直流變頻驅動技術在空調設計中的應用

錢中源

摘 要：傳統空調通過壓縮機的啟停來對室內進行恒溫控制，會耗費大量的電能并產生較大的噪音，應用直流變頻技術的空調可以使壓縮機以較低的轉速運行，具有很好的節能效果。本文先對直流變頻空調原理和結構進行論述，對直流變頻室內機、室外機控制系統進行分析與探討。

關鍵詞：直流變頻;空調設計;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，更多的空調制冷設備進入到家庭中，傳統的空調制冷設備電能利用率并不高，存在著電能浪費的問題，無法達到節能的要求。直流變頻驅動技術是空調的發展方向，具有啟動功率大、電機效率高、接近設定溫度后低功率運行、高能效比等特點，隨著國家能效規定的頒布，將會使直流變頻空調技術的應用變得更為普及。

1直流變頻空調原理和結構

該種類型的空調利用無刷直流電機來驅動壓縮機運行，直流變頻控制電路仍與交流變頻一樣，人們習慣將采用無刷直流電機的空調叫作直流變頻空調。無刷直流電機轉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整性能，有更高的運行效率和調速性能，應用到變頻空調中有著很好的節能效果。該種類型的電機在運行時需要監測永磁轉子的位置信息，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地運行。位置檢測可以采用霍爾元件，也可以通過監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，會持續存在兩相通電、一相不通電現象，可以將剩余相作為轉子位置的檢測信號線，可以實現對感應電壓的捕獲，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，空調中轉子位置檢測都采用無傳感器方式。變頻控制模塊還是根據SPWM方式進行調制，將直流電源轉變為頻率可調的交流電，對直流電機的三相線圈進行供電[1]。

直流變頻空調的室內電路與傳統的空調基本類似，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變頻模塊等構成，電源板對輸入的交流電進行濾波、整就能和功率因數調節，將交流電轉變為穩定的電流電源，起到過流、過壓等保護功能，實現對電路板的檢測，可以對室內機進行通信，對變頻模塊輸出進行控制，如圖1所示。

2直流變頻器室內機控制系統

2.1單元微處理器

室內機在整個直流變頻空調系統中為從屬地位，用于對室內溫度、濕度等進行檢測，識別和判斷遙控器發出的信號，對室內風機速度進行調整，控制導向板的開度和方向等，根據室外機要求進行運行，但該部分與用戶直接聯系，是否設計合理將影響到用戶的使有體驗。室內處理器采用改進的R5F100F芯片，是16位的處理器，具有低功率和高性能等特性，內部數據存儲器具有加密功能，設置有A/D轉換接口、定時器接口，定時器功能模塊可以設置信號采集和對比功能，也具出PWM輸出能力，多種運行狀態的選擇，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，內部有ROM固化模塊，可以實現在線編程與調試[2]。

2.2室內控制板設計方案

室內控制板用于控制送風機、導風板和百葉窗的控制，還具備外機的通信，獲取到遙控器發出信號，對室外上電情況進行檢測。室內機還具備信號指示、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，如果室內的灰塵超過設定的指標，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。

全直流空調室內機風機選用直流無刷電機，可以減小室內機的運行噪音，給居住人員更好的舒適度體驗，由于室內風機運行速度、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，有利于控制生產成本。GP32內核要以形成和輸出PWM波，在內部寄存器中設置好PWM值，芯片相應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設定值進行比較，再調整PWM信號實現閉環控制。驅動電路采用星形非橋式結構，采用MOSFET功率管進行并聯，設置有RC緩沖電路來對功率管進行保護，風機轉子位置信號通過霍爾傳感器輸出，與電機轉子進行同軸連接，當感應到磁場變化時輸出高電平來對MOSFET功率管通斷狀態進行控制。由于直流電機轉子的持續轉動，位置傳感器也會隨之轉運，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整。

導風板和百葉窗為室內機的重要部件，直接影響著室內機的性能，用于確定室機的送風方向，是通過四相八拍的步進電機來控制導風板，MCU電路輸出端口發送出步進電機的脈沖控制信號驅動頻進電機運行。

