直流變頻驅(qū)動技術(shù)在空調(diào)設(shè)計中的應(yīng)用

錢中源

摘 要：傳統(tǒng)空調(diào)通過壓縮機的啟停來對室內(nèi)進行恒溫控制，會耗費大量的電能并產(chǎn)生較大的噪音，應(yīng)用直流變頻技術(shù)的空調(diào)可以使壓縮機以較低的轉(zhuǎn)速運行，具有很好的節(jié)能效果。本文先對直流變頻空調(diào)原理和結(jié)構(gòu)進行論述，對直流變頻室內(nèi)機、室外機控制系統(tǒng)進行分析與探討。

關(guān)鍵詞：直流變頻;空調(diào)設(shè)計;無刷直流

中圖分類號：TM925 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0082-02

隨著人們生活水平的不斷提升，更多的空調(diào)制冷設(shè)備進入到家庭中，傳統(tǒng)的空調(diào)制冷設(shè)備電能利用率并不高，存在著電能浪費的問題，無法達到節(jié)能的要求。直流變頻驅(qū)動技術(shù)是空調(diào)的發(fā)展方向，具有啟動功率大、電機效率高、接近設(shè)定溫度后低功率運行、高能效比等特點，隨著國家能效規(guī)定的頒布，將會使直流變頻空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用變得更為普及。

1直流變頻空調(diào)原理和結(jié)構(gòu)

該種類型的空調(diào)利用無刷直流電機來驅(qū)動壓縮機運行，直流變頻控制電路仍與交流變頻一樣，人們習(xí)慣將采用無刷直流電機的空調(diào)叫作直流變頻空調(diào)。無刷直流電機轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料制作而成，定子采取整距繞組的方式，不再采用直流電機的電刷裝置，但具有與直流電機同樣的調(diào)整性能，有更高的運行效率和調(diào)速性能，應(yīng)用到變頻空調(diào)中有著很好的節(jié)能效果。該種類型的電機在運行時需要監(jiān)測永磁轉(zhuǎn)子的位置信息，這樣才能準確地進行換相控制，保證直流永磁電機可以平穩(wěn)地運行。位置檢測可以采用霍爾元件，也可以通過監(jiān)測電機的相電壓信號通過邏輯計算得到，電機線圈繞組運行過程中，會持續(xù)存在兩相通電、一相不通電現(xiàn)象，可以將剩余相作為轉(zhuǎn)子位置的檢測信號線，可以實現(xiàn)對感應(yīng)電壓的捕獲，然后對定子線圈方波電壓進行控制，這樣不再需要配置霍爾傳感器，空調(diào)中轉(zhuǎn)子位置檢測都采用無傳感器方式。變頻控制模塊還是根據(jù)SPWM方式進行調(diào)制，將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，對直流電機的三相線圈進行供電[1]。

直流變頻空調(diào)的室內(nèi)電路與傳統(tǒng)的空調(diào)基本類似，只是增加了與室外機通訊的電路。室外機主要由室外控制板、電源板、IPM變頻模塊等構(gòu)成，電源板對輸入的交流電進行濾波、整就能和功率因數(shù)調(diào)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的電流電源，起到過流、過壓等保護功能，實現(xiàn)對電路板的檢測，可以對室內(nèi)機進行通信，對變頻模塊輸出進行控制，如圖1所示。

2直流變頻器室內(nèi)機控制系統(tǒng)

2.1單元微處理器

室內(nèi)機在整個直流變頻空調(diào)系統(tǒng)中為從屬地位，用于對室內(nèi)溫度、濕度等進行檢測，識別和判斷遙控器發(fā)出的信號，對室內(nèi)風(fēng)機速度進行調(diào)整，控制導(dǎo)向板的開度和方向等，根據(jù)室外機要求進行運行，但該部分與用戶直接聯(lián)系，是否設(shè)計合理將影響到用戶的使有體驗。室內(nèi)處理器采用改進的R5F100F芯片，是16位的處理器，具有低功率和高性能等特性，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器具有加密功能，設(shè)置有A/D轉(zhuǎn)換接口、定時器接口，定時器功能模塊可以設(shè)置信號采集和對比功能，也具出PWM輸出能力，多種運行狀態(tài)的選擇，可將室機置于STOP、WAIT模式。配置有串行通信接口SCI，低電壓禁止模塊等。尋址范圍可達到以64k，內(nèi)部有ROM固化模塊，可以實現(xiàn)在線編程與調(diào)試[2]。

2.2室內(nèi)控制板設(shè)計方案

室內(nèi)控制板用于控制送風(fēng)機、導(dǎo)風(fēng)板和百葉窗的控制，還具備外機的通信，獲取到遙控器發(fā)出信號，對室外上電情況進行檢測。室內(nèi)機還具備信號指示、離子凈化和功能選擇等功能，如果存在運行故障，會將故障碼進行顯示，給運行維護提供了便利，離子凈化則是通過繼電器來對其進行控制，如果室內(nèi)的灰塵超過設(shè)定的指標，繼電器動作后離子凈化器就會運行，可以釋放出負離子來對灰塵進行吸附處理，起到很好的空氣凈化效果。

