直流變頻空調(diào)器工作原理分析

直流變頻空調(diào)器工作原理分析

摘　要：主要對變頻空調(diào)，特別是對等寬度PWM(Pulse　Width　Modulation脈沖寬度調(diào)制方式)方式調(diào)速的直流變頻予以闡述。
關(guān)鍵詞：直流變頻；PWM(脈沖寬度調(diào)制方式)；PAM(脈沖幅度調(diào)制方式)

1　? 概述
　　圖1為變頻空調(diào)變頻部分的基本構(gòu)成。電源220V交流電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換器變換為直流。逆變器主要功能為實(shí)現(xiàn)換向，把直流電壓轉(zhuǎn)換成任意頻率的有效值相當(dāng)于三相交流電的脈沖電壓信號;其最常見的結(jié)構(gòu)形式是六個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件組成的三相橋式電路(大功率模塊)。

圖1　變頻部分的基本構(gòu)成
逆變器的負(fù)荷為壓縮機(jī)中的異步電動(dòng)機(jī)， 變頻空調(diào)器按照負(fù)荷是交流變頻壓縮機(jī)還是直流變頻壓縮機(jī)而分為交流變頻與直流變頻兩大類。交流變頻中逆變器的輸出電壓方式一般采用是不等寬度PWM調(diào)制方式，而直流變頻中逆變器的輸出電壓方式一般采用是等寬度PWM調(diào)制方式。目前PAM (Pulse Amplitude Modulation脈沖幅值調(diào)制方式)以其獨(dú)特的優(yōu)越性而被用于直流變頻空調(diào)器的壓縮機(jī)輸入電壓的調(diào)制中。其調(diào)制波形圖見圖3。

圖3　變頻的各種調(diào)制方式
交流變頻壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)為普通三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因此不再贅述。下面主要以直流變頻為核心進(jìn)行論述。
2　大功率模塊
　　有刷直流電動(dòng)機(jī)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子(單線圈)磁場轉(zhuǎn)到與定子(永磁體)磁場平行后，若轉(zhuǎn)子再越過此位置，而直流電源不改變流向，即線圈中的電流方向不改變的話，那么根據(jù)右手定則此時(shí)線圈受力將使之向原方向反轉(zhuǎn)。因此，需有炭刷來改變線圈中電流的流向，使轉(zhuǎn)子能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下去。
在壓縮機(jī)中，由于汽缸中充滿了氟利昂蒸汽，不能采用會產(chǎn)生火花的有刷直流電機(jī)，因此必須采用通過電子回路實(shí)現(xiàn)換向的無刷直流電機(jī)。
圖2的虛框即顯示了一種由六個(gè)三極管模塊組成的逆變器，習(xí)慣上叫作大功率模塊，其中A＋、B＋、C＋組成上支路，A+、B+、C+組成下支路。按圖4表中順序循環(huán)通斷，每次總是上支路的一個(gè)三極管與下支路一個(gè)三極管ON，給壓縮機(jī)定子線圈施加方波電壓。

圖4　等寬度PWM調(diào)制方式的電動(dòng)機(jī)定子電壓
3　直流壓縮機(jī)電機(jī)的基本原理
　　直流壓縮機(jī)的電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體。典型的永磁體結(jié)構(gòu)有弧形、逆弧形、V形、X形等；不同的排列，磁力線的集中度不一樣，它直接影響電動(dòng)機(jī)的效率。定子同交流壓縮機(jī)電機(jī)為漆包線繞制而成。圖5為四極(磁極對數(shù)為2)三相無刷直流電機(jī)的示意圖， 定子線圈繞法如圖5所示，每極2槽，共24槽。
首先大功率模塊根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置切換定子繞組的通電電流，始終保證轉(zhuǎn)子N極對面的定子繞組導(dǎo)體內(nèi)的電流流向?yàn)橐粋€(gè)方向，如?；而轉(zhuǎn)子S極對面的定子繞組導(dǎo)體內(nèi)的電流流向?yàn)榱硪粋€(gè)方向，如⊙(參見圖5右側(cè)的電機(jī)橫截面示意圖)。具體地講當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖5的位置時(shí)，三極管A＋、C?導(dǎo)通，如圖2可知，此時(shí)僅U、W線圈即A、C線圈中有電流，流向?yàn)閍→、→c，即產(chǎn)生圖示定子橫截面上導(dǎo)體內(nèi)電流的流向。我們把電機(jī)分成左上180°和右下180°兩半來看。左上180°部分，a、導(dǎo)體的磁場根據(jù)右螺旋法則疊加后在定、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生一個(gè)垂直向上的方向磁場， 而、 c導(dǎo)體磁場疊加后產(chǎn)生一個(gè)水平向右的磁場，二者再疊加的磁場ΦZ1方向如圖; 正好與轉(zhuǎn)子磁場Φd1互相垂直，于是便會產(chǎn)生逆時(shí)針方句的電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。右下180°的原理一樣。
※右螺旋法則：用右于握住導(dǎo)體，使大拇指方向?yàn)殡娏鞣较騽t其余四指的方向便是磁場的方向(磁力線的方向)。

