空调风机用驱动电机调速方法综述

空调风机用驱动电机调速方法综述

闫晓伟

河南中烟工业有限责任公司黄金叶生产制造中心， 河南 郑州 450000

摘要：随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，空调已经广泛应用于工农业以及人们的日常生活中。为了舒适和节能，空调需要调节运行速度。因此，提出了各种速度控制方法。根据风机驱动电机的不同，风机调速方式可分为直流调速和交流调速。在直流调速中，有电刷直流电机调速和无刷直流电机调速，在交流调速方法中，常用的有三种变极调速，串级调速和变频调速。下面我们总结了以上五种方法的优缺点，特别是无刷直流电机调速和交流电机变频调速的原理。

关键词：空调风机；驱动电机；调速方法

引言

目前，室内空调叶片采用PG电机（单相异步电机）或内置直流电机驱动，电机转速反馈装置，根据转速反馈信号和目标转速差进行调速，经过PI算法的简单计算，调整时间滞后零斩波器或PWM占空比，以达到风扇转速控制的目的。在调整内部风机转速的过程中，PI调节的计算参数Kp和Ki固定不变，算法适用性和抗干扰性能差，容易出现以下四种现象：（1)启动超调；(2)风挡切换时，转速过调，达到目标转速的时间长；(3)正常运行时，负载不稳定时转速波动较大；(4）负载过大时，启动速度过慢，启动不稳定等现象。由于上述现象，空调机运行噪音异常（过山车噪音现象）或启动速度过慢。

1 风机选型

用一台风机F代替总换热风扇F1和空调风扇F2可以大大提高热回收空调系统风机的性能。当只有一个风扇用于操作时,为了保证空调效果,提供的风量风机f不能减少,所提供的压头扇还应该能够克服阻力之和的总热交换器、空调及其连接管道。因此，风扇的选择就显得尤为重要。本节以安装在河南某家庭的热回收空调系统为例，设计风量为500m3/h，管道长度为5m，采用截面尺寸为250mm×160mm的胶合板标准矩形风管。阻力在总热交换器的入口端ΔPE、q=1978.95q1.998,鼓风机F1的选择参数有:Q1=525m3/h,P1=110pa;空气侧的阻力空调蒸发器的ΔPE、ev=2003.878q1.7,和空调的风扇的选择参数F2Q2=525m3/h,P2=140pa。为了简化计算，做以下假设:假设管道只有一个送风出口;忽略风机和设备所占用的管道长度;除送风口外的其他部位的面积假定为管道的面积。已知胶合板标准矩形风道的摩擦系数为:工位元=0.06，实际风道面积为:Ag=0.04m2。管道送风出口面积Ao=0.07m2。夏季，河南空气密度为1.136kg/m3。管道送风出口局部阻力系数为1.0，进气口局部阻力系数为0.9，阀门与其他局部阻力系数之和为1。由于风机工作在民用空调系统中，考虑到噪声要求，F风机可选用FGD系列方接口低噪声管道风机，FGD-ino风机可选用FGD系列方接口低噪声管道风机。40-20m风机可满足要求。组合后风机f的工作参数(即m点坐标)为:q=518.50m3/h,P=171.83pa。全热交换器和空调作为两个独立产品，应合理安排，避免风机在可操作性差的工作点运行;当换热器与空调机组合时，应使用一台风机代替换热器与空调机的两台风机的总热量，使两台风机的运行效率最大化，满足换热器与空调机的性能要求。用一台风机代替两台风机时，应选择合理的风机型号。在选择风机时，应遵循以下原则:风量不变，风压为原两台风机之和的0.5-1倍。当工作环境与标准工况不同时，应进行性能参数的转换。

2 直流调速方法

2.1 有刷直流电动机调速

2.1.1 调速原理及实现

在由永磁有刷直流电动机驱动的空调风机调速系统中，空调风机是直接由一台带有电刷和换向器等机械换向装置的有刷直流电动机拖动的。由于直流电动机的机械特性硬，调速特性近似一条直线，其调速性能非常好，所以在早期的空调风机调速系统中，绝大部分是采用有刷直流电动机来实现调速的。

