劉陽 張靜 趙云濤 尤順義

（廣東志高空調(diào)有限公司 廣東佛山 528244）

電壓高適應(yīng)性空調(diào)器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)探討

劉陽 張靜 趙云濤 尤順義

（廣東志高空調(diào)有限公司 廣東佛山 528244）

在空調(diào)等家用電器使用量越來越大的狀況下，人們對(duì)電的需求量也越來越大，在用電高峰期時(shí)空調(diào)常常在低電壓下運(yùn)行，由此導(dǎo)致空調(diào)器常會(huì)發(fā)生故障。在此現(xiàn)狀下，本文探討了能在不同電壓地區(qū)使用的空調(diào)器的設(shè)計(jì)。

空調(diào)器；低電壓；可靠性

1 引言

1.1 全球電壓標(biāo)準(zhǔn)

交流100V～130V、頻率50/60Hz，該電壓范圍被歸類為低壓，美國、日本等區(qū)域使用該類型電源。交流200V～240V、頻率50/60Hz，該電壓范圍被歸類為高壓，中國、英國以及大部分歐洲國家等區(qū)域使用該類型電源。

1.2 中國電網(wǎng)現(xiàn)狀

中國使用的電壓標(biāo)準(zhǔn)是220V/50Hz，然而隨著農(nóng)村用電量快速增長，農(nóng)村電網(wǎng)配電變壓器容量不足以及低壓線路日益增加，導(dǎo)致部分地區(qū)低壓現(xiàn)象嚴(yán)重，大部分地區(qū)電壓低于165V，較為嚴(yán)重的地區(qū)甚至低于130V，從而導(dǎo)致家用電器（空調(diào)、冰柜等）無法正常使用，嚴(yán)重影響人民生活質(zhì)量。特別是部分農(nóng)村地區(qū)的電網(wǎng)電壓偏低，空調(diào)器在低電壓下運(yùn)行，如果過載保護(hù)器失靈或燒壞，常會(huì)發(fā)生壓縮機(jī)電機(jī)線組燒毀的故障。

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)用電量過大或有其他原因時(shí)，會(huì)造成電網(wǎng)電壓過低，使用電設(shè)備處于低壓運(yùn)行狀態(tài)。這對(duì)用電設(shè)備、對(duì)電網(wǎng)線路都是非常不利的，甚至?xí)斐蓢?yán)重的危害。

其主要危害有：一是燒毀電動(dòng)機(jī)。電壓過低超過10%，將使電動(dòng)機(jī)電流增大，線圈溫度升高嚴(yán)重時(shí)甚至燒損電動(dòng)機(jī)。二是降低電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于電壓降低，相應(yīng)降低線路輸送極限容量，因而降低了穩(wěn)定性。電壓過低時(shí)可能發(fā)生電壓崩潰事故。

近年來由于電網(wǎng)電壓崩潰而引起的電網(wǎng)事故多有發(fā)生，因此電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題引起了廣泛關(guān)注。開發(fā)適應(yīng)性高，工作電壓范圍寬的空調(diào)器產(chǎn)品具有非常重要的意義。

2 電壓變化對(duì)變頻空調(diào)的影響

變頻空調(diào)（如圖1）一般采用交流—直流—交流電壓型變頻器，主回路由整流電路、濾波電

路、逆變電路等部分組成。整流電路將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電，濾波電路將脈動(dòng)的直流電變成平穩(wěn)的直流電，逆變電路則將直流電逆變成電壓和頻率可調(diào)的交流電。濾波電路也是中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，通常是由若干個(gè)電解電容串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成，電容量取決于變頻器的設(shè)定功率，一般從數(shù)百到數(shù)千微法拉不等?？照{(diào)在運(yùn)行過程中，電能從電網(wǎng)經(jīng)由變頻器傳遞到壓縮機(jī)帶動(dòng)制冷系統(tǒng)。當(dāng)供電電源發(fā)生大的電壓波動(dòng)時(shí)，一方面變頻壓縮機(jī)繼續(xù)運(yùn)行需要消耗能量，另一方面電壓波動(dòng)期間變頻器中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的能量又不能得到及時(shí)、足夠的補(bǔ)充，這就導(dǎo)致中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)電解電容兩端的直流電壓值迅速降低。當(dāng)電壓情況恢復(fù)正常時(shí)，供電電源給電解電容重新充電補(bǔ)充能量，直至其兩端恢復(fù)至電壓波動(dòng)前的電壓值，在此過程中充電電流隨之產(chǎn)生，其大小取決于電壓波動(dòng)前后電解電容兩端直流電壓值的變化幅度，直流電壓變化幅度越大，充電電流越大。如果處理不當(dāng)，則會(huì)產(chǎn)生較大的充電電流，從而影響變頻器整流、濾波電路的壽命甚至直接產(chǎn)生破壞，也可能對(duì)電源帶來沖擊，導(dǎo)致電源斷路器跳閘。

