直流变频空调器工作原理分析

直流变频空调器工作原理分析

摘　要：主要对变频空调，特别是对等宽度PWM(Pulse　Width　Modulation脉冲宽度调制方式)方式调速的直流变频予以阐述。
关键词：直流变频；PWM(脉冲宽度调制方式)；PAM(脉冲幅度调制方式)

1　  概述
　　图1为变频空调变频部分的基本构成。电源220V交流电压经转换器变换为直流。逆变器主要功能为实现换向，把直流电压转换成任意频率的有效值相当于三相交流电的脉冲电压信号;其最常见的结构形式是六个半导体开关元件组成的三相桥式电路(大功率模块)。

图1　变频部分的基本构成
逆变器的负荷为压缩机中的异步电动机， 变频空调器按照负荷是交流变频压缩机还是直流变频压缩机而分为交流变频与直流变频两大类。交流变频中逆变器的输出电压方式一般采用是不等宽度PWM调制方式，而直流变频中逆变器的输出电压方式一般采用是等宽度PWM调制方式。目前PAM (Pulse Amplitude Modulation脉冲幅值调制方式)以其独特的优越性而被用于直流变频空调器的压缩机输入电压的调制中。其调制波形图见图3。

图3　变频的各种调制方式
交流变频压缩机的电动机为普通三相异步感应电动机，因此不再赘述。下面主要以直流变频为核心进行论述。
2　大功率模块
　　有刷直流电动机中，当转子(单线圈)磁场转到与定子(永磁体)磁场平行后，若转子再越过此位置，而直流电源不改变流向，即线圈中的电流方向不改变的话，那么根据右手定则此时线圈受力将使之向原方向反转。因此，需有炭刷来改变线圈中电流的流向，使转子能继续旋转下去。
在压缩机中，由于汽缸中充满了氟利昂蒸汽，不能采用会产生火花的有刷直流电机，因此必须采用通过电子回路实现换向的无刷直流电机。
图2的虚框即显示了一种由六个三极管模块组成的逆变器，习惯上叫作大功率模块，其中A＋、B＋、C＋组成上支路，A+、B+、C+组成下支路。按图4表中顺序循环通断，每次总是上支路的一个三极管与下支路一个三极管ON，给压缩机定子线圈施加方波电压。

图4　等宽度PWM调制方式的电动机定子电压
3　直流压缩机电机的基本原理
　　直流压缩机的电机的转子为永磁体。典型的永磁体结构有弧形、逆弧形、V形、X形等；不同的排列，磁力线的集中度不一样，它直接影响电动机的效率。定子同交流压缩机电机为漆包线绕制而成。图5为四极(磁极对数为2)三相无刷直流电机的示意图， 定子线圈绕法如图5所示，每极2槽，共24槽。
首先大功率模块根据转子的旋转位置切换定子绕组的通电电流，始终保证转子N极对面的定子绕组导体内的电流流向为一个方向，如?；而转子S极对面的定子绕组导体内的电流流向为另一个方向，如⊙(参见图5右侧的电机横截面示意图)。具体地讲当转子处于图5的位置时，三极管A＋、C?导通，如图2可知，此时仅U、W线圈即A、C线圈中有电流，流向为a→、→c，即产生图示定子横截面上导体内电流的流向。我们把电机分成左上180°和右下180°两半来看。左上180°部分，a、导体的磁场根据右螺旋法则叠加后在定、转子间产生一个垂直向上的方向磁场， 而、 c导体磁场叠加后产生一个水平向右的磁场，二者再叠加的磁场ΦZ1方向如图; 正好与转子磁场Φd1互相垂直，于是便会产生逆时针方句的电磁转矩，推动转子向逆时针方向旋转。右下180°的原理一样。
※右螺旋法则：用右于握住导体，使大拇指方向为电流方向则其余四指的方向便是磁场的方向(磁力线的方向)。

图5　无刷直流电机示意图
当转子转过60°电气角后，按表1，是晶体管B＋、C导通，B、C线圈通电，且b→、→c， 我们会发现定子线圈仍正对转子N极，仍正对转子S极同样产生两个互相正交的定、 转子c磁场，如此反复，电动机即可旋转起来。其中定子绕组中控制方波电压波形与绕组切割磁力线的感应电压波形如图4的虚线部分所示，且每相绕组的导通电气角为30°。同理二极(磁极对数为1)的直流电机的每相绕组的导通电气角为60°,即电机转速为n=60fd/p(n:转速rpm;p:磁极对数：fd：电源频率Hz)。另外，电磁转矩在换向期间会产生少量凹点，引起一定的转矩波动。
表1　逆变器的通断顺序表
注:ON为通,其余为断

