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变频控制技术在空调中的应用现状与发展趋势(一)

发布时间:2015-08-26 18:41   类型:技术前沿   人浏览

1 引言
    随着变频空调的逐渐普及,空调的季节能效比(SEER)不断提高,并陆续淘汰了低能效空调;同时,人们对变频空调的高舒适度也逐步有所体验和追求,使变频空调进一步发挥出无可比拟的优势。
    本文对变频空调中的压缩机、室内外风机等调速控制技术作一简单介绍,并对空调系统的变频控制技术的进一步发展趋势作出展望。

2 空调变频技术现状
    在空调系统中,需要变转速控制的电机主要为压缩机、室外风机、室内风机。这些电机都是变频空调系统中的主要控制对象,其变转速控制技术现状大致如下所述。
2.1 空调压缩机的变转速控制
    空调压缩机的变转速控制技术,大致分为以下几个阶段。
    ⑴2005年前,交流变频时代
    主要以交流变频调速技术为主,即压缩机电机为普通的交流感应异步电机,其转速为
    n=60*f*(1-S)/p(1)
    式中:f---交流电源;S---转差率;p---极对数。
    可见,感应电机的同步转速与电源频率成正比,如果交流电源频率变化,就能够改变感应电机的同步转速,“变频空调”也因此变频调速技术而得名。
    交流变频空调器,通常以“交流→直流→交流”模式的变电压变频率(VVVF)方式控制压缩机。VVVF的控制信号由单片式微电脑处理器(MCU)产生正弦律脉冲宽度调制(SPWM)信号,去控制1个三相逆变桥,一般选用智能功率模块(IPM),从而产生SPWM的交流变频电压,经交流感应电机内的绕组电感产生正弦波电流和实现感应电机运转。    由交流电机特性可知,当要求转矩恒定时,加在感应电机三相线间电压须随频率提高而提高,所以在VF变更频率的同时,也通过调节脉冲宽度方式来实现VV变电压功能。不同的压缩机有不同的V-F曲线,所以应根据压缩机的特性来设定V-F曲线。
交流变频空调控制器的电路框图,如图21所示。
 
   
SPWM波形产生原理和IPM输出波形的示意图如图2所示,是一种三相双极性调制的SPWM波。
 
 

              图2  SPWM波形产生原理和示意图
   
    但是,交流感应电机的效率较低,且压缩机的负荷特性很特殊:在每一转中不同转角的力矩大不一样。因此,交流变频空调虽然较之定频空调可以大幅提高季节能效比,但其调速范围窄、噪音和振动较大、电机功率因数低和能效比不如直流变转速等不足,逐渐被直流变转速技术所淘汰。
⑵2004年—2009年,120°方波时代
    逐步推广直流变转速技术,即压缩机电机改用直流无刷(BLDC)电机,并主要以120°方波驱动方式。BLDC电机剖面结构示意图,如图3所示。
    直流电机的驱动关键在于同步换相。改用无刷后,一般以三相输入、并通过IPM实现换相。直流变速的主回路与交流变频控制电路大致相同。为满足同步换相,一般需要知道BLDC电机的转子位置,目前,多采用霍耳元件的磁效应实现转子位置检测,如图4所示。三相IPM的换相方法,是根据转子位置,二相先后轮流导通,转子的磁极轮流被吸和连续转动。因为三相中是二相轮流导通,所以又被称为“120°方波驱动”,即其中60°是上下桥臂都截止。某一相输出电压的理论波形如图5所示。




    由于家用空调多采用全封闭压缩机,压缩机电机的电连接线必须使用密封且高压绝缘的工艺,电连接头越少越好。因此,改用无位置传感器的BLDC电机,仅需要3个电连接头。它的转子位置检测,采用反电势检测方法获取。反电势是指:当控制器的三相换相器没有输出情况下,BLDC电机的转子在瞬间没有外电流、仅依靠惯量转动时,此瞬间就变为发电机输出局部三相正弦电压,该正弦相角与转子的角度相对应。实际反电势检测,是在上述60°、上下桥臂都截止时段进行的。
    MCU依据该位置信号及时进行三相逆变桥的准确换相。由于压缩机每一转角的负荷变化甚大,如图6所示,在知道转子位置情况下,MCU就可通过压缩机的实际负荷特性,在某些负荷较大的转角区间特意加大PWM的脉冲宽度,从而可以在此转角区增加转矩。这种人为补偿转矩的方法称为“转矩补偿”,从而大幅改善压缩机的低转速驱动性能和减小振动。
 

