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1、召 S DD 应用电力电子技术的变流器E ACS ， 9 8 一4 7 I P M模块在变频空调中的应用 高艳霞朱平平赵炜邱海陵 ( 上海 大学电 机与控制工程 研究所 200072) 摘要 本文 论述了工 阳 模块的结构及工作原理， 介绍了变频空 调控制系统 及 P 侧 算法 .最后给出了 在K 限 一 35分体式家用空调器上的实验结果. 一、引官 随着电力电子技术及微机 控制技术的发 展， 变频 器的 应用日 益 广泛。 其应用领域己 从工 业拓宽到家电行业，变频空调 等方兴未艾。 变频空 调的 优越性正 在被越来越多的人所认识。 与定频空调相比， 变频空调具 有如下优点: ( 1)节能。
2、 由于 压缩机工 作频率连续可调， 可根据 设 定 温 度、 环 境 温 度 及 时 调 节 压 缩 机 的 频 率 ， 使 系 统 工 作 于 最 佳 状 态 ， 达 到 节 能 的 目 的 。 (2) 舒适。定频空调靠压缩机间歇性地工作来调节室温，所以往往伸室漏夺让转大_而亦颊 空调 可灵活改变压缩机运行频率， 使室温维持在所期望的 状态，达到舒适的目的( 3)对电 网 冲击小。 定频空调由于 压缩机频繁起制动，对电网 造成很大的 冲击。 而变频空调压缩机频 率连续可调， 无须频繁起制动，且 在起动时可用积分 软起动， 大大减少了 起动电 流， 减小了 对电网 冲击。 除此之外， 变频 空
3、调 还具有能 迅速制冷 制热、 噪声 低等优点。 据有关资料， 在 日 本空调市场上，变频空调的市 场占有率 达80% 。我国目 前产品大多为引进技术，国 产成熟 产品较少。 为 控 漏 霜 籍 聂 黯 髯 黔 1 哪模块的结构及主要功能， 介绍了由I ntd8 7 C 1 96 袱 并 给出了 用矢量轨迹法实 现的P WM 的产生原理。 最后 给出了 应用 这种IP M 模块在K F R 一 35机上的实验结果。 压缩机调频范围151 50H : ， 功率因数 大于8 7 % ， 能 效 比 制 冷 制 热量 等 指 标 完 全 符 合 厂 方 要 求 达到了 国 外同 类 产品 的 性能
4、指 标 ， 并己 4 苗 启 们 戈 翻j 丁 二 的 视 欣 沙 1.1.，瑋一 二、 钾能化杭化 1 甩结构及主典功能 第一 代功率器件是以晶 闸管为主流的器件。随 着 70年代末期世界性石油危机的出现推 动了 节能产品的发展。 第二 代功率器件以GTO 和G T R 等可自 关断的器件为代表， 这种可自 关 断器件的开发 及应用，使 逆变技术真正进入实用阶段。第三阶段功率器件是以工 G BT 为代表 的助5门 控器件， 其特点是 开关频率高，驱动功率小，是80年代后期以 来变流技术的主流 功率模块。 本文所选用的工 附模块是进入90年代以 来， 以 智能化为其主 要特征的第四 代功率 坦
5、结 丰 丘习 . 回石 左 年 古 习， ( 1 ) 它内部 集成了 功率芯片， 检测电路及驱 动电 路， 使主电 路的结构为最简。 ( 2 ) 其功率芯片采用的是开关 速度高、 驱动电 流小的I G B T ，且自 带电 流传感器， 可 以高效地检测出 过电 流和短路电 流，给功率芯片以安全 保护。 ( 3 ) 在内 部配 线上 将电源电路和驱动电路的配线长 度控制到最短， 从而很好地解决了 EA CS 9 8 -4 7D 应用电力电子技术的变流器 2 5 1 浪涌电压及噪声影响误动作等问 题。 ( 4 )自 带 可靠的安 全保护措施，当 故障发生时，及时关断功率器件并发出故障信号， 对芯片
