直流低壓保持四通閥在熱泵型空調器的應用

劉 杰

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前，家用熱泵空調器一般采用交流四通閥實現制熱功能，部分出口國家為了降低功耗使用能耗較低的直流低壓保持四通閥。普通交流四通閥在制熱運行過程中需要持續提供（220～240）V交流電，額定輸入電壓下功率一般是直流低壓保持四通閥的5倍以上。日本國家標準JIS C 9612《ルームエアコンデイショナ》規定的全年能源消耗效率APF評價指標中,考核制熱權重占比超過50 %[1]。依照日本國家標準得到不同工況對APF指標影響程度如表1所示[2]。因此，為提高出口日本市場空調器的APF，應著重優化制熱模式下的能效，其中采用低功耗的直流低壓保持四通閥是提升能效的有力手段。

表1 各測試工況對日本空調器APF指標的影響

1 直流低壓保持四通閥控制原理分析

四通閥作為熱泵型空調器不可或缺的重要部件，它控制四通閥閥芯與閥體的相對運動來調整制冷劑的流動方向，以實現熱泵空調器的制冷、制熱模式切換。

直流低壓保持四通閥與普通交流四通閥一樣都由芯鐵和電磁線圈組成。芯鐵需要吸合時，線圈首先需通入直流啟動高電壓，使得線圈產生電磁力克服彈簧、摩擦等阻力作用吸合芯鐵，之后斷開啟動高電壓。在斷開啟動高電壓之前，電磁線圈需通入直流低電壓，以保持芯鐵為吸合狀態。芯鐵需要脫開時，電磁線圈斷開保持低電壓，彈簧力克服電磁力使芯鐵復位。而普通交流四通閥在制熱模式下為保持四通閥工作持續提供交流電源，功耗無法降低。

直流低壓保持四通閥采用雙直流電源供電，在換向開始階段同時提供高電壓、低電壓，換向成功后延時一定時間斷開高電壓，依靠低電壓使四通閥保持在工作狀態，工作原理如圖1所示。倍壓整流電路輸出300 V左右的直流高電壓，開關電源提供輸出15 V的直流低電壓。當需求四通閥開啟運行時，高壓驅動控制電路控制繼電器K3閉合輸入Vdc直流高電壓啟動吸合四通閥芯鐵，同時低壓驅動控制電路控制輸出低電壓，待四通閥線圈穩定吸合芯鐵后，高壓驅動電路控制繼電器K3斷開輸出Vdc直流高電壓。低壓驅動控制電路繼續輸出直流低電壓維持四通閥為吸合狀態。需求四通閥關閉運行時，低壓驅動控制電路斷開輸入直流低電壓，四通閥芯鐵復位。

圖1 直流低壓保持四通閥工作原理圖

2 直流低壓保持四通閥控制設計

2.1 直流低壓保持四通閥的主要技術指標

在選用直流低壓保持四通閥，首先需要了解其主要參數，如表2所示。

表2 直流四通閥電磁線圈主要參數

1）啟動電壓。啟動電壓是直流低壓保持四通閥需求閉合時能可靠吸合芯鐵的工作電壓。

2）保持電壓。保持電壓是直流低壓保持四通閥可以長期穩定保持吸合芯鐵狀態的工作電壓。

3）使用溫度范圍。使用溫度范圍是直流低壓保持四通閥在施加額定電壓條件下可以長期可靠運行的環境溫度，當電磁線圈通電時使用溫度需在50 ℃以下。空調中的四通閥連接在系統管路上，需放置在室外機腔體內，（-30～60）℃的使用溫度基本滿足出口日本、北美等國家的要求。

2.2 直流低壓保持四通閥控制異常現象分析

對直流低壓保持四通閥失效不良品統計發現，存在一定比例因控制啟動高壓的繼電器損壞而無法吸合四通閥。而普通交流四通閥同樣采用繼電器控制卻未收到此類不良品反饋，對比兩種四通閥控制方案發現此問題與直流低壓保持四通閥控制電路及控制模式設計有關。

一般繼電器的損壞部位多與觸點相關，關鍵在觸點材料和動作機構的可靠性上[4]。我們通過分析試驗失效不良品確定，控制直流低壓保持四通閥的繼電器多為觸點不閉合導致的失效。對出現故障的繼電器進行解剖，在顯微鏡下觀察動簧片有高溫發黑發紫的痕跡，且觸點有明顯大面積燒損，繼電器動簧片的推動卡熔融，如圖2所示。

圖2 顯微鏡下故障四通閥動簧片及推動卡圖

2.3 直流低壓保持四通閥控制繼電器拉弧分析

四通閥由電磁線圈、先導閥、主閥三部分組成，控制轉換主閥管路連通方式的電磁線圈為感性負載。四通閥的電磁線圈在接通瞬間，感性負載的電磁線圈抑制電流變化不會出現浪涌電流，但在電磁線圈關斷時，存儲在線圈中的電磁能均需通過觸點點燃弧消耗掉，即關斷時可能出現拉弧打火現象。