    120°方波驱动BLDC电机的恒转速控制,是通过速度闭环方式实现,即通过反电势转子位置检测信号获取转速脉冲信号,MCU根据该脉冲转速信号与设定转速比较,并调节PWM的脉冲宽度,使实际转速接近设定转速。这种大环路闭环的被动控制方式,容易引起转速波动。
    120°方波驱动BLDC压缩机的方式不足之处是:二相轮流通电驱动影响效率和转矩稳定,转矩补偿由软件人员人为控制、转速仅与电压(脉宽控制)和负荷有关,会导致转速在PID调节不当时的波动。
⑶2008年以后,180°正弦波时代
    逐步推广和普及180°正弦波驱动BLDC压缩机的技术,特别是近几年高能效变频空调的标准实施,交流变频和120°方波驱动压缩机的方式几乎全部被淘汰了。
    180°正弦波的称谓,是相对于上述120°方波而言。事实上,它是一种矢量控制方式,根据压缩机电机的输出电流采样和电流变化趋势,来自动推断BLDC电机的转子位置和负荷大小,从而可以在任何转角下自动调节不同负荷下的转矩。在任何时刻,三相定子绕组上都有电流和同时对转子产生吸力或推力,因此,180°正弦波能够克服上述120°方波驱动方式的不足,使压缩机的电机效率最高、运转最平衡、噪音和振动较小。
    根据DC电压采样和电流采样数据进行处理的直流矢量算法,示意图和矢量控制框图如图7所示,矢量控制及电压波形见图8。


 
 

               图8 矢量控制(a)和电压波形示意图(b)
    180°正弦波直流变频不仅三相通电和正弦波转矩连续平稳,而且是电压电流双闭环控制模式。因此,其效率高、振动小、反应快、自动调节能力强,控制特性明显优于120°方波。特别是转速控制变成了主动控制,转速稳定性能大幅提高。
    值得一提的是,虽然矢量控制的转矩能够自动调节和适应,但当负荷的相角转矩变化过大时,仍可以人为增加相角的转矩实现过补偿或称主动补偿。通过合理的参数调节,可以实现压缩机在很低转速下的平稳运行。而这一点对于变频空调的舒适性控制至关重要,目前,绝大多数空调公司的变频空调都已选用了这种180°正弦波控制方式。

2.2空调室外风机的转速控制与稳速技术
    在室内温度接近设定温度或环境温度不是很高时,变频压缩机多半以低转速运转。这时电功率是很低的,如果此时的室外风机仍使用单速风机,往往风机的功耗与压缩机相当、甚至超越压缩机的功耗,从而严重影响所需的SEER指标。同时,如果一个楼群中的所有空调外风机都以最高转速运转,环境噪音也是不容小觑的。因此,除非低档定频空调,一般季节能效比(SEER)较高的变频空调,都毫无例外地选用变转速室外风机。
室外风机的调速技术大致以下几大类:抽头式交流感应调速风机、双向可控硅相控调速风机、带霍耳传感器方波BLDC风机、无位置传感器BLDC风机等。
⑴抽头式交流感应调速风机
    这种风机是在普通电容式单相交流感应异步电机基础上,通过定子主绕组的抽头变更主绕组匝数和电感量,从而控制电机的输入电流和输出转矩,实现转速调节。
    当抽头处于主绕组匝数较少、电感量较小的H位置时,输入电流较大,电机输出转矩比较接近同步转速,此时为“高风区”;当抽头处于主绕组匝数较多的L位置,主绕组电感量增加较多使输入电流减小,其输出转矩也随之减小,此时转差率S增大,转速n减小,为“低风区”;如抽头处于上述二者之间的M位置,为“中风区”,有的空调只设二个风速区,没有该“中风区”M的抽头位置。抽头式调速风机示意图见图9。


    这类抽头式风机一般通过继电器的切换来实现。
    抽头式风机的转差率S由电机电流/转矩的大小和负荷大小决定,也就是说,抽头式调速风机的转速只能是分档调节,当输入电网电压波动而发生较大变化时,控制器MCU需要根据冷凝器温度采样,对高、低风之间进行切换。例如,当输入电压很低时,原设置处于“中风”档,但MCU检测到冷凝器温度较高时,就应该将控制切换至“高风”档。
    抽头式风机虽然控制简单便宜,但转差率S越大,其效率越低。所以,尽管低功率时转速较低,但风机的耗电功率仍不容小觑。所以,仅适用于低价位低能效空调上。
⑵带霍耳位置传感器的内置120°方波BLDC风机技术
    这种BLDC风机的结构原理如前图3所示,逆变换相控制电路如图4所示。不同之处,因室外风机的风叶较大,转速不高,所以,电机的极对数较多。
    内置换相功率器件的风机,其最大优点是霍耳器件可直接贴装在驱动换相板上,转子位置检测精确,内置换相与电机一体化。不仅干扰少、连线少,而且可精确输出转速信号、控制方便,很受空调控制器设计者欢迎。
    内置式BLDC风机控制相对比较简单,一般需要提供DC电源Vm,电压在DC300V±100V之间;还需提供15V工作电压Vcc、调速电压Vsp,它们共用一个Com端(DC-)。如前所述,为实现BLDC风机的稳速,此类风机还有一个转速信号,一般为12个脉冲/转。这样,通过1个5芯线连接至控制器上。
 
