直流变频驱动技术在空调设计中的应用

钱中源

摘 要：传统空调通过压缩机的启停来对室内进行恒温控制，会耗费大量的电能并产生较大的噪音，应用直流变频技术的空调可以使压缩机以较低的转速运行，具有很好的节能效果。本文先对直流变频空调原理和结构进行论述，对直流变频室内机、室外机控制系统进行分析与探讨。

关键词：直流变频;空调设计;无刷直流

中图分类号：TM925 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0082-02

随着人们生活水平的不断提升，更多的空调制冷设备进入到家庭中，传统的空调制冷设备电能利用率并不高，存在着电能浪费的问题，无法达到节能的要求。直流变频驱动技术是空调的发展方向，具有启动功率大、电机效率高、接近设定温度后低功率运行、高能效比等特点，随着国家能效规定的颁布，将会使直流变频空调技术的应用变得更为普及。

1直流变频空调原理和结构

该种类型的空调利用无刷直流电机来驱动压缩机运行，直流变频控制电路仍与交流变频一样，人们习惯将采用无刷直流电机的空调叫作直流变频空调。无刷直流电机转子采用稀土永磁材料制作而成，定子采取整距绕组的方式，不再采用直流电机的电刷装置，但具有与直流电机同样的调整性能，有更高的运行效率和调速性能，应用到变频空调中有着很好的节能效果。该种类型的电机在运行时需要监测永磁转子的位置信息，这样才能准确地进行换相控制，保证直流永磁电机可以平稳地运行。位置检测可以采用霍尔元件，也可以通过监测电机的相电压信号通过逻辑计算得到，电机线圈绕组运行过程中，会持续存在两相通电、一相不通电现象，可以将剩余相作为转子位置的检测信号线，可以实现对感应电压的捕获，然后对定子线圈方波电压进行控制，这样不再需要配置霍尔传感器，空调中转子位置检测都采用无传感器方式。变频控制模块还是根据SPWM方式进行调制，将直流电源转变为频率可调的交流电，对直流电机的三相线圈进行供电[1]。

直流变频空调的室内电路与传统的空调基本类似，只是增加了与室外机通讯的电路。室外机主要由室外控制板、电源板、IPM变频模块等构成，电源板对输入的交流电进行滤波、整就能和功率因数调节，将交流电转变为稳定的电流电源，起到过流、过压等保护功能，实现对电路板的检测，可以对室内机进行通信，对变频模块输出进行控制，如图1所示。

2直流变频器室内机控制系统

2.1单元微处理器

室内机在整个直流变频空调系统中为从属地位，用于对室内温度、湿度等进行检测，识别和判断遥控器发出的信号，对室内风机速度进行调整，控制导向板的开度和方向等，根据室外机要求进行运行，但该部分与用户直接联系，是否设计合理将影响到用户的使有体验。室内处理器采用改进的R5F100F芯片，是16位的处理器，具有低功率和高性能等特性，内部数据存储器具有加密功能，设置有A/D转换接口、定时器接口，定时器功能模块可以设置信号采集和对比功能，也具出PWM输出能力，多种运行状态的选择，可将室机置于STOP、WAIT模式。配置有串行通信接口SCI，低电压禁止模块等。寻址范围可达到以64k，内部有ROM固化模块，可以实现在线编程与调试[2]。

2.2室内控制板设计方案

室内控制板用于控制送风机、导风板和百叶窗的控制，还具备外机的通信，获取到遥控器发出信号，对室外上电情况进行检测。室内机还具备信号指示、离子净化和功能选择等功能，如果存在运行故障，會将故障码进行显示，给运行维护提供了便利，离子净化则是通过继电器来对其进行控制，如果室内的灰尘超过设定的指标，继电器动作后离子净化器就会运行，可以释放出负离子来对灰尘进行吸附处理，起到很好的空气净化效果。

