变频空调风机调速控制电路原理分析

         风机(风扇电机的简称)是变频空调不可缺少的和最重要的组件之一， 通常室内机和室外机各有-个风机，主要用于对室内外热交换器进行散热。电路板上微处理器(CPU )根据检测到的各种温度数据、用户对制冷或制热量的选择以及变频空调工作状态对风机送风大小进行调节，使系统工作于最佳状态。送风量的大小，是由微处理器发出调控指令，通过驱动电路改变风扇电机转速实现的。

         变频空调风机转速控制可分为有级调速和无级调速两大类，而后者又可分为交流无级调速和直流无级调速两种类型。本文通过对多种变频空调风机调速控制电路进行比对，选择比较典型的风机电路，对风机电路工作原理进行简要分析和介绍。
1、交流电机有级调速电路
         交流电机有级调速电路在变频空调室外风机和室内风机的应用都比较多，其简单的工作原理是:当需要启动风机或改变风机转速时，CPU相应的端口输出高电平控制指令，经反相驱动器(一般为ULN2003等)反相为低电平，12V继电器电磁线圈得电后由释放状态(切换触点与常闭触点.相接)转变为吸合状态(切换触点与常闭触点断开，而与常开触点接通)，经连接器改变交流电机绕组接头，调整电机转速。交流电机有低(L)、中(M)、高(H)三级调速、四级调速(增加一级超低Ll级)或两级调速，根据变频空调器的要求设计的。
1.1继电器并联控制电路

        图1为长虹KFR-35GW/ZQU型变频空调室外风机控制电路。室外机微处理器D450的20、21脚为风速控制信号输出端，高电平(“1")有效。D462为七反相驱动器，亦称达布林阵列，外风机只使用其中两个反相器，其14、15 脚输出与D450的20.21脚相位相反。若D450的20、21脚分别输出高电平，则D462的14、15脚分别输出低电平(0V)，继电器K461.K462电磁线圈一端接 + 12V电源，另一端分别接D462的14、15脚，也就是继电器的吸合或释放受D450、D462控制。两继电器各使用一组转换触点，它们的公共端接市电AC-L(故称并联)，常开触点分别经连线器XS462的3、4脚接室外风机YFM的中速绕组M和高速绕组H，其控制功能如表1所示。

        例如，D450的20脚输出高电平时，经D462反相后14脚输出低电平，K462得电吸合，市电AC-L经K462闭合的常开触点、XS462的3脚加至YFM的M绕组，使风机按中速运转。
1.2继电器串联控制电路

         图2为长虹KFR-71(51、60)LW/DFS(FS )柜式空调室外风机控制电路，电路由室外机微处理器D201、反相驱动器D210、电磁继电器K203~K206、连线器XS215及四速交流电机YFM等组成，继电器控制原理与图1相同，不再赘述。但继电器的供电采用串联方式，即超低转速(LL)继电器K206触点公共端接AC-L，常闭触点接相邻高速(L)继电器205触点公共端，并以此类推，为K204(M)、K203(H )进行串联供电。其特点是继电器有互锁功能，并且低转速优先，控制功能如表2所示。

         例如，YFM以低速L运行时，由于K205吸合使K204、K203无电，故D201的2.3脚输出的中速M或高速H运转指令无效，只有K205释放后，才能使YFM进行中、高速切换。但D201的6脚输出高电平，K206便可吸合使YFM超低速运转，而无需先使K205释放。
1.3继电器两组触点控制电路

        图3为海信KFR -26W/77VZBP、KFR-35(36 GW/762BP、KFR-60LW/27 ZBP变频空调系列室外机控制电路。TH2、TH3是PTC(正温度系数热敏电阻)元件，起限流保护作用。RL4为大电流开关，吸合时AC-I经其闭合的常开触点和延迟熔断电流保险F2为调速继电器RL2、RL1供电、调速控制功能如表3所示。

        RL2使用一组转换触点，RL1使用两组转换触点，当RI4吸合时，使用两组转接触点，当RL4吸合时，RL2、RL1则按二进制码编程，共有四种组合状态;RL2、RL1均不吸合(00)，风机YFM不转动; RL2释放RL1吸合(01)，YFM低速(L)运转;RL2吸合RL1释放( 10)，YFM中速(M)运转;RL2、RL1均吸合(11)，YFM高速(H)运转。
1.4同时控制两个继电器电路

