基于分體式空調(diào)器室內(nèi)PG調(diào)速電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)分析

方顯禮

小功率分體機(jī)室內(nèi)風(fēng)機(jī)目前用的是PG調(diào)速塑封電機(jī)，為單向異步電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。為了滿足當(dāng)前社會對空調(diào)舒適性的要求，空調(diào)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)即制冷、制熱、濕度、空氣清新度、氧氣等指標(biāo)都應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，所以必須保證室內(nèi)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足系統(tǒng)的要求，并保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。為達(dá)到以上目的，可采用可控硅調(diào)壓調(diào)速的方法來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了保證所調(diào)電壓滿足轉(zhuǎn)速要求，則必須檢出電源的零點(diǎn)和測出風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，故在實(shí)際電路中，還需使用過零檢測電路來檢出電源的零點(diǎn)，使用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電路來檢測轉(zhuǎn)速，再通過調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角來使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到系統(tǒng)要求。

一、電路原理

現(xiàn)小功率分體機(jī)采用的室內(nèi)風(fēng)機(jī)電機(jī)為塑封PG調(diào)速電機(jī)（如圖1），為單相異步電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，級對數(shù)為四級，并帶轉(zhuǎn)速反饋，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)或多個(gè)方波信號。

單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，振動(dòng)和噪音較小，并且只需單相電源供電，所以在家電行業(yè)中應(yīng)用廣泛。它主要由定子與轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子部分由定子鐵心、繞組和基座組成，定子鐵心由硅鋼片壓成，且內(nèi)圓有許多槽，用以嵌入定子繞組。由于單相繞組只能產(chǎn)生脈動(dòng)電勢，電機(jī)沒有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩而無法啟動(dòng)，因此單相電機(jī)的定子有兩相繞組，兩相繞組的軸線在空間相差90°電角度，其中一相繞組稱為主繞組，另一相繞組稱為副繞組或啟動(dòng)繞組。轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也用硅鋼片沖制而成，且外圓沖有許多槽，用以安放轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。

電機(jī)的定子兩相繞組通過交流電后，轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度叫同步轉(zhuǎn)速，以n1表示。n1的大小決定于通入電流的頻率和電機(jī)的極對數(shù)P，n1=60f/P（轉(zhuǎn)/分）。當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體被此旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。在轉(zhuǎn)子回路閉合的情況下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中就有電流流過，載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用而跟著旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速為n。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，這就是異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。由于使用的電源為單相交流電，從上面所介紹的電機(jī)的繞組情況而言，若不在啟動(dòng)繞組上接電容，而直接在兩相繞組上加交流電或只在主繞組上加交流電，則產(chǎn)生脈動(dòng)磁場，不能給轉(zhuǎn)子提供啟動(dòng)力矩，故在實(shí)際電路中，采用在啟動(dòng)繞組電路中串接啟動(dòng)電容的方法來使電機(jī)獲得啟動(dòng)力矩。電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動(dòng)機(jī)定子副繞組（即啟動(dòng)繞組）電路中串接電容器，此電容器在電機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都參與工作，由于電路中串接電容，使副繞組回路為容性，故副繞組電流相位超前于電壓，主繞組電流則落后于電壓（由于主繞組回路為感性）。當(dāng)電容參數(shù)設(shè)計(jì)合適時(shí)（一般為通過實(shí)驗(yàn)選定能滿足要求的電容），兩個(gè)繞組電流的相位差將接近90°，從而產(chǎn)生較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而啟動(dòng)電流較小，這樣來使電機(jī)獲得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

二、可控硅調(diào)速原理

1.工作原理

可控硅調(diào)速是用改變可控硅導(dǎo)通角的方法來改變電動(dòng)機(jī)端電壓的波形（如圖2），從而改變電動(dòng)機(jī)端電壓的有效值，達(dá)到調(diào)速的目的。

當(dāng)可控硅導(dǎo)通角α1=180°時(shí)，電動(dòng)機(jī)端電壓波形為正弦波，即全導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)可控硅導(dǎo)通角α1 <180°時(shí)，電動(dòng)機(jī)端電壓波形如圖實(shí)線所示，即非全導(dǎo)通狀態(tài)，有效值減小;α1越小，導(dǎo)通狀態(tài)越少，則電壓有效值越小，所產(chǎn)生的磁場越小，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。

由以上的分析可知，可控硅調(diào)速時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速可連續(xù)調(diào)節(jié)，但這時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓和電流波形不連續(xù)、波形差，故電動(dòng)機(jī)的噪音大，并帶來干擾。故在電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮這方面的問題，應(yīng)有適當(dāng)?shù)臑V波電路。

2.電路原理圖

具體電路原理如圖3所示。

3.工作原理簡介

采用分離元件實(shí)現(xiàn)TLP3526功能：電網(wǎng)交流電源經(jīng)過電阻降壓，通過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，獲得12V直流電壓，主控芯片通過光耦PC817與強(qiáng)電隔離，控制可控硅BT131導(dǎo)通與截止。

4.各元器件作用

D15、R28、R29、E9、DZ1、R30、C1組成降壓電路，獲得相對電壓12V;

R25、C15組成濾波電路，解決可控硅導(dǎo)通與截止對電網(wǎng)的干擾，通過EMI測試;同時(shí)防止可控硅兩端電壓突變，造成無門極信號誤導(dǎo)通。

