楊君
(西南科技大學(xué)制造學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010)
直流變頻空調(diào)技術(shù)20年多前起源于日本,由于技術(shù)復(fù)雜,最終由多家整機(jī)、控制芯片、關(guān)鍵器件等跨國(guó)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)成功。目前,國(guó)內(nèi)一些專(zhuān)業(yè)廠家已經(jīng)掌握變頻空調(diào)驅(qū)動(dòng)技術(shù),成功開(kāi)發(fā)并大量推廣AC、DC系列變頻空調(diào)控制器,其技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)同步。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,技術(shù)和產(chǎn)品也由交流變頻逐步發(fā)展到矢量180°直流變頻[1],目前直流變頻180°正弦波驅(qū)動(dòng)變頻空調(diào)產(chǎn)品,已在市場(chǎng)批量推廣。
空調(diào)占據(jù)了電器能耗的20%以上,成為各國(guó)“節(jié)能減排”的重點(diǎn)產(chǎn)品之一?;诔杀镜?、節(jié)能、舒適度高和性能優(yōu)異等優(yōu)勢(shì),矢量180°直流變頻產(chǎn)品成為各國(guó)政府的重點(diǎn)支持項(xiàng)目,國(guó)內(nèi)各大空調(diào)廠商也開(kāi)始集中資源進(jìn)行推廣。產(chǎn)品涉及三大類(lèi)技術(shù)領(lǐng)域,控制相關(guān)的核心技術(shù)包括直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)、智能穩(wěn)壓PFC、電器安全及可靠性等[2]。
本文以直流變頻空調(diào)中利用DC180°正弦驅(qū)動(dòng)電路為例,介紹了一種用于變頻控制系統(tǒng)的獨(dú)立三相電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
全直流變頻空調(diào)核心技術(shù),在于變頻驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)[3]。變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要有如下幾方面:
(1)AC變頻驅(qū)動(dòng)。這是變頻空調(diào)早期產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)一些廠家已擁有成熟的技術(shù),AC變頻空調(diào)的市場(chǎng)在減小。
(2)DC120°方波變頻驅(qū)動(dòng)。該方案技術(shù)相對(duì)成熟,已有部分國(guó)內(nèi)廠家掌握,市場(chǎng)上,亦有大批量成熟產(chǎn)品。
(3)DC180°正弦波驅(qū)動(dòng)。該技術(shù)初期在日本較為成熟,進(jìn)入國(guó)內(nèi)已有5年左右的歷史,主要是日系企業(yè)在推廣。與交流、DC120°方波變頻驅(qū)動(dòng)等方案相比,其具有噪聲低、振動(dòng)性能好的特點(diǎn),關(guān)鍵是符合壓縮機(jī)及空調(diào)系統(tǒng)高能效化的發(fā)展要求,代表了變頻空調(diào)技術(shù)的發(fā)展方向[4]。
180°正弦波直流變頻空調(diào),其關(guān)鍵在于可以避免換相時(shí)的電流突變,在噪聲指標(biāo)上有明顯的優(yōu)勢(shì),其控制系統(tǒng)主電路見(jiàn)圖1所示,主要由電源整流、功率因數(shù)校正、逆變和控制電路構(gòu)成[5]。
圖1 控制系統(tǒng)主電路原理圖
直流變頻空調(diào)的變頻模塊每次導(dǎo)通2個(gè)三極管(A+、A- 不能同時(shí)導(dǎo)通,B+、B-不能同時(shí)導(dǎo)通,C+、C-不能同時(shí)導(dǎo)通),兩相線圈通以直流電,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn),另一相線圈不通電,但有感應(yīng)電壓,根據(jù)感應(yīng)電壓的大小,可以判斷出轉(zhuǎn)子的位置,進(jìn)而控制繞組通電順序。直流變頻相比交流變頻多一位置檢測(cè)電路。
整流電路將220 V交流輸入整流成直流電源,經(jīng)電容濾波后變成300 V直流電壓,功率因數(shù)校正完成輸入電流的諧波控制和提高系統(tǒng)的位移功率因數(shù),逆變電路將直流電壓變換成電壓和頻率可調(diào)的交流電提供給壓縮機(jī)。
180°正弦波變頻空調(diào)控制系統(tǒng)中,控制電路主要包括電流檢測(cè)、位置估算、速度控制、性能控制、電流控制、SVPWM、PFC 控制部分[6]。
(1)電流檢測(cè)。電流檢測(cè)在逆變橋的3個(gè)下橋臂與直流母線的負(fù)極之間串接水泥電阻來(lái)取樣,該脈沖電流信號(hào)經(jīng)放大濾波進(jìn)入DSP的AD采樣口采樣,得到的三相電流經(jīng)ABC-β坐標(biāo)變換和αβ-dq坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為id、iq供電流閉環(huán)控制和位置估算使用。
