電壓高適應性空調器產品的設計探討

劉陽 張靜 趙云濤 尤順義

（廣東志高空調有限公司 廣東佛山 528244）

電壓高適應性空調器產品的設計探討

劉陽 張靜 趙云濤 尤順義

（廣東志高空調有限公司 廣東佛山 528244）

在空調等家用電器使用量越來越大的狀況下，人們對電的需求量也越來越大，在用電高峰期時空調常常在低電壓下運行，由此導致空調器常會發生故障。在此現狀下，本文探討了能在不同電壓地區使用的空調器的設計。

空調器；低電壓；可靠性

1 引言

1.1 全球電壓標準

交流100V～130V、頻率50/60Hz，該電壓范圍被歸類為低壓，美國、日本等區域使用該類型電源。交流200V～240V、頻率50/60Hz，該電壓范圍被歸類為高壓，中國、英國以及大部分歐洲國家等區域使用該類型電源。

1.2 中國電網現狀

中國使用的電壓標準是220V/50Hz，然而隨著農村用電量快速增長，農村電網配電變壓器容量不足以及低壓線路日益增加，導致部分地區低壓現象嚴重，大部分地區電壓低于165V，較為嚴重的地區甚至低于130V，從而導致家用電器（空調、冰柜等）無法正常使用，嚴重影響人民生活質量。特別是部分農村地區的電網電壓偏低，空調器在低電壓下運行，如果過載保護器失靈或燒壞，常會發生壓縮機電機線組燒毀的故障。

在電力系統運行中，當用電量過大或有其他原因時，會造成電網電壓過低，使用電設備處于低壓運行狀態。這對用電設備、對電網線路都是非常不利的，甚至會造成嚴重的危害。

其主要危害有：一是燒毀電動機。電壓過低超過10%，將使電動機電流增大，線圈溫度升高嚴重時甚至燒損電動機。二是降低電力系統的穩定性。由于電壓降低，相應降低線路輸送極限容量，因而降低了穩定性。電壓過低時可能發生電壓崩潰事故。

近年來由于電網電壓崩潰而引起的電網事故多有發生，因此電網電壓穩定性問題引起了廣泛關注。開發適應性高，工作電壓范圍寬的空調器產品具有非常重要的意義。

2 電壓變化對變頻空調的影響

變頻空調（如圖1）一般采用交流—直流—交流電壓型變頻器，主回路由整流電路、濾波電

路、逆變電路等部分組成。整流電路將輸入的工頻交流電轉換為脈動直流電，濾波電路將脈動的直流電變成平穩的直流電，逆變電路則將直流電逆變成電壓和頻率可調的交流電。濾波電路也是中間直流儲能環節，通常是由若干個電解電容串聯或并聯構成，電容量取決于變頻器的設定功率，一般從數百到數千微法拉不等。空調在運行過程中，電能從電網經由變頻器傳遞到壓縮機帶動制冷系統。當供電電源發生大的電壓波動時，一方面變頻壓縮機繼續運行需要消耗能量，另一方面電壓波動期間變頻器中間直流儲能環節的能量又不能得到及時、足夠的補充，這就導致中間直流儲能環節電解電容兩端的直流電壓值迅速降低。當電壓情況恢復正常時，供電電源給電解電容重新充電補充能量，直至其兩端恢復至電壓波動前的電壓值，在此過程中充電電流隨之產生，其大小取決于電壓波動前后電解電容兩端直流電壓值的變化幅度，直流電壓變化幅度越大，充電電流越大。如果處理不當，則會產生較大的充電電流，從而影響變頻器整流、濾波電路的壽命甚至直接產生破壞，也可能對電源帶來沖擊，導致電源斷路器跳閘。