L2為扼流線圈，防止可控硅回路中電流突變，對TR1進(jìn)行保護(hù);電感L2需放置在TR1后面。如果L2放置在TR1前端，由于電感L2為儲能元件，在TR1關(guān)斷和導(dǎo)通過程中，對R24形成沖擊，尖峰電壓接近50V，R24容易損壞。該點(diǎn)為市場上各種空調(diào)維修時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題。

C14為風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電容。

5.各元器件選型

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化要求，各元器件選型要求如下：

D15選用整流二極管1N4007;

R28、R29選用11KΩ3W功率電阻;

E9選用470uF 25V電解電容;

DZ1選用12V 0.5W穩(wěn)壓二極管;

R30選用100KΩ 0.25W碳膜電阻;

C1選用104濾波電容即可;

R25選用51Ω 1W氧化膜電阻;

C15選用0.33uF 275VAC安規(guī)電容;

L2選用100uH扼流線圈，并放在可控硅與電機(jī)之間;

TR1選用1A雙向可控硅BT131;

R24選用2KΩ 0.5W碳膜電阻;

IC6選用PC817;

R26選用560Ω 0.25W碳膜電阻;

其中R30、R26也可選用相關(guān)0805貼片電阻。

6.注意事項(xiàng)

①雙向可控硅TR1具有方向性，T1、T2接反后，電路不能正常工作。

②PC817中的發(fā)光二極管的電壓可采用+12V，將限流電阻R26改為1K即可。

③目前大部分實(shí)際PCB中均無R30、C1，R30可維持電路中的電流，避免出現(xiàn)電流突變現(xiàn)象，C1可濾除高頻干擾。

④本元器件選型適用于小功率的室內(nèi)PG電機(jī)，如PG電機(jī)功率過大，則不能使用可控硅BT131（額定工作電流為1A），需要選擇額定工作電流更大的可控硅，同時(shí)重新選擇R24的阻值。

三、過零檢測原理

1.電路原理圖（如圖4）

2.工作原理簡介

電網(wǎng)交流電源經(jīng)變壓器降壓后，先經(jīng)過整流，形成脈動(dòng)直流波形，同下圖C點(diǎn)波形，經(jīng)過電阻分壓后，再經(jīng)過電容濾波，濾去高頻干擾成分，形成下圖C點(diǎn)電壓波形。

當(dāng)C點(diǎn)電壓大于0.7V時(shí)，三極管導(dǎo)通，在三極管集電極形成低電平;當(dāng)電壓再次降到低于0.7V時(shí)，三極管截止，三極管集電極通過上拉電阻，形成高電平。這樣通過三極管的反復(fù)導(dǎo)通、截止，在芯片過零檢測端口D點(diǎn)形成100Hz脈沖波形，芯片通過判斷，檢測電壓的零點(diǎn)。

3.各元器件選型

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化要求，各元器件選型要求如下：

D1～D4選用整流二極管1N4007;

D5、D6選用整流二極管1N4007;

R11～R13選用12K 0.25W碳膜電阻，也可采用相關(guān)0805貼片電阻;

C1、C2選用223或103濾波電容;

Q2選用9013三極管;

R4選用5.1K 0.25W碳膜電阻，也可采用相關(guān)0805貼片電阻。

4.注意事項(xiàng)

該電路中，三極管依靠基極電壓動(dòng)作，此電壓由R2、R3分壓確定。使用貼片三極管時(shí)應(yīng)特別注意不能采用DTC143、DTA143等內(nèi)部集成電阻的貼片三極管，可使用NT8050-D9D。

四、風(fēng)速檢測電路

1.電路原理圖（如圖6）

2.工作原理簡介

+12V電源提供給電機(jī)內(nèi)置風(fēng)速檢測電路使用，目前市場常用的風(fēng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周，輸出1個(gè)脈沖方波，風(fēng)機(jī)內(nèi)置風(fēng)速檢測電路輸出波形通過一個(gè)限流電阻后，再通過103瓷片電容濾波，二極管1N4148鉗位，保證輸入芯片腳的電壓低于芯片的安全工作電壓（風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)芯片反饋電壓在5.5V左右）。芯片通過對輸入脈沖方波頻率的檢測，來判斷風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。若轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，則加大可控硅導(dǎo)通角，提高風(fēng)機(jī)電壓的有效值，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大;轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速，則減小可控硅導(dǎo)通角，降低風(fēng)機(jī)電壓的有效值，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變低。

3.各元器件選型

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化要求，各元器件選型要求如下：

D13選用IN4148，盡量選用插件二極管;

R21選用5.1K 0.25W碳膜電阻，也可采用相關(guān)0805貼片電阻;

C12選用103濾波電容;

4.注意事項(xiàng)

電機(jī)內(nèi)置檢測電路中使用控制器提供的+12V電源，需要確定控制器所提供的+12V電源不會超出霍爾元件的耐壓值。

五、小結(jié)

經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)，長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行后，該分體式空調(diào)器室內(nèi)風(fēng)機(jī)可控硅調(diào)速控制改進(jìn)電路具有技術(shù)成熟、功能齊全、性能優(yōu)越、可靠性高、耐用的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)風(fēng)機(jī)PG調(diào)速無極變速，調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速精度高、噪音低、舒適感強(qiáng)、節(jié)能省電、保護(hù)功能完善和操作簡單，提高了室內(nèi)風(fēng)機(jī)的速度精確控制，增加了室內(nèi)舒適度。當(dāng)然技術(shù)的追求是無止境的，伴隨著微控制器、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，PG調(diào)速也可以采用變頻技術(shù)來代替。

責(zé)任編輯陳春陽