浅谈直流变频空调的工作原理

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1、摘　要：主要对变频空调，特别是对等宽度PWM(Pulse　Width　Modulation脉冲宽度调制方式)方式调速的直流变频予以阐述。关键词：直流变频；PWM(脉冲宽度调制方式)；PAM(脉冲幅度调制方式)1、概述　　图1为变频空调变频部分的基本构成。电源220V交流电压经转换器变换为直流。逆变器主要功能为实现换向，把直流电压转换成任意频率的有效值相当于三相交流电的脉冲电压信号;其最常见的结构形式是六个半导体开关元件组成的三相桥式电路(大功率模块)。图1　变频部分的基本构成逆变器的负荷为压缩机中的异步电动机，变频空调器按

2、照负荷是交流变频压缩机还是直流变频压缩机而分为交流变频与直流变频两大类。交流变频中逆变器的输出电压方式一般采用是不等宽度PWM调制方式，而直流变频中逆变器的输出电压方式一般采用是等宽度PWM调制方式。目前PAM(PulseAmplitudeModulation脉冲幅值调制方式)以其独特的优越性而被用于直流变频空调器的压缩机输入电压的调制中。其调制波形图见图3。图2　变频部分电路原理图图3　变频的各种调制方式交流变频压缩机的电动机为普通三相异步感应电动机，因此不再赘述。下面主要以直流变频为核心进行论述。2　大功率模块　　有刷

3、直流电动机中，当转子(单线圈)磁场转到与定子(永磁体)磁场平行后，若转子再越过此位置，而直流电源不改变流向，即线圈中的电流方向不改变的话，那么根据右手定则此时线圈受力将使之向原方向反转。因此，需有炭刷来改变线圈中电流的流向，使转子能继续旋转下去。在压缩机中，由于汽缸中充满了氟利昂蒸汽，不能采用会产生火花的有刷直流电机，因此必须采用通过电子回路实现换向的无刷直流电机。图2的虚框即显示了一种由六个三极管模块组成的逆变器，习惯上叫作大功率模块，其中A＋、B＋、C＋组成上支路，A+、B+、C+组成下支路。按图4表中顺序循环通断，每

4、次总是上支路的一个三极管与下支路一个三极管ON，给压缩机定子线圈施加方波电压。图4　等宽度PWM调制方式的电动机定子电压3　直流压缩机电机的基本原理　　直流压缩机的电机的转子为永磁体。典型的永磁体结构有弧形、逆弧形、V形、X形等；不同的排列，磁力线的集中度不一样，它直接影响电动机的效率。定子同交流压缩机电机为漆包线绕制而成。图5为四极(磁极对数为2)三相无刷直流电机的示意图，定子线圈绕法如图5所示，每极2槽，共24槽。首先大功率模块根据转子的旋转位置切换定子绕组的通电电流，始终保证转子N极对面的定子绕组导体内的电流流向为一

5、个方向，如?；而转子S极对面的定子绕组导体内的电流流向为另一个方向，如⊙(参见图5右侧的电机横截面示意图)。具体地讲当转子处于图5的位置时，三极管A＋、C?导通，如图2可知，此时仅U、W线圈即A、C线圈中有电流，流向为a→、→c，即产生图示定子横截面上导体内电流的流向。我们把电机分成左上180°和右下180°两半来看。左上180°部分，a、导体的磁场根据右螺旋法则叠加后在定、转子间产生一个垂直向上的方向磁场，而、c导体磁场叠加后产生一个水平向右的磁场，二者再叠加的磁场ΦZ1方向如图;正好与转子磁场Φd1互相垂直，于是便会产

6、生逆时针方句的电磁转矩，推动转子向逆时针方向旋转。右下180°的原理一样。※右螺旋法则：用右于握住导体，使大拇指方向为电流方向则其余四指的方向便是磁场的方向(磁力线的方向)。图5　无刷直流电机示意图当转子转过60°电气角后，按表1，是晶体管B＋、C导通，B、C线圈通电，且b→、→c，我们会发现定子线圈仍正对转子N极，仍正对转子S极同样产生两个互相正交的定、转子c磁场，如此反复，电动机即可旋转起来。其中定子绕组中控制方波电压波形与绕组切割磁力线的感应电压波形如图4的虚线部分所示，且每相绕组的导通电气角为30°。同理二极(磁极

7、对数为1)的直流电机的每相绕组的导通电气角为60°,即电机转速为n=60fd/p(n:转速rpm;p:磁极对数：fd：电源频率Hz)。另外，电磁转矩在换向期间会产生少量凹点，引起一定的转矩波动。表1　逆变器的通断顺序表注:ON为通,其余为断4　转子位置检测回路　　直流电动机转子位置检测手段通常有磁敏式(霍尔元件)、光电式、电磁感应式、电磁谐振式等。用其中一种方式为捕捉上述定子线圈中产生的感应电压，作为转子的位置信号，再通过专门设计的电子回路转换，反过来控制给定子线圈施加方波电压的时刻。如图5，在无刷直流电动机中总有两相线圈

8、通电，一相不通电。一般无法对通电线圈测出感应电压，因此通常以剩余的一相作为转子位置检测信号用线。5　起动　　由于感应电压只有在电动机转动时产生，因此不能通过转子位置检测电机起动。而必须强制性地输出驱动波形，直到电动机转速达到一定速度，可以靠感应电压测出转子位置为止，再切换到转子位置检测输出波形驱动方式。