直流变频空调基本原理及结构

知识点：直流变频压缩机

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    直流变频空调其关键在于采用了无刷直流电机作为压缩机，其控制电路与交流变频控制器基本一样。

（1）直流变频空调的基本原理

?  直流变频概念

    我们把采用无刷直流电机作为压缩机的空调器称为“直流变频空调”从概念上来说是不确切的，因为我们都知道直流电是没有频率的，也就谈不上变频，但人们已经形成了习惯,对于采用无刷直流压缩机的空调器就称之为直流变频空调.

?  无刷直流电机

       无刷直流电机与普通的交流电机或有刷直流电机的最大区别在于其转子是由稀土材料的永久磁钢构成，定子采用整距集中绕组，简单地说来，就是把普通直流电机由永久磁铁组成的定子变成转子，把普通直流电机需要换向器和电刷提供电源的线圈绕组转子变成定子。这样，就可以省掉普通直流电机所必须的电刷，而且其调速性能与普通的直流电动机相似，所以把这种电机称为无刷直流电机.无刷直流电机既克服了传统的直流电机的一些缺陷,如电磁干扰、噪声、火花可靠性差、寿命短,又具有交流电机所不具有的一些优点,如运行效率高、调速性能好、无涡流损失。所以，直流变频空调相对与交流变频空调而言，具有更大的节能优势.

?  转子位置检测

       由于无刷直流电机在运行时，必须实时检测出永磁转子的位置，从而进行相应的驱动控制，以驱动电机换相，才能保证电机平稳地运行。实现无刷直流电机位置检测通常有两种方法，一是利用电机内部的位置传感器（通常为霍尔元件)提供的信号；二是检测出无刷直流电机相电压,利用相电压的采样信号进行运算后得出。在无刷直流电动机中总有两相线圈通电，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,捕捉到感应电压,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;由于后一种方法省掉了位置传感器，所以直流变频空调压缩机都采用后一种方法进行电机换相。

?  直流变频空调与交流变频空调的电控区别

    交流变频空调的变频模块按照SPWM调制方法，通过三极管的通断，给压缩机三相线圈同时通电，压缩机为一三相交流压机。

    直流变频空调的变频模块每次导通二个三极管（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。

    下图为直流变频空调的电路原理图：

　

    下图为直流变频空调压缩机各绕组电压控制例图

　

    直流变频空调可分为两类,一类是只有压缩机采用无刷直流电机；二是不仅压缩机，还包括室内风机、室外风机都采用了无刷直流电机,而且制冷剂的调节方式也由毛细管变为电子膨胀阀，这就是全直流变频空调.KFR—35GW/BP2Y，就是一款全数字直流变频空调（其中其压缩机更是采用了高性能的双转子直流变频压缩机)。

三. 变频空调电路分析

变频空调电控总体框图如下

　

　

概述:

    室内电路与普通空调基本相同，仅增加与外机通讯电路，通过信号线“S”，按一定的通讯规则与室外机实现通讯，信号线“S”通过的为 24V电信号。

    室外电路一般分为三部分：室外主控板、室外电源电路板、IPM变频模块组件。电源电路板完成交流电的滤波、保护、整流、功率因素调整,为变频模块提供稳定的直流电源。主控板执行温度、电流、电压、压机过载保护、模块保护的检测；压机、风机的控制；与室内机进行通讯;计算六相驱动信号，控制变频模块。变频模块组件输入310V直流电压，并接受主控板的控制信号驱动，为压缩机提供运转电源。

1.通讯电路

?通讯规则:从主机（室内机）发送信号到室外机是在收到室外机状态信号处理完50毫秒之后进行,副机同样等收到主机（室内机）发送信号处理完50毫秒之后进行,通讯以室内机为主，正常情况主机发送完之后等待接收，如500毫秒仍未接收到信号则再发送当前的命令，如果1分钟（直流变频为1分钟，交流变频为2分钟）内未收到对方的应答（或应答错误)，则出错报警；同时发送信息命令给室外,以室外机为副机，室外机未接收到室内机的信号时,则一直等待，不发送信号，通讯时序如下所示：

　

　

　

?电路分析

    由于空调室内机与室外机的距离比较远，因此两个芯片之间的通信（ 5V信号）不能直接相连，中间必须增加驱动电路，以增强通信信号（增加到 24V）,抵抗外界的干扰。

       下图为室内外通讯电路图，其中上部份为室内通讯电路，下部份为室外通讯电路。

    二极管D1、电阻R1、R2、R47、电容C3、C4、稳压二极管CW1组成通讯电路的电源电路，交流电经D1半波整流，R1、R2限流后，R47电阻分流后，稳压二极管CW1将输出电压稳定在24V，再经C3、C4滤波后，为通信环路提供稳定的24V电压，整个通信环路的环流为3mA左右.

