变频空调电气控制系统设计

变频空调电气控制系统设计…（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，黑龙江大庆163000）摘要：介绍了空调系统的基本工作原理，对变频空调与定频空调的工作原理进行了比较，充分体现了变频空调的优越性，从室内外的硬件设计和软件设计介绍了家用一拖一变频空调，室外逆变电路部分由智能功率模块取代了分立的六路IGBT构成的逆变电路，有效地提高了系统的稳定性和可靠性。关键词：智能功率模块；IGBT；变频空调中图分类号：TP29文献标志码：ADesignofElectricalControlSystemofInverter-aidedAirConditioning…(Collegeofinformationtechnology,HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity,Daqing163000,Heilongjiang)Absrract:Inthispaper,theaurhorintroducedbasicoperationprincipleofair-conditioningsystem.Comparingoperationprincipleofinverter-aidedairconditioningwithoperationprincipleoffixedfrequencyairconditioning,theauthorintroducedonetooneinverter-aidedairconditioningfromdesignofheardwareandsoftware.IntelligentpowermoduletookplaceofintervercircuitofIGBTwhichimprovedefficientlystabilityandreliabilityofsystem.Keywords:intelligentpowermodule;IGBT;inverter-aidedairconditioning随着生活水平的不断提高，空调已经成为家庭生活的必需品。人们对空调的要求从仅仅满足于制冷、制热的简单功能，发展到追求舒适、享受的多种功能，从而使得一种高效节能、高舒适度的空调———模糊控制变频空调，成为空调发展的方向。模糊控制与变频技术结合，可使空调较为节电。1空调系统工作的基本原理1.1空调系统制冷制热的基本原理空调系统的压缩机把制冷剂蒸汽从低压状态压缩至高压状态，创造了制冷剂液体在蒸发器中低温下蒸发制冷、在冷凝器中常温液化的条件。压缩机不断地吸入和排出气体，才使制冷循环得以周而复始地进行。空调制冷循环中，室外热交换器为冷凝器，室内热交换器为蒸发器。此时四通阀线圈内的电流被切断时，阀芯因为重力作用而下落，使压缩机排气口与室外冷凝器接通，而吸气口与室内蒸发器接通。空调制热循环中，四通阀切换，线圈通电产生磁场，阀芯被吸到上方位置，压缩机排气口与室内热交换器接通，吸气口与室外热交换器接通，此时制冷剂蒸汽流动方向改变，室内热交换器向室内散热而成为冷凝器，而室外热交换器成为蒸发器，制冷剂蒸发吸收室外热量[1]。1.2普通定频空调工作的基本原理普通的家用定频空调是通过控制压缩机的启停来实现的，当室温达到设定值后，压缩机停止运转，反之压缩机启动。1.3变频空调工作的基本原理变频空调则是通过一个变频逆变电路来改变压缩机的转速，通过PWM控制技术实现变频变压，在变频的同时协调地改变电机的端电压，通过控制压缩机的转速从而调节压缩机的吸气量来调节制冷量[2]。空调刚启动时，由于房间冷负荷较大，空调压缩机电机以高频率快速运行，让空调的制冷能力达到最大，使房间温度能在最短时间内降下来；当房间冷负荷变小时，压缩机运行频率能随之降低，减少空调的制冷量，而不用整个空调停机来实现制冷量调节，减少了空调的起停次数及温度波动。1.4变频空调与定频空调的区别变频空调与定频空调的差别主要是在控制系统即能量调节方式上不同，而空调的核心部分———制冷系统并无差别。在温度控制方面，与普通空调相比，变频空调具有降温速度快、起停次数少、房间温度波动小及节能的优点。2一拖一变频空调的基本结构变频空调系统包括制冷系统和控制系统，笔者研究的变频空调为分体立式一拖一2P柜机，制冷系统由室内机和室外机组成，两者之间通过制冷剂管道和通信线连接起来，一拖一变频空调的室外制冷系统由变频压缩机、四通阀、电子膨胀阀、室内换热器、室外换热器和外风机等组成，其中压缩机为三相异步交流电机[3]；控制系统包括室外控制电路和室内控制电路，室外控制电路的主要组成部分包括室外电源板和变频模块板，室内控制电路的主要组成部分包括遥控器、室内主控板、室内显示板。