三相三線制配電的暖通空調設備電路設計

廣東美的集團暖通與樓宇事業部 吳 田

在現代的生產和生活環境當中，暖通空調設備的作用和應用場景呈現多樣化，暖通空調設備除了能為人們創造體感舒適的室內環境，也能滿足部分企業日益增多的特殊生產要求，如：采暖、烘干、供熱水等。應用場所也從常見的辦公室、酒店等商用場所，拓寬到農場、工廠、醫院等。這種應用場景的多樣化對暖通空調設備的安裝環境適用性提出了更高的要求，而電源的適應性就是最主要的要求之一。

根據IEC國際電工委員會的規定，低壓配電系統按接地型式的不同分為三類：TN系統、TT系統、IT系統。如圖1所示，這三種配電系統各有特點和應用場景，TN系統（以TN-S為例）的PE線自中性線分支引出，發生對地過電壓時設備絕緣承受的電壓應力較小；TT系統可以就地接地引出PE線，適用于無等電位聯結的戶外場所，如農場、施工場地、戶外臨時用電場所等；IT系統具有供電可靠性高、安全性好等特點，適用于對供電不間斷和防電擊要求很高的場所，如礦井下、鋼鐵廠、醫院手術室等場所。根據實際應用場景和需求，三種配電系統都可以配出中性線N，稱為三相四線制配電；也可以不配出中性導體（特別是IT系統一般都不配出中性導體），稱為三相三線制配電。

圖1 三種系統的常見應用場景

毫無疑問，采用三相三線制配電的暖通空調設備，既可以節省安裝成本（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配電系統的任何一種且不管其是否配出中性導體。但對于三相三線制配電的設備，當負載不平衡時無法通過中性線回饋電流，導致中性點位移，不僅會燒毀設備內部電路或電器件，還會破壞整個配電系統的平衡性從而影響其它接入設備。因此，三相負載的平衡設計是三相三線制配電設備優先考慮的事項。

1 三相負載的平衡設計

壓縮機和風機是暖通空調設備中功率消耗最大的負載，兩者的選型和控制對于電源平衡起著非常關鍵的影響。從負載特性來看，兩者的本質都是電機，為便于闡述，下文不做區分地統稱為電機，按照工作原理電機大致可分為交流、直流兩種。定速設備的主機一般采用三相交流異步電機，變頻設備則采用永磁同步直流電機。也有部分設備壓縮機采用三相交流異步電機、風機采用永磁同步直流電機，或壓縮機采用永磁同步直流電機、風機采用三相交流異步電機。

三相交流異步電機的三相繞組對稱分布、匝數相等、在空間上互差120°相位角，通常這種電機的電流不平衡度在10%以內。但當三相輸入電源缺相、電壓不平衡、電機繞組匝間短路、繞組斷線等異常情況發生時，仍會導致較大的相電流不平衡。為此，需要增加三相電源相序檢測電路和相電流檢測電路，結合軟件算法來避免上述情況發生。如圖2所示是三相交流異步電機控制示意圖，電機線圈U/V/W通過交流接觸器KM三個常開觸頭與電源連接，交流接觸器線圈A1A2控制KM三個常開觸頭的通斷，電流互感器CT1、CT2檢測電機相電流（也可只采用一個檢測其中任一相）。電機運行過程中，交流接觸器KM三個常開觸頭閉合連通電源，電流互感器CT1、CT2實時檢測電機的相電流，當出現相電流異常，如相電流很小甚至為零安培，則可判定當相斷路；當相電流超過預設值，則可斷定電機繞組匝間短路、未檢測相缺相、電壓不平衡等異常；當CT1、CT2檢測到的相電流差值較大，則可能是電源電壓不平衡；一旦出現上述異常數據，則立即斷開交流接觸器KM觸頭，停止設備的運行。如圖3所示為三相電源相序檢測電路，當輸入電源缺相、相位角不對稱或相序錯誤等異常發生時，及時切斷交流接觸器KM觸頭，停止設備的運行并提示設備管理員及時維修，避免由此導致的電源相序不平衡。

圖2 三相交流異步電機控制示意圖

圖3 三相電源相序檢測電路

永磁同步直流電機一般由“交-直-交”結構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倍頻率的脈動電壓，由電解電容和電抗器構成的濾波電路對其進行平滑濾波，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、頻率可調的交流電，提供給永磁同步直流電機。

圖4 永磁同步直流電機變頻器主回路

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6次，電解電容處于不斷的充、放電狀態，這6個脈動的充、放電過程具有有序（即前一個充、放電完畢后，后一個接著來）和均等（每一次充、放電電流相等）特點，在這種情況下，三相的進線電流是基本平衡的。若三相輸入電源出現缺相或相序電壓不平衡，直流母線電壓Ud每周期脈動的次數就會改變或電壓脈動的幅度出現不均等，或者兩者同時有之，很顯然通過檢測Ud脈動的周期和脈動的幅值，可以準確地識別出因輸入電壓缺相或相電壓不平衡導致的負載不平衡。不過，逆變器的負載是電感性的電機，其繞組屬于R、L電路，電機工作時也會電解電容進行充、放電，勢必會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，并且，隨著電機工作頻率和負載輕重的變化變得毫無規律可言。但這種電機線圈對電解電容充放電對于直流母線電壓波形Ud一周期6次脈動的幅度和周期的影響幾乎可以忽略不計，對于三相進線電流平衡的影響有限。

2 制冷系統閥體的供電

暖通空調設備中會運用到各種電磁閥，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電源規格，通過繼電器來控制電磁線圈電源的通斷即可達到調節閥體開通與關斷的目的。由于電磁閥體的線圈功率較小（約數W不等），因此，可以通過電壓轉換裝置（如線性變壓器）把相電壓從AC380V轉換為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

為滿足超低溫環境的啟動和運行，暖通空調設備的室外側通常會配置輔助加熱裝置，如：給壓縮機曲軸部位進行預熱的曲軸箱加熱帶、為避免換熱器化霜形成的水珠在底盤集聚結冰的底盤加熱帶。加熱帶功率一般在數百瓦不等，如果仍像制冷系統閥體一樣采用線性變壓器降壓的方式供電，不僅會增加變壓器的成本和體積，還會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電源進行電壓轉換，為了適應AC380V輸入電壓，可以采用超寬輸入電壓設計(90-600VAC)，開關電源的輸入取自于任意相——相之間，整流后經過串聯的兩個電解電容濾波，MOSFET也相應選擇高耐壓規格（如VDSS為1500V）。

5 濾波電路設計

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，構成虛擬中性點，用于抑制差模干擾。當輸入電源三相完全對稱時，虛擬中性點電壓為零，CX電容兩端的電壓為220V，但當輸入電源三相不完全對稱或負載不平衡，導致虛擬中性點電壓位移，勢必造成各相的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格，如305VAC或310VAC。

圖5 三相三線EMI濾波電路

結束語：采用三相三線制配電的暖通空調設備，可以更靈活的適用于各種環境的電源配電系統，有利于拓寬暖通空調設備的應用范圍，充分發揮暖通空調設備節能降耗的優勢，提高對能源的利用率，為早日實現碳中和發揮積極作用。