直流低壓保持四通閥在熱泵型空調(diào)器的應(yīng)用

劉 杰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，家用熱泵空調(diào)器一般采用交流四通閥實(shí)現(xiàn)制熱功能，部分出口國(guó)家為了降低功耗使用能耗較低的直流低壓保持四通閥。普通交流四通閥在制熱運(yùn)行過(guò)程中需要持續(xù)提供（220～240）V交流電，額定輸入電壓下功率一般是直流低壓保持四通閥的5倍以上。日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JIS C 9612《ルームエアコンデイショナ》規(guī)定的全年能源消耗效率APF評(píng)價(jià)指標(biāo)中,考核制熱權(quán)重占比超過(guò)50 %[1]。依照日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)得到不同工況對(duì)APF指標(biāo)影響程度如表1所示[2]。因此，為提高出口日本市場(chǎng)空調(diào)器的APF，應(yīng)著重優(yōu)化制熱模式下的能效，其中采用低功耗的直流低壓保持四通閥是提升能效的有力手段。

表1 各測(cè)試工況對(duì)日本空調(diào)器APF指標(biāo)的影響

1 直流低壓保持四通閥控制原理分析

四通閥作為熱泵型空調(diào)器不可或缺的重要部件，它控制四通閥閥芯與閥體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整制冷劑的流動(dòng)方向，以實(shí)現(xiàn)熱泵空調(diào)器的制冷、制熱模式切換。

直流低壓保持四通閥與普通交流四通閥一樣都由芯鐵和電磁線(xiàn)圈組成。芯鐵需要吸合時(shí)，線(xiàn)圈首先需通入直流啟動(dòng)高電壓，使得線(xiàn)圈產(chǎn)生電磁力克服彈簧、摩擦等阻力作用吸合芯鐵，之后斷開(kāi)啟動(dòng)高電壓。在斷開(kāi)啟動(dòng)高電壓之前，電磁線(xiàn)圈需通入直流低電壓，以保持芯鐵為吸合狀態(tài)。芯鐵需要脫開(kāi)時(shí)，電磁線(xiàn)圈斷開(kāi)保持低電壓，彈簧力克服電磁力使芯鐵復(fù)位。而普通交流四通閥在制熱模式下為保持四通閥工作持續(xù)提供交流電源，功耗無(wú)法降低。

直流低壓保持四通閥采用雙直流電源供電，在換向開(kāi)始階段同時(shí)提供高電壓、低電壓，換向成功后延時(shí)一定時(shí)間斷開(kāi)高電壓，依靠低電壓使四通閥保持在工作狀態(tài)，工作原理如圖1所示。倍壓整流電路輸出300 V左右的直流高電壓，開(kāi)關(guān)電源提供輸出15 V的直流低電壓。當(dāng)需求四通閥開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，高壓驅(qū)動(dòng)控制電路控制繼電器K3閉合輸入Vdc直流高電壓?jiǎn)?dòng)吸合四通閥芯鐵，同時(shí)低壓驅(qū)動(dòng)控制電路控制輸出低電壓，待四通閥線(xiàn)圈穩(wěn)定吸合芯鐵后，高壓驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器K3斷開(kāi)輸出Vdc直流高電壓。低壓驅(qū)動(dòng)控制電路繼續(xù)輸出直流低電壓維持四通閥為吸合狀態(tài)。需求四通閥關(guān)閉運(yùn)行時(shí)，低壓驅(qū)動(dòng)控制電路斷開(kāi)輸入直流低電壓，四通閥芯鐵復(fù)位。

圖1 直流低壓保持四通閥工作原理圖

2 直流低壓保持四通閥控制設(shè)計(jì)

2.1 直流低壓保持四通閥的主要技術(shù)指標(biāo)

在選用直流低壓保持四通閥，首先需要了解其主要參數(shù)，如表2所示。

表2 直流四通閥電磁線(xiàn)圈主要參數(shù)

1）啟動(dòng)電壓。啟動(dòng)電壓是直流低壓保持四通閥需求閉合時(shí)能可靠吸合芯鐵的工作電壓。

2）保持電壓。保持電壓是直流低壓保持四通閥可以長(zhǎng)期穩(wěn)定保持吸合芯鐵狀態(tài)的工作電壓。

3）使用溫度范圍。使用溫度范圍是直流低壓保持四通閥在施加額定電壓條件下可以長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的環(huán)境溫度，當(dāng)電磁線(xiàn)圈通電時(shí)使用溫度需在50 ℃以下。空調(diào)中的四通閥連接在系統(tǒng)管路上，需放置在室外機(jī)腔體內(nèi)，（-30～60）℃的使用溫度基本滿(mǎn)足出口日本、北美等國(guó)家的要求。

