基于分体式空调器室内PG调速电机控制电路设计分析

方显礼

小功率分体机室内风机目前用的是PG调速塑封电机，为单向异步电容运转电动机。为了满足当前社会对空调舒适性的要求，空调的正常运转即制冷、制热、湿度、空气清新度、氧气等指标都应达到标准值，所以必须保证室内风机的转速满足系统的要求，并保持转速的稳定。为达到以上目的，可采用可控硅调压调速的方法来调节风机的转速。为了保证所调电压满足转速要求，则必须检出电源的零点和测出风机的转速，故在实际电路中，还需使用过零检测电路来检出电源的零点，使用风机转速检测电路来检测转速，再通过调节可控硅导通角来使风机转速达到系统要求。

一、电路原理

现小功率分体机采用的室内风机电机为塑封PG调速电机（如图1），为单相异步电容运转电动机，级对数为四级，并带转速反馈，电机每转一周，输出一个或多个方波信号。

单相异步电动机结构简单，成本低，振动和噪音较小，并且只需单相电源供电，所以在家电行业中应用广泛。它主要由定子与转子两部分组成。定子部分由定子铁心、绕组和基座组成，定子铁心由硅钢片压成，且内圆有许多槽，用以嵌入定子绕组。由于单相绕组只能产生脉动电势，电机没有启动转矩而无法启动，因此单相电机的定子有两相绕组，两相绕组的轴线在空间相差90°电角度，其中一相绕组称为主绕组，另一相绕组称为副绕组或启动绕组。转子部分由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也用硅钢片冲制而成，且外圆冲有许多槽，用以安放转子导条。

电机的定子两相绕组通过交流电后，转子之间的气隙中产生旋转磁场，其旋转速度叫同步转速，以n1表示。n1的大小决定于通入电流的频率和电机的极对数P，n1=60f/P（转/分）。当转子导体被此旋转磁场的磁力线切割时，导体内将产生感应电动势。在转子回路闭合的情况下，转子导体中就有电流流过，载流导体在磁场中受到电磁力的作用而跟着旋转磁场转动，其转速为n。转子旋转时会产生能量转换，这就是异步电动机的基本工作原理。由于使用的电源为单相交流电，从上面所介绍的电机的绕组情况而言，若不在启动绕组上接电容，而直接在两相绕组上加交流电或只在主绕组上加交流电，则产生脉动磁场，不能给转子提供启动力矩，故在实际电路中，采用在启动绕组电路中串接启动电容的方法来使电机获得启动力矩。电容运转单相异步电动机定子副绕组（即启动绕组）电路中串接电容器，此电容器在电机启动与运转过程中都参与工作，由于电路中串接电容，使副绕组回路为容性，故副绕组电流相位超前于电压，主绕组电流则落后于电压（由于主绕组回路为感性）。当电容参数设计合适时（一般为通过实验选定能满足要求的电容），两个绕组电流的相位差将接近90°，从而产生较大的启动转矩，而启动电流较小，这样来使电机获得启动转矩。

二、可控硅调速原理

1.工作原理

可控硅调速是用改变可控硅导通角的方法来改变电动机端电压的波形（如图2），从而改变电动机端电压的有效值，达到调速的目的。

當可控硅导通角α1=180°时，电动机端电压波形为正弦波，即全导通状态;当可控硅导通角α1 <180°时，电动机端电压波形如图实线所示，即非全导通状态，有效值减小;α1越小，导通状态越少，则电压有效值越小，所产生的磁场越小，则电机的转速越低。

由以上的分析可知，可控硅调速时电机转速可连续调节，但这时电动机电压和电流波形不连续、波形差，故电动机的噪音大，并带来干扰。故在电路设计时，需要重点考虑这方面的问题，应有适当的滤波电路。

2.电路原理图

具体电路原理如图3所示。

3.工作原理简介

采用分离元件实现TLP3526功能：电网交流电源经过电阻降压，通过稳压管稳压，获得12V直流电压，主控芯片通过光耦PC817与强电隔离，控制可控硅BT131导通与截止。

4.各元器件作用

D15、R28、R29、E9、DZ1、R30、C1组成降压电路，获得相对电压12V;

R25、C15组成滤波电路，解决可控硅导通与截止对电网的干扰，通过EMI测试;同时防止可控硅两端电压突变，造成无门极信号误导通。

L2为扼流线圈，防止可控硅回路中电流突变，对TR1进行保护;电感L2需放置在TR1后面。如果L2放置在TR1前端，由于电感L2为储能元件，在TR1关断和导通过程中，对R24形成冲击，尖峰电压接近50V，R24容易损坏。该点为市场上各种空调维修时发现的问题。

