三相三線制配電的暖通空調(diào)設(shè)備電路設(shè)計(jì)

廣東美的集團(tuán)暖通與樓宇事業(yè)部 吳 田

在現(xiàn)代的生產(chǎn)和生活環(huán)境當(dāng)中，暖通空調(diào)設(shè)備的作用和應(yīng)用場(chǎng)景呈現(xiàn)多樣化，暖通空調(diào)設(shè)備除了能為人們創(chuàng)造體感舒適的室內(nèi)環(huán)境，也能滿足部分企業(yè)日益增多的特殊生產(chǎn)要求，如：采暖、烘干、供熱水等。應(yīng)用場(chǎng)所也從常見的辦公室、酒店等商用場(chǎng)所，拓寬到農(nóng)場(chǎng)、工廠、醫(yī)院等。這種應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化對(duì)暖通空調(diào)設(shè)備的安裝環(huán)境適用性提出了更高的要求，而電源的適應(yīng)性就是最主要的要求之一。

根據(jù)IEC國(guó)際電工委員會(huì)的規(guī)定，低壓配電系統(tǒng)按接地型式的不同分為三類：TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。如圖1所示，這三種配電系統(tǒng)各有特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，TN系統(tǒng)（以TN-S為例）的PE線自中性線分支引出，發(fā)生對(duì)地過電壓時(shí)設(shè)備絕緣承受的電壓應(yīng)力較小；TT系統(tǒng)可以就地接地引出PE線，適用于無(wú)等電位聯(lián)結(jié)的戶外場(chǎng)所，如農(nóng)場(chǎng)、施工場(chǎng)地、戶外臨時(shí)用電場(chǎng)所等；IT系統(tǒng)具有供電可靠性高、安全性好等特點(diǎn)，適用于對(duì)供電不間斷和防電擊要求很高的場(chǎng)所，如礦井下、鋼鐵廠、醫(yī)院手術(shù)室等場(chǎng)所。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和需求，三種配電系統(tǒng)都可以配出中性線N，稱為三相四線制配電；也可以不配出中性導(dǎo)體（特別是IT系統(tǒng)一般都不配出中性導(dǎo)體），稱為三相三線制配電。

圖1 三種系統(tǒng)的常見應(yīng)用場(chǎng)景

毫無(wú)疑問，采用三相三線制配電的暖通空調(diào)設(shè)備，既可以節(jié)省安裝成本（可以少配置一根與相線等同截面積的中性線），又可以適用于TN、TT、IT配電系統(tǒng)的任何一種且不管其是否配出中性導(dǎo)體。但對(duì)于三相三線制配電的設(shè)備，當(dāng)負(fù)載不平衡時(shí)無(wú)法通過中性線回饋電流，導(dǎo)致中性點(diǎn)位移，不僅會(huì)燒毀設(shè)備內(nèi)部電路或電器件，還會(huì)破壞整個(gè)配電系統(tǒng)的平衡性從而影響其它接入設(shè)備。因此，三相負(fù)載的平衡設(shè)計(jì)是三相三線制配電設(shè)備優(yōu)先考慮的事項(xiàng)。

1 三相負(fù)載的平衡設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)是暖通空調(diào)設(shè)備中功率消耗最大的負(fù)載，兩者的選型和控制對(duì)于電源平衡起著非常關(guān)鍵的影響。從負(fù)載特性來(lái)看，兩者的本質(zhì)都是電機(jī)，為便于闡述，下文不做區(qū)分地統(tǒng)稱為電機(jī)，按照工作原理電機(jī)大致可分為交流、直流兩種。定速設(shè)備的主機(jī)一般采用三相交流異步電機(jī)，變頻設(shè)備則采用永磁同步直流電機(jī)。也有部分設(shè)備壓縮機(jī)采用三相交流異步電機(jī)、風(fēng)機(jī)采用永磁同步直流電機(jī)，或壓縮機(jī)采用永磁同步直流電機(jī)、風(fēng)機(jī)采用三相交流異步電機(jī)。