由上述分析可知，電壓變化波動(dòng)對(duì)變頻空調(diào)的影響主要是，變頻器電解電容兩端的直流電壓值變化引起的充電電流對(duì)變頻主回路和供電電源的沖擊和破壞。

通常變頻器都設(shè)有中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的欠壓保護(hù)功能，當(dāng)電解電容兩端的直流電壓值降低至設(shè)定欠壓保護(hù)值時(shí)，變頻器因欠壓保護(hù)而迫使變頻負(fù)載停止工作。一旦變頻負(fù)載停止工作，由于沒有能量的繼續(xù)消耗（或僅存在放電電阻等小負(fù)載消耗有限的能量），電解電容兩端的直流電壓值不會(huì)繼續(xù)下降（或下降非常緩慢）。該保護(hù)功能能有效地限制電壓波動(dòng)發(fā)生時(shí)電解電容兩端電壓值的下降幅度，從而抑制電壓恢復(fù)正常時(shí)的充電電流大小，減小對(duì)變頻空調(diào)的影響和危害。但是這種以保護(hù)停機(jī)為代價(jià)來保證空調(diào)可靠性的方法，難以滿足用戶對(duì)于環(huán)境舒適性的訴求[1]。

3 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)探討

3.1 電壓高適應(yīng)性的電機(jī)開發(fā)

電壓偏低對(duì)家用電器的危害包括對(duì)單相異步電動(dòng)機(jī)的危害。當(dāng)電動(dòng)類家用電器的實(shí)際電壓大大低于銘牌額定電壓時(shí)，將會(huì)引起轉(zhuǎn)矩急劇減小、轉(zhuǎn)速降低和滿負(fù)荷運(yùn)行中溫升增高，加速絕緣老化甚至燒壞電動(dòng)機(jī)。電壓低還會(huì)使家用電器的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難甚至無法啟動(dòng)，且在啟動(dòng)時(shí)有較大噪聲。

為提高電機(jī)的電壓適應(yīng)性，需要調(diào)整電機(jī)的力矩特性曲線，使其電壓變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化小，在變化加大的情況下仍能正常工作。提高制作工藝，使齒輪與齒輪咬合緊密，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無虛位產(chǎn)生，每一步精確到位。并通過室內(nèi)主控板的基準(zhǔn)電壓和智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為電機(jī)工作提供穩(wěn)定電壓，使超低電壓下步進(jìn)電機(jī)可正常工作。同時(shí)挑選適合的風(fēng)機(jī)電容，為電機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行提供合理的轉(zhuǎn)矩，低電壓情況下保證電機(jī)有良好的轉(zhuǎn)速，高壓時(shí)溫升低。電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定為低電壓情況下空調(diào)制冷、制熱效果及系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供保證[2]。

3.2 高適應(yīng)性控制方案的設(shè)計(jì)選擇

3.2.1 室內(nèi)外控制方案的設(shè)計(jì)

空調(diào)電控裝置通常分室內(nèi)外控制板，室內(nèi)外控制板分別控制對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。偏遠(yuǎn)地區(qū)空調(diào)可能長期在低電壓下工作，工業(yè)園地區(qū)電壓波動(dòng)頻繁及幅度大，且工業(yè)設(shè)備多為感性負(fù)載，影響電網(wǎng)輸出波形。

