塊。與使用三菱PM2oCTMo6o系列模塊相比，有著本質(zhì)的區(qū)別。首先是6路信號(hào)為直接驅(qū)動(dòng)，中間不再需要光耦合器，這也為集成CPU提供了必要的條件:其次是成本較低，通常為非鋁制散熱片:再次是模塊內(nèi)部控制電路使用單電源直流15V供電;最后是內(nèi)部可以集成電流檢測(cè)元器件，與外圍元器件電路即可組成電流檢測(cè)電路。
4.控制電路一體化的模塊
代表產(chǎn)品有格力KFR-35GW/ ( 32556 ) FNDe-3、三菱重工KFR-35GW/AIBP等機(jī)型，模塊實(shí)物外形見(jiàn)圖2-12,此類(lèi)模塊多見(jiàn)于目前生產(chǎn)的交流變頻空調(diào)器、直流變頻空調(diào)器與全直流變頻空調(diào)器，也是目前比較常見(jiàn)的一種類(lèi)型，在集成CPU控制電路模塊的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。
模塊、室外機(jī)CPU控制電路、弱電信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)電源電路、濾波電容、硅橋、通信電路、PFC電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路等，也就是說(shuō)室外機(jī)電控系統(tǒng)所有電路均集成在一塊電路板上，只需要配上傳感器、濾波電感等少量外圍元器件即可以組成室外機(jī)電控系統(tǒng)。
模塊生產(chǎn)廠家有三菱、三洋、仙童等，可以稱(chēng)其為第四代模塊，是目前最常見(jiàn)的控制類(lèi)型，由于所有電路均集成在一塊電路板上，因此在出現(xiàn)故障后維修時(shí)也是最簡(jiǎn)單的一類(lèi)空調(diào)器。
四、硬件電路區(qū)別
在實(shí)際應(yīng)用中，同一個(gè)型號(hào)的模塊既能驅(qū)動(dòng)交流變頻空調(diào)器的壓縮機(jī)，也能驅(qū)動(dòng)直流變頻空調(diào)器的壓縮機(jī)，所不同的是由模塊組成的控制電路板不同。驅(qū)動(dòng)交流變頻壓縮機(jī)的模塊板通過(guò)改動(dòng)程序(即修改CPU或存儲(chǔ)器的內(nèi)部數(shù)據(jù))，即可以驅(qū)動(dòng)直流變頻壓縮機(jī)。模塊板硬件方面有以下幾種區(qū)別。
1.模塊板增加位置檢測(cè)電路
如仙童FSBB15CH6o模塊，在海信KFR-28GW/39MBP交流變頻空調(diào)器中，見(jiàn)圖2-13，驅(qū)動(dòng)交流變頻壓縮機(jī);而在海信KFR -33GW/25MZBP直流變頻空調(diào)器中，見(jiàn)圖2-14， 基板上增加位置檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)直流變頻壓縮機(jī)。
2.模塊板雙CPU控制電路如三洋STK621-031 (041) 模塊，在海信KFR-26GW/18BP交流變頻空調(diào)器中，見(jiàn)圖2-15， 驅(qū)動(dòng)交流變頻壓縮機(jī);而在海信KFR-32GW/27ZBP中， 見(jiàn)圖2-16，模塊板使用雙CPU設(shè)計(jì)，其中一個(gè)CPU的作用是與室內(nèi)機(jī)通信，采集溫度信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)繼電器等，另外一個(gè)CPU專(zhuān)門(mén)控制模塊，驅(qū)動(dòng)直流變頻壓縮機(jī)。
3.雙主板雙CPU設(shè)計(jì)電路
目前常用的一種設(shè)計(jì)形式是設(shè)有室外機(jī)主板和模塊板，見(jiàn)圖2-17和圖2-18,每塊電路板上面均設(shè)計(jì)有CPU，室外機(jī)主板為主控CPU，作用是采集溫度信號(hào)和驅(qū)動(dòng)繼電器等，模塊板為模塊驅(qū)動(dòng)CPU，專(zhuān)門(mén)用于驅(qū)動(dòng)變頻模塊和PFC模塊。
五、模塊測(cè)量方法
無(wú)論任何類(lèi)型的模塊使用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，內(nèi)部控制電路工作是否正常均不能判斷，只能對(duì)內(nèi)部6個(gè)開(kāi)關(guān)管做簡(jiǎn)單的檢測(cè)。
從圖2-3所示的模塊內(nèi)部IGBT開(kāi)關(guān)管方框簡(jiǎn)圖可知，萬(wàn)用表顯示值實(shí)際為IGBT開(kāi)關(guān)管并聯(lián)6個(gè)續(xù)流二極管的測(cè)量結(jié)果，因此應(yīng)選擇二極管檔，且P、N、U、V、W端子之間應(yīng)符合二極管的特性。
