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現(xiàn)換向，把直流電壓轉(zhuǎn)換成任意頻率的有效值相當于三相交流電的脈沖電壓信號;其最常見的結(jié)構(gòu)形式是六個半導體開關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
逆變器的負荷為壓縮機中的異步電動機， 變頻空調(diào)器按照負荷是交流變頻壓縮機還是直流變頻壓縮機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)以其獨特的優(yōu)越性而被用于直流變頻空調(diào)器的壓縮機輸入電壓的調(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
交流變頻壓縮機的電動機為普通三相異步感應電動機，因此不再贅述。下面主要以直流變頻為核心進行論述。
2　大功率模塊
　　有刷直流電動機中，當轉(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，因此必須采用通過電子回路實現(xiàn)換向的無刷直流電機。
圖2的虛框即顯示了一種由六個三極管模塊組成的逆變器，習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三極管與下支路一個三極管ON，給壓縮機定子線圈施加方波電壓。

圖4　等寬度PWM調(diào)制方式的電動機定子電壓
3　直流壓縮機電機的基本原理
　　直流壓縮機的電機的轉(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，它直接影響電動機的效率。定子同交流壓縮機電機為漆包線繞制而成。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體內(nèi)的電流流向為一個方向，如?；而轉(zhuǎn)子S極對面的定子繞組導體內(nèi)的電流流向為另一個方向，如⊙(參見圖5右側(cè)的電機橫截面示意圖)。具體地講當轉(zhuǎn)子處于圖5的位置時，三極管A＋、C?導通，如圖2可知，此時僅U、W線圈即A、C線圈中有電流，流向為a→、→c，即產(chǎn)生圖示定子橫截面上導體內(nèi)電流的流向。我們把電機分成左上180°和右下180°兩半來看。左上180°部分，a、導體的磁場根據(jù)右螺旋法則疊加后在定、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生一個垂直向上的方向磁場， 而、 c導體磁場疊加后產(chǎn)生一個水平向右的磁場，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)生逆時針方句的電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子向逆時針方向旋轉(zhuǎn)。右下180°的原理一樣。
※右螺旋法則：用右于握住導體，使大拇指方向為電流方向則其余四指的方向便是磁場的方向(磁力線的方向)。

圖5　無刷直流電機示意圖
當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60°電氣角后，按表1，是晶體管B＋、C導通，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)生兩個互相正交的定、 轉(zhuǎn)子c磁場，如此反復，電動機即可旋轉(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電壓波形如圖4的虛線部分所示，且每相繞組的導通電氣角為30°。同理二極(磁極對數(shù)為1)的直流電機的每相繞組的導通電氣角為60°,即電機轉(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，引起一定的轉(zhuǎn)矩波動。
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
　　直流電動機轉(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)生的感應電壓，作為轉(zhuǎn)子的位置信號，再通過專門設計的電子回路轉(zhuǎn)換，反過來控制給定子線圈施加方波電壓的時刻。
如圖5，在無刷直流電動機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
　　由于感應電壓只有在電動機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生， 因此不能通過轉(zhuǎn)子位置檢測電機起動。而必須強制性地輸出驅(qū)動波形，直到電動機轉(zhuǎn)速達到一定速度，可以靠感應電壓測出轉(zhuǎn)子位置為止，再切換到轉(zhuǎn)子位置檢測輸出波形驅(qū)動方式。
例如，起動階段大功率模塊要經(jīng)2～4秒的低頻換向使壓縮機轉(zhuǎn)速到達200～500rpm，再進入通常位置檢測運行模式。
6　變頻調(diào)速的基本方式
　　由電動機理論對三相異步電動機而言有下式：
Ed=4.44fdNdΦz
Ed：定子每相線圈氣隙磁通感應電壓的均方根值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。
為了保證電動機負載能力， 應保證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Ed與fd較高時，定子漏阻抗壓降小到可忽略不計，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，欲實現(xiàn)壓縮機穩(wěn)定調(diào)速，除了要控制逆變器的換向頻率外，還必須同時按比例提高或降低對壓縮機施加的方波電壓值。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)，從而向電動機施加的電壓被段切開來(參考圖4)，而電動機的平均直流電壓與三極管的ON(開通)時間/(ON時間+OFF時間)成正比，以此便輕而易舉地達到變頻調(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)器中采用的壓縮機電機原理上部是定子產(chǎn)生一個不斷旋轉(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)矩不斷推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
由于直流變頻中采用了無刷直流電動機，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，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18%～20％。
另外，因為直流變頻可以隨外界負荷的大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在原理上比負荷變化時壓縮機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)器上的應用
　　如上所述， 直流變頻壓縮機為保持電機轉(zhuǎn)矩不變， 必須使Ud/fd為常數(shù)，轉(zhuǎn)速提高時， 壓縮機輸入電壓應按比例上升。采用的等寬度PWM變頻器，雖然具有扭矩大、靈敏度高的特點，但輸出電壓能力不足，制約了壓縮機的最高轉(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，無疑是一個比較兩全其美的辦法。
PAM逆變器采用只負責頻率的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換器(一般為相控整流器或直流斬波器)則負責控制直流電壓。不象PWM轉(zhuǎn)換器負責產(chǎn)生一定的直流電壓，而逆變器在控制頻率的同時也進行電壓的調(diào)節(jié)。PAM轉(zhuǎn)換器具有網(wǎng)側(cè)功率因素較大的特點，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99.5%。