电压高适应性空调器产品的设计探讨

刘阳 张静 赵云涛 尤顺义

（广东志高空调有限公司 广东佛山 528244）

电压高适应性空调器产品的设计探讨

刘阳 张静 赵云涛 尤顺义

（广东志高空调有限公司 广东佛山 528244）

在空调等家用电器使用量越来越大的状况下，人们对电的需求量也越来越大，在用电高峰期时空调常常在低电压下运行，由此导致空调器常会发生故障。在此现状下，本文探讨了能在不同电压地区使用的空调器的设计。

空调器；低电压；可靠性

1 引言

1.1 全球电压标准

交流100V～130V、频率50/60Hz，该电压范围被归类为低压，美国、日本等区域使用该类型电源。交流200V～240V、频率50/60Hz，该电压范围被归类为高压，中国、英国以及大部分欧洲国家等区域使用该类型电源。

1.2 中国电网现状

中国使用的电压标准是220V/50Hz，然而随着农村用电量快速增长，农村电网配电变压器容量不足以及低压线路日益增加，导致部分地区低压现象严重，大部分地区电压低于165V，较为严重的地区甚至低于130V，从而导致家用电器（空调、冰柜等）无法正常使用，严重影响人民生活质量。特别是部分农村地区的电网电压偏低，空调器在低电压下运行，如果过载保护器失灵或烧坏，常会发生压缩机电机线组烧毁的故障。

在电力系统运行中，当用电量过大或有其他原因时，会造成电网电压过低，使用电设备处于低压运行状态。这对用电设备、对电网线路都是非常不利的，甚至会造成严重的危害。

其主要危害有：一是烧毁电动机。电压过低超过10%，将使电动机电流增大，线圈温度升高严重时甚至烧损电动机。二是降低电力系统的稳定性。由于电压降低，相应降低线路输送极限容量，因而降低了稳定性。电压过低时可能发生电压崩溃事故。

近年来由于电网电压崩溃而引起的电网事故多有发生，因此电网电压稳定性问题引起了广泛关注。开发适应性高，工作电压范围宽的空调器产品具有非常重要的意义。

2 电压变化对变频空调的影响

变频空调（如图1）一般采用交流—直流—交流电压型变频器，主回路由整流电路、滤波电

路、逆变电路等部分组成。整流电路将输入的工频交流电转换为脉动直流电，滤波电路将脉动的直流电变成平稳的直流电，逆变电路则将直流电逆变成电压和频率可调的交流电。滤波电路也是中间直流储能环节，通常是由若干个电解电容串联或并联构成，电容量取决于变频器的设定功率，一般从数百到数千微法拉不等。空调在运行过程中，电能从电网经由变频器传递到压缩机带动制冷系统。当供电电源发生大的电压波动时，一方面变频压缩机继续运行需要消耗能量，另一方面电压波动期间变频器中间直流储能环节的能量又不能得到及时、足够的补充，这就导致中间直流储能环节电解电容两端的直流电压值迅速降低。当电压情况恢复正常时，供电电源给电解电容重新充电补充能量，直至其两端恢复至电压波动前的电压值，在此过程中充电电流随之产生，其大小取决于电压波动前后电解电容两端直流电压值的变化幅度，直流电压变化幅度越大，充电电流越大。如果处理不当，则会产生较大的充电电流，从而影响变频器整流、滤波电路的寿命甚至直接产生破坏，也可能对电源带来冲击，导致电源断路器跳闸。

由上述分析可知，电压变化波动对变频空调的影响主要是，变频器电解电容两端的直流电压值变化引起的充电电流对变频主回路和供电电源的冲击和破坏。

通常变频器都设有中间直流储能环节的欠压保护功能，当电解电容两端的直流电压值降低至设定欠压保护值时，变频器因欠压保护而迫使变频负载停止工作。一旦变频负载停止工作，由于没有能量的继续消耗（或仅存在放电电阻等小负载消耗有限的能量），电解电容两端的直流电压值不会继续下降（或下降非常缓慢）。该保护功能能有效地限制电压波动发生时电解电容两端电压值的下降幅度，从而抑制电压恢复正常时的充电电流大小，减小对变频空调的影响和危害。但是这种以保护停机为代价来保证空调可靠性的方法，难以满足用户对于环境舒适性的诉求[1]。