各個(gè)空調(diào)器的模塊測(cè)量方法基本相同，本小節(jié)以測(cè)量海信KFR-26GW/11BP交流變頻空調(diào)器使用的模塊為例( 實(shí)物外形見(jiàn)圖2-19)，介紹模塊測(cè)量方法。
相當(dāng)于D1和D2 ( 或D3和D4、D5和D6)串聯(lián)。
紅表筆接P，黑表筆接N，為反向測(cè)量，見(jiàn)圖2-20左圖， 結(jié)果為無(wú)窮大。
紅表筆接N，黑表筆接P，為正向測(cè)量，見(jiàn)圖2-20右圖， 結(jié)果為817mV。
如果正反向測(cè)量結(jié)果均為無(wú)窮大，為模塊P、N端子開(kāi)路:如果正反向測(cè)量結(jié)果均接近omV，為模塊P、N端子短路。
2.測(cè)量P與U、V、W端子
相當(dāng)于測(cè)量D1、D3、D5。
紅表筆接P，黑表筆接U、V、w，為反向測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2-21, 3次結(jié)果相同，應(yīng)均為無(wú)窮大。
如果反向測(cè)量或正向測(cè)量時(shí)P與U、V、W端結(jié)果接近omV,則說(shuō)明模塊PU、PV、PW結(jié)擊穿。實(shí)際損壞時(shí)有可能是PU、PV結(jié)正常，只有PW結(jié)擊穿。
3.測(cè)量N與U、V、W端子
相當(dāng)于測(cè)量D2、D4、D6。
紅表筆接N，黑表筆接U、V、w,為正向測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2-23，3次結(jié)果相同，應(yīng)均為451mV。
紅表筆接U、V、W,黑表筆接N，為反向測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2-24，3次結(jié)果相同，應(yīng)均為無(wú)窮大。
如果反向測(cè)量或正向測(cè)量時(shí)，N與U、V、W端結(jié)果接近omV，則說(shuō)明模塊NU、NV、NW結(jié)擊穿。實(shí)際損壞時(shí)有可能是NU、NW結(jié)正常，只有NV結(jié)擊穿。
4.測(cè)量U、V、W端子
測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2-25，由于模塊內(nèi)部無(wú)任何連接，U、V、W端子之間無(wú)論正反向測(cè)量，結(jié)果相同應(yīng)均為無(wú)窮大。
如果結(jié)果接近omV,則說(shuō)明UV、UW、VW結(jié)擊穿。實(shí)際維修時(shí)，U、V、W之間擊穿損壞的情況較少。
5.測(cè)量說(shuō)明
①測(cè)量時(shí)應(yīng)將模塊上的P、N端子濾波電容供電，U、V、W壓縮機(jī)線(xiàn)圈共5個(gè)端子的引線(xiàn)全部拔下。如測(cè)量目前室外機(jī)電控系統(tǒng)中模塊一體化的主板，見(jiàn)圖2-26，通常未設(shè)單獨(dú)的P、N、U、V、w,則測(cè)量模塊時(shí)需要斷開(kāi)空調(diào)器電源，并將濾波電容放電至直流oV，其正極相當(dāng)于P端，負(fù)極相當(dāng)于N端，再拔下壓縮機(jī)線(xiàn)圈的對(duì)接插頭，3根引線(xiàn)即為U、V、W端。
②上述測(cè)量方法使用數(shù)字式萬(wàn)用表。如果使用指針式萬(wàn)用表，選擇Rx1k檔，測(cè)量時(shí)紅、黑表筆所接端子與上述方法相反，得出的規(guī)律才會(huì)- -致。
③不同的模塊、不同的萬(wàn)用表正向測(cè)量時(shí)得出結(jié)果數(shù)值會(huì)不相同，但一定要符合內(nèi)部6個(gè)續(xù)流二極管連接特點(diǎn)所組成的規(guī)律。同一模塊同一萬(wàn)用表正向測(cè)量P端與U、V、W端或N端與U、V、W端時(shí)，結(jié)果數(shù)值應(yīng)相同。
④P、N端子正向測(cè)量得出的結(jié)果數(shù)值應(yīng)大于P端與U、V、W端或N端與U、V、W端得出的數(shù)值。
⑤測(cè)量模塊時(shí)不要死記得出的數(shù)值，要學(xué)握規(guī)律。
⑥模塊常見(jiàn)故障為PN、PU (或PV、PW)、NU (或NV、NW)端子擊穿，其中PN端子擊穿的比例最高。
⑦純粹的模塊為一-體化封裝，如內(nèi)部IGBT開(kāi)關(guān)管損壞，只能更換整個(gè)模塊板組件。
⑧模塊與控制基板(電路板)焊接在一起，如模塊內(nèi)部損壞，或電路板上某個(gè)元器件損壞但檢查不出來(lái)，也只能更換整個(gè)模塊板組件。
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