三相交流異步電機(jī)的三相繞組對(duì)稱分布、匝數(shù)相等、在空間上互差120°相位角，通常這種電機(jī)的電流不平衡度在10%以內(nèi)。但當(dāng)三相輸入電源缺相、電壓不平衡、電機(jī)繞組匝間短路、繞組斷線等異常情況發(fā)生時(shí)，仍會(huì)導(dǎo)致較大的相電流不平衡。為此，需要增加三相電源相序檢測(cè)電路和相電流檢測(cè)電路，結(jié)合軟件算法來(lái)避免上述情況發(fā)生。如圖2所示是三相交流異步電機(jī)控制示意圖，電機(jī)線圈U/V/W通過交流接觸器KM三個(gè)常開觸頭與電源連接，交流接觸器線圈A1A2控制KM三個(gè)常開觸頭的通斷，電流互感器CT1、CT2檢測(cè)電機(jī)相電流（也可只采用一個(gè)檢測(cè)其中任一相）。電機(jī)運(yùn)行過程中，交流接觸器KM三個(gè)常開觸頭閉合連通電源，電流互感器CT1、CT2實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的相電流，當(dāng)出現(xiàn)相電流異常，如相電流很小甚至為零安培，則可判定當(dāng)相斷路；當(dāng)相電流超過預(yù)設(shè)值，則可斷定電機(jī)繞組匝間短路、未檢測(cè)相缺相、電壓不平衡等異常；當(dāng)CT1、CT2檢測(cè)到的相電流差值較大，則可能是電源電壓不平衡；一旦出現(xiàn)上述異常數(shù)據(jù)，則立即斷開交流接觸器KM觸頭，停止設(shè)備的運(yùn)行。如圖3所示為三相電源相序檢測(cè)電路，當(dāng)輸入電源缺相、相位角不對(duì)稱或相序錯(cuò)誤等異常發(fā)生時(shí)，及時(shí)切斷交流接觸器KM觸頭，停止設(shè)備的運(yùn)行并提示設(shè)備管理員及時(shí)維修，避免由此導(dǎo)致的電源相序不平衡。

圖2 三相交流異步電機(jī)控制示意圖

圖3 三相電源相序檢測(cè)電路

永磁同步直流電機(jī)一般由“交-直-交”結(jié)構(gòu)的電壓型變頻器控制，如圖4所示為典型的變頻器主回路，由整流電路、濾波電路和逆變電路等部分組成。其由6個(gè)二極管組成的全橋不可控整流電路與三相交流電源相連接，將工頻電源變換為直流電源，整流后的直流電壓中含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，由電解電容和電抗器構(gòu)成的濾波電路對(duì)其進(jìn)行平滑濾波，逆變電路的作用跟整流電路相反，它將直流電變換為電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的交流電，提供給永磁同步直流電機(jī)。

圖4 永磁同步直流電機(jī)變頻器主回路

如圖4所示，整流濾波后的直流母線電壓波形Ud一周期脈動(dòng)6次，電解電容處于不斷的充、放電狀態(tài)，這6個(gè)脈動(dòng)的充、放電過程具有有序（即前一個(gè)充、放電完畢后，后一個(gè)接著來(lái)）和均等（每一次充、放電電流相等）特點(diǎn)，在這種情況下，三相的進(jìn)線電流是基本平衡的。若三相輸入電源出現(xiàn)缺相或相序電壓不平衡，直流母線電壓Ud每周期脈動(dòng)的次數(shù)就會(huì)改變或電壓脈動(dòng)的幅度出現(xiàn)不均等，或者兩者同時(shí)有之，很顯然通過檢測(cè)Ud脈動(dòng)的周期和脈動(dòng)的幅值，可以準(zhǔn)確地識(shí)別出因輸入電壓缺相或相電壓不平衡導(dǎo)致的負(fù)載不平衡。不過，逆變器的負(fù)載是電感性的電機(jī)，其繞組屬于R、L電路，電機(jī)工作時(shí)也會(huì)電解電容進(jìn)行充、放電，勢(shì)必會(huì)破壞上文提到的整流濾波電路中有序而均等的充、放電狀態(tài)，并且，隨著電機(jī)工作頻率和負(fù)載輕重的變化變得毫無(wú)規(guī)律可言。但這種電機(jī)線圈對(duì)電解電容充放電對(duì)于直流母線電壓波形Ud一周期6次脈動(dòng)的幅度和周期的影響幾乎可以忽略不計(jì)，對(duì)于三相進(jìn)線電流平衡的影響有限。

