R410a環(huán)保型直流變頻空調(diào)器的設(shè)計(jì)

張赤勇

（江蘇春蘭制冷設(shè)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(jìn)，選擇制冷劑時(shí)對(duì)環(huán)境的關(guān)注也從臭氧消耗轉(zhuǎn)到了全球升溫潛能?？照{(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(yīng)會(huì)直接導(dǎo)致全球升溫?？照{(diào)機(jī)的效能則會(huì)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(shí)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(guān)信息與內(nèi)部的設(shè)定值比較，經(jīng)運(yùn)算處理輸出控制信號(hào)。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(hào)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(jī)的直流電機(jī)，控制壓縮機(jī)的排量?？照{(diào)器具有自動(dòng)運(yùn)行、制冷、抽濕、通風(fēng)、制熱五大功能?？筛鶕?jù)人為設(shè)定及周圍環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)室外壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，并盡可能提高環(huán)境的舒適度。具有自動(dòng)除霜功能，即使在寒冬，空調(diào)器也有強(qiáng)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(shè)計(jì)由電器控制部分的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)電機(jī)繞組的示意圖

圖2 反電勢(shì)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(dòng)以及蜂鳴提示、故障代碼提示、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、風(fēng)向電機(jī)、設(shè)置測(cè)試開關(guān)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(dòng)回路、傳感器回路（室內(nèi)環(huán)溫、室內(nèi)管溫、室內(nèi)出風(fēng)溫度）、通訊回路、遙控接收回路；室內(nèi)管溫涉及防冷風(fēng)保護(hù)、室內(nèi)管溫過高保護(hù)、防凍結(jié)保護(hù)。

室外控制器主要完成通訊、LED推動(dòng)、變頻控制、溫度參數(shù)采集、電流參數(shù)采集、室外風(fēng)機(jī)、換向閥以及壓縮機(jī)保護(hù)器參數(shù)及其他保護(hù)參數(shù)的采集、壓縮機(jī)反電動(dòng)勢(shì)采樣等功能控制。由于室外機(jī)工作環(huán)境比較惡劣，控制芯片應(yīng)為工業(yè)級(jí)芯片，且由于變頻運(yùn)算的需要，要求有較高的運(yùn)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(guān)電源電路、測(cè)試調(diào)試功能、傳感器回路（室外環(huán)溫、室外管溫、壓縮機(jī)排氣溫度、壓縮機(jī)殼體溫度）、反電勢(shì)采樣電路。

圖4 CPU輸出PWM驅(qū)動(dòng)波形信號(hào)

直流變頻空調(diào)制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁四通閥、毛細(xì)管等部件組成。工作時(shí)，空調(diào)器根據(jù)空調(diào)房間的需要，自動(dòng)控制壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速加快，壓縮機(jī)的制冷量加大，達(dá)到快速制冷或制熱的目的。相反，當(dāng)房間的制冷或制熱量較小時(shí)，壓縮機(jī)以正常速度或較低速度運(yùn)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(dòng)較小。

2.3 使用R410a制冷劑的系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

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(diǎn)：

(1)R410a的容量和壓力高于R22，運(yùn)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(jī)，還可以用更小直徑的管路（使用ф7銅管）。厚壓縮機(jī)殼體可使系統(tǒng)經(jīng)受更高的運(yùn)行壓力。壓縮機(jī)造得厚重些還有一個(gè)好處，即R410a的運(yùn)行噪聲比R22壓縮機(jī)明顯地低2～4個(gè)分貝。

(2)與R22系統(tǒng)相比，R410a系統(tǒng)有個(gè)顯著的熱傳遞優(yōu)勢(shì) 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(dá)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(gè)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(jī)在壓縮過程中的損耗更低，蒸發(fā)器和冷凝器具有更強(qiáng)的熱傳遞性，整個(gè)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(yùn)行條件下，冷凝溫度更低，蒸發(fā)溫度更高，這使壓縮機(jī)在耗電更少、效率比更高的情況下，獲得一個(gè)更好的運(yùn)行范圍。

圖5 空調(diào)器啟動(dòng)瞬間U相的電流波形

3 直流無刷變頻壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制的基本工作原理

直流變頻壓縮機(jī)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(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)直接作用，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。可以通過改變送給電機(jī)的直流電壓來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直流變頻壓縮機(jī)不存在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁感應(yīng)作用，克服了交流變頻壓縮機(jī)的電磁噪音與轉(zhuǎn)子損耗，具有比交流變頻壓縮機(jī)效率高與噪音低特點(diǎn)，直流變頻壓縮機(jī)效率比交流變頻壓縮機(jī)高10%～30%，噪音低5～10分貝。

直流無刷變頻壓縮機(jī)的電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

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

圖6 壓縮機(jī)啟動(dòng)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(jī)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(dòng)電機(jī)。功率模塊一般由6個(gè)IGBT(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)。變頻控制器則提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定IGBT開關(guān)頻度及逆變器IGBT導(dǎo)通換相的時(shí)機(jī)。

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

因直流無刷變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)是通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來判斷出轉(zhuǎn)子所處的位置和轉(zhuǎn)速。圖2為反電勢(shì)的產(chǎn)生過程。

