張赤勇

（江蘇春蘭制冷設備股份有限公司 江蘇泰州 225300）

1 引言

隨著制冷劑向HFC轉(zhuǎn)變的逐步推進，選擇制冷劑時對環(huán)境的關注也從臭氧消耗轉(zhuǎn)到了全球升溫潛能。空調(diào)直接且間接地影響著全球變暖。向大氣排放制冷劑以及在制冷劑失去性能前的反應會直接導致全球升溫?？照{(diào)機的效能則會間接影響全球升溫。臭氧消耗類制冷劑R22正在被取代；系統(tǒng)效能正在改善。能源法規(guī)正在要求更高的系統(tǒng)效率，同時環(huán)保型制冷劑R410a正在逐漸邁入主流。

2 基于R410a工質(zhì)的直流變頻空調(diào)器的組成及基本工作原理

2.1 直流變頻空調(diào)器的基本工作原理

直流變頻空調(diào)的微電腦收集室內(nèi)環(huán)境的有關信息與內(nèi)部的設定值比較，經(jīng)運算處理輸出控制信號。變頻空調(diào)的工作原理是把工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，并送至功率模塊，模塊同樣受微電腦送來的控制信號控制，模塊輸出受控的直流電源(無逆變環(huán)節(jié))送至壓縮機的直流電機，控制壓縮機的排量?？照{(diào)器具有自動運行、制冷、抽濕、通風、制熱五大功能?？筛鶕?jù)人為設定及周圍環(huán)境溫度，實現(xiàn)對室外壓縮機運行頻率的自動調(diào)節(jié)，并盡可能提高環(huán)境的舒適度。具有自動除霜功能，即使在寒冬，空調(diào)器也有強勁的制熱能力。

2.2 直流變頻空調(diào)器的組成及工作原理

直流變頻空調(diào)器設計由電器控制部分的設計和系統(tǒng)設計兩方面組成?？刂破饔墒覂?nèi)、室外兩大部分組成，兩部分通過異步通訊方式傳送數(shù)據(jù)，由室內(nèi)控制室外工作狀態(tài)。

圖1 壓縮機電機繞組的示意圖

圖2 反電勢的產(chǎn)生過程

圖3 電路轉(zhuǎn)換

室內(nèi)控制器主要完成遙控接收、通訊、溫度采樣、LED推動以及蜂鳴提示、故障代碼提示、室內(nèi)風機、風向電機、設置測試開關等功能。室內(nèi)部分控制器硬件電路包含顯示回路、繼電器驅(qū)動回路、傳感器回路（室內(nèi)環(huán)溫、室內(nèi)管溫、室內(nèi)出風溫度）、通訊回路、遙控接收回路；室內(nèi)管溫涉及防冷風保護、室內(nèi)管溫過高保護、防凍結(jié)保護。

室外控制器主要完成通訊、LED推動、變頻控制、溫度參數(shù)采集、電流參數(shù)采集、室外風機、換向閥以及壓縮機保護器參數(shù)及其他保護參數(shù)的采集、壓縮機反電動勢采樣等功能控制。由于室外機工作環(huán)境比較惡劣，控制芯片應為工業(yè)級芯片，且由于變頻運算的需要，要求有較高的運算速度，最終選定日本富士通公司的MB90F462芯片（FLASH芯片）。室外控制器硬件電路包含有濾波電路、電流采樣電路、整流電路、功率因數(shù)改善回路、平滑電路、變頻電路、開關電源電路、測試調(diào)試功能、傳感器回路（室外環(huán)溫、室外管溫、壓縮機排氣溫度、壓縮機殼體溫度）、反電勢采樣電路。

圖4 CPU輸出PWM驅(qū)動波形信號

直流變頻空調(diào)制冷系統(tǒng)由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁四通閥、毛細管等部件組成。工作時，空調(diào)器根據(jù)空調(diào)房間的需要，自動控制壓縮機電機的轉(zhuǎn)速，使電動機的轉(zhuǎn)速加快，壓縮機的制冷量加大，達到快速制冷或制熱的目的。相反，當房間的制冷或制熱量較小時，壓縮機以正常速度或較低速度運轉(zhuǎn)，因此，直流變頻空調(diào)具有連續(xù)的能量調(diào)節(jié)功能，使得房間的溫度波動較小。

2.3 使用R410a制冷劑的系統(tǒng)的優(yōu)勢

使用R410a制冷劑的系統(tǒng)與R22制冷劑系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點：

(1)R410a的容量和壓力高于R22，運行壓力高出50%～60%。高壓力和高氣體密度帶來的結(jié)果是：不但可以用更小排氣量的壓縮機，還可以用更小直徑的管路（使用ф7銅管）。厚壓縮機殼體可使系統(tǒng)經(jīng)受更高的運行壓力。壓縮機造得厚重些還有一個好處，即R410a的運行噪聲比R22壓縮機明顯地低2～4個分貝。

