直流變頻空調器工作原理分析

摘　要：主要對變頻空調，特別是對等寬度PWM(Pulse　Width　Modulation脈沖寬度調制方式)方式調速的直流變頻予以闡述。
關鍵詞：直流變頻；PWM(脈沖寬度調制方式)；PAM(脈沖幅度調制方式)

1　? 概述
　　圖1為變頻空調變頻部分的基本構成。電源220V交流電壓經轉換器變換為直流。逆變器主要功能為實現換向，把直流電壓轉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;其最常見的結構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　變頻部分的基本構成
逆變器的負荷為壓縮機中的異步電動機， 變頻空調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調制方式。目前PAM (Pulse Amplitude Modulation脈沖幅值調制方式)以其獨特的優越性而被用于直流變頻空調器的壓縮機輸入電壓的調制中。其調制波形圖見圖3。

圖3　變頻的各種調制方式
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，當轉子(單線圈)磁場轉到與定子(永磁體)磁場平行后，若轉子再越過此位置，而直流電源不改變流向，即線圈中的電流方向不改變的話，那么根據右手定則此時線圈受力將使之向原方向反轉。因此，需有炭刷來改變線圈中電流的流向，使轉子能繼續旋轉下去。
在壓縮機中，由于汽缸中充滿了氟利昂蒸汽，不能采用會產生火花的有刷直流電機，因此必須采用通過電子回路實現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子為永磁體。典型的永磁體結構有弧形、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轉子的旋轉位置切換定子繞組的通電電流，始終保證轉子N極對面的定子繞組導體內的電流流向為一個方向，如?；而轉子S極對面的定子繞組導體內的電流流向為另一個方向，如⊙(參見圖5右側的電機橫截面示意圖)。具體地講當轉子處于圖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，即產生圖示定子橫截面上導體內電流的流向。我們把電機分成左上180°和右下180°兩半來看。左上180°部分，a、導體的磁場根據右螺旋法則疊加后在定、轉子間產生一個垂直向上的方向磁場， 而、 c導體磁場疊加后產生一個水平向右的磁場，二者再疊加的磁場ΦZ1方向如圖; 正好與轉子磁場Φd1互相垂直，于是便會產生逆時針方句的電磁轉矩，推動轉子向逆時針方向旋轉。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
當轉子轉過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， 我們會發現定子線圈仍正對轉子N極，仍正對轉子S極同樣產生兩個互相正交的定、 轉子c磁場，如此反復，電動機即可旋轉起來。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(磁極對數為1)的直流電機的每相繞組的導通電氣角為60°,即電機轉速為n=60fd/p(n:轉速rpm;p:磁極對數：fd：電源頻率Hz)。另外，電磁轉矩在換向期間會產生少量凹點，引起一定的轉矩波動。
表1　逆變器的通斷順序表
注:ON為通,其余為斷

4　轉子位置檢測回路
　　直流電動機轉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生的感應電壓，作為轉子的位置信號，再通過專門設計的電子回路轉換，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動時產生， 因此不能通過轉子位置檢測電機起動。而必須強制性地輸出驅動波形，直到電動機轉速達到一定速度，可以靠感應電壓測出轉子位置為止，再切換到轉子位置檢測輸出波形驅動方式。
例如，起動階段大功率模塊要經2～4秒的低頻換向使壓縮機轉速到達200～500rpm，再進入通常位置檢測運行模式。
6　變頻調速的基本方式
　　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；
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，這種保持Ed/fd為常數的控制方式又稱恒磁通變頻調速，屬于恒轉矩調速方式。
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，即可稱為恒壓頻比控制方式。
因此，欲實現壓縮機穩定調速，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速的目的。
7　直流變頻與交流變頻的比較
　　籠統地講，交流變頻空調器與直流變頻空調器中采用的壓縮機電機原理上部是定子產生一個不斷旋轉的圓形旋轉磁場，其轉速為n=60fd/p，利用定、 轉子磁場間電磁力相互作用產生的轉矩不斷推動轉子轉動。
由于直流變頻中采用了無刷直流電動機，其轉子為永久磁鐵，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節轉速，在原理上比負荷變化時壓縮機開停的交流變頻要節能。因此，綜上所述，直流變頻要比交流變頻省電。
8　PAM調制方式在空調器上的應用
　　如上所述， 直流變頻壓縮機為保持電機轉矩不變， 必須使Ud/fd為常數，轉速提高時， 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速。
PAM調制方式能在相同電網輸入電壓的情況下，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沿用等寬度PWM調制方式，而在高速范圍內采用PAM高效、低噪的混合調制方式，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節，轉換器(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轉換器負責產生一定的直流電壓，而逆變器在控制頻率的同時也進行電壓的調節。PAM轉換器具有網側功率因素較大的特點，更利于空調器節電。如日立最新推出的全PAM直流變頻空調，其功率因素可高達99.5%。