2 制冷系統(tǒng)閥體的供電

暖通空調(diào)設(shè)備中會(huì)運(yùn)用到各種電磁閥，用于控制制冷劑管路的通斷。電磁閥一般由閥體和電磁線圈等部分組成，電磁線圈通常是AC220V電源規(guī)格，通過繼電器來(lái)控制電磁線圈電源的通斷即可達(dá)到調(diào)節(jié)閥體開通與關(guān)斷的目的。由于電磁閥體的線圈功率較?。s數(shù)W不等），因此，可以通過電壓轉(zhuǎn)換裝置（如線性變壓器）把相電壓從AC380V轉(zhuǎn)換為AC220V，出于低成本和小體積的考慮，可以采用抽頭變壓器。由于電磁閥線圈功率低、電流小，線性變壓器的輸入可以取自任意相-相之間，不會(huì)影響三相電流的平衡。

3 曲軸箱加熱、底盤加熱等輔助加熱裝置的供電

為滿足超低溫環(huán)境的啟動(dòng)和運(yùn)行，暖通空調(diào)設(shè)備的室外側(cè)通常會(huì)配置輔助加熱裝置，如：給壓縮機(jī)曲軸部位進(jìn)行預(yù)熱的曲軸箱加熱帶、為避免換熱器化霜形成的水珠在底盤集聚結(jié)冰的底盤加熱帶。加熱帶功率一般在數(shù)百瓦不等，如果仍像制冷系統(tǒng)閥體一樣采用線性變壓器降壓的方式供電，不僅會(huì)增加變壓器的成本和體積，還會(huì)加劇三相電源的電流不平衡，因此，需選擇星型或三角形接法的輔助加熱裝置。

4 MCU電源

控制部分MCU的電源一般為+5V或+3.3V，通常采用反激式開關(guān)電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，為了適應(yīng)AC380V輸入電壓，可以采用超寬輸入電壓設(shè)計(jì)(90-600VAC)，開關(guān)電源的輸入取自于任意相——相之間，整流后經(jīng)過串聯(lián)的兩個(gè)電解電容濾波，MOSFET也相應(yīng)選擇高耐壓規(guī)格（如VDSS為1500V）。

5 濾波電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，三相三線EMI濾波電路由X電容CX、Y電容CY、共模電感L等組成。其中：CY電容跨接于相線與地之間，用于抑制共模干擾；CX電容一端分別連接于L1/L2/L3相線，另一端連接在一起，構(gòu)成虛擬中性點(diǎn)，用于抑制差模干擾。當(dāng)輸入電源三相完全對(duì)稱時(shí)，虛擬中性點(diǎn)電壓為零，CX電容兩端的電壓為220V，但當(dāng)輸入電源三相不完全對(duì)稱或負(fù)載不平衡，導(dǎo)致虛擬中性點(diǎn)電壓位移，勢(shì)必造成各相的CX電容兩端電壓不一致，為安全起見，CX電容選擇高額定電壓的規(guī)格，如305VAC或310VAC。

圖5 三相三線EMI濾波電路

結(jié)束語(yǔ)：采用三相三線制配電的暖通空調(diào)設(shè)備，可以更靈活的適用于各種環(huán)境的電源配電系統(tǒng)，有利于拓寬暖通空調(diào)設(shè)備的應(yīng)用范圍，充分發(fā)揮暖通空調(diào)設(shè)備節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)，提高對(duì)能源的利用率，為早日實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)揮積極作用。