(2)與R22系統(tǒng)相比，R410a系統(tǒng)有個顯著的熱傳遞優(yōu)勢 蒸發(fā)器的熱傳遞高35%，冷凝器高5%。R410a系統(tǒng)中采用較小體積的蒸發(fā)器和冷凝器，成本更低，而且最高可達30%的制冷劑充注減少量。制冷劑充注量的減少，除了成本降低外，還能提升整個系統(tǒng)的可靠性。

(3)在相同冷量，相同冷凝溫度的系統(tǒng)中，R410a的系統(tǒng)能效比（COP）可以比R22高出6%。這是由于壓縮機在壓縮過程中的損耗更低，蒸發(fā)器和冷凝器具有更強的熱傳遞性，整個系統(tǒng)內(nèi)的壓降更小。高效的熱傳遞和更小的壓降使其在相同運行條件下，冷凝溫度更低，蒸發(fā)溫度更高，這使壓縮機在耗電更少、效率比更高的情況下，獲得一個更好的運行范圍。

圖5 空調(diào)器啟動瞬間U相的電流波形

3 直流無刷變頻壓縮機的驅(qū)動及控制的基本工作原理

直流變頻壓縮機轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料制作而成，其工作原理為：定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場直接作用，實現(xiàn)壓縮機運轉(zhuǎn)?？梢酝ㄟ^改變送給電機的直流電壓來改變電機的轉(zhuǎn)速，直流變頻壓縮機不存在定子旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的電磁感應作用，克服了交流變頻壓縮機的電磁噪音與轉(zhuǎn)子損耗，具有比交流變頻壓縮機效率高與噪音低特點，直流變頻壓縮機效率比交流變頻壓縮機高10%～30%，噪音低5～10分貝。

直流無刷變頻壓縮機的電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(P)影響： N=60×f/P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

直流無刷變頻壓縮機即是通過變頻控制器控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速反饋給變頻控制器反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。

圖6 壓縮機啟動瞬間功率模塊三相輸出電流波形

圖7

圖8

控制原理是輸入交流電先經(jīng)整流電橋整流轉(zhuǎn)換成直流。直流電輸入轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由功率模塊轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。功率模塊一般由6個IGBT(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關。變頻控制器則提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定IGBT開關頻度及逆變器IGBT導通換相的時機。

要讓電機轉(zhuǎn)動起來，首先變頻控制器就必須感應到電機轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關閉)功率模塊中IGBT的順序，使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組IGBT，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關閉IGBT(或只開下臂IGBT)；要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。圖1為壓縮機電機繞組的示意圖。

因直流無刷變頻壓縮機轉(zhuǎn)子位置的檢測是通過檢測轉(zhuǎn)子在運行時產(chǎn)生的反電動勢來判斷出轉(zhuǎn)子所處的位置和轉(zhuǎn)速。圖2為反電勢的產(chǎn)生過程。

從圖2可以看出，壓縮機繞組都是二相繞組通電，一相不通電，一般情況下無法對通電線圈測出感應電壓，通常是在運行過程中通過檢測不通電的一相作為轉(zhuǎn)子位置檢測信號用控制線。感應電壓作為轉(zhuǎn)子的位置信號，通過圖3所示的電路轉(zhuǎn)換，反過來控制給定子線圈施加PWM載波的時刻。

圖3為反電勢采樣電路，為了保證采樣精度，相關采樣電阻的精度要求應達到0.5%。由于感應電壓（反電勢）只有在壓縮機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時才能產(chǎn)生，因此不能通過轉(zhuǎn)子位置檢測電機啟動。為了使壓縮機啟動必須強制性地輸出驅(qū)動波形，直到壓縮機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達到一定的速度，可以靠感應電壓測出轉(zhuǎn)子位置為止。再切換到轉(zhuǎn)子位置檢測輸出波形驅(qū)動方式。CPU輸出PWM驅(qū)動波形信號如圖4所示。

在壓縮機啟動過程中存在以下問題：

(1)在啟動之前轉(zhuǎn)子位置不知道；

(2)壓縮機無位置檢測傳感器；

(3)在啟動之前沒有反電勢信號；

(4)在啟動過程中反電勢很難區(qū)分；

(5)啟動轉(zhuǎn)速很低時所監(jiān)測到的反電勢很小；

(6)壓縮機在啟動時CPU所送PWM載波的占空比必須根據(jù)不同的壓縮機進行調(diào)整，筆者在實際試驗過程中發(fā)現(xiàn)壓縮機在啟動瞬間會產(chǎn)生很大的啟動電流，啟動電流過大會導致壓縮機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。當壓縮機退磁率達到5%以上時，在啟動和正常運行過程中會出現(xiàn)異常電流和電流異常脈動，從而導致功率模塊出現(xiàn)保護。