C14为风机启动电容。

5.各元器件选型

结合标准化要求，各元器件选型要求如下：

D15选用整流二极管1N4007;

R28、R29选用11KΩ3W功率电阻;

E9选用470uF 25V电解电容;

DZ1选用12V 0.5W稳压二极管;

R30选用100KΩ 0.25W碳膜电阻;

C1选用104滤波电容即可;

R25选用51Ω 1W氧化膜电阻;

C15选用0.33uF 275VAC安规电容;

L2选用100uH扼流线圈，并放在可控硅与电机之间;

TR1选用1A双向可控硅BT131;

R24选用2KΩ 0.5W碳膜电阻;

IC6选用PC817;

R26选用560Ω 0.25W碳膜电阻;

其中R30、R26也可选用相关0805贴片电阻。

6.注意事项

①双向可控硅TR1具有方向性，T1、T2接反后，电路不能正常工作。

②PC817中的发光二极管的电压可采用+12V，将限流电阻R26改为1K即可。

③目前大部分实际PCB中均无R30、C1，R30可维持电路中的电流，避免出现电流突变现象，C1可滤除高频干扰。

④本元器件选型适用于小功率的室内PG电机，如PG电机功率过大，则不能使用可控硅BT131（额定工作电流为1A），需要选择额定工作电流更大的可控硅，同时重新选择R24的阻值。

三、过零检测原理

1.电路原理图（如图4）

2.工作原理简介

电网交流电源经变压器降压后，先经过整流，形成脉动直流波形，同下图C点波形，经过电阻分压后，再经过电容滤波，滤去高频干扰成分，形成下图C点电压波形。

当C点电压大于0.7V时，三极管导通，在三极管集电极形成低电平;当电压再次降到低于0.7V时，三极管截止，三极管集电极通过上拉电阻，形成高电平。这样通过三极管的反复导通、截止，在芯片过零检测端口D点形成100Hz脉冲波形，芯片通过判断，检测电压的零点。

3.各元器件选型

结合标准化要求，各元器件选型要求如下：

D1～D4选用整流二极管1N4007;

D5、D6选用整流二极管1N4007;

R11～R13选用12K 0.25W碳膜电阻，也可采用相关0805贴片电阻;

C1、C2选用223或103滤波电容;

Q2选用9013三极管;

R4选用5.1K 0.25W碳膜电阻，也可采用相关0805贴片电阻。

4.注意事项

该电路中，三极管依靠基极电压动作，此电压由R2、R3分压确定。使用贴片三极管时应特別注意不能采用DTC143、DTA143等内部集成电阻的贴片三极管，可使用NT8050-D9D。

四、风速检测电路

1.电路原理图（如图6）

2.工作原理简介

+12V电源提供给电机内置风速检测电路使用，目前市场常用的风机每转一周，输出1个脉冲方波，风机内置风速检测电路输出波形通过一个限流电阻后，再通过103瓷片电容滤波，二极管1N4148钳位，保证输入芯片脚的电压低于芯片的安全工作电压（风机不转时芯片反馈电压在5.5V左右）。芯片通过对输入脉冲方波频率的检测，来判断风机的转速。若转速低于目标转速，则加大可控硅导通角，提高风机电压的有效值，使风机转速增大;转速高于目标转速，则减小可控硅导通角，降低风机电压的有效值，使风机转速变低。

3.各元器件选型

结合标准化要求，各元器件选型要求如下：

D13选用IN4148，尽量选用插件二极管;

R21选用5.1K 0.25W碳膜电阻，也可采用相关0805贴片电阻;

C12选用103滤波电容;

4.注意事项

电机内置检测电路中使用控制器提供的+12V电源，需要确定控制器所提供的+12V电源不会超出霍尔元件的耐压值。

五、小结

经过改进设计，长时间的实验运行后，该分体式空调器室内风机可控硅调速控制改进电路具有技术成熟、功能齐全、性能优越、可靠性高、耐用的特点，实现了室内风机PG调速无极变速，调速范围宽、动态响应快、调速精度高、噪音低、舒适感强、节能省电、保护功能完善和操作简单，提高了室内风机的速度精确控制，增加了室内舒适度。当然技术的追求是无止境的，伴随着微控制器、信息技术和网络控制技术的飞速发展，PG调速也可以采用变频技术来代替。

责任编辑陈春阳