全直流空调室内机风机选用直流无刷电机，可以减小室内机的运行噪音，给居住人员更好的舒适度体验，由于室内风机运行速度、性能等方面要远低于室外压缩机，可以采用具备位置传感器的直流电机，利用PWM的方法对电机进行控制，可以对控制电路进行简化，有利于控制生产成本。GP32内核要以形成和输出PWM波，在内部寄存器中设置好PWM值，芯片相应的引脚则会输入位置控制信号给直流电机，电机中位置传感器反馈回来的信号与PWM设定值进行比较，再调整PWM信号实现闭环控制。驱动电路采用星形非桥式结构，采用MOSFET功率管进行并联，设置有RC缓冲电路来对功率管进行保护，风机转子位置信号通过霍尔传感器输出，与电机转子进行同轴连接，当感应到磁场变化时输出高电平来对MOSFET功率管通断状态进行控制。由于直流电机转子的持续转动，位置传感器也会随之转运，通过每相绕组的换流来控制通电时间和电压，这样就可以完成对直流电机的速度调整。

导风板和百叶窗为室内机的重要部件，直接影响着室内机的性能，用于确定室机的送风方向，是通过四相八拍的步进电机来控制导风板，MCU电路输出端口发送出步进电机的脉冲控制信号驱动频进电机运行。

3直流变频空调室外机系统

3.1直流变频空调制冷系统原理

直流变频空调为效率很高的节能型冷暖热泵空调，控制压缩机驱动电机的电压和频率，通过电机的转速调节来对压缩机容量进行调节，需要根据室内的温、湿度情况来进行控制。冷凝器是对空调制冷系统向外界进行换热装的置，空调系统释放的热量是从蒸发器提取走的热量、压缩机运行产生热量，压缩机将制冷剂蒸汽转变为高压，在中低温条件下进行蒸发制冷，可以在常温状态下实现液化。压缩机需要持续地吸入和排出气体，方可以保证制冷持续进行运行。直流变频空调运行过程中，发果室内温度与设定温度产生较大的偏差，空调就是进行强制加热或制冷，压缩机驱动电机就会以较高速度运行，比如，为了加快加热或制冷效率，电机120Hz运行。如果与设定温度相符时，直流驱动电流运行速度就会变低，不再需要为室内提供更多的制热、制冷量。因为变频直流电机可以在较低的转速下运行，比如，30Hz或者更小的频率，那么室内的温度已经接近设定值，压缩机就不会频繁地启动和停止，将会以较低的速度持续运行，可以避免较高频次启动产生的运行噪音和对电网的产生冲击[3]。

3.2空调室外机电气控制系统

用户操作遥控器来对直流变频空调进行操作，通过特定频率的红外信号来与室内机进行通信，室内机与室外机采用通信方式来进行信息交互。室内机接收室内控制单元发出的命令，调整室外机的运行状态。室外机控制系统由MCU控制板和主电路构成，对交流电源进行滤波和整流处理以后，转变为频率可调的直流电源，通过功率逆变模块调节直流电机后来驱动压缩机运转，室外机电路如图2所示。

图2 室外机主电路框图

MCU控制板控制对象为压缩机、室内电子膨胀阀等，实现与室内机的数据交互，对室外环境温度、冷凝器、压缩机吐气温度的检测，对电源的电流、电压进行检测，MCU生成PWM信号作为IPM的驱动回路，并对IPM逆变模块进行保护，实现对反电动势的检测。在对室外机MCU控制板进行设计时，应该尽量保证控制电路的简化，控制软件易于实现，具有很好的性价比，减少设计开发时间。可以采用已经技术成熟的变频控制芯片和功能模块来对硬件电路进行设计[4]。

3.3变频控制微处理器和功率模块

根据直流变频空调室外机需要控制和监测对象的要求，需要選用的芯片不得低于8路数模转换处理通道，还应该配置有16路I/O接口，1个具备外部中断输入口，用于变频驱动的PWM波形输出端口，接入压缩机保护信号的端口等。室外机芯片针对PWM波发生模块性能要求较低，需要具备反电动势信号捕获口来对其进行检测，可采用R5F100F单片机作为控制核心。该芯片有着较好的性价比，运行速度可以达到8MHz，有着较多的控制功能，运行功耗也比较低，内置FLASH存储器，可用作MCU板控制芯片，寻址区间为64K。内部配置有ROM模块，外围控制板可通过单线方式与芯片联系，为编程和调试提供了便利。