        图4为海尔KFR-51(60、71)LW/M(BPF)变频柜机空调系列室内风机控制电路。电路的特殊之处是增加两只二极管，其中D4为隔离管，防止U101的11脚被反向脉冲电压冲击，而D6则为导向管，当U101的10脚输出高电平时，经U102内两个反相器反相驱动后，使RL5.RL6同时吸合，控制NFM以中风速运转，控制功能如表4所示。

1.5扩展驱动控制通道电路

         图5为新科KUAKE-008/009系列空调室内风机控制电路。D111、D112为钳位二极管，只使用IC1的36、35脚两个输出端口，可控制K102~K104三个继电器，使NFM产生L、M、H三种风速，控制功能如表5所示。

        当IC1的36、35脚均输出高电平时，D111、D112反偏截止，IC3的1脚经R123获高电平，反相驱动K102吸合，使NFM以低速(L)运转。若36.35脚之一为高电平，另一为低电平，则D111、D112必有一个正偏导通，将IC3的1脚电平拉低，使K102处于释放状态，同时K103或K104中有一只继电器吸合，使NFM以中(M )或高(H )速运转。当IC1的36、35脚均为低电平时，K102~K104都处于释放状态;NFM不转动。
        维修提示:(1)反相驱动器判断。图1~图5中的继电器均采用反相器集成电路驱动，这类反相器是被称为达布林阵列的通用器件，型号很多，但一般采用标准16脚双列直插式IP封装，内含带输出保护的七个彼此独立的反相器，其1~7脚为各反相器的输入端，输入高电平≥4.5V ，输入低电平≤0.3V(与TTL通用数字集成电路电平兼容)。
        对应的输出端依次为16~10 脚，8脚接地，当9脚电源电压为12V时，在输入电平控制下，输出的高电平接近12V电源电压，输出的低电平约0V。若反相器损坏时，可用以下方法检修:一是用兼容集成电路ULN2003/A/AP、TDA2003、TD62003、ULN28003. MC1413P、M63828DP等整片代换;二是若只损坏一个反相器，且集成电路尚有多余空闲的反相器，可将电路与损坏的反相器输入、输出端断开，再用细导线移焊到空闲反相器的输入、输出端即可;三是选一只Pcm>250mW的晶体管接成反相器电路，代换损坏的反相器。(2)继电器故障、继电器型号不同，电磁线圈的直流电阻也不同，但一般为1k~2.5k，若为无穷大便可判为线圈断路。继电器触点故障有二:-是触点接触不良，多因触点氧化、锈蚀造成，只要触点未烧坏，将其表面刮磨干净(必要时可校正簧片压力)便可继续使用;二是触点因放电打火而粘焊在一起无法分离，轻者可用小刀将触点撬开，再修磨平整便可继续使用。重者只能更换触点或更换继电器;(3)风机检查。风机电容一般为1uF~3uF/450V，可用万用表(最好是高电阻挡)交换表笔反复测电容两端(;测前先短路放电)，若无充放电现象或表针摆幅小，则应更换。检查电动机定子绕组是否开路时，应先拔下接线器插头并断开电容，以图3的YFM为例，拔下CN16后，用万用表RX10Ω挡测量，绕组串联总电阻RNC约为500Ω~600Ω，并且RNC=RNH+RHM+RML+RLC。
2、交流电机无级调速电路
         变频空调交流无级调速电机主要采用单相交流电动机，内含启动绕组、运行绕组，双金属片形过热开关及相位检测霍尔传感器等，其无级调速控制电路主要由交流开关电路和PG检测电路两部分构成。
2.1无级调速交流开关电路
          交流电子开关主要采用交流可控硅(或称双向可控硅)元件，基本调速原理是根据空调工作需要，由微处理器发出调控指令，改变交流可控硅的导通角，控制交流电机供电电压的大小，从而实现无级调速。交流电子开关可以是交流可控硅分立元件、交流可控硅光耦合器或固态继电器，而驱动电路则有晶体管、反相驱动集成电路及普通光耦合器等。
          2.1.1交流光耦合器控制电路

          图6为美的KFR-26( 33 )GW/GBPY、KFR-33GW/11BPY变频空调系列室内风机控制电路。实际上空调室内风机转速有手动调节和自动调节两种方式;手动调节是，用户利用遥控器发出信号，经微处理器IC8识别后，改变1脚输出信号的占空比，经Q4反相放大后，再经限流电阻R31改变光耦合器IC11内发光二极管导通电流的大小，即改变IC11内光交流可控硅受光照强度使其导通程度发生改变，调速风机NFM所加电压，完成调速控制;自动调节是IC8根据室内温度室内盘管温度检测信号，以及NFM的PG反馈信号，由1脚输出控制信号，使NFM转速与空调制冷制热工作状态相匹配，控制过程与手动调节相同。
         2.1.2交流可控硅控制电路