(2)位置估算?;诜措妱?shì)觀測(cè)器的位置估算,是180°正弦波驅(qū)動(dòng)的核心,只有得到正確的位置信息,直流壓縮機(jī)才能得到良好控制。位置估算單元利用電流檢測(cè)單元檢測(cè)的電流和輸出的電壓,按照電機(jī)dq軸下的假定坐標(biāo)系模型,構(gòu)造一個(gè)模型電機(jī),通過(guò)閉環(huán)控制,將模型電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與實(shí)際電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)一致,此時(shí)模型電機(jī)的位置,就是對(duì)實(shí)際壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估算位置。
(3)轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速給定信號(hào)與轉(zhuǎn)速觀測(cè)器估算的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較,進(jìn)入速度PI調(diào)節(jié)器,得到轉(zhuǎn)矩電流iq給定信號(hào),轉(zhuǎn)矩電流經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后得到轉(zhuǎn)矩電壓;按照直軸電流給定為0,則電機(jī)的勵(lì)磁完全由永磁體提供,如果要進(jìn)行弱磁控制則將id的給定設(shè)置為一個(gè)小于0的數(shù),轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后生成電流is給定值。
(4)性能控制。主要針對(duì)壓縮機(jī)的實(shí)際應(yīng)用要求,對(duì)壓縮機(jī)的效率、出力、弱磁升速以及振動(dòng)等進(jìn)行控制。
(5)電流控制。通過(guò)PI調(diào)節(jié)器完成d軸和q軸電流的閉環(huán)控制,輸出d軸和q軸的給定電壓。
(6)SVPWM。按照電流控制輸出的dq軸給定電壓,經(jīng)dq-αβ坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到αβ的電壓給定,然后采用SVPWM輸出6路PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)到主回路的IGBT。
(7)PFC控制部分。通過(guò)檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)輸入電壓、直流電壓和輸入電流。通過(guò)對(duì)PFC開(kāi)關(guān)VPFC的控制來(lái)改善輸入電流波形。VPFC開(kāi)通時(shí),電流經(jīng)電感L、整流橋BR2和VPFC后返回電源;關(guān)斷時(shí),儲(chǔ)存在L中的能量與電源串連后通過(guò)主整流橋BR1給電容和負(fù)載供電。通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂疲瑢⒅C波電流控制在標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi)。
在DC180°正弦波驅(qū)動(dòng)電路中主要優(yōu)點(diǎn)在于,針對(duì)反電動(dòng)勢(shì)為正弦波的壓縮機(jī)。采用正弦波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,能充分利用壓縮機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩,提供力和效率,便于在直流電壓降低的條件下,采用弱磁控制提高轉(zhuǎn)速,壓縮機(jī)電機(jī)電流波為正弦,諧波含量小,能有效減低壓縮機(jī)噪聲。
隨著單相空調(diào)無(wú)法滿足大功率制冷、制熱等使用要求的情況下,三相電源的空調(diào)也開(kāi)始大批量地生產(chǎn)與銷(xiāo)售使用。在大電流工作的情況下,針對(duì)壓縮機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行,如何進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì),也是三相電源空調(diào)開(kāi)發(fā)階段就必須關(guān)注的一個(gè)要點(diǎn)[7]。
目前,變頻控制系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電路常用的保護(hù)方法,是根據(jù)比較電路的輸出信號(hào),來(lái)判斷是否驅(qū)動(dòng)繼電器吸合或者斷開(kāi)[8]。采用2個(gè)二極管形成一個(gè)簡(jiǎn)單的與非門(mén),在任何一端出現(xiàn)過(guò)流而出現(xiàn)低電平的情況下,由于二極管的單向?qū)ㄐ阅埽娮枨岸吮焕椭恋碗娖剑ㄒ话阈∮?.3 V)。此電壓無(wú)法使三極管出現(xiàn)導(dǎo)通,繼電器無(wú)法吸合,輸出信號(hào)為斷開(kāi)的狀態(tài);反之,當(dāng)工作電流在動(dòng)作電流以下時(shí),電阻前端的電壓足夠使三極管導(dǎo)通,繼電器吸合,輸出信號(hào)為閉合狀態(tài)。