MR32为驱动直接电机波形的芯片，内部定时器功能可以生成多种类型的PWM波。直流无刷电机作为控制对象，通过定时器来对转子位置信号进行获取有着很大的便利性，TIM为四通道定时器，可以对PWM信号进行采集和对比，内部为16位计数器，通过程序可以对四个通道进行捕获与对比，时钟可通过内部总线或外部时钟进行控制。输入捕获可利用CUP来进行中断控制，采用TIM来对电机三相位信号进行检测，可以对电机实现闭环控制，可以形成具备一定宽度和频率的脉冲，如果计数器数值累加与比较寄存器相同，则会清除掉通道电平。比较后可以向CPU发出中断控制要求。在输出对比功能时，如果计数器数值溢出，则需要将引脚电平进行切换控制，则可以生成PWM波形，寄存器模数与PWM周期有着直接关系，当计数器值与寄存器模数相符时，则需要TIM切换到输出引脚电平。

与变频器中采用IGBT模块进行比较来看，智能功率模块把功率开关元件、驱动控制电路、检测电路等共同封装到模块内，可用于对电流进行检测，具有过流、过压等保护功能，有着更高的可靠性，不再单独采用防静电保护措施，具有更高的操作性。智能功率模块采用三代IGBT和续流二极管，高速运行的IGBT和门驱动电路构建起集成器件，IPM故障输出端可用于驱动光耦，把故障信号发送给数据锁存器，用于故障信号的识别和判断。利用IPM进行输出频率控制比较方例，接口电路和扩展电路也比较简单，配离好光耦隔离、电流和电容就可以实现。IPM智能功率模块的选用需要考虑直流电机的过载需要，如果变频空调额定功率为1.4kW，输入电压为220V，逆变功率元件电流则为：

，公式中的1.2-2为设置的安全裕量，是为了满足直流电机的过载倍。220V交流电采用桥式整方式，则直流输出端电压为：UD=1.35×1.2×220=356.4V，可以选择额定电流为30A，电压为600V的IPM功率模块。利用SPWM逆变器可以有效减小逆变器电压的高次谐波，使输出的电流与正弦波接近，也可以降低开关频率，有的IPM模块的输出频率可以高达10-20kHz，在确定开关频率时还应该结合开关的损耗情况，可以选用PM30CSJ060功率模块，具有很好的短路保护性能，提高驱动电路的安全性[5]。

3.4室外单元设计方案

直流变频空调利用电子膨胀阀来对室内机制冷剂流量进行调节，为四相八拍的步进电机，通过MCU模块输出脉冲信号进行控制。四通阀、散热风扇则采用断电控制的办法，MCU模块输出控制信号后通过三极管进行驱动，继电器线圈接通后可以实现对强电的通断控制。直流电机采用反电动势控制技术，可以对电气系统进行很好地保护。

4结语

传统的空调通过控制压缩机的启停来进行控制室内的温度，没有对温度、湿度和负离子浓度指标进行考虑，无法满足人们对舒适度的要求。同时，由于压缩机的频繁启停还会对电网产生冲击，额定转速运行还会造成电能的损失。直流变频空调技术的应用是空调发展方向，具有很高的应用价值，需要加强对直流变频技术的研究，合理选用控制方案和电气元件，保证直流变频空调发挥出应有的作用。

参考文献

[1] 孙婷婷.某高层办公绿色建筑的暖通空调设计[J].福建建筑，2017（1）：85-88.

[2] 孙乃茹.暖通空调系统中节能环保技术的探索与思考[J].居舍，2018（24）：24.

[3] 李齐.浅析智能变频中央空调系统施工技术[J].科技与创新，2016（20）：148-149.

[4] 尚禹.数据中心机房空调系统的技术分析及改造[D].沈阳：东北大学，2016.

[5] 陈卫乐.绿色建筑技术在暖通设计中的应用研究[J].建筑知识，2016（15）：20.