6、实行双重保护， 保证了 运行的 可靠性。 目 前， 许多大公司 都已 推出I P M 模块， 如日 本的 三菱、 东芝及美国的国际 整流器公司都 已 有成熟的产品。针对空调 压缩机控制的 特点，许多公司也 推出了 变频空 调专用 I P M模块. 由于 家用空调变频压缩机频率范围为I O H z 1 5 0 H z ， 而这些空调专用模块的开 关频率大 致为 4 k H z 左右， 完全能满足压缩机控制的 要求。 由 于这种I P M内 部集成的I G B T 的 开关频率 不是太 高 ， 所以对外围隔离电 路快速性的要求 也不是太高， 这就大大降 低了成本， 能满足家电 市场低 价位的要求。
7、 日 本 新电元 公司推出的空调专用I P M 模块与其它公司 的产品 不同 ， 该 模块的 集成度更离 ， 为使用提供更大的方便。 这种变频空调 用 I P M 模块有两 种型号 T M - 2 0 A额 定电 流为2 0 A ) 和T L 1 0 5 ( 额定电 流为3 0 A ) 。 除所提供的电 源及保护电 路稍有不同外， 这两 种模块结 构基 本相同。T M - 2 0 人 功能框图如图 1 所示。 图1 T M - 2 0 A 功能框图 与其它公司推出的I P M 模块一 样， 其内部采成了 六个I G B T 、 六个反馈 二极管、 检测电 路 和保护电 路。 除此之外， 其内部
8、还集成了一个开关电源， 可以 提供I G B 驱动用4 路电 源及+ 1 3 . 5 V 控制 电 路 用电 源 ， T L 1 0 5 还 提 供 + 5 夕 微 机 用电 源。 在 这 种I P M 内 部 还 集 成 了 隔 离 电 路 ， C P U 输出的控制信号可直接接到该 模块的 控制端， 使控制电路非常简单， T M - 2 0 A的 应用原 理框图 如图 2所示。 T M - 2 0 A 和T L 1 0 5 均有可靠的保护电路， T M - 2 0 A 和T L 1 0 5 均提供了过流 及过温保护电 路， 当I G B T 过电 流( T M - 2 0 A 为2 7 A
9、 , T L I 0 5 为5 0 A ) 或管芯程度达1 1 5 时， 保护电路 动作， 在0 . 9 - 之内I N内 部自 动保护， 同 时送出 - O . 8 m s 宽的 故障 信号给C P U , C P U 收 到故障信号从软件上封 锁 I P M ， 使保护更加可靠。 过流保护时故障输出波形如图3 所示。 2 5 2 D 应 用电 力电 子技术的交 流界EACS 9 8 -4 7 除 上 述两 种 故 障 检 测 电 路 外 ， T L 1 0 5 还 有 欠 压 保 护 功 能 ， 当 直 流 母 线电 压小 于2 2 0 V 时 ， 发出故障保护信号。 图2 T M - 2
10、 0 A 应用原理框图 : 丁七 厂 甘飞 几几丁匕 w川“) 卜 一 loo 一 图3 过流保护 由 于这种模块的高 集成化， 使得外围控制电 路非 常简单， C P U 的 驱动端， 大大增加了 可靠性。这 种 全能满足变频空调要求。 三、 宜外机控翻系统 输出的信号直接送入模块 I P M 模块的开关频率可 达4 k H z ， 死区时间I o l a 。所以 完 分体式空调控制器分为室外和室内 两大部分。 室内机主要完成红外遥控接收， 并根 据设 定信号进行运行状态的 切换. 调节风 速、 压 缩机运行状态使之达到设定要求。收到 遥控信号 后， 根据要求由模糊算法得到目 前最 佳的 工
11、作状态， 并通过串行通信与室外机交换 信息， 实 现对压 缩机等运行状态的 控制。 室外机主要是根据室内 机的信息， 进行压缩机的变频控 制及 风速调节。同时 在制热时 还要完成除箱等功能。 室外机原理框图如图4 所示 EAC S 9 8 - 4 7 D 应用电力电子技术的变流器 2 5 3 室 外机采用了I n t e 1 8 7 C I 9 6 M C 电 机控制专用芯片。该芯片主要完成与 室内 的串 行通信、 6i 信号的生成、温度采样、 四 通阀电 磁阀 的动作等等。 四通阀 实现制冷制热的转换， 电 磁阀 实现除霜. 8 7 C 1 9 6 M C 内 置波形发生 器W F G ，