全直流空調(diào)室內(nèi)機風(fēng)機選用直流無刷電機，可以減小室內(nèi)機的運行噪音，給居住人員更好的舒適度體驗，由于室內(nèi)風(fēng)機運行速度、性能等方面要遠低于室外壓縮機，可以采用具備位置傳感器的直流電機，利用PWM的方法對電機進行控制，可以對控制電路進行簡化，有利于控制生產(chǎn)成本。GP32內(nèi)核要以形成和輸出PWM波，在內(nèi)部寄存器中設(shè)置好PWM值，芯片相應(yīng)的引腳則會輸入位置控制信號給直流電機，電機中位置傳感器反饋回來的信號與PWM設(shè)定值進行比較，再調(diào)整PWM信號實現(xiàn)閉環(huán)控制。驅(qū)動電路采用星形非橋式結(jié)構(gòu)，采用MOSFET功率管進行并聯(lián)，設(shè)置有RC緩沖電路來對功率管進行保護，風(fēng)機轉(zhuǎn)子位置信號通過霍爾傳感器輸出，與電機轉(zhuǎn)子進行同軸連接，當感應(yīng)到磁場變化時輸出高電平來對MOSFET功率管通斷狀態(tài)進行控制。由于直流電機轉(zhuǎn)子的持續(xù)轉(zhuǎn)動，位置傳感器也會隨之轉(zhuǎn)運，通過每相繞組的換流來控制通電時間和電壓，這樣就可以完成對直流電機的速度調(diào)整。

導(dǎo)風(fēng)板和百葉窗為室內(nèi)機的重要部件，直接影響著室內(nèi)機的性能，用于確定室機的送風(fēng)方向，是通過四相八拍的步進電機來控制導(dǎo)風(fēng)板，MCU電路輸出端口發(fā)送出步進電機的脈沖控制信號驅(qū)動頻進電機運行。

3直流變頻空調(diào)室外機系統(tǒng)

3.1直流變頻空調(diào)制冷系統(tǒng)原理

直流變頻空調(diào)為效率很高的節(jié)能型冷暖熱泵空調(diào)，控制壓縮機驅(qū)動電機的電壓和頻率，通過電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來對壓縮機容量進行調(diào)節(jié)，需要根據(jù)室內(nèi)的溫、濕度情況來進行控制。冷凝器是對空調(diào)制冷系統(tǒng)向外界進行換熱裝的置，空調(diào)系統(tǒng)釋放的熱量是從蒸發(fā)器提取走的熱量、壓縮機運行產(chǎn)生熱量，壓縮機將制冷劑蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏?，在中低溫條件下進行蒸發(fā)制冷，可以在常溫狀態(tài)下實現(xiàn)液化。壓縮機需要持續(xù)地吸入和排出氣體，方可以保證制冷持續(xù)進行運行。直流變頻空調(diào)運行過程中，發(fā)果室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度產(chǎn)生較大的偏差，空調(diào)就是進行強制加熱或制冷，壓縮機驅(qū)動電機就會以較高速度運行，比如，為了加快加熱或制冷效率，電機120Hz運行。如果與設(shè)定溫度相符時，直流驅(qū)動電流運行速度就會變低，不再需要為室內(nèi)提供更多的制熱、制冷量。因為變頻直流電機可以在較低的轉(zhuǎn)速下運行，比如，30Hz或者更小的頻率，那么室內(nèi)的溫度已經(jīng)接近設(shè)定值，壓縮機就不會頻繁地啟動和停止，將會以較低的速度持續(xù)運行，可以避免較高頻次啟動產(chǎn)生的運行噪音和對電網(wǎng)的產(chǎn)生沖擊[3]。

3.2空調(diào)室外機電氣控制系統(tǒng)

用戶操作遙控器來對直流變頻空調(diào)進行操作，通過特定頻率的紅外信號來與室內(nèi)機進行通信，室內(nèi)機與室外機采用通信方式來進行信息交互。室內(nèi)機接收室內(nèi)控制單元發(fā)出的命令，調(diào)整室外機的運行狀態(tài)。室外機控制系統(tǒng)由MCU控制板和主電路構(gòu)成，對交流電源進行濾波和整流處理以后，轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的直流電源，通過功率逆變模塊調(diào)節(jié)直流電機后來驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)，室外機電路如圖2所示。

圖2 室外機主電路框圖

MCU控制板控制對象為壓縮機、室內(nèi)電子膨脹閥等，實現(xiàn)與室內(nèi)機的數(shù)據(jù)交互，對室外環(huán)境溫度、冷凝器、壓縮機吐氣溫度的檢測，對電源的電流、電壓進行檢測，MCU生成PWM信號作為IPM的驅(qū)動回路，并對IPM逆變模塊進行保護，實現(xiàn)對反電動勢的檢測。在對室外機MCU控制板進行設(shè)計時，應(yīng)該盡量保證控制電路的簡化，控制軟件易于實現(xiàn)，具有很好的性價比，減少設(shè)計開發(fā)時間。可以采用已經(jīng)技術(shù)成熟的變頻控制芯片和功能模塊來對硬件電路進行設(shè)計[4]。