2.2 直流低壓保持四通閥控制異常現(xiàn)象分析

對(duì)直流低壓保持四通閥失效不良品統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，存在一定比例因控制啟動(dòng)高壓的繼電器損壞而無(wú)法吸合四通閥。而普通交流四通閥同樣采用繼電器控制卻未收到此類(lèi)不良品反饋，對(duì)比兩種四通閥控制方案發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題與直流低壓保持四通閥控制電路及控制模式設(shè)計(jì)有關(guān)。

一般繼電器的損壞部位多與觸點(diǎn)相關(guān)，關(guān)鍵在觸點(diǎn)材料和動(dòng)作機(jī)構(gòu)的可靠性上[4]。我們通過(guò)分析試驗(yàn)失效不良品確定，控制直流低壓保持四通閥的繼電器多為觸點(diǎn)不閉合導(dǎo)致的失效。對(duì)出現(xiàn)故障的繼電器進(jìn)行解剖，在顯微鏡下觀察動(dòng)簧片有高溫發(fā)黑發(fā)紫的痕跡，且觸點(diǎn)有明顯大面積燒損，繼電器動(dòng)簧片的推動(dòng)卡熔融，如圖2所示。

圖2 顯微鏡下故障四通閥動(dòng)簧片及推動(dòng)卡圖

2.3 直流低壓保持四通閥控制繼電器拉弧分析

四通閥由電磁線(xiàn)圈、先導(dǎo)閥、主閥三部分組成，控制轉(zhuǎn)換主閥管路連通方式的電磁線(xiàn)圈為感性負(fù)載。四通閥的電磁線(xiàn)圈在接通瞬間，感性負(fù)載的電磁線(xiàn)圈抑制電流變化不會(huì)出現(xiàn)浪涌電流，但在電磁線(xiàn)圈關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)在線(xiàn)圈中的電磁能均需通過(guò)觸點(diǎn)點(diǎn)燃弧消耗掉，即關(guān)斷時(shí)可能出現(xiàn)拉弧打火現(xiàn)象。

普通交流四通閥為交流電源供電,當(dāng)電磁線(xiàn)圈關(guān)斷出現(xiàn)拉弧打火時(shí)經(jīng)過(guò)交流電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)，此時(shí)可認(rèn)為交流輸入電壓為斷開(kāi)狀態(tài)，在零電壓下電弧無(wú)法維持而滅弧。以220 V/50 Hz電壓源為例，理論上拉弧打火極限時(shí)長(zhǎng)為10 ms，交流四通閥電磁線(xiàn)圈電阻為2 000 Ω，流過(guò)繼電器最大電流220 V*1.414/2 000 Ω=155 mA未超出極限電流值，故不會(huì)出現(xiàn)拉弧損壞繼電器。

直流低壓保持四通閥為直流電源供電，當(dāng)電磁線(xiàn)圈關(guān)斷瞬間出現(xiàn)拉弧打火時(shí)與交流電源存在電壓過(guò)零點(diǎn)不同，直流電源持續(xù)加載在電磁線(xiàn)圈兩端將延長(zhǎng)拉弧時(shí)間。以115 V電壓上偏差20 %的極限交流電壓倍壓整流為直流電壓為例，斷開(kāi)交流四通閥電磁線(xiàn)圈電阻下偏差5 %為555 Ω，流過(guò)繼電器最大電流140 V×2×1.414/555 Ω=713 mA。如繼電器控制無(wú)觸點(diǎn)拉弧保護(hù)電路處理，將繼電器外殼剝開(kāi)，露出觸點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。如圖3所示，繼電器將持續(xù)拉弧產(chǎn)生高溫?zé)龤А?/p>

圖3 交流四通閥拉弧現(xiàn)象

2.4 直流低壓保持四通閥控制可靠性設(shè)計(jì)、驗(yàn)證

2.4.1 直流低壓保持四通閥預(yù)防拉弧保護(hù)電路設(shè)計(jì)分析

由于直流電壓源不像交流電壓源有電壓過(guò)零點(diǎn)可自我切斷電能輸入而滅弧，為提高直流低壓保持四通閥的可靠性，需考慮在繼電器控制啟動(dòng)電壓電路中增加預(yù)防拉弧保護(hù)措施。