2.1.2 优缺点

(1)由于有刷直流电动机是依靠由换向器、电刷组成的机械结构实现换向的，结构复杂。存在电刷磨损、寿命短、成本高，而且受到国内原材料和制造工艺的限制换向器.电刷的质量和可靠性也得不到严格保证，故障多、维护困难，电刷的存在也是产生火灾等事故的严重隐患。

(2)换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和调速范围，接触式的电流传输又限制了使用场合。

(3)电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高，为改善换向能力，转子设计得短粗，CD²增大,影响了系统的动态性能。

因此，随着经济的发展和科技的进步,这种空调风机永磁有刷直流电动机调速方法渐渐被其他调速方法所取代。

2.2 无刷直流电动机(BLDCM)调速

2.2.1 调速原理及实现

无刷直流电动机调速系统中,其电机本体类似于永磁同步电动机结构,其定子是电枢,转子是永磁体,去掉了由换向器和电刷组成的机械接触机构,采用电子开关换向装置。它借助反映电机转子位置的输出信号,来控制与电机定子绕组连接的功率开关元件的通断,使定子绕组依次馈电,产生跳跃式的定子旋转磁场,拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子位置检测装置不断输出信号，控制功率开关元件的通断，以改变定子绕组的通电状态，使得在某磁极下导体中的电流方向始终保持不变。通过改变定子绕组导通的时间和加在定子绕组两端的电压，即可以实现无剧直流电动机的调速。

介绍了无刷直流电动机调速系统在汽车空调风机中的应用。其驱动电路如图1所示。

图1 空调风机调速系统驱动电路图

在这种调速系统中，驱动电路采用三相星形非桥式线路，功率管选用MOSFET管，双管并联，R、C串联电路为缓冲电路。用来保护功率MOSFET管，转子位置信号由霍尔式位置传感器获得3个霍尔元件沿圆周均布，位置传感器的旋转部分由磁体和非磁体组—圆环，并与电机本体主转子同轴连接。当位置传感器转子的扇形片(非磁体)对准霍尔元件时，霍尔元件由于感应不到磁场而输出高电平，使由其控制的功率管导通，电源给相应的一相电枢绕组馈电，其它两相电枢绕组由于霍尔元件输出低电平而无法和电源接通。这样，随着电机主转子的转动，位置传感器转子扇形片也跟着转动，电枢绕组便一相一相地依次馈电，从而实现各相绕组的换流。通过改变电枢绕组通电的时间和加在其上的电压，即可实现电动机的调速，从而控制汽车空调风机的运行。

2.2.2 优缺点

(1)无刷直流电动机除了保持有刷直流电动机固有的优越的起动性能和调速性能外，其最大的特点就是用电子换向装置取代了由电刷与换向器组成的机械换向机构，因而具有寿命长、噪声低、运行可靠、维护方便等优点。

(2)无刷直流电动机的转速不受机械换向的限制，具有宽广的调速范围。

(3)无刷直流电动机与同等容量的有刷直流电动机比较，由于无刷直流电动机定子为电枢，其转子外径大大缩小，从而减小了电机的转动惯量，提高了电机的快速响应能力。

3 结语

空调运行的过程中和全热换热器有着良好的铁通作用，但是是独立进行的，实际工作的过程中必须要做好相应的管道布置工作才能够确保风机能够良好运行，对电机进行具体选型的过程中也需要根据实际需求，进行科学的选型。

参考文献：

[1]刘奕彤.基于ANSYS的鼓风机电动机永磁轴承-转子系统动力学分析[J].轴承，2019（2）：12-16.

[2]赵西风.纺织空调风机选型与高效运行[J].棉纺织技术，2019，47（01）：40-44.