12、该 波形发生器有3 个同 步的P W M 模块， 每个模块包含一个 相位比 较器、一 个死区时间 发生 器和一对可编程的 输出。W F G 可产生独立的3 对P W M 波形， 形 成两组互补的3 相!M ; lM 信号 ， 它们有共同的载波频率、 死区 时间和工作方式。 工作方式和死 区时间 都可用软件灵活地调 节。W F G 一旦启动之后， 只 有在要求改 变 N Y的占 空比 时加以 干 预 ， 大大节省了C P U 的开销。W F G 这一功能的内置 大大减化了用于 产生脉宽 调制波形的 控制 软 件和外部硬件， 特别适合于 三相交流电 机的控制。在本控制系统中， W F G设置为中心
13、 调制， 开 关频率为 4 k H z , 死区时间为1 0 j i s 。 I N搜块 压绷机 压 夏 匾 刃医 亚园 讯扮- / 1 6 室外涯度 室外热交换器 .压蛇机温度 四通 电盈 图4室外 机控制功能框图 四、P 皿 浪形的生成 常用的P W M 信号生成方法大 致有等面积法S P W M 及空间矢量S V P W M 法。S P W M 法运算较为 简单， 但一般来讲其谐波分量较大。本系统采用矢量轨迹法来实现。 a ) b ) 图 5电压空间矢量原理 在电 机定 子上 加上三相正弦电压， 忽略定 子电 阻， 根 据电压与磁链的关 系， 可以导出 磁链 矢量 召 5 逮D 应用电力
14、电子技术的变流器 E ACS I 9 8 一4 7 示 m (e ) 一 平 m e J“ 甲 。 为 有效 磁 链圆 半径 ， 且平 m = (1) 奥;f (H :) 为 电 源 频 率 ;U (v ) 为 电 机 电 压 有 效 值 ， 艺孔t e 二2 二 ft为电 角度。 若采用恒 压频比调速即u / f 二 C ， 磁链 可保持为常数， 随着e ( t)的 变化 ， 磁链矢量以角速度。运动， 便形成以呱 为半径的理想圆形轨迹。 根据 工 阴 模块中六个 I GBT的动作状态可形成八种电压矢量， 如图 sa所示， 其中 几 ( 011) 表 示u 相 下 管 导 通 ， v 相 和w
15、 相 均 为 上 管 导 通 。 这 八 种 电 压 矢 量 中 有两 个 零 矢 量 。 根 据 磁 链 矢 量 与 电 压 矢 量 的 关 系 ， 电 压 空 间 矢 量 又(n二 0， 1 ， 7)对 其 持 续 输 出 时 间 积 分 ， 可 得 二 相 磁 链 在 亏 n 作 用 下 的 增 量 示 n) 。 利 用 图 中 六 种 有 效 磁 链 增 量 可 以 很 好 地 追 踪 基 准磁链圆， 而零矢量则具 有调 节追踪角速度的功能， 保证实际磁 链矢量与基 准角频率一致。 当 我 们 采 用 异 步 调 制 时 ， 天二常 数 ， 可 以 导 出 各 磁 链 矢 量 的 增
16、量 为 式( 2)。 师 k 二 示 卜 1 一 甲 k 二 甲 m e ， e 七( 2 ) 式 中 e k 二 2 二 几 。 基 准 磁 链 圆 被 分 成 六 个 扇区 ， 每7t /3为 一 个 扇区 ， 如 图s b 所 示 。 图 中入=0一5， 对应每一个扇区分别选取一对有效磁链矢量追踪理想圆轨迹。 选取基于合成矢 量方向最相近、切换时刻主开关器件动作次数最少的原则。 主程序 初始化有关寄 存器 设定中心对准方式 允许WFG输出 开放WFG中断 读取频率设定值 计算V/F 比 系数 计算相位角位置 显示当前频率值 W F G 中断服务 程序 计算主相位角 计算分区号、次相位角 计算脉宽， 按分区号设定