圖5　無刷直流電機(jī)示意圖
當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電氣角后，按表1，是晶體管B＋、C導(dǎo)通，B、C線圈通電，且b→、→c， 我們會發(fā)現(xiàn)定子線圈仍正對轉(zhuǎn)子N極，仍正對轉(zhuǎn)子S極同樣產(chǎn)生兩個(gè)互相正交的定、 轉(zhuǎn)子c磁場，如此反復(fù)，電動(dòng)機(jī)即可旋轉(zhuǎn)起來。其中定子繞組中控制方波電壓波形與繞組切割磁力線的感應(yīng)電壓波形如圖4的虛線部分所示，且每相繞組的導(dǎo)通電氣角為30°。同理二極(磁極對數(shù)為1)的直流電機(jī)的每相繞組的導(dǎo)通電氣角為60°,即電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=60fd/p(n:轉(zhuǎn)速rpm;p:磁極對數(shù)：fd：電源頻率Hz)。另外，電磁轉(zhuǎn)矩在換向期間會產(chǎn)生少量凹點(diǎn)，引起一定的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。
表1　逆變器的通斷順序表
注:ON為通,其余為斷

4　轉(zhuǎn)子位置檢測回路
　　直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測手段通常有磁敏式(霍爾元件)、光電式、電磁感應(yīng)式、電磁諧振式等。用其中一種方式為捕捉上述定子線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，作為轉(zhuǎn)子的位置信號，再通過專門設(shè)計(jì)的電子回路轉(zhuǎn)換，反過來控制給定子線圈施加方波電壓的時(shí)刻。
如圖5，在無刷直流電動(dòng)機(jī)中總有兩相線圈通電，一相不通電。一般無法對通電線圈測出感應(yīng)電壓，因此通常以剩余的一相作為轉(zhuǎn)子位置檢測信號用線。
5　起動(dòng)
　　由于感應(yīng)電壓只有在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生， 因此不能通過轉(zhuǎn)子位置檢測電機(jī)起動(dòng)。而必須強(qiáng)制性地輸出驅(qū)動(dòng)波形，直到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定速度，可以靠感應(yīng)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(dòng)方式。
例如，起動(dòng)階段大功率模塊要經(jīng)2～4秒的低頻換向使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)200～500rpm，再進(jìn)入通常位置檢測運(yùn)行模式。
6　變頻調(diào)速的基本方式
　　由電動(dòng)機(jī)理論對三相異步電動(dòng)機(jī)而言有下式：
Ed=4.44fdNdΦz
Ed：定子每相線圈氣隙磁通感應(yīng)電壓的均方根值V；
fd：電源頻率Hz；
Nd：定子每相繞組的有效匝數(shù)；
Φz：每極氣隙磁通量Wb。
為了保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力， 應(yīng)保證Φz不變，這就要求Ed/fd為常數(shù)，這種保持Ed/fd為常數(shù)的控制方式又稱恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。
由于Ed難于直接檢測、控制，當(dāng)Ed與fd較高時(shí)，定子漏阻抗壓降小到可忽略不計(jì)，則可以以定子每相電壓Ud代替Ed,保持Ud/fd為常數(shù)，即可稱為恒壓頻比控制方式。
因此，欲實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)穩(wěn)定調(diào)速，除了要控制逆變器的換向頻率外，還必須同時(shí)按比例提高或降低對壓縮機(jī)施加的方波電壓值。在電子控制方面采用大功率模塊三極管，其基極電壓信號是比換向頻率還高的(例如上支路三極管是數(shù)千赫茲的高頻開關(guān))，從而向電動(dòng)機(jī)施加的電壓被段切開來(參考圖4)，而電動(dòng)機(jī)的平均直流電壓與三極管的ON(開通)時(shí)間/(ON時(shí)間+OFF時(shí)間)成正比，以此便輕而易舉地達(dá)到變頻調(diào)速的目的。
7　直流變頻與交流變頻的比較
　　籠統(tǒng)地講，交流變頻空調(diào)器與直流變頻空調(diào)器中采用的壓縮機(jī)電機(jī)原理上部是定子產(chǎn)生一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為n=60fd/p，利用定、 轉(zhuǎn)子磁場間電磁力相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不斷推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
由于直流變頻中采用了無刷直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，不需要外部供給電流，減少了損耗，因此效率較高。一般情況下較交流變頻省電約12%，如果轉(zhuǎn)子的磁體排列更科學(xué)，磁力線集中度更高，再加上采用含稀土釹的磁體，則可較交流變頻省電高達(dá)18%～20％。
另外，因?yàn)橹绷髯冾l可以隨外界負(fù)荷的大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在原理上比負(fù)荷變化時(shí)壓縮機(jī)開停的交流變頻要節(jié)能。因此，綜上所述，直流變頻要比交流變頻省電。
8　PAM調(diào)制方式在空調(diào)器上的應(yīng)用
　　如上所述， 直流變頻壓縮機(jī)為保持電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變， 必須使Ud/fd為常數(shù)，轉(zhuǎn)速提高時(shí)， 壓縮機(jī)輸入電壓應(yīng)按比例上升。采用的等寬度PWM變頻器，雖然具有扭矩大、靈敏度高的特點(diǎn)，但輸出電壓能力不足，制約了壓縮機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。
PAM調(diào)制方式能在相同電網(wǎng)輸入電壓的情況下，獲得較高的逆變器輸出電壓，因此如果在壓縮機(jī)低速范圍內(nèi)沿用等寬度PWM調(diào)制方式，而在高速范圍內(nèi)采用PAM高效、低噪的混合調(diào)制方式，無疑是一個(gè)比較兩全其美的辦法。
PAM逆變器采用只負(fù)責(zé)頻率的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換器(一般為相控整流器或直流斬波器)則負(fù)責(zé)控制直流電壓。不象PWM轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)產(chǎn)生一定的直流電壓，而逆變器在控制頻率的同時(shí)也進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)。PAM轉(zhuǎn)換器具有網(wǎng)側(cè)功率因素較大的特點(diǎn)，更利于空調(diào)器節(jié)電。如日立最新推出的全PAM直流變頻空調(diào)，其功率因素可高達(dá)99.5%。