3.3變頻控制微處理器和功率模塊

根據(jù)直流變頻空調(diào)室外機需要控制和監(jiān)測對象的要求，需要選用的芯片不得低于8路數(shù)模轉(zhuǎn)換處理通道，還應(yīng)該配置有16路I/O接口，1個具備外部中斷輸入口，用于變頻驅(qū)動的PWM波形輸出端口，接入壓縮機保護信號的端口等。室外機芯片針對PWM波發(fā)生模塊性能要求較低，需要具備反電動勢信號捕獲口來對其進行檢測，可采用R5F100F單片機作為控制核心。該芯片有著較好的性價比，運行速度可以達到8MHz，有著較多的控制功能，運行功耗也比較低，內(nèi)置FLASH存儲器，可用作MCU板控制芯片，尋址區(qū)間為64K。內(nèi)部配置有ROM模塊，外圍控制板可通過單線方式與芯片聯(lián)系，為編程和調(diào)試提供了便利。

MR32為驅(qū)動直接電機波形的芯片，內(nèi)部定時器功能可以生成多種類型的PWM波。直流無刷電機作為控制對象，通過定時器來對轉(zhuǎn)子位置信號進行獲取有著很大的便利性，TIM為四通道定時器，可以對PWM信號進行采集和對比，內(nèi)部為16位計數(shù)器，通過程序可以對四個通道進行捕獲與對比，時鐘可通過內(nèi)部總線或外部時鐘進行控制。輸入捕獲可利用CUP來進行中斷控制，采用TIM來對電機三相位信號進行檢測，可以對電機實現(xiàn)閉環(huán)控制，可以形成具備一定寬度和頻率的脈沖，如果計數(shù)器數(shù)值累加與比較寄存器相同，則會清除掉通道電平。比較后可以向CPU發(fā)出中斷控制要求。在輸出對比功能時，如果計數(shù)器數(shù)值溢出，則需要將引腳電平進行切換控制，則可以生成PWM波形，寄存器模數(shù)與PWM周期有著直接關(guān)系，當計數(shù)器值與寄存器模數(shù)相符時，則需要TIM切換到輸出引腳電平。

與變頻器中采用IGBT模塊進行比較來看，智能功率模塊把功率開關(guān)元件、驅(qū)動控制電路、檢測電路等共同封裝到模塊內(nèi)，可用于對電流進行檢測，具有過流、過壓等保護功能，有著更高的可靠性，不再單獨采用防靜電保護措施，具有更高的操作性。智能功率模塊采用三代IGBT和續(xù)流二極管，高速運行的IGBT和門驅(qū)動電路構(gòu)建起集成器件，IPM故障輸出端可用于驅(qū)動光耦，把故障信號發(fā)送給數(shù)據(jù)鎖存器，用于故障信號的識別和判斷。利用IPM進行輸出頻率控制比較方例，接口電路和擴展電路也比較簡單，配離好光耦隔離、電流和電容就可以實現(xiàn)。IPM智能功率模塊的選用需要考慮直流電機的過載需要，如果變頻空調(diào)額定功率為1.4kW，輸入電壓為220V，逆變功率元件電流則為：

，公式中的1.2-2為設(shè)置的安全裕量，是為了滿足直流電機的過載倍。220V交流電采用橋式整方式，則直流輸出端電壓為：UD=1.35×1.2×220=356.4V，可以選擇額定電流為30A，電壓為600V的IPM功率模塊。利用SPWM逆變器可以有效減小逆變器電壓的高次諧波，使輸出的電流與正弦波接近，也可以降低開關(guān)頻率，有的IPM模塊的輸出頻率可以高達10-20kHz，在確定開關(guān)頻率時還應(yīng)該結(jié)合開關(guān)的損耗情況，可以選用PM30CSJ060功率模塊，具有很好的短路保護性能，提高驅(qū)動電路的安全性[5]。

3.4室外單元設(shè)計方案

直流變頻空調(diào)利用電子膨脹閥來對室內(nèi)機制冷劑流量進行調(diào)節(jié)，為四相八拍的步進電機，通過MCU模塊輸出脈沖信號進行控制。四通閥、散熱風(fēng)扇則采用斷電控制的辦法，MCU模塊輸出控制信號后通過三極管進行驅(qū)動，繼電器線圈接通后可以實現(xiàn)對強電的通斷控制。直流電機采用反電動勢控制技術(shù)，可以對電氣系統(tǒng)進行很好地保護。

4結(jié)語

傳統(tǒng)的空調(diào)通過控制壓縮機的啟停來進行控制室內(nèi)的溫度，沒有對溫度、濕度和負離子濃度指標進行考慮，無法滿足人們對舒適度的要求。同時，由于壓縮機的頻繁啟停還會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，額定轉(zhuǎn)速運行還會造成電能的損失。直流變頻空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用是空調(diào)發(fā)展方向，具有很高的應(yīng)用價值，需要加強對直流變頻技術(shù)的研究，合理選用控制方案和電氣元件，保證直流變頻空調(diào)發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

參考文獻

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