從圖2可以看出，壓縮機(jī)繞組都是二相繞組通電，一相不通電，一般情況下無法對(duì)通電線圈測(cè)出感應(yīng)電壓，通常是在運(yùn)行過程中通過檢測(cè)不通電的一相作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)用控制線。感應(yīng)電壓作為轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，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(shí)刻。

圖3為反電勢(shì)采樣電路，為了保證采樣精度，相關(guān)采樣電阻的精度要求應(yīng)達(dá)到0.5%。由于感應(yīng)電壓（反電勢(shì)）只有在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才能產(chǎn)生，因此不能通過轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電機(jī)啟動(dòng)。為了使壓縮機(jī)啟動(dòng)必須強(qiáng)制性地輸出驅(qū)動(dòng)波形，直到壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的速度，可以靠感應(yīng)電壓測(cè)出轉(zhuǎn)子位置為止。再切換到轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)輸出波形驅(qū)動(dòng)方式。CPU輸出PWM驅(qū)動(dòng)波形信號(hào)如圖4所示。

在壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中存在以下問題：

(1)在啟動(dòng)之前轉(zhuǎn)子位置不知道；

(2)壓縮機(jī)無位置檢測(cè)傳感器；

(3)在啟動(dòng)之前沒有反電勢(shì)信號(hào)；

(4)在啟動(dòng)過程中反電勢(shì)很難區(qū)分；

(5)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)所監(jiān)測(cè)到的反電勢(shì)很小；

(6)壓縮機(jī)在啟動(dòng)時(shí)CPU所送PWM載波的占空比必須根據(jù)不同的壓縮機(jī)進(jìn)行調(diào)整，筆者在實(shí)際試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)在啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，啟動(dòng)電流過大會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。當(dāng)壓縮機(jī)退磁率達(dá)到5%以上時(shí)，在啟動(dòng)和正常運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)異常電流和電流異常脈動(dòng)，從而導(dǎo)致功率模塊出現(xiàn)保護(hù)。

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

根據(jù)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)的電壓和電流特性建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，過零點(diǎn)電壓為VCC/2，如圖7和圖8。

4 IPM功率模塊的驅(qū)動(dòng)以及開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

IPM功率模塊的驅(qū)動(dòng)：功率模塊分為開關(guān)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(dòng)信號(hào)提供通路，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并反饋故障信號(hào)。功率模塊PS21265可實(shí)現(xiàn)單15V電源驅(qū)動(dòng)，輸入接口為高電平驅(qū)動(dòng)邏輯。光藕TLP421實(shí)現(xiàn)對(duì)功率模塊和MCU間電氣隔離。無感水泥電阻檢測(cè)直流母線電流，當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)，功率模塊內(nèi)部IGBT會(huì)立即關(guān)斷，模塊同時(shí)輸出保護(hù)故障信號(hào)。設(shè)定的電流保護(hù)值為：36A（檢測(cè)參考電壓0.43V /電阻0.012Ω=36A）。

4.2 開關(guān)電源

主要由電源芯片TOP243Y、開關(guān)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(hù)功能。開關(guān)變壓器采用EE19結(jié)構(gòu)，具有+15V 400mA和+13V400mA兩路獨(dú)立輸出能力。電路中另有兩個(gè)7805提供所需的5V直流電。通過試驗(yàn)測(cè)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(dòng)選擇芯片，芯片為TOP243Y（電源輸入電壓范圍為80～260V）。根據(jù)負(fù)載情況，設(shè)計(jì)開關(guān)變壓器采用EE19磁芯，次級(jí)兩路輸出額定值為+13V 400mA和+15V 400mA，采用三層絕緣線繞制，加強(qiáng)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(hù)和重啟動(dòng)等功能。TOP243Y設(shè)計(jì)的多路輸出開關(guān)電源的性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該電源工作在滿載狀態(tài)時(shí)，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(guān)管相分立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的開關(guān)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(jī)的驅(qū)動(dòng)工作原理以及功率模塊驅(qū)動(dòng)和開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方面的相關(guān)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(chǎng)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(dòng)減輕對(duì)電網(wǎng)的沖擊，降低啟動(dòng)能量，減小對(duì)電網(wǎng)的污染，同時(shí)實(shí)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(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)器來講，主要有5大特點(diǎn):

(1)啟動(dòng)電流低，故不存在啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)和對(duì)電度表的沖擊，也減少了對(duì)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(yùn)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(dòng)小，避免了傳統(tǒng)空調(diào)器采用的開/停運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法易造成的室內(nèi)溫度上下波動(dòng)大 、感覺不舒服的缺陷。

(4)電網(wǎng)電壓適應(yīng)性強(qiáng)，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(shí)也能運(yùn)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(jī)和微電腦技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，使空調(diào)性能進(jìn)一步提高，使用時(shí)房間溫度波動(dòng)小，舒適性更佳，對(duì)電源電壓波動(dòng)不敏感，壓縮機(jī)啟動(dòng)后，一般不停機(jī)，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(jī)的壽命，同時(shí)具有高效、節(jié)能的特點(diǎn)。