直流变频空调控制系统中电流保护电路的优化设计

杨君

(西南科技大学制造学院，四川 绵阳 621010）

直流变频空调技术20年多前起源于日本，由于技术复杂，最终由多家整机、控制芯片、关键器件等跨国公司联合开发成功。目前，国内一些专业厂家已经掌握变频空调驱动技术，成功开发并大量推广AC、DC系列变频空调控制器，其技术水平与国外先进技术同步。经过20多年的发展，技术和产品也由交流变频逐步发展到矢量180°直流变频[1]，目前直流变频180°正弦波驱动变频空调产品，已在市场批量推广。

空调占据了电器能耗的20%以上，成为各国“节能减排”的重点产品之一。基于成本低、节能、舒适度高和性能优异等优势，矢量180°直流变频产品成为各国政府的重点支持项目，国内各大空调厂商也开始集中资源进行推广。产品涉及三大类技术领域，控制相关的核心技术包括直流无刷电机驱动、智能稳压PFC、电器安全及可靠性等[2]。

本文以直流变频空调中利用DC180°正弦驱动电路为例，介绍了一种用于变频控制系统的独立三相电流保护电路的设计。

1 变频空调变频驱动技术

全直流变频空调核心技术，在于变频驱动及控制技术[3]。变频驱动技术主要有如下几方面：

（1）AC变频驱动。这是变频空调早期产品，国内一些厂家已拥有成熟的技术，AC变频空调的市场在减小。

（2）DC120°方波变频驱动。该方案技术相对成熟，已有部分国内厂家掌握，市场上，亦有大批量成熟产品。

（3）DC180°正弦波驱动。该技术初期在日本较为成熟，进入国内已有5年左右的历史，主要是日系企业在推广。与交流、DC120°方波变频驱动等方案相比，其具有噪声低、振动性能好的特点，关键是符合压缩机及空调系统高能效化的发展要求，代表了变频空调技术的发展方向[4]。

2 矢量180°全直流变频空调控制技术

180°正弦波直流变频空调，其关键在于可以避免换相时的电流突变，在噪声指标上有明显的优势，其控制系统主电路见图1所示，主要由电源整流、功率因数校正、逆变和控制电路构成[5]。

图1 控制系统主电路原理图

直流变频空调的变频模块每次导通2个三极管（A+、A- 不能同时导通，B+、B-不能同时导通，C+、C-不能同时导通），两相线圈通以直流电，驱动转子运转，另一相线圈不通电，但有感应电压，根据感应电压的大小，可以判断出转子的位置，进而控制绕组通电顺序。直流变频相比交流变频多一位置检测电路。

整流电路将220 V交流输入整流成直流电源，经电容滤波后变成300 V直流电压，功率因数校正完成输入电流的谐波控制和提高系统的位移功率因数，逆变电路将直流电压变换成电压和频率可调的交流电提供给压缩机。

180°正弦波变频空调控制系统中，控制电路主要包括电流检测、位置估算、速度控制、性能控制、电流控制、SVPWM、PFC 控制部分[6]。

（1）电流检测。电流检测在逆变桥的3个下桥臂与直流母线的负极之间串接水泥电阻来取样，该脉冲电流信号经放大滤波进入DSP的AD采样口采样，得到的三相电流经ABC-β坐标变换和αβ-dq坐标变换转换为id、iq供电流闭环控制和位置估算使用。

（2）位置估算。基于反电势观测器的位置估算，是180°正弦波驱动的核心，只有得到正确的位置信息，直流压缩机才能得到良好控制。位置估算单元利用电流检测单元检测的电流和输出的电压，按照电机dq轴下的假定坐标系模型，构造一个模型电机，通过闭环控制，将模型电机的运转状态与实际电机运行状态一致，此时模型电机的位置，就是对实际压缩机电机转子位置的估算位置。

（3）转速控制。转速给定信号与转速观测器估算的转速进行比较，进入速度PI调节器，得到转矩电流iq给定信号，转矩电流经PI调节器后得到转矩电压；按照直轴电流给定为0，则电机的励磁完全由永磁体提供，如果要进行弱磁控制则将id的给定设置为一个小于0的数，转速经过PI调节器后生成电流is给定值。

（4）性能控制。主要针对压缩机的实际应用要求，对压缩机的效率、出力、弱磁升速以及振动等进行控制。

（5）电流控制。通过PI调节器完成d轴和q轴电流的闭环控制，输出d轴和q轴的给定电压。

（6）SVPWM。按照电流控制输出的dq轴给定电压，经dq-αβ坐标变换转换到αβ的电压给定，然后采用SVPWM输出6路PWM脉冲驱动信号到主回路的IGBT。

（7）PFC控制部分。通过检测环节检测输入电压、直流电压和输入电流。通过对PFC开关VPFC的控制来改善输入电流波形。VPFC开通时，电流经电感L、整流桥BR2和VPFC后返回电源；关断时，储存在L中的能量与电源串连后通过主整流桥BR1给电容和负载供电。通过适当的控制，将谐波电流控制在标准限值以内。

在DC180°正弦波驱动电路中主要优点在于，针对反电动势为正弦波的压缩机。采用正弦波转矩脉动小，能充分利用压缩机的磁阻转矩，提供力和效率，便于在直流电压降低的条件下，采用弱磁控制提高转速，压缩机电机电流波为正弦，谐波含量小，能有效减低压缩机噪声。