室內(nèi)控制板使用霍爾元件的反饋電路，可精確測量電機(jī)轉(zhuǎn)速。主芯片通過計(jì)算對(duì)比設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際檢測轉(zhuǎn)速，進(jìn)行智能PI調(diào)節(jié)，如此閉環(huán)回路控制可使電機(jī)轉(zhuǎn)速更穩(wěn)定準(zhǔn)確。實(shí)際使用還可以通過反復(fù)試驗(yàn)測試不同負(fù)載、不同電壓下理論值與實(shí)際值偏差，并將數(shù)據(jù)寫入程序，進(jìn)行智能補(bǔ)償。

室外電控板開關(guān)電源方案，采用PI公司設(shè)計(jì)的芯片TNY276實(shí)現(xiàn)高效率的電源設(shè)計(jì)，變壓器多路電壓輸出：控制四通閥，電子膨脹閥提供的驅(qū)動(dòng)電壓12V；提供MCU和一些模塊電路工作電壓5V；提供芯片TNY276的限流電壓和為功率模塊提供電源15V。配合開關(guān)電源基于TL431和PC817設(shè)計(jì)的環(huán)路動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)保證了即使在重負(fù)載或低壓的情況下MCU工作電壓5V電源的穩(wěn)定性，以便保證各個(gè)電路控制的正常工作。TNY276使開關(guān)電源空載情況下消耗功率小于

50mW，其具有精確的遲帶熱關(guān)斷保護(hù)并具有自動(dòng)恢復(fù)功能，電路中其引腳設(shè)計(jì)為“電氣”上的安靜點(diǎn)，從而降低了EMI。

圖1 變頻空調(diào)負(fù)荷模型

圖2 電源轉(zhuǎn)換方案

圖3 運(yùn)行電參數(shù)1

圖4 運(yùn)行電參數(shù)2

目前變頻空調(diào)一般采用無源PFC，即被動(dòng)式PFC來降低電流諧波，減少對(duì)電網(wǎng)的污染，但是這種方式會(huì)導(dǎo)致控制器直流電壓降低，高負(fù)荷或者較差工況時(shí)空調(diào)不能為用戶提供更多的制冷量和制熱量，降低用戶體驗(yàn)，所以逐漸被淘汰。另一種常用的PFC電路是主動(dòng)型的，即有源的，但是其為部分開關(guān)型，能夠顯著改善輸入電流波形，降低諧波失真，但是一般其直流電壓不會(huì)升高很多，尤其是電網(wǎng)電壓較低時(shí)，直流電壓也會(huì)下降，不利于提高空調(diào)整機(jī)性能。

為提高電壓適應(yīng)性，在電路設(shè)計(jì)中，旁路/多功能引腳增加了一個(gè)10uF電容使電流模式增大電流限流值；在使能/欠壓上連接一個(gè)電阻使其芯片開啟欠壓保護(hù)功能全輸出PFC控制技術(shù)；采用軟件控制的全開關(guān)PFC控制器，能夠大幅改善輸入電流諧波，并能在電網(wǎng)電壓大幅度變化時(shí)，也能保持穩(wěn)定可靠的高直流電壓，以便空調(diào)隨時(shí)為用戶提供充足的制冷量或者制熱量，提高用戶體驗(yàn)[3]。

3.2.2 電源轉(zhuǎn)換方案的選擇

為提高變頻空調(diào)的電壓自適應(yīng)范圍，核心電機(jī)（壓縮機(jī)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)）采用直流電機(jī)，由于直流電機(jī)的特點(diǎn)，電機(jī)的運(yùn)行只需要保證一定范圍內(nèi)穩(wěn)定的直流電壓即可實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定、舒適的空調(diào)運(yùn)行調(diào)節(jié)。

而不穩(wěn)定的交流輸入電壓如何轉(zhuǎn)換為一定范圍內(nèi)穩(wěn)定的直流電壓乃是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

如圖2所示的電源轉(zhuǎn)換方案采用Boost電路配合核心算法，可適用于交流100V～260V的電壓環(huán)境。硬件上從眾多產(chǎn)品中精選合適的功率器件，輔以高精密電流、電壓采樣傳感器，從而實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。軟件方面采用雙閉環(huán)+電流前饋控制技術(shù)，以高精度A/D采樣配合軟件矯正算法，對(duì)輸入電流和輸出電壓進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)空調(diào)超低電壓和超高電壓運(yùn)行（如圖3、圖4所示）。

