直流低压保持四通阀在热泵型空调器的应用

刘 杰

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，家用热泵空调器一般采用交流四通阀实现制热功能，部分出口国家为了降低功耗使用能耗较低的直流低压保持四通阀。普通交流四通阀在制热运行过程中需要持续提供（220～240）V交流电，额定输入电压下功率一般是直流低压保持四通阀的5倍以上。日本国家标准JIS C 9612《ルームエアコンデイショナ》规定的全年能源消耗效率APF评价指标中,考核制热权重占比超过50 %[1]。依照日本国家标准得到不同工况对APF指标影响程度如表1所示[2]。因此，为提高出口日本市场空调器的APF，应着重优化制热模式下的能效，其中采用低功耗的直流低压保持四通阀是提升能效的有力手段。

表1 各测试工况对日本空调器APF指标的影响

1 直流低压保持四通阀控制原理分析

四通阀作为热泵型空调器不可或缺的重要部件，它控制四通阀阀芯与阀体的相对运动来调整制冷剂的流动方向，以实现热泵空调器的制冷、制热模式切换。

直流低压保持四通阀与普通交流四通阀一样都由芯铁和电磁线圈组成。芯铁需要吸合时，线圈首先需通入直流启动高电压，使得线圈产生电磁力克服弹簧、摩擦等阻力作用吸合芯铁，之后断开启动高电压。在断开启动高电压之前，电磁线圈需通入直流低电压，以保持芯铁为吸合状态。芯铁需要脱开时，电磁线圈断开保持低电压，弹簧力克服电磁力使芯铁复位。而普通交流四通阀在制热模式下为保持四通阀工作持续提供交流电源，功耗无法降低。

直流低压保持四通阀采用双直流电源供电，在换向开始阶段同时提供高电压、低电压，换向成功后延时一定时间断开高电压，依靠低电压使四通阀保持在工作状态，工作原理如图1所示。倍压整流电路输出300 V左右的直流高电压，开关电源提供输出15 V的直流低电压。当需求四通阀开启运行时，高压驱动控制电路控制继电器K3闭合输入Vdc直流高电压启动吸合四通阀芯铁，同时低压驱动控制电路控制输出低电压，待四通阀线圈稳定吸合芯铁后，高压驱动电路控制继电器K3断开输出Vdc直流高电压。低压驱动控制电路继续输出直流低电压维持四通阀为吸合状态。需求四通阀关闭运行时，低压驱动控制电路断开输入直流低电压，四通阀芯铁复位。

图1 直流低压保持四通阀工作原理图

2 直流低压保持四通阀控制设计

2.1 直流低压保持四通阀的主要技术指标

在选用直流低压保持四通阀，首先需要了解其主要参数，如表2所示。

表2 直流四通阀电磁线圈主要参数

1）启动电压。启动电压是直流低压保持四通阀需求闭合时能可靠吸合芯铁的工作电压。

2）保持电压。保持电压是直流低压保持四通阀可以长期稳定保持吸合芯铁状态的工作电压。

3）使用温度范围。使用温度范围是直流低压保持四通阀在施加额定电压条件下可以长期可靠运行的环境温度，当电磁线圈通电时使用温度需在50 ℃以下。空调中的四通阀连接在系统管路上，需放置在室外机腔体内，（-30～60）℃的使用温度基本满足出口日本、北美等国家的要求。

2.2 直流低压保持四通阀控制异常现象分析

对直流低压保持四通阀失效不良品统计发现，存在一定比例因控制启动高压的继电器损坏而无法吸合四通阀。而普通交流四通阀同样采用继电器控制却未收到此类不良品反馈，对比两种四通阀控制方案发现此问题与直流低压保持四通阀控制电路及控制模式设计有关。

一般继电器的损坏部位多与触点相关，关键在触点材料和动作机构的可靠性上[4]。我们通过分析试验失效不良品确定，控制直流低压保持四通阀的继电器多为触点不闭合导致的失效。对出现故障的继电器进行解剖，在显微镜下观察动簧片有高温发黑发紫的痕迹，且触点有明显大面积烧损，继电器动簧片的推动卡熔融，如图2所示。

图2 显微镜下故障四通阀动簧片及推动卡图

2.3 直流低压保持四通阀控制继电器拉弧分析

四通阀由电磁线圈、先导阀、主阀三部分组成，控制转换主阀管路连通方式的电磁线圈为感性负载。四通阀的电磁线圈在接通瞬间，感性负载的电磁线圈抑制电流变化不会出现浪涌电流，但在电磁线圈关断时，存储在线圈中的电磁能均需通过触点点燃弧消耗掉，即关断时可能出现拉弧打火现象。