措施一：四通閥兩端并聯(lián)反向保護(hù)二極管。

繼電器關(guān)斷時(shí)刻直流低壓保持四通閥的電磁線(xiàn)圈會(huì)引起數(shù)百伏的反向電壓，損壞繼電器觸點(diǎn)。故直流低壓保持四通閥兩端并聯(lián)一個(gè)反向保護(hù)二極管D10，反向擊穿保護(hù)電壓參數(shù)設(shè)置為輸入電壓的2～3倍，輸入啟動(dòng)電壓為300 V左右時(shí)選擇最大峰值反向電壓1 000 V。依據(jù)輸入直流電壓值、流過(guò)負(fù)載電流的大小，確認(rèn)選擇反向保護(hù)二極管的主要參數(shù)如表3所示。

表3 反向保護(hù)二極管主要參數(shù)

措施二：繼電器與直流低壓保持四通閥之間串接PTC電阻。

PTC電阻值在達(dá)到特定溫度后有隨溫度升高呈指數(shù)形式增大的開(kāi)關(guān)特性。在繼電器與直流低壓保持四通閥之間串接PTC電阻，如圖1所示。當(dāng)控制高電壓繼電器吸合一定時(shí)間后，PTC元器件的阻抗值隨溫度升高迅速增大，將繼電器觸點(diǎn)的瞬態(tài)電流限制在較低水平。實(shí)現(xiàn)低電流或零電流下關(guān)閉繼電器，避免拉弧打火燒毀繼電器。確認(rèn)選擇PTC電阻的主要參數(shù)如表4所示。

表4 PTC電阻主要參數(shù)

2.4.2 直流低壓保持四通閥控制模式設(shè)計(jì)、驗(yàn)證

在制熱模式下，直流低壓保持四通閥控制邏輯如圖5所示，整機(jī)接收制熱開(kāi)機(jī)信號(hào)，室外風(fēng)機(jī)啟動(dòng)一定時(shí)間壓縮機(jī)啟動(dòng)，而后間隔時(shí)間t1四通閥開(kāi)啟，四通閥啟動(dòng)時(shí)閉合高壓控制繼電器，間隔時(shí)間t2關(guān)斷高壓控制繼電器，通過(guò)低壓繼電器維持四通閥導(dǎo)通。為確保四通閥可靠性換向，需重點(diǎn)關(guān)注如下2個(gè)時(shí)間參數(shù)。

圖4 直流低壓保持四通閥控制邏輯圖

圖5 低電壓75 V測(cè)試波形

時(shí)間間隔t1：壓縮機(jī)啟動(dòng)后延時(shí)開(kāi)啟四通閥時(shí)間

壓縮機(jī)啟動(dòng)一定時(shí)間后，壓縮機(jī)排氣口液體制冷劑才會(huì)消失。如果液態(tài)制冷劑未完全消失的情況下四通閥換向，存在四通閥液擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)[3]，低溫長(zhǎng)時(shí)間靜置制熱開(kāi)機(jī)尤為突出。參照熱泵空調(diào)器使用環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證，出口日本有低溫制熱功能的熱泵空調(diào)器需滿(mǎn)足室外機(jī)環(huán)境-20 ℃以下正常開(kāi)機(jī)運(yùn)行，為滿(mǎn)足四通閥在氣態(tài)制冷劑流過(guò)的情況下?lián)Q向，一般按壓縮機(jī)啟動(dòng)以1 Hz/S的升頻速率達(dá)到低頻停留點(diǎn)36 Hz作為四通閥延遲開(kāi)啟條件。

圖6 額定電壓115 V測(cè)試波形

圖7 額定電壓140 V測(cè)試波形

時(shí)間間隔t2：高電壓控制繼電器閉合時(shí)間

啟動(dòng)高電壓在四通閥換向成功后需要斷開(kāi)，為確保低電流或零電流下關(guān)閉繼電器，避免拉弧打火燒毀繼電器，高壓控制繼電器閉合時(shí)間要大于PTC保護(hù)時(shí)間。結(jié)合日本市場(chǎng)市電規(guī)格，覆蓋高、中、低各個(gè)電壓試驗(yàn)驗(yàn)證，高電壓控制繼電器閉合時(shí)間需大于5 s，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示，波形如圖5～7所示。

表5 測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文分析了直流低壓保持四通閥控制保護(hù)電路設(shè)計(jì)、器件選擇，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得出直流低壓保持四通閥可靠應(yīng)用的相關(guān)結(jié)論。測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)應(yīng)用與可靠性要求。在直流低壓維持四通閥的高電壓繼電器控制中，利用PTC 電阻的溫度特性，通過(guò)調(diào)整高電壓控制繼電器吸合時(shí)間至大于PTC 電阻的保護(hù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)繼電器動(dòng)觸點(diǎn)在低電流關(guān)斷，從根本上消除了觸點(diǎn)斷開(kāi)瞬間拉弧問(wèn)題，保證四通閥繼電器的可靠性。