優(yōu)秀、高效的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能自適應(yīng)復(fù)雜多變的電網(wǎng)電壓，為空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行提供穩(wěn)定的電壓平臺(tái)，同時(shí)極大地減小了高次諧波對(duì)電網(wǎng)的危害。

3.3 高精度四通閥的開發(fā)

四通電磁換向閥由主閥、先導(dǎo)閥和電磁線圈三部分組成。當(dāng)空調(diào)器制冷運(yùn)行時(shí)，電磁線圈不通電，先導(dǎo)閥內(nèi)的鐵芯在彈簧力的作用下移向左端，使主閥左端為低壓腔，而右端在壓縮機(jī)排氣壓力的作用下，活塞向左移動(dòng)，形成了如圖6所示的制冷循環(huán)狀態(tài)。當(dāng)空調(diào)器制熱運(yùn)行時(shí)，電磁線圈通電，先導(dǎo)閥內(nèi)的鐵芯在電磁力的作用下移向右端，使主閥右端為低壓腔，而左端在壓縮機(jī)排氣壓力的作用下，活塞向右移動(dòng)，形成制熱循環(huán)狀態(tài)，如圖5所示。

為提高電壓波動(dòng)情況下四通閥的響應(yīng)速度，四通閥采用以下設(shè)計(jì)：

（1）四通閥線圈采用中間抽頭的方式，將四通閥線圈線圈繞組分成兩部分。在電壓較高時(shí)，采用部分繞組工作；在電壓較低時(shí)，采用全部繞組工作。區(qū)別于普通線圈線圈繞組只能全部投入使用的方式。如圖6所示，2為電源線a，3為電源線b，4為電源線c。

（2）線圈中心設(shè)置鋼制散熱套筒，一方面起到導(dǎo)磁的作用，另一方面可以減少四通閥體和線圈之間的導(dǎo)熱，同時(shí)通過空氣的對(duì)流散熱，降低四通閥線圈的溫升。如圖6所示，圖中1為散熱套筒a，5為殼體，6為絕緣層，7為線圈，8為散熱套筒b，9為散熱套筒散熱槽。

（3）提高四通閥加工精度，減少系統(tǒng)中制冷劑的流動(dòng)阻力，使電壓較低時(shí)換相所需的力矩減小，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）通過空調(diào)器電機(jī)、室內(nèi)外控制板等主要零部件的合理設(shè)計(jì)、合理選配，能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)電壓的高適應(yīng)性，確保空調(diào)在不同電壓市場的可靠性。

（2）電壓高適應(yīng)性空調(diào)器產(chǎn)品憑借其具有工作電壓范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、用戶使用舒適度高的等特點(diǎn)，十分適用農(nóng)村、工業(yè)園區(qū)、用電高峰期等電壓波動(dòng)大的環(huán)境，應(yīng)用前景十分廣泛。對(duì)于促進(jìn)農(nóng)村電氣化事業(yè)發(fā)展，開拓農(nóng)村消費(fèi)市場，改善民生，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、構(gòu)建和諧社會(huì)具有十分重要意義。

圖5 四通閥工作狀態(tài)示意圖

圖6 電壓高適應(yīng)性的四通閥線圈

[1] 李剛，張仙平. 小型制冷設(shè)備低壓啟動(dòng)探討析[J].鄭州紡織工學(xué)院學(xué)報(bào),2000,11(6).

[2] 孔維濤，張慶范，李瑞來，何洪臣． 電網(wǎng)瞬時(shí)停電保持變頻器母線電壓的新方法[J]． 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006,21(6):54-58.

[3] 機(jī)械工程手冊(cè)、電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì)編.電機(jī)工程手冊(cè)第4卷電機(jī)：機(jī)械工業(yè)出版社，1982

Discussion on design of air-conditioner used in low voltage areas

LIU Yang ZHANG Jing ZHAO Yuntao YOU Shunyi
(Guangdong CHIGO Air Conditioning Co.,Ltd. Foshan 528244)

More and more popular in the air-conditioning and household appliances and conditions, people’s demand for electricity is increasing, in the peak time adjustable often run at low voltage, which leads to the air conditioner break down. This paper introduces the air distribution and purification design of air-conditioning runs in low voltage areas.

Air conditioning; Low voltage; Reliability