3 三相电流保护电路设计

随着单相空调无法满足大功率制冷、制热等使用要求的情况下，三相电源的空调也开始大批量地生产与销售使用。在大电流工作的情况下，针对压缩机过负荷运行，如何进行保护设计，也是三相电源空调开发阶段就必须关注的一个要点[7]。

目前，变频控制系统中驱动电路常用的保护方法，是根据比较电路的输出信号，来判断是否驱动继电器吸合或者断开[8]。采用2个二极管形成一个简单的与非门，在任何一端出现过流而出现低电平的情况下，由于二极管的单向导通性能，电阻前端被拉低至低电平（一般小于0.3 V）。此电压无法使三极管出现导通，继电器无法吸合，输出信号为断开的状态；反之，当工作电流在动作电流以下时，电阻前端的电压足够使三极管导通，继电器吸合，输出信号为闭合状态。

通过以上两种不同的情形，从而提供一个开关信号给内机主板进行判断，是否存在过流情况。但这种保护动作慢，不足以实现快速保护，尤其是不能直接保护IGBT、MOSFET等熔通达时间小的高性能器件。

为此，本文在DC180°正弦波驱动电路中，通过几种技术方案的优化，开发了一种用于变频控制系统的独立三相电流保护电路技术，该方案技术可靠、精度高、相应速度快。

（1）技术方案一。三相电流检测分别经过电阻后并联，通过运放后连接到IPM的电流保护端。如图2所示。

图2 保护电路技术方案一

这种方式电路简单，但是由于三相电流会同时出现正负不同的方向，有可能不能产生有效的保护。同时由于运算放大器的速率的影响，保护动作时间滞后较多。

（2）技术方案二。3项电流分别经过比较器保护后，通过或门进行保护信号的合并后，连接到IPM的电流保护端。如图3所示。

图3 保护电路技术方案二

这种方式，可以有效地进行过电流的保护，但是增加了一个或门数字控制电路，器件数量多，增加了成本。

（3）技术方案三。设计了独立三相电流保护电路技术，如图4所示。

图4 用于变频控制系统的独立的三相电流保护电路

该保护电路包括智能功率模块以及监测电路，智能功率模块（IPM）三相输出端NU、NV、NW作为监测电路的3条输入电路（线路18、线路19、线路20）；所述的监测电路中，3条输入线路中的电流分别通过电阻R9、R10、R11调节，输出的SC保护触发电压为0.51 V左右，经过电容C1与电阻R1、电容C2与电阻R2、电容C3与电阻R3共3组RC滤波器（RC时间常数为1至1.5 μs之间，以便能有效地抑制因噪声干扰产生的故障）后，分别输送至B、C、D这3组比较器的反向输入端6、8和10（这些比较器的同向输入端7、9和11的参考电压为0.5 V，由电阻R4、电阻R5、电阻R6组成的分压电路提供）；B、C、D这3组的输出信号并联后，连接至A组比较器的反向输入端4，信号经过A组比较器的反向后，直接连接至IPM模块电流保护输入端15（IN）；实现整个信号输入过程。

正常工作情况下，B、C、D这3组比较器的反向输入端电压小于同向输入端的电压，这3组比较器输出高电压，经过A比较器的反向后变为低电压，IPM模块电流保护输入端无触发信号。当NU、NV、NW的3条线路中任一条或数条产生过电流现象时，B、C、D这3组比较器的反向输入端就大于同向输入端的电压时输出低电平（因为比较器出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，需要接上拉电阻，图中的R7与R8都为比较器输出端的上拉电阻）；经过A比较器的反向后变为高压，此高压触发信号就直接进入IPM模块电流保护输入端，启动IPM模块工作以进行保护。其中集成电路IC比较器推荐采用LM339，且有价格低廉、通用性好的特点。

通过不断优化设计，可以得出，该方案技术可靠，精度高，响应速度快，由于充分利用了1个通用比较器IC的4个比较器，器件数量少，成本低。

4 结束语

在日常生活中，我们更多关注于从系统的角度考虑变频控制系统的保护，比如通过检测主电路的电压、电流或者其他物理参数，而此文从电路设计保护的角度出发，详细阐述了变频控制系统驱动电路中电路设计过程应该考虑的一般保护问题。一方面为具体电路设计提供了可供参考的解决思路，另一方面也更深入认识变频控制系统中的保护问题。只有把电路本身的保护跟系统级别的保护结合起来，才能设计出更优的变频空调控制系统。

[1]尉迟斌.实用制冷与空调工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]窦 伟.数字化控制DC/AC正弦波电源[D].成都:四川大学，2004.

[3]周乾纲.变频空调的技术优势与节能原理[J].机电器技术，2000，(2):26-28.

[4]程 琼，陈红兵.永磁无刷直流电机在变频空调压缩机中的应用[J].湖北工业大学学报，2005，(20):41-43.

[5]Albert Qiu，Hassan Kojor，Bin Wu.Sensor less Control of BrushlessDC Motor for More Electric Aircraft[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2003，9(3):27-29.

[6]余仕求.直流变频空调压缩机位置检测电路设计[J].长江大学学报（自然版理工卷），2007，4(2):73-75.

[7]刘序宗.论马达变频控制系统的电路保护[J].机电信息，2010，（24）:147-148.

[8]雪 亮.新型变频空调器保护电路分析[J].家用科技-制冷·空调维修，2005，(3):8-10.