    控制方式是速度闭环方式,一般转速输出信号由内置霍耳器件实现,一般为12个脉冲/转。MCU根据设定转速与实际反馈转速进行比较,通过输出PWM或调节Vsp实现速度闭环。BLDC风机的成本虽然较高,但当风机转速很低时,耗电功率可低至几W,所以特别适用于高SEER能效机型上。内置式风机还需要考虑内置功率器件的发热,一般风机功率不超过100W情况下使用较多。
⑶无位置传感器的外置BLDC风机技术
    当风机功率超过100W时,内置的三相逆变换相功率器件(IGBT或MOSFET)的发热量不易散发,有可能导致内置的功率器件温度过高而损坏。此时,除非有特别的散热设计,一般情况下应该优先考虑外置式逆变换相控制器来驱动BLDC风机。
    简单的外置式,仍采用霍耳位置传感器和120°方波驱动BLDC风机技术,其不足是霍耳传感器的连接线数较多,一般需要3根霍耳位置传感器连线、1根转速信号线和2根5V正负电源线,再加上3根BLDC粗连线,至少在10线以上;当空调上控制器与BLDC风机距离较远时,很容易在传感器信号线上产生干扰信号,使BLDC控制受扰,又从安全隔离角度考虑,3根BLDC粗连线最好与速度位置信号线分路/隔离输出,这也是此法并未能大量推广之处。
    因此,目前最新的技术是与压缩机一样,也采用无位置传感器BLDC电机,并采用180°正弦波直流矢量控制方式,此法前已细述,技术原理不再赘述。
    BLDC风机与压缩机的不同之处,在于风叶的转动惯量较压缩机大得多,且必须考虑在逆风时的启动问题。即逆风时,风叶在逆向转动,此时如不能对它进行制动和转子的初始定位,就很难实现同步启动。这也是无位置传感器BLDC风机控制的一大难处。

2.3空调室内风机的转速控制与稳速技术
    室内风机的转速控制技术优劣直接关系房间空气调节器的能效比和舒适度。
从成本和技术复杂度综合考虑,目前应用最广泛的是双向可控硅相控调速AC风机技术。对于功率较小的挂壁机,为进一步提高能效,高端机型也逐步采用带霍耳位置传感器的内置120°方波BLDC风机技术。对于功率较大的室内风机,如顶出风机、天花机、仿风管机、柜机等,其控制方式与室外风机相似,低档机多采用抽头交流感应风机,中高端机选用BLDC风机,不再赘述。
下面重点介绍最常见的双向可控硅相控调速方式。
⑴双向可控硅相控调速AC风机技术
    由上述可知,交流感应电机的变频调速技术复杂、成本较高。因此,对于小功率房间空调器室内风机的无级调速,一般选用结构简单、成本更低的双向可控硅相控调速技术。
    交流感应电机的转速方程与前面式(1)一样。除了调节频率来改变转速外,还可以通过转差率S的变化来实现调速。当然,调节S的调速方式其效率很低,功率因数很低,仅适用于小功率室内风机的高速。
    双向可控硅相控调速的基本原理,其实就是通过可控硅的导通角调节来改变工频电压的占空比(类似于PWM的脉冲宽度),使流过感应电机的电流发生变化,实现异步电机的转差率S的变化。


     与所有相控技术一样,这种相控调速方式也有一个工频AC电压的过零信号,该过零信号发至室内控制器的MCU中断口;同时,风机的转速脉冲信号也发至MCU。起动初期,MCU先给出一个初始导通角,双向可控硅在起始导通角时导通,先输出一个初始占空比电压,待风机运转稳定后的实际转速与设定转速进行比较,根据差值对双向可控硅的导通角进行PID调节,直至实际转速与设定转速一致。
    双向可控硅交流调压调速式的风机,因为带有速度反馈信号FG,又常被称为PG风机。
    PG风机因为效率较低,一般只适用于功率较小的1HP—1.5HP挂壁机空调室内机。不仅在变频空调中广泛使用,而且在定频挂壁空调中也已率先广泛使用。

⑵其他室内风机控制技术
    空调室内风机,视不同类型和功率大小,多数与室外风机相似。除小功率的挂壁机多选用可控硅相控调压调速式PG风机外,如功率稍大的立式机、天花机、顶出风机、仿风管机等,以前多数采用抽头式交流风机进行调速。近年来,一些高端机型刚开始分别使用带霍耳位置传感器的120°方波驱动的BLDC风机和180°正弦波直流矢量控制的BLDC风机。
    这3种控制方式与室外风机完全相同,不再赘述。所不同之处是风叶不同,室外机的风叶多数选用风量大的轴流风叶;而室内风机多选用风压大、噪音小的离心或贯流风叶,其相对转速也较低些。

作者简介
    李善根(1949-),男,浙江宁波人,高级工程师,杭州先途电子公司/三花控制器研发中心首席工程师,研究方向:变频空调控制器技术。








































































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