3直流變頻空調室外機系統

3.1直流變頻空調制冷系統原理

直流變頻空調為效率很高的節能型冷暖熱泵空調，控制壓縮機驅動電機的電壓和頻率，通過電機的轉速調節來對壓縮機容量進行調節，需要根據室內的溫、濕度情況來進行控制。冷凝器是對空調制冷系統向外界進行換熱裝的置，空調系統釋放的熱量是從蒸發器提取走的熱量、壓縮機運行產生熱量，壓縮機將制冷劑蒸汽轉變為高壓，在中低溫條件下進行蒸發制冷，可以在常溫狀態下實現液化。壓縮機需要持續地吸入和排出氣體，方可以保證制冷持續進行運行。直流變頻空調運行過程中，發果室內溫度與設定溫度產生較大的偏差，空調就是進行強制加熱或制冷，壓縮機驅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。如果與設定溫度相符時，直流驅動電流運行速度就會變低，不再需要為室內提供更多的制熱、制冷量。因為變頻直流電機可以在較低的轉速下運行，比如，30Hz或者更小的頻率，那么室內的溫度已經接近設定值，壓縮機就不會頻繁地啟動和停止，將會以較低的速度持續運行，可以避免較高頻次啟動產生的運行噪音和對電網的產生沖擊[3]。

3.2空調室外機電氣控制系統

用戶操作遙控器來對直流變頻空調進行操作，通過特定頻率的紅外信號來與室內機進行通信，室內機與室外機采用通信方式來進行信息交互。室內機接收室內控制單元發出的命令，調整室外機的運行狀態。室外機控制系統由MCU控制板和主電路構成，對交流電源進行濾波和整流處理以后，轉變為頻率可調的直流電源，通過功率逆變模塊調節直流電機后來驅動壓縮機運轉，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、室內電子膨脹閥等，實現與室內機的數據交互，對室外環境溫度、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的驅動回路，并對IPM逆變模塊進行保護，實現對反電動勢的檢測。在對室外機MCU控制板進行設計時，應該盡量保證控制電路的簡化，控制軟件易于實現，具有很好的性價比，減少設計開發時間。可以采用已經技術成熟的變頻控制芯片和功能模塊來對硬件電路進行設計[4]。

3.3變頻控制微處理器和功率模塊

根據直流變頻空調室外機需要控制和監測對象的要求，需要選用的芯片不得低于8路數模轉換處理通道，還應該配置有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，內置FLASH存儲器，可用作MCU板控制芯片，尋址區間為64K。內部配置有ROM模塊，外圍控制板可通過單線方式與芯片聯系，為編程和調試提供了便利。

MR32為驅動直接電機波形的芯片，內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，內部為16位計數器，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，可以對電機實現閉環控制，可以形成具備一定寬度和頻率的脈沖，如果計數器數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發出中斷控制要求。在輸出對比功能時，如果計數器數值溢出，則需要將引腳電平進行切換控制，則可以生成PWM波形，寄存器模數與PWM周期有著直接關系，當計數器值與寄存器模數相符時，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元件、驅動控制電路、檢測電路等共同封裝到模塊內，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和續流二極管，高速運行的IGBT和門驅動電路構建起集成器件，IPM故障輸出端可用于驅動光耦，把故障信號發送給數據鎖存器，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。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，也可以降低開關頻率，有的IPM模塊的輸出頻率可以高達10-20kHz，在確定開關頻率時還應該結合開關的損耗情況，可以選用PM30CSJ060功率模塊，具有很好的短路保護性能，提高驅動電路的安全性[5]。

3.4室外單元設計方案

直流變頻空調利用電子膨脹閥來對室內機制冷劑流量進行調節，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動，繼電器線圈接通后可以實現對強電的通斷控制。直流電機采用反電動勢控制技術，可以對電氣系統進行很好地保護。

4結語

傳統的空調通過控制壓縮機的啟停來進行控制室內的溫度，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產生沖擊，額定轉速運行還會造成電能的損失。直流變頻空調技術的應用是空調發展方向，具有很高的應用價值，需要加強對直流變頻技術的研究，合理選用控制方案和電氣元件，保證直流變頻空調發揮出應有的作用。

參考文獻

[1] 孫婷婷.某高層辦公綠色建筑的暖通空調設計[J].福建建筑，2017（1）：85-88.

[2] 孫乃茹.暖通空調系統中節能環保技術的探索與思考[J].居舍，2018（24）：24.

[3] 李齊.淺析智能變頻中央空調系統施工技術[J].科技與創新，2016（20）：148-149.

[4] 尚禹.數據中心機房空調系統的技術分析及改造[D].沈陽：東北大學，2016.

[5] 陳衛樂.綠色建筑技術在暖通設計中的應用研究[J].建筑知識，2016（15）：20.