基于分體式空調器室內PG調速電機控制電路設計分析

方顯禮

小功率分體機室內風機目前用的是PG調速塑封電機，為單向異步電容運轉電動機。為了滿足當前社會對空調舒適性的要求，空調的正常運轉即制冷、制熱、濕度、空氣清新度、氧氣等指標都應達到標準值，所以必須保證室內風機的轉速滿足系統的要求，并保持轉速的穩定。為達到以上目的，可采用可控硅調壓調速的方法來調節風機的轉速。為了保證所調電壓滿足轉速要求，則必須檢出電源的零點和測出風機的轉速，故在實際電路中，還需使用過零檢測電路來檢出電源的零點，使用風機轉速檢測電路來檢測轉速，再通過調節可控硅導通角來使風機轉速達到系統要求。

一、電路原理

現小功率分體機采用的室內風機電機為塑封PG調速電機（如圖1），為單相異步電容運轉電動機，級對數為四級，并帶轉速反饋，電機每轉一周，輸出一個或多個方波信號。

單相異步電動機結構簡單，成本低，振動和噪音較小，并且只需單相電源供電，所以在家電行業中應用廣泛。它主要由定子與轉子兩部分組成。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，且內圓有許多槽，用以嵌入定子繞組。由于單相繞組只能產生脈動電勢，電機沒有啟動轉矩而無法啟動，因此單相電機的定子有兩相繞組，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繞組。轉子部分由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。轉子鐵心也用硅鋼片沖制而成，且外圓沖有許多槽，用以安放轉子導條。

電機的定子兩相繞組通過交流電后，轉子之間的氣隙中產生旋轉磁場，其旋轉速度叫同步轉速，以n1表示。n1的大小決定于通入電流的頻率和電機的極對數P，n1=60f/P（轉/分）。當轉子導體被此旋轉磁場的磁力線切割時，導體內將產生感應電動勢。在轉子回路閉合的情況下，轉子導體中就有電流流過，載流導體在磁場中受到電磁力的作用而跟著旋轉磁場轉動，其轉速為n。轉子旋轉時會產生能量轉換，這就是異步電動機的基本工作原理。由于使用的電源為單相交流電，從上面所介紹的電機的繞組情況而言，若不在啟動繞組上接電容，而直接在兩相繞組上加交流電或只在主繞組上加交流電，則產生脈動磁場，不能給轉子提供啟動力矩，故在實際電路中，采用在啟動繞組電路中串接啟動電容的方法來使電機獲得啟動力矩。電容運轉單相異步電動機定子副繞組（即啟動繞組）電路中串接電容器，此電容器在電機啟動與運轉過程中都參與工作，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）。當電容參數設計合適時（一般為通過實驗選定能滿足要求的電容），兩個繞組電流的相位差將接近90°，從而產生較大的啟動轉矩，而啟動電流較小，這樣來使電機獲得啟動轉矩。

二、可控硅調速原理

1.工作原理

可控硅調速是用改變可控硅導通角的方法來改變電動機端電壓的波形（如圖2），從而改變電動機端電壓的有效值，達到調速的目的。

當可控硅導通角α1=180°時，電動機端電壓波形為正弦波，即全導通狀態;當可控硅導通角α1 <180°時，電動機端電壓波形如圖實線所示，即非全導通狀態，有效值減小;α1越小，導通狀態越少，則電壓有效值越小，所產生的磁場越小，則電機的轉速越低。

由以上的分析可知，可控硅調速時電機轉速可連續調節，但這時電動機電壓和電流波形不連續、波形差，故電動機的噪音大，并帶來干擾。故在電路設計時，需要重點考慮這方面的問題，應有適當的濾波電路。

2.電路原理圖

具體電路原理如圖3所示。

3.工作原理簡介

采用分離元件實現TLP3526功能：電網交流電源經過電阻降壓，通過穩壓管穩壓，獲得12V直流電壓，主控芯片通過光耦PC817與強電隔離，控制可控硅BT131導通與截止。

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，解決可控硅導通與截止對電網的干擾，通過EMI測試;同時防止可控硅兩端電壓突變，造成無門極信號誤導通。

L2為扼流線圈，防止可控硅回路中電流突變，對TR1進行保護;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關斷和導通過程中，對R24形成沖擊，尖峰電壓接近50V，R24容易損壞。該點為市場上各種空調維修時發現的問題。

C14為風機啟動電容。

5.各元器件選型

結合標準化要求，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安規電容;

L2選用100uH扼流線圈，并放在可控硅與電機之間;

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0805貼片電阻。

6.注意事項

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目前大部分實際PCB中均無R30、C1，R30可維持電路中的電流，避免出現電流突變現象，C1可濾除高頻干擾。

④本元器件選型適用于小功率的室內PG電機，如PG電機功率過大，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

電網交流電源經變壓器降壓后，先經過整流，形成脈動直流波形，同下圖C點波形，經過電阻分壓后，再經過電容濾波，濾去高頻干擾成分，形成下圖C點電壓波形。

當C點電壓大于0.7V時，三極管導通，在三極管集電極形成低電平;當電壓再次降到低于0.7V時，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導通、截止，在芯片過零檢測端口D點形成100Hz脈沖波形，芯片通過判斷，檢測電壓的零點。

3.各元器件選型

結合標準化要求，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0805貼片電阻。

4.注意事項

該電路中，三極管依靠基極電壓動作，此電壓由R2、R3分壓確定。使用貼片三極管時應特別注意不能采用DTC143、DTA143等內部集成電阻的貼片三極管，可使用NT8050-D9D。

四、風速檢測電路

1.電路原理圖（如圖6）

2.工作原理簡介

+12V電源提供給電機內置風速檢測電路使用，目前市場常用的風機每轉一周，輸出1個脈沖方波，風機內置風速檢測電路輸出波形通過一個限流電阻后，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（風機不轉時芯片反饋電壓在5.5V左右）。芯片通過對輸入脈沖方波頻率的檢測，來判斷風機的轉速。若轉速低于目標轉速，則加大可控硅導通角，提高風機電壓的有效值，使風機轉速增大;轉速高于目標轉速，則減小可控硅導通角，降低風機電壓的有效值，使風機轉速變低。

3.各元器件選型

結合標準化要求，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0805貼片電阻;

C12選用103濾波電容;

4.注意事項

電機內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

經過改進設計，長時間的實驗運行后，該分體式空調器室內風機可控硅調速控制改進電路具有技術成熟、功能齊全、性能優越、可靠性高、耐用的特點，實現了室內風機PG調速無極變速，調速范圍寬、動態響應快、調速精度高、噪音低、舒適感強、節能省電、保護功能完善和操作簡單，提高了室內風機的速度精確控制，增加了室內舒適度。當然技術的追求是無止境的，伴隨著微控制器、信息技術和網絡控制技術的飛速發展，PG調速也可以采用變頻技術來代替。

責任編輯陳春陽