普通交流四通閥為交流電源供電,當電磁線圈關斷出現拉弧打火時經過交流電壓過零點時，此時可認為交流輸入電壓為斷開狀態，在零電壓下電弧無法維持而滅弧。以220 V/50 Hz電壓源為例，理論上拉弧打火極限時長為10 ms，交流四通閥電磁線圈電阻為2 000 Ω，流過繼電器最大電流220 V*1.414/2 000 Ω=155 mA未超出極限電流值，故不會出現拉弧損壞繼電器。

直流低壓保持四通閥為直流電源供電，當電磁線圈關斷瞬間出現拉弧打火時與交流電源存在電壓過零點不同，直流電源持續加載在電磁線圈兩端將延長拉弧時間。以115 V電壓上偏差20 %的極限交流電壓倍壓整流為直流電壓為例，斷開交流四通閥電磁線圈電阻下偏差5 %為555 Ω，流過繼電器最大電流140 V×2×1.414/555 Ω=713 mA。如繼電器控制無觸點拉弧保護電路處理，將繼電器外殼剝開，露出觸點進行測試。如圖3所示，繼電器將持續拉弧產生高溫燒毀。

圖3 交流四通閥拉弧現象

2.4 直流低壓保持四通閥控制可靠性設計、驗證

2.4.1 直流低壓保持四通閥預防拉弧保護電路設計分析

由于直流電壓源不像交流電壓源有電壓過零點可自我切斷電能輸入而滅弧，為提高直流低壓保持四通閥的可靠性，需考慮在繼電器控制啟動電壓電路中增加預防拉弧保護措施。

措施一：四通閥兩端并聯反向保護二極管。

繼電器關斷時刻直流低壓保持四通閥的電磁線圈會引起數百伏的反向電壓，損壞繼電器觸點。故直流低壓保持四通閥兩端并聯一個反向保護二極管D10，反向擊穿保護電壓參數設置為輸入電壓的2～3倍，輸入啟動電壓為300 V左右時選擇最大峰值反向電壓1 000 V。依據輸入直流電壓值、流過負載電流的大小，確認選擇反向保護二極管的主要參數如表3所示。

表3 反向保護二極管主要參數

措施二：繼電器與直流低壓保持四通閥之間串接PTC電阻。

PTC電阻值在達到特定溫度后有隨溫度升高呈指數形式增大的開關特性。在繼電器與直流低壓保持四通閥之間串接PTC電阻，如圖1所示。當控制高電壓繼電器吸合一定時間后，PTC元器件的阻抗值隨溫度升高迅速增大，將繼電器觸點的瞬態電流限制在較低水平。實現低電流或零電流下關閉繼電器，避免拉弧打火燒毀繼電器。確認選擇PTC電阻的主要參數如表4所示。

表4 PTC電阻主要參數

2.4.2 直流低壓保持四通閥控制模式設計、驗證

在制熱模式下，直流低壓保持四通閥控制邏輯如圖5所示，整機接收制熱開機信號，室外風機啟動一定時間壓縮機啟動，而后間隔時間t1四通閥開啟，四通閥啟動時閉合高壓控制繼電器，間隔時間t2關斷高壓控制繼電器，通過低壓繼電器維持四通閥導通。為確保四通閥可靠性換向，需重點關注如下2個時間參數。

圖4 直流低壓保持四通閥控制邏輯圖

圖5 低電壓75 V測試波形

時間間隔t1：壓縮機啟動后延時開啟四通閥時間

壓縮機啟動一定時間后，壓縮機排氣口液體制冷劑才會消失。如果液態制冷劑未完全消失的情況下四通閥換向，存在四通閥液擊損壞的風險[3]，低溫長時間靜置制熱開機尤為突出。參照熱泵空調器使用環境特點設計試驗驗證，出口日本有低溫制熱功能的熱泵空調器需滿足室外機環境-20 ℃以下正常開機運行，為滿足四通閥在氣態制冷劑流過的情況下換向，一般按壓縮機啟動以1 Hz/S的升頻速率達到低頻停留點36 Hz作為四通閥延遲開啟條件。

圖6 額定電壓115 V測試波形

圖7 額定電壓140 V測試波形

時間間隔t2：高電壓控制繼電器閉合時間

啟動高電壓在四通閥換向成功后需要斷開，為確保低電流或零電流下關閉繼電器，避免拉弧打火燒毀繼電器，高壓控制繼電器閉合時間要大于PTC保護時間。結合日本市場市電規格，覆蓋高、中、低各個電壓試驗驗證，高電壓控制繼電器閉合時間需大于5 s，測試數據如表5所示，波形如圖5～7所示。

表5 測試數據

3 結論

本文分析了直流低壓保持四通閥控制保護電路設計、器件選擇，并通過試驗驗證得出直流低壓保持四通閥可靠應用的相關結論。測試結果符合設計應用與可靠性要求。在直流低壓維持四通閥的高電壓繼電器控制中，利用PTC 電阻的溫度特性，通過調整高電壓控制繼電器吸合時間至大于PTC 電阻的保護時間，實現繼電器動觸點在低電流關斷，從根本上消除了觸點斷開瞬間拉弧問題，保證四通閥繼電器的可靠性。