3 关键零部件的设计探讨

3.1 电压高适应性的电机开发

电压偏低对家用电器的危害包括对单相异步电动机的危害。当电动类家用电器的实际电压大大低于铭牌额定电压时，将会引起转矩急剧减小、转速降低和满负荷运行中温升增高，加速绝缘老化甚至烧坏电动机。电压低还会使家用电器的电动机启动困难甚至无法启动，且在启动时有较大噪声。

为提高电机的电压适应性，需要调整电机的力矩特性曲线，使其电压变化时转速变化小，在变化加大的情况下仍能正常工作。提高制作工艺，使齿轮与齿轮咬合紧密，转动时无虚位产生，每一步精确到位。并通过室内主控板的基准电压和智能调节系统，为电机工作提供稳定电压，使超低电压下步进电机可正常工作。同时挑选适合的风机电容，为电机的启动运行提供合理的转矩，低电压情况下保证电机有良好的转速，高压时温升低。电机转速的稳定为低电压情况下空调制冷、制热效果及系统的稳定性提供保证[2]。

3.2 高适应性控制方案的设计选择

3.2.1 室内外控制方案的设计

空调电控装置通常分室内外控制板，室内外控制板分别控制对应驱动设备。偏远地区空调可能长期在低电压下工作，工业园地区电压波动频繁及幅度大，且工业设备多为感性负载，影响电网输出波形。

室内控制板使用霍尔元件的反馈电路，可精确测量电机转速。主芯片通过计算对比设定转速和实际检测转速，进行智能PI调节，如此闭环回路控制可使电机转速更稳定准确。实际使用还可以通过反复试验测试不同负载、不同电压下理论值与实际值偏差，并将数据写入程序，进行智能补偿。

室外电控板开关电源方案，采用PI公司设计的芯片TNY276实现高效率的电源设计，变压器多路电压输出：控制四通阀，电子膨胀阀提供的驱动电压12V；提供MCU和一些模块电路工作电压5V；提供芯片TNY276的限流电压和为功率模块提供电源15V。配合开关电源基于TL431和PC817设计的环路动态补偿电路设计保证了即使在重负载或低压的情况下MCU工作电压5V电源的稳定性，以便保证各个电路控制的正常工作。TNY276使开关电源空载情况下消耗功率小于

50mW，其具有精确的迟带热关断保护并具有自动恢复功能，电路中其引脚设计为“电气”上的安静点，从而降低了EMI。

图1 变频空调负荷模型

图2 电源转换方案

图3 运行电参数1

图4 运行电参数2

目前变频空调一般采用无源PFC，即被动式PFC来降低电流谐波，减少对电网的污染，但是这种方式会导致控制器直流电压降低，高负荷或者较差工况时空调不能为用户提供更多的制冷量和制热量，降低用户体验，所以逐渐被淘汰。另一种常用的PFC电路是主动型的，即有源的，但是其为部分开关型，能够显著改善输入电流波形，降低谐波失真，但是一般其直流电压不会升高很多，尤其是电网电压较低时，直流电压也会下降，不利于提高空调整机性能。

为提高电压适应性，在电路设计中，旁路/多功能引脚增加了一个10uF电容使电流模式增大电流限流值；在使能/欠压上连接一个电阻使其芯片开启欠压保护功能全输出PFC控制技术；采用软件控制的全开关PFC控制器，能够大幅改善输入电流谐波，并能在电网电压大幅度变化时，也能保持稳定可靠的高直流电压，以便空调随时为用户提供充足的制冷量或者制热量，提高用户体验[3]。