3室外电气系统的设计节能和可靠性在可调速的电机驱动中变得越来越重要，在低压电机控制中，提出了简洁性、嵌入式控制和低成本的要求，整个驱动系统中，优化成本性价比，是衡量变频器实用性需要考虑的一个非常重要的问题。总之，这个系统必须低噪音、高效率、体积小、质量轻，在低成本的条件下，实现先进的运行功能和精确的控制。3.1智能功率模块在变频空调中的应用变频空调的逆变器电路通常通过PWM控制技术驱动6个IGBT的开断来调压调频，用室内传感器直流风机TMP86FH09NG室内CPU室内通信电路室外通信电路步进电机（外风门）步进电机（内风门）CPU室外IMP模块压缩机外围保护电路整流220V交流图1硬件电路室内外框图智能功率模块FSBB20CH60取代六路IGBT，智能功率模块是电力电子集成电路的一种，集功率器件（IG－BT）、驱动电路和保护功能于一体，内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路，其核心器件是IGBT，将其应用于变频空调，降低了成本，提高了可靠性，与以往IGBT模块驱动电路的组件相比有如下优点：一是内含驱动电路，保证IGBT最佳驱动。二是内含过流保护、短路保护和过热保护。三是驱动电源欠压保护。四是驱动信号端兼容3.3/5VCMOS/LSTTL电平。五是宽的电压输入范围，电压输入范围：13.5～16.5V。六是内含故障输出VF0脚，给单片机输出故障信号，当输出低电平时则为故障信号。3.2室外硬件电路设计室外变频板芯片选用松下MN103SFC2DXW单片机，此单片机内含PWM产生器，室内主控板选用摩托罗拉TMP86FH09NG单片机，主要包括室内传感器电路、室内通信电路、外风门片电内风门片电路、室内风机（直流风机），图1为硬件电路室内外框图，INUH，INVH，INWH；INUL，INVL，INWL分别为内部IGBT的上下桥臂驱动电路，P，N为整流后的±310V直流电源，经过PWM控制六路驱动逆变成电压和频率可调的三相交流电源，通过U，V，W与压缩机连接，NU，NV，NW分别为3个下桥臂IGBT的源极，可以在NU，NV，NW与-310V之间接电阻检测相电流保护功率模块，VFO为故障信号输出脚，正常工作时为高电平，有故障输出时为低电平；室外硬件其他部分分别是：四通阀、交流风机、传感器电路、电子膨胀阀和室内外通信电路等。3.3室内外通信通信电源由室内整流稳压后提供，室内外通信电路为18V弱电通信，通信规则采用主从结构，规定以室外机为主机，室内机为从机，主机或从机每次发送一个数据包。通信开始时，主机先发送数据，从机接收数据，主机发送数据后等待接收从机数据，主机接收到从机数据并处理完后，隔一段时间再发送下一个数据。若主机发送数据后一段时间内接收不到从机数据或数据错误时主机再次发送数据，若主机连续一段时间接收不到E2数据读取，数据初始化是否接到室内有效通信信号室外风机控制温度传感器检测；直流电压检测化霜控制，空调底板防结冰控制，压缩机预加热控制判断是否过流制热过载约束与保护；制冷结冰约束与保护；制冷过载约束与保护，判断是否出现保护判断压缩机排气过热是否保护上电复位室外四通阀控制室外电子膨胀阀控制压机驱动与频率控制故障检测与处理NNNNYYYY图2室内外软件设计流程图从机数据或数据错误，则报通信故障。4室内外软件设计室内外软件设计流程图见图2。室内机的开关机标记传送给室外机，室内机要求开机时，室外机即开机；室机要求关机时，室外机进入关机状态，室内机其运转参数传送给室外机，室外机依程序演算及各种保护机能判定后，决定压缩机的频率及膨胀阀的开度。室内机的ON/OFF是由室内机自己判定，室外机仅接收来自室内机的ON/OFF的命令，之后依照室外机的程序做相应的控制，而不是由室外机的程序决定室内机的ON/OFF。当室内机进入OFF时，压缩机停止运转，进入待机，当室内机进入ON时，压缩机开始启动。6结束语智能功率模块FSBB20CH60取代六路IGBT，智能功率模块集功率器件（IGBT）、驱动电路和保护功能于一体，内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路，其核心器件是IGBT，将其应用于变频空调，降低了成本，提高了可靠性，在实际应用中得到了良好的效果。参考文献：[1]赵宾,年培新.谈我国变频调速技术的发展及应用[J].电气传动,2010,30(2):3-6．[2]吴安顺.最新实用交流调速系统[M].北京:机械工业出版社,2009.[3]吕汀,石红梅.变频技术原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2003.