         科龙KFR-26GW/SF1(HUAKE KFR-23系列)空调室内风机控制电路如图7所示。风速控制信号由室内机微处理器D101的15脚输出，经D102内一个反相器放大、驱动后，改变普通光耦合器PC101内发光二极管发光亮度，也就改变了内部光电三极管的导通程度，从而改变交流可控硅V110的导通角，调速室内风机NFM工作电压，实现转速无级控制。电路中，V108是半波整流二极管，R101是限流降压电阻，V109是12V稳压二极管，C106为滤波电容，经R109、R104限流后，为光耦合器PC101的3.4脚内光电管供电。
         2.1.3交流固态继电器控制电路

         图8为海信KFR-35( 36 )GW/76ZBP、KFR -60LW/27ZBP变频空调系列室内风机控制电路。IC05是交流光耦合器，IC055是固态继电器，为增加负载能力而并联使用，受室内机微处理器IC108的8脚输出信号同步控制，且电路简洁。
2.2 PG检测电路
           与继电器控制有级交流电机调速电路不同，交流电机无级调速电路都没有电机转子相位检测电路，在电机转子上嵌有一块(或几块)小磁钢，与转子同速转动。而电机定子上装有霍尔传感器，该传感器是一种类似磁敏二极管、磁敏三极管的磁传感器，电机转动时，转子每转动一周，小磁钢便经由霍尔传感器一次，霍尔传感器便产生一个转子相位脉冲，即所谓的PG脉冲，送入微处理器。实际上，目前空调风机上使用的霍尔传感器含有一个场效应管放大器，对PG脉冲进行放大，整形后输出，使PG信号通道变得更为简单。因此，称其为霍尔传感器组件更确切一些。以图8所示的PG相位检测电路为例，室内风机中的霍尔传感器组件有3根引线经连线器CN11送出，其中1脚接5V电源，3脚接地，2脚输出检测到的PG脉冲。经C17高频滤波和R19限流后，由9脚反馈给微处理器IC08。PG脉冲的作用:-是IC08的9脚PG脉冲正常时，ICO8会判断室内风机NFM正常，并继续输出驱动信号使风机运转;二是IC08的9脚输入PG脉冲个数与设定转数数据有差异时，说明风机转速过快或过慢，于是IC08的8脚输出的信占空比发生改变，调整风机转速使其回到设计转速;三是反馈回的PG脉冲消失时，IC08会判断风机发生异常，并由8脚输出高电平停机指令，使风机停止转动，再通过室内机LcD显示屏显示“39"故障提示代码。
          维修提示:(1)风机绕组的检查。以海信KFR-60LW/27ZBP(图8 )变频空调柜机为例，室内风机型号是YDK29-6I，运行绕组(白-棕线)阻值为178Ω，启动绕组(白-粉红)阻值为172Ω。若某绕组为∞，说明绕组开路;若两绕组均为∞，但两绕组串联(棕-粉浅)阻值为350Q2 (两绕组电阻之和)，说明绕组公共端(回线)开路，通常是电机内部双金属片过热保护器常闭触点接触不良或保护器动作后双金属片不能翻转复位。(2)霍尔传感器组件的检查。有条件时可用脉冲示波器观测PG脉冲的有无;无示波器时，可在空调停机时(不拔掉电源插头)，用手拨动风机叶轮，PG信输出端有5V.OV的跳变电压为正常，若PG信号始终为5V或0V不跳变，说明霍尔传感器组件损坏。
3、直流电机无级调速电路
          变频空调采用直流风机调速的电路主要有两类: 一类是微处理器输出脉冲占空比不同的驱动信号，改变直流电机工作电压的大小来实现调速的。这类调速电路的特点是直流电机内部装有驱动电路板和PG相位检测霍尔传感器组件，而直流电机则有低压(<36V)和高压(300V)两种;另一类是采用直流变频技术控制转速，与直流变频压缩机工作原理相似，变频驱动电路采用上、下各3个半桥驱动器，有分立元件和IPM变频驱动模块两种。直流风机为三相星形结构，内部装有一个或几个霍尔传感器组件对转子相位进行检测。
3.1低压无级调速控制电路