3.2.2 电源转换方案的选择

为提高变频空调的电压自适应范围，核心电机（压缩机、室内风机、室外风机）采用直流电机，由于直流电机的特点，电机的运行只需要保证一定范围内稳定的直流电压即可实现更加精准、稳定、舒适的空调运行调节。

而不稳定的交流输入电压如何转换为一定范围内稳定的直流电压乃是确保系统稳定运行的关键所在。

如图2所示的电源转换方案采用Boost电路配合核心算法，可适用于交流100V～260V的电压环境。硬件上从众多产品中精选合适的功率器件，辅以高精密电流、电压采样传感器，从而实现高效率转换。软件方面采用双闭环+电流前馈控制技术，以高精度A/D采样配合软件矫正算法，对输入电流和输出电压进行控制，实现空调超低电压和超高电压运行（如图3、图4所示）。

优秀、高效的电源转换系统能自适应复杂多变的电网电压，为空调系统的运行提供稳定的电压平台，同时极大地减小了高次谐波对电网的危害。

3.3 高精度四通阀的开发

四通电磁换向阀由主阀、先导阀和电磁线圈三部分组成。当空调器制冷运行时，电磁线圈不通电，先导阀内的铁芯在弹簧力的作用下移向左端，使主阀左端为低压腔，而右端在压缩机排气压力的作用下，活塞向左移动，形成了如图6所示的制冷循环状态。当空调器制热运行时，电磁线圈通电，先导阀内的铁芯在电磁力的作用下移向右端，使主阀右端为低压腔，而左端在压缩机排气压力的作用下，活塞向右移动，形成制热循环状态，如图5所示。

为提高电压波动情况下四通阀的响应速度，四通阀采用以下设计：

（1）四通阀线圈采用中间抽头的方式，将四通阀线圈线圈绕组分成两部分。在电压较高时，采用部分绕组工作；在电压较低时，采用全部绕组工作。区别于普通线圈线圈绕组只能全部投入使用的方式。如图6所示，2为电源线a，3为电源线b，4为电源线c。

（2）线圈中心设置钢制散热套筒，一方面起到导磁的作用，另一方面可以减少四通阀体和线圈之间的导热，同时通过空气的对流散热，降低四通阀线圈的温升。如图6所示，图中1为散热套筒a，5为壳体，6为绝缘层，7为线圈，8为散热套筒b，9为散热套筒散热槽。

（3）提高四通阀加工精度，减少系统中制冷剂的流动阻力，使电压较低时换相所需的力矩减小，系统可以正常运行。

4 结论

（1）通过空调器电机、室内外控制板等主要零部件的合理设计、合理选配，能够实现空调电压的高适应性，确保空调在不同电压市场的可靠性。

（2）电压高适应性空调器产品凭借其具有工作电压范围广、适应性强、用户使用舒适度高的等特点，十分适用农村、工业园区、用电高峰期等电压波动大的环境，应用前景十分广泛。对于促进农村电气化事业发展，开拓农村消费市场，改善民生，促进农村经济社会发展、构建和谐社会具有十分重要意义。

图5 四通阀工作状态示意图

图6 电压高适应性的四通阀线圈

[1] 李刚，张仙平. 小型制冷设备低压启动探讨析[J].郑州纺织工学院学报,2000,11(6).

[2] 孔维涛，张庆范，李瑞来，何洪臣． 电网瞬时停电保持变频器母线电压的新方法[J]． 电工技术学报，2006,21(6):54-58.

[3] 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会编.电机工程手册第4卷电机：机械工业出版社，1982

Discussion on design of air-conditioner used in low voltage areas

LIU Yang ZHANG Jing ZHAO Yuntao YOU Shunyi
(Guangdong CHIGO Air Conditioning Co.,Ltd. Foshan 528244)

More and more popular in the air-conditioning and household appliances and conditions, people’s demand for electricity is increasing, in the peak time adjustable often run at low voltage, which leads to the air conditioner break down. This paper introduces the air distribution and purification design of air-conditioning runs in low voltage areas.

Air conditioning; Low voltage; Reliability