     光耦IC1、IC2、PC1、PC2起隔离作用，防止通讯环路上的大电流、高电压串入芯片内部，损坏芯片，R3、R18、R21、R22电阻限流，将稳定的24V电压转换为3mA的环路电流，R23、R42电阻分流，保护光耦，D2、D5防止N、S反接。

     当通信处于室内发送、室外接收时,室外TXD置高电平，室外发送光耦PC2始终导通，若室内TXD发送高电平“1”,室内发送光耦IC2导通，通信环路闭合，接收光耦IC1、PC1导通,室外RXD接收高电平“1”;若室内TXD发送低电平“0”，室内发送光耦IC2截止，通信环路断开，接收光耦IC1、PC1截止,室外RXD接收低电平“0”，从而实现了通信信号由室内向室外的传输。同理,可分析通信信号由室外向室内的传输过程。

2。交流电源的滤波及保护

    下图为室外电源电路板上的滤波及保护电路

    该部分主要的功能是吸收电网中各种干扰，并抑制电控器本身对电网的电磁串扰，以及过压保护及防雷击保护。

    FS1为延时保险丝,可以防止电控器的长时间过流或短路,同时,又可在输入电压过高时，与ZMR1一起保护后续电路免受冲击而千万损坏。

    AS1、ZMR2共同组成防雷击保护电路.

    C1、T1、C4、C5、C2组成有效的电磁干扰滤波器,该滤波器有双向作用，即能吸收电网对电控器的干扰，也能阻止电控器本身的谐波进入电网.

3。变频器高压直流供电部分

    下图为室外电源电路板上的高压直流供电电路

    该部分的功能是将交流输入整流滤波为300V左右的高压直流供给变频驱动部分作为主能源。并将已畸变的电流波形校正减少高次滤波（以奇次为主)对电网的干扰。并且提高功率因素.

    PTC1、RL3组成延时防瞬间大电流电路，以防止上电初期对电容的过大的电流冲击,以免插入电源插头时,插头与插座间打火,如果室内外机通讯正常,延时3-5秒手，RL3吸合.

    整流桥堆DB1将交流整流为直流，该器件可能发生的故障有断路和短路，断路时引起的现象是压缩机启动后，转动一会即会停止，产生欠压保护；短路可引起的现象是用户的保险烧断或限电保护器动作。

    C81—C83为主滤波电容，该电容有可能过太击穿,另外电解液干涸及使用环境温度过高均可使其损坏。损坏分两种情况:失效（含断路）和短路,前者表现与桥堆断路相同，后者与桥堆短路相同。

    DB2、C26、L1组成功率因素校正电路，此部分中DB2为故障关键点，该器件固定在散热铅型材上,其断路时与DB1现象相同，更换即可，短路则无明显表现，只是对电网易产生干扰，不影响变频空调的使用.

4。变频模块

    如下图，P、N端接入300V高压直流电，CZ端子从主控板处接来控制信号，控制六个三极管的通断，以获得准确控制电压，U、V、W对压缩机输出控制电压,交流变频输出的为三相交流电，直流变频输出的为通电绕组不断改变的直流电。

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5。全直流风扇电机

    美的全直流变频空调室内、外风扇电机使用的都是直流电机，以下为它们的接线图。

   

?室内直流风机

    通过改变电压大小的方式来控制风机转速，Vc的电压范围在9~36V之间，电压越高，风机转速越高，电压越低,风机转速越低； 5V为风机内电路控制板的工作电压；

?室外直流风机

    室外直流风机工作原理与直流压缩机基本相同，只是PWM电压波形形成电路做在了电机内;Vc为高压直流供电部分提供的直流电源，供风机绕组工作使用，300V左右，由于用户电源电压有高有低,因而Vc实际在200V—375V之间; 15V电压为风机内电路板的工作电源电压；Vsp为风机转速控制信号，室外主控芯片发出的外风机风速控制信号为 5V的脉冲数字信号，经过数字／模拟转换电路,转换成最大电压 15V的模拟信号，即Vsp，控制电机内电路板以产生PWM电压波形；风速反馈信号为12脉冲/转，脉冲幅值 15V，因主控板芯片工作电压为 5V,因此需在电源板上将其转换成 5V的信号后，才能供给外主控芯片以检测外风机转数。

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