通過(guò)以上兩種不同的情形,從而提供一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)給內(nèi)機(jī)主板進(jìn)行判斷,是否存在過(guò)流情況。但這種保護(hù)動(dòng)作慢,不足以實(shí)現(xiàn)快速保護(hù),尤其是不能直接保護(hù)IGBT、MOSFET等熔通達(dá)時(shí)間小的高性能器件。
為此,本文在DC180°正弦波驅(qū)動(dòng)電路中,通過(guò)幾種技術(shù)方案的優(yōu)化,開(kāi)發(fā)了一種用于變頻控制系統(tǒng)的獨(dú)立三相電流保護(hù)電路技術(shù),該方案技術(shù)可靠、精度高、相應(yīng)速度快。
(1)技術(shù)方案一。三相電流檢測(cè)分別經(jīng)過(guò)電阻后并聯(lián),通過(guò)運(yùn)放后連接到IPM的電流保護(hù)端。如圖2所示。
圖2 保護(hù)電路技術(shù)方案一
這種方式電路簡(jiǎn)單,但是由于三相電流會(huì)同時(shí)出現(xiàn)正負(fù)不同的方向,有可能不能產(chǎn)生有效的保護(hù)。同時(shí)由于運(yùn)算放大器的速率的影響,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間滯后較多。
(2)技術(shù)方案二。3項(xiàng)電流分別經(jīng)過(guò)比較器保護(hù)后,通過(guò)或門(mén)進(jìn)行保護(hù)信號(hào)的合并后,連接到IPM的電流保護(hù)端。如圖3所示。
圖3 保護(hù)電路技術(shù)方案二
這種方式,可以有效地進(jìn)行過(guò)電流的保護(hù),但是增加了一個(gè)或門(mén)數(shù)字控制電路,器件數(shù)量多,增加了成本。
(3)技術(shù)方案三。設(shè)計(jì)了獨(dú)立三相電流保護(hù)電路技術(shù),如圖4所示。
圖4 用于變頻控制系統(tǒng)的獨(dú)立的三相電流保護(hù)電路
該保護(hù)電路包括智能功率模塊以及監(jiān)測(cè)電路,智能功率模塊(IPM)三相輸出端NU、NV、NW作為監(jiān)測(cè)電路的3條輸入電路(線路18、線路19、線路20);所述的監(jiān)測(cè)電路中,3條輸入線路中的電流分別通過(guò)電阻R9、R10、R11調(diào)節(jié),輸出的SC保護(hù)觸發(fā)電壓為0.51 V左右,經(jīng)過(guò)電容C1與電阻R1、電容C2與電阻R2、電容C3與電阻R3共3組RC濾波器(RC時(shí)間常數(shù)為1至1.5 μs之間,以便能有效地抑制因噪聲干擾產(chǎn)生的故障)后,分別輸送至B、C、D這3組比較器的反向輸入端6、8和10(這些比較器的同向輸入端7、9和11的參考電壓為0.5 V,由電阻R4、電阻R5、電阻R6組成的分壓電路提供);B、C、D這3組的輸出信號(hào)并聯(lián)后,連接至A組比較器的反向輸入端4,信號(hào)經(jīng)過(guò)A組比較器的反向后,直接連接至IPM模塊電流保護(hù)輸入端15(IN);實(shí)現(xiàn)整個(gè)信號(hào)輸入過(guò)程。
正常工作情況下,B、C、D這3組比較器的反向輸入端電壓小于同向輸入端的電壓,這3組比較器輸出高電壓,經(jīng)過(guò)A比較器的反向后變?yōu)榈碗妷?,IPM模塊電流保護(hù)輸入端無(wú)觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)NU、NV、NW的3條線路中任一條或數(shù)條產(chǎn)生過(guò)電流現(xiàn)象時(shí),B、C、D這3組比較器的反向輸入端就大于同向輸入端的電壓時(shí)輸出低電平(因?yàn)楸容^器出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管,需要接上拉電阻,圖中的R7與R8都為比較器輸出端的上拉電阻);經(jīng)過(guò)A比較器的反向后變?yōu)楦邏?,此高壓觸發(fā)信號(hào)就直接進(jìn)入IPM模塊電流保護(hù)輸入端,啟動(dòng)IPM模塊工作以進(jìn)行保護(hù)。其中集成電路IC比較器推薦采用LM339,且有價(jià)格低廉、通用性好的特點(diǎn)。
通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì),可以得出,該方案技術(shù)可靠,精度高,響應(yīng)速度快,由于充分利用了1個(gè)通用比較器IC的4個(gè)比較器,器件數(shù)量少,成本低。
在日常生活中,我們更多關(guān)注于從系統(tǒng)的角度考慮變頻控制系統(tǒng)的保護(hù),比如通過(guò)檢測(cè)主電路的電壓、電流或者其他物理參數(shù),而此文從電路設(shè)計(jì)保護(hù)的角度出發(fā),詳細(xì)闡述了變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路中電路設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)該考慮的一般保護(hù)問(wèn)題。一方面為具體電路設(shè)計(jì)提供了可供參考的解決思路,另一方面也更深入認(rèn)識(shí)變頻控制系統(tǒng)中的保護(hù)問(wèn)題。只有把電路本身的保護(hù)跟系統(tǒng)級(jí)別的保護(hù)結(jié)合起來(lái),才能設(shè)計(jì)出更優(yōu)的變頻空調(diào)控制系統(tǒng)。
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