由上述分析可知，電壓變化波動對變頻空調的影響主要是，變頻器電解電容兩端的直流電壓值變化引起的充電電流對變頻主回路和供電電源的沖擊和破壞。

通常變頻器都設有中間直流儲能環節的欠壓保護功能，當電解電容兩端的直流電壓值降低至設定欠壓保護值時，變頻器因欠壓保護而迫使變頻負載停止工作。一旦變頻負載停止工作，由于沒有能量的繼續消耗（或僅存在放電電阻等小負載消耗有限的能量），電解電容兩端的直流電壓值不會繼續下降（或下降非常緩慢）。該保護功能能有效地限制電壓波動發生時電解電容兩端電壓值的下降幅度，從而抑制電壓恢復正常時的充電電流大小，減小對變頻空調的影響和危害。但是這種以保護停機為代價來保證空調可靠性的方法，難以滿足用戶對于環境舒適性的訴求[1]。

3 關鍵零部件的設計探討

3.1 電壓高適應性的電機開發

電壓偏低對家用電器的危害包括對單相異步電動機的危害。當電動類家用電器的實際電壓大大低于銘牌額定電壓時，將會引起轉矩急劇減小、轉速降低和滿負荷運行中溫升增高，加速絕緣老化甚至燒壞電動機。電壓低還會使家用電器的電動機啟動困難甚至無法啟動，且在啟動時有較大噪聲。

為提高電機的電壓適應性，需要調整電機的力矩特性曲線，使其電壓變化時轉速變化小，在變化加大的情況下仍能正常工作。提高制作工藝，使齒輪與齒輪咬合緊密，轉動時無虛位產生，每一步精確到位。并通過室內主控板的基準電壓和智能調節系統，為電機工作提供穩定電壓，使超低電壓下步進電機可正常工作。同時挑選適合的風機電容，為電機的啟動運行提供合理的轉矩，低電壓情況下保證電機有良好的轉速，高壓時溫升低。電機轉速的穩定為低電壓情況下空調制冷、制熱效果及系統的穩定性提供保證[2]。

3.2 高適應性控制方案的設計選擇

3.2.1 室內外控制方案的設計

空調電控裝置通常分室內外控制板，室內外控制板分別控制對應驅動設備。偏遠地區空調可能長期在低電壓下工作，工業園地區電壓波動頻繁及幅度大，且工業設備多為感性負載，影響電網輸出波形。

室內控制板使用霍爾元件的反饋電路，可精確測量電機轉速。主芯片通過計算對比設定轉速和實際檢測轉速，進行智能PI調節，如此閉環回路控制可使電機轉速更穩定準確。實際使用還可以通過反復試驗測試不同負載、不同電壓下理論值與實際值偏差，并將數據寫入程序，進行智能補償。

室外電控板開關電源方案，采用PI公司設計的芯片TNY276實現高效率的電源設計，變壓器多路電壓輸出：控制四通閥，電子膨脹閥提供的驅動電壓12V；提供MCU和一些模塊電路工作電壓5V；提供芯片TNY276的限流電壓和為功率模塊提供電源15V。配合開關電源基于TL431和PC817設計的環路動態補償電路設計保證了即使在重負載或低壓的情況下MCU工作電壓5V電源的穩定性，以便保證各個電路控制的正常工作。TNY276使開關電源空載情況下消耗功率小于

50mW，其具有精確的遲帶熱關斷保護并具有自動恢復功能，電路中其引腳設計為“電氣”上的安靜點，從而降低了EMI。

圖1 變頻空調負荷模型

圖2 電源轉換方案

圖3 運行電參數1

圖4 運行電參數2

目前變頻空調一般采用無源PFC，即被動式PFC來降低電流諧波，減少對電網的污染，但是這種方式會導致控制器直流電壓降低，高負荷或者較差工況時空調不能為用戶提供更多的制冷量和制熱量，降低用戶體驗，所以逐漸被淘汰。另一種常用的PFC電路是主動型的，即有源的，但是其為部分開關型，能夠顯著改善輸入電流波形，降低諧波失真，但是一般其直流電壓不會升高很多，尤其是電網電壓較低時，直流電壓也會下降，不利于提高空調整機性能。

為提高電壓適應性，在電路設計中，旁路/多功能引腳增加了一個10uF電容使電流模式增大電流限流值；在使能/欠壓上連接一個電阻使其芯片開啟欠壓保護功能全輸出PFC控制技術；采用軟件控制的全開關PFC控制器，能夠大幅改善輸入電流諧波，并能在電網電壓大幅度變化時，也能保持穩定可靠的高直流電壓，以便空調隨時為用戶提供充足的制冷量或者制熱量，提高用戶體驗[3]。