圖5為空調(diào)器啟動瞬間U相的電流波形（PWM占空比經(jīng)過修正），圖6為壓縮機啟動瞬間功率模塊三相輸出電流波形。

根據(jù)壓縮機轉(zhuǎn)子在啟動時的電壓和電流特性建立一個數(shù)學模型，過零點電壓為VCC/2，如圖7和圖8。

4 IPM功率模塊的驅(qū)動以及開關電源的設計

IPM功率模塊的驅(qū)動：功率模塊分為開關電源和控制模塊兩部分。

4.1 控制模塊

主要由功率模塊PS21265、低速光藕TLP421、無感水泥電阻0.012Ω及外圍電路組成，為來自MCU的控制模塊驅(qū)動信號提供通路，驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)，并反饋故障信號。功率模塊PS21265可實現(xiàn)單15V電源驅(qū)動，輸入接口為高電平驅(qū)動邏輯。光藕TLP421實現(xiàn)對功率模塊和MCU間電氣隔離。無感水泥電阻檢測直流母線電流，當電流超過設定值時，功率模塊內(nèi)部IGBT會立即關斷，模塊同時輸出保護故障信號。設定的電流保護值為：36A（檢測參考電壓0.43V /電阻0.012Ω=36A）。

4.2 開關電源

主要由電源芯片TOP243Y、開關變壓器及外圍電路組成，產(chǎn)生15V、13V和5V輸出直流電。電源芯片T額定輸出功率為15W，電壓范圍為160～260V，具有輸出過載、短路保護功能。開關變壓器采用EE19結(jié)構(gòu)，具有+15V 400mA和+13V400mA兩路獨立輸出能力。電路中另有兩個7805提供所需的5V直流電。通過試驗測量得到15V路輸出總電流約為150mA，13V路輸出總電流約為230mA。

參照TOPSWITCH公司提供的軟件，將以上參數(shù)輸入后，自動選擇芯片，芯片為TOP243Y（電源輸入電壓范圍為80～260V）。根據(jù)負載情況，設計開關變壓器采用EE19磁芯，次級兩路輸出額定值為+13V 400mA和+15V 400mA，采用三層絕緣線繞制，加強絕緣，額定輸出功率為：13V×400mA+15V×400mA=5.2W+6W=11.2W

選用TOP243Y電源控制芯片，其額定輸出功率為15W＞11.2W，滿足最大帶載能力，并具有輸出過載、短路保護和重啟動等功能。TOP243Y設計的多路輸出開關電源的性能進行了測試，實測結(jié)果表明，該電源工作在滿載狀態(tài)時，電源工作的最大占空比約為0.4，電源的效率約為90%，紋波電壓控制、電壓調(diào)節(jié)精度及電源工作效率都超過了以往采用控制電路與功率開關管相分立的拓撲結(jié)構(gòu)形式的開關電源。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)闡述了基于R410a冷媒的直流變頻空調(diào)器的直流無刷壓縮機的驅(qū)動工作原理以及功率模塊驅(qū)動和開關電源的設計方面的相關內(nèi)容。我們從中可以看出基于R410a冷媒的直流變頻空調(diào)器是家用空調(diào)器的發(fā)展方向，具有很大的市場前景。直流變頻空調(diào)器能夠解決中國能源緊缺，電網(wǎng)容量不足的問題，它以軟啟動減輕對電網(wǎng)的沖擊，降低啟動能量，減小對電網(wǎng)的污染，同時實現(xiàn)智能化控制，創(chuàng)造健康舒適的被控環(huán)境。

R410a直流變頻空調(diào)器相對于傳統(tǒng)空調(diào)器來講，主要有5大特點:

(1)啟動電流低，故不存在啟動電流對電網(wǎng)和對電度表的沖擊，也減少了對室內(nèi)其他正在使用的家用電器的脈沖干擾影響。

(2)低溫運行性能好，制暖性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)空調(diào)器。

(3)控溫波動小，避免了傳統(tǒng)空調(diào)器采用的開/停運轉(zhuǎn)控制方法易造成的室內(nèi)溫度上下波動大 、感覺不舒服的缺陷。

(4)電網(wǎng)電壓適應性強，相比較傳統(tǒng)空調(diào)器，直流變頻空調(diào)器能在較寬電壓范圍內(nèi)工作，有的甚至在低于187V時也能運行自如。

(5)控溫速度快，能迅速將房間帶入控溫范圍。

(6)直流變頻空調(diào)采用了變頻器、直流變頻壓縮機和微電腦技術的有機結(jié)合，使空調(diào)性能進一步提高，使用時房間溫度波動小，舒適性更佳，對電源電壓波動不敏感，壓縮機啟動后，一般不停機，制冷量在35%～117%的范圍內(nèi)變化，避免了普通空調(diào)的頻繁開停，延長了壓縮機的壽命，同時具有高效、節(jié)能的特點。