4　转子位置检测回路
　　直流电动机转子位置检测手段通常有磁敏式(霍尔元件)、光电式、电磁感应式、电磁谐振式等。用其中一种方式为捕捉上述定子线圈中产生的感应电压，作为转子的位置信号，再通过专门设计的电子回路转换，反过来控制给定子线圈施加方波电压的时刻。
如图5，在无刷直流电动机中总有两相线圈通电，一相不通电。一般无法对通电线圈测出感应电压，因此通常以剩余的一相作为转子位置检测信号用线。
5　起动
　　由于感应电压只有在电动机转动时产生， 因此不能通过转子位置检测电机起动。而必须强制性地输出驱动波形，直到电动机转速达到一定速度，可以靠感应电压测出转子位置为止，再切换到转子位置检测输出波形驱动方式。
例如，起动阶段大功率模块要经2～4秒的低频换向使压缩机转速到达200～500rpm，再进入通常位置检测运行模式。
6　变频调速的基本方式
　　由电动机理论对三相异步电动机而言有下式：
Ed=4.44fdNdΦz
Ed：定子每相线圈气隙磁通感应电压的均方根值V；
fd：电源频率Hz；
Nd：定子每相绕组的有效匝数；
Φz：每极气隙磁通量Wb。
为了保证电动机负载能力， 应保证Φz不变，这就要求Ed/fd为常数，这种保持Ed/fd为常数的控制方式又称恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。
由于Ed难于直接检测、控制，当Ed与fd较高时，定子漏阻抗压降小到可忽略不计，则可以以定子每相电压Ud代替Ed,保持Ud/fd为常数，即可称为恒压频比控制方式。
因此，欲实现压缩机稳定调速，除了要控制逆变器的换向频率外，还必须同时按比例提高或降低对压缩机施加的方波电压值。在电子控制方面采用大功率模块三极管，其基极电压信号是比换向频率还高的(例如上支路三极管是数千赫兹的高频开关)，从而向电动机施加的电压被段切开来(参考图4)，而电动机的平均直流电压与三极管的ON(开通)时间/(ON时间+OFF时间)成正比，以此便轻而易举地达到变频调速的目的。
7　直流变频与交流变频的比较
　　笼统地讲，交流变频空调器与直流变频空调器中采用的压缩机电机原理上部是定子产生一个不断旋转的圆形旋转磁场，其转速为n=60fd/p，利用定、 转子磁场间电磁力相互作用产生的转矩不断推动转子转动。
由于直流变频中采用了无刷直流电动机，其转子为永久磁铁，不需要外部供给电流，减少了损耗，因此效率较高。一般情况下较交流变频省电约12%，如果转子的磁体排列更科学，磁力线集中度更高，再加上采用含稀土钕的磁体，则可较交流变频省电高达18%～20％。
另外，因为直流变频可以随外界负荷的大小调节转速，在原理上比负荷变化时压缩机开停的交流变频要节能。因此，综上所述，直流变频要比交流变频省电。
8　PAM调制方式在空调器上的应用
　　如上所述， 直流变频压缩机为保持电机转矩不变， 必须使Ud/fd为常数，转速提高时， 压缩机输入电压应按比例上升。采用的等宽度PWM变频器，虽然具有扭矩大、灵敏度高的特点，但输出电压能力不足，制约了压缩机的最高转速。
PAM调制方式能在相同电网输入电压的情况下，获得较高的逆变器输出电压，因此如果在压缩机低速范围内沿用等宽度PWM调制方式，而在高速范围内采用PAM高效、低噪的混合调制方式，无疑是一个比较两全其美的办法。
PAM逆变器采用只负责频率的调节，转换器(一般为相控整流器或直流斩波器)则负责控制直流电压。不象PWM转换器负责产生一定的直流电压，而逆变器在控制频率的同时也进行电压的调节。PAM转换器具有网侧功率因素较大的特点，更利于空调器节电。如日立最新推出的全PAM直流变频空调，其功率因素可高达99.5%。