普通交流四通阀为交流电源供电,当电磁线圈关断出现拉弧打火时经过交流电压过零点时，此时可认为交流输入电压为断开状态，在零电压下电弧无法维持而灭弧。以220 V/50 Hz电压源为例，理论上拉弧打火极限时长为10 ms，交流四通阀电磁线圈电阻为2 000 Ω，流过继电器最大电流220 V*1.414/2 000 Ω=155 mA未超出极限电流值，故不会出现拉弧损坏继电器。

直流低压保持四通阀为直流电源供电，当电磁线圈关断瞬间出现拉弧打火时与交流电源存在电压过零点不同，直流电源持续加载在电磁线圈两端将延长拉弧时间。以115 V电压上偏差20 %的极限交流电压倍压整流为直流电压为例，断开交流四通阀电磁线圈电阻下偏差5 %为555 Ω，流过继电器最大电流140 V×2×1.414/555 Ω=713 mA。如继电器控制无触点拉弧保护电路处理，将继电器外壳剥开，露出触点进行测试。如图3所示，继电器将持续拉弧产生高温烧毁。

图3 交流四通阀拉弧现象

2.4 直流低压保持四通阀控制可靠性设计、验证

2.4.1 直流低压保持四通阀预防拉弧保护电路设计分析

由于直流电压源不像交流电压源有电压过零点可自我切断电能输入而灭弧，为提高直流低压保持四通阀的可靠性，需考虑在继电器控制启动电压电路中增加预防拉弧保护措施。

措施一：四通阀两端并联反向保护二极管。

继电器关断时刻直流低压保持四通阀的电磁线圈会引起数百伏的反向电压，损坏继电器触点。故直流低压保持四通阀两端并联一个反向保护二极管D10，反向击穿保护电压参数设置为输入电压的2～3倍，输入启动电压为300 V左右时选择最大峰值反向电压1 000 V。依据输入直流电压值、流过负载电流的大小，确认选择反向保护二极管的主要参数如表3所示。

表3 反向保护二极管主要参数

措施二：继电器与直流低压保持四通阀之间串接PTC电阻。

PTC电阻值在达到特定温度后有随温度升高呈指数形式增大的开关特性。在继电器与直流低压保持四通阀之间串接PTC电阻，如图1所示。当控制高电压继电器吸合一定时间后，PTC元器件的阻抗值随温度升高迅速增大，将继电器触点的瞬态电流限制在较低水平。实现低电流或零电流下关闭继电器，避免拉弧打火烧毁继电器。确认选择PTC电阻的主要参数如表4所示。

表4 PTC电阻主要参数

2.4.2 直流低压保持四通阀控制模式设计、验证

在制热模式下，直流低压保持四通阀控制逻辑如图5所示，整机接收制热开机信号，室外风机启动一定时间压缩机启动，而后间隔时间t1四通阀开启，四通阀启动时闭合高压控制继电器，间隔时间t2关断高压控制继电器，通过低压继电器维持四通阀导通。为确保四通阀可靠性换向，需重点关注如下2个时间参数。

图4 直流低压保持四通阀控制逻辑图

图5 低电压75 V测试波形

时间间隔t1：压缩机启动后延时开启四通阀时间

压缩机启动一定时间后，压缩机排气口液体制冷剂才会消失。如果液态制冷剂未完全消失的情况下四通阀换向，存在四通阀液击损坏的风险[3]，低温长时间静置制热开机尤为突出。参照热泵空调器使用环境特点设计试验验证，出口日本有低温制热功能的热泵空调器需满足室外机环境-20 ℃以下正常开机运行，为满足四通阀在气态制冷剂流过的情况下换向，一般按压缩机启动以1 Hz/S的升频速率达到低频停留点36 Hz作为四通阀延迟开启条件。

图6 额定电压115 V测试波形

图7 额定电压140 V测试波形

时间间隔t2：高电压控制继电器闭合时间

启动高电压在四通阀换向成功后需要断开，为确保低电流或零电流下关闭继电器，避免拉弧打火烧毁继电器，高压控制继电器闭合时间要大于PTC保护时间。结合日本市场市电规格，覆盖高、中、低各个电压试验验证，高电压控制继电器闭合时间需大于5 s，测试数据如表5所示，波形如图5～7所示。

表5 测试数据

3 结论

本文分析了直流低压保持四通阀控制保护电路设计、器件选择，并通过试验验证得出直流低压保持四通阀可靠应用的相关结论。测试结果符合设计应用与可靠性要求。在直流低压维持四通阀的高电压继电器控制中，利用PTC 电阻的温度特性，通过调整高电压控制继电器吸合时间至大于PTC 电阻的保护时间，实现继电器动触点在低电流关断，从根本上消除了触点断开瞬间拉弧问题，保证四通阀继电器的可靠性。