       图9为长虹KFR-25 (28、35、40)GW/BQ系列全直流变频空调室内风机调速控制电路。该室内风机NFM采用5V和35V两组电源供电。其中5V电源用于驱动控制前级电路，35V电源用于驱动输出级为直流电机供电。和交流风机调速相同，直流风机的调速也有手动调节和自动调节两种工作模式，当需要室内风机NFM工作时，室内机微处理器IC301的15脚输出PWM信号，经R39限流、C47滤波后，根据PWM信号占空比的大小，产生0V~5V的模拟控制电压，通过连线器CN10的3脚送至电机驱动电路控制端，改变电机供电电压大小，实现风机转速的调节。D32为共阴极高频双二极管，起限幅保护作用，可防止IC301的15、16脚因驱动电路异常使所加电压高于5.5V而造成芯片损坏。
         霍尔传感器组件检测到的PG相位脉冲信号由CN10的4脚送出，经R38限流和C33高频消噪滤波后反馈给IC301的16脚，IC301则根据PG脉冲是否正常进行风机转速调节或停止室内风机运转，并显示室内风机异常故障( 提示代码“00-11")。
3.2高压无级调速控制电路

         图10为KFR-26(35)GW/ZHW(W1-H)+2型变频空调室外直流风机调速控制电路，该空调属于长虹精确控温式变频空调系列的13种机型其工作原理与图9所示的长虹KFR-25(28、35、40 )GW/BQ系列直流变频空调内风机调速控制电路基本相同，但有以下三个主要区别:一是驱动器前级供电由15V电源供电，而驱动输出级则采用300V高压供电;二是为了防止300V高压异常时对微处理器D450的冲击，电路中采用D402、D405进行信号传输光耦合隔离，其中D402用于D450的1脚输出的PWM电机调速信号的耦合、隔离，D405用于电机反馈PG信号的耦合、隔离;三是当D450的22脚反馈回的PG脉冲异常令室外风机停转时，室内机面板LCD屏上显示的室外直流风机故障代码为“E2”。
3.3直流变频调速控制电路

         图11为长虹KFR-26( 28、35、40 )GW/BQ系列全直流变频空调室外风机调速控制电路。室外机微处理器IC800的33~38脚输出6路驱动信号给变频驱动电路，电路框图内的变频驱动电路由6个带推挽输出的光耦合器TLP2S1 (IC300~IC305 )6个IGBT驱动管2SK2662 (Q302~Q307)等分立元件组成3对上、下半桥驱动器，有三种供电电压:5V和18V采用非受控方式，分别为6个光耦合器的发光二极管和内部推挽放大管供电;而300V电压为受控方式，为6个IGBT管供电，以驱动直流电机。该风机除采用三星结构和桥式驱动外，其内部还设置了3个霍尔传感器组件H1~H3，它们的空间夹角为120°电角度，转子转动时，依次输出相隔120°的PG相位检测信号。而每个组件一-次导通为180° ，故每隔60°就会有一个组件的输出状态发生变化，这样3个组件输出状态的组合就有6种，经连线器CN301取出后，由双二极管D317~D319进行上、下双向限幅，R325~R327、R328~R330限流和C317~C319高频滤波后加至IC800的40~42脚，被IC800识别、处理后，按预先存储的工作程序，依U+/V-->U+/W-->V+/W-->+V+/U-->+W+/U-->+W+/V-的顺序轮流成对输出驱动信号，使对应的一对IGBT管导通，并经电机绕组形成导通回路，同时产生旋转磁场，电机转子在该磁场作用下转动。由此可见，当IC800的33~38脚输出的PWM驱动信号占空比改变时，即可改变直流风机转速，实现变频调速，一旦IC800的40~42脚反馈的PG脉冲信号缺失，IC800的33~ 38脚将无PWM驱动信号输出，使室外风机停转，并在室内机LCD屏上显示室外机故障代码“02- 1A"。
         维修提示:(1)当风机停转并显示风机故障代码时，可按应急开关强制启动空调工作。同时快速测量微处理器有无PWM风机驱动信号输出及有无PG脉冲信号反馈输入，以缩小故障范围;(2)变频驱动电路中含有两个保护电路:一是若发生IGBT驱动管烧坏时，要检查IGBT管栅极所接共阳极快速截止双二极管ISS181(D303、D304、D308、D309、D313、D314)是否开路失效而无保护功能;二是电路中设有一个母线过流保护取样电阻R321(1Ω/2W)，当风机电流为1A左右时，R321两端电流取样电压达1.2V 左右，并经光耦合器IC306送至IC800的39脚。经IC800识别后，停止22脚输出供电信号，继电器RY06释放，停止室外风机供电，以免室外风机、PFC电路等因过流而损坏。