3.2.2 電源轉換方案的選擇

為提高變頻空調的電壓自適應范圍，核心電機（壓縮機、室內風機、室外風機）采用直流電機，由于直流電機的特點，電機的運行只需要保證一定范圍內穩定的直流電壓即可實現更加精準、穩定、舒適的空調運行調節。

而不穩定的交流輸入電壓如何轉換為一定范圍內穩定的直流電壓乃是確保系統穩定運行的關鍵所在。

如圖2所示的電源轉換方案采用Boost電路配合核心算法，可適用于交流100V～260V的電壓環境。硬件上從眾多產品中精選合適的功率器件，輔以高精密電流、電壓采樣傳感器，從而實現高效率轉換。軟件方面采用雙閉環+電流前饋控制技術，以高精度A/D采樣配合軟件矯正算法，對輸入電流和輸出電壓進行控制，實現空調超低電壓和超高電壓運行（如圖3、圖4所示）。

優秀、高效的電源轉換系統能自適應復雜多變的電網電壓，為空調系統的運行提供穩定的電壓平臺，同時極大地減小了高次諧波對電網的危害。

3.3 高精度四通閥的開發

四通電磁換向閥由主閥、先導閥和電磁線圈三部分組成。當空調器制冷運行時，電磁線圈不通電，先導閥內的鐵芯在彈簧力的作用下移向左端，使主閥左端為低壓腔，而右端在壓縮機排氣壓力的作用下，活塞向左移動，形成了如圖6所示的制冷循環狀態。當空調器制熱運行時，電磁線圈通電，先導閥內的鐵芯在電磁力的作用下移向右端，使主閥右端為低壓腔，而左端在壓縮機排氣壓力的作用下，活塞向右移動，形成制熱循環狀態，如圖5所示。

為提高電壓波動情況下四通閥的響應速度，四通閥采用以下設計：

（1）四通閥線圈采用中間抽頭的方式，將四通閥線圈線圈繞組分成兩部分。在電壓較高時，采用部分繞組工作；在電壓較低時，采用全部繞組工作。區別于普通線圈線圈繞組只能全部投入使用的方式。如圖6所示，2為電源線a，3為電源線b，4為電源線c。

（2）線圈中心設置鋼制散熱套筒，一方面起到導磁的作用，另一方面可以減少四通閥體和線圈之間的導熱，同時通過空氣的對流散熱，降低四通閥線圈的溫升。如圖6所示，圖中1為散熱套筒a，5為殼體，6為絕緣層，7為線圈，8為散熱套筒b，9為散熱套筒散熱槽。

（3）提高四通閥加工精度，減少系統中制冷劑的流動阻力，使電壓較低時換相所需的力矩減小，系統可以正常運行。

4 結論

（1）通過空調器電機、室內外控制板等主要零部件的合理設計、合理選配，能夠實現空調電壓的高適應性，確保空調在不同電壓市場的可靠性。

（2）電壓高適應性空調器產品憑借其具有工作電壓范圍廣、適應性強、用戶使用舒適度高的等特點，十分適用農村、工業園區、用電高峰期等電壓波動大的環境，應用前景十分廣泛。對于促進農村電氣化事業發展，開拓農村消費市場，改善民生，促進農村經濟社會發展、構建和諧社會具有十分重要意義。

圖5 四通閥工作狀態示意圖

圖6 電壓高適應性的四通閥線圈

[1] 李剛，張仙平. 小型制冷設備低壓啟動探討析[J].鄭州紡織工學院學報,2000,11(6).

[2] 孔維濤，張慶范，李瑞來，何洪臣． 電網瞬時停電保持變頻器母線電壓的新方法[J]． 電工技術學報，2006,21(6):54-58.

[3] 機械工程手冊、電機工程手冊編輯委員會編.電機工程手冊第4卷電機：機械工業出版社，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