三相三线制配电的暖通空调设备电路设计

广东美的集团暖通与楼宇事业部 吴 田

在现代的生产和生活环境当中，暖通空调设备的作用和应用场景呈现多样化，暖通空调设备除了能为人们创造体感舒适的室内环境，也能满足部分企业日益增多的特殊生产要求，如：采暖、烘干、供热水等。应用场所也从常见的办公室、酒店等商用场所，拓宽到农场、工厂、医院等。这种应用场景的多样化对暖通空调设备的安装环境适用性提出了更高的要求，而电源的适应性就是最主要的要求之一。

根据IEC国际电工委员会的规定，低压配电系统按接地型式的不同分为三类：TN系统、TT系统、IT系统。如图1所示，这三种配电系统各有特点和应用场景，TN系统（以TN-S为例）的PE线自中性线分支引出，发生对地过电压时设备绝缘承受的电压应力较小；TT系统可以就地接地引出PE线，适用于无等电位联结的户外场所，如农场、施工场地、户外临时用电场所等；IT系统具有供电可靠性高、安全性好等特点，适用于对供电不间断和防电击要求很高的场所，如矿井下、钢铁厂、医院手术室等场所。根据实际应用场景和需求，三种配电系统都可以配出中性线N，称为三相四线制配电；也可以不配出中性导体（特别是IT系统一般都不配出中性导体），称为三相三线制配电。

图1 三种系统的常见应用场景

毫无疑问，采用三相三线制配电的暖通空调设备，既可以节省安装成本（可以少配置一根与相线等同截面积的中性线），又可以适用于TN、TT、IT配电系统的任何一种且不管其是否配出中性导体。但对于三相三线制配电的设备，当负载不平衡时无法通过中性线回馈电流，导致中性点位移，不仅会烧毁设备内部电路或电器件，还会破坏整个配电系统的平衡性从而影响其它接入设备。因此，三相负载的平衡设计是三相三线制配电设备优先考虑的事项。

1 三相负载的平衡设计

压缩机和风机是暖通空调设备中功率消耗最大的负载，两者的选型和控制对于电源平衡起着非常关键的影响。从负载特性来看，两者的本质都是电机，为便于阐述，下文不做区分地统称为电机，按照工作原理电机大致可分为交流、直流两种。定速设备的主机一般采用三相交流异步电机，变频设备则采用永磁同步直流电机。也有部分设备压缩机采用三相交流异步电机、风机采用永磁同步直流电机，或压缩机采用永磁同步直流电机、风机采用三相交流异步电机。

三相交流异步电机的三相绕组对称分布、匝数相等、在空间上互差120°相位角，通常这种电机的电流不平衡度在10%以内。但当三相输入电源缺相、电压不平衡、电机绕组匝间短路、绕组断线等异常情况发生时，仍会导致较大的相电流不平衡。为此，需要增加三相电源相序检测电路和相电流检测电路，结合软件算法来避免上述情况发生。如图2所示是三相交流异步电机控制示意图，电机线圈U/V/W通过交流接触器KM三个常开触头与电源连接，交流接触器线圈A1A2控制KM三个常开触头的通断，电流互感器CT1、CT2检测电机相电流（也可只采用一个检测其中任一相）。电机运行过程中，交流接触器KM三个常开触头闭合连通电源，电流互感器CT1、CT2实时检测电机的相电流，当出现相电流异常，如相电流很小甚至为零安培，则可判定当相断路；当相电流超过预设值，则可断定电机绕组匝间短路、未检测相缺相、电压不平衡等异常；当CT1、CT2检测到的相电流差值较大，则可能是电源电压不平衡；一旦出现上述异常数据，则立即断开交流接触器KM触头，停止设备的运行。如图3所示为三相电源相序检测电路，当输入电源缺相、相位角不对称或相序错误等异常发生时，及时切断交流接触器KM触头，停止设备的运行并提示设备管理员及时维修，避免由此导致的电源相序不平衡。

图2 三相交流异步电机控制示意图

图3 三相电源相序检测电路

永磁同步直流电机一般由“交-直-交”结构的电压型变频器控制，如图4所示为典型的变频器主回路，由整流电路、滤波电路和逆变电路等部分组成。其由6个二极管组成的全桥不可控整流电路与三相交流电源相连接，将工频电源变换为直流电源，整流后的直流电压中含有电源6倍频率的脉动电压，由电解电容和电抗器构成的滤波电路对其进行平滑滤波，逆变电路的作用跟整流电路相反，它将直流电变换为电压可调、频率可调的交流电，提供给永磁同步直流电机。

图4 永磁同步直流电机变频器主回路

如图4所示，整流滤波后的直流母线电压波形Ud一周期脉动6次，电解电容处于不断的充、放电状态，这6个脉动的充、放电过程具有有序（即前一个充、放电完毕后，后一个接着来）和均等（每一次充、放电电流相等）特点，在这种情况下，三相的进线电流是基本平衡的。若三相输入电源出现缺相或相序电压不平衡，直流母线电压Ud每周期脉动的次数就会改变或电压脉动的幅度出现不均等，或者两者同时有之，很显然通过检测Ud脉动的周期和脉动的幅值，可以准确地识别出因输入电压缺相或相电压不平衡导致的负载不平衡。不过，逆变器的负载是电感性的电机，其绕组属于R、L电路，电机工作时也会电解电容进行充、放电，势必会破坏上文提到的整流滤波电路中有序而均等的充、放电状态，并且，随着电机工作频率和负载轻重的变化变得毫无规律可言。但这种电机线圈对电解电容充放电对于直流母线电压波形Ud一周期6次脉动的幅度和周期的影响几乎可以忽略不计，对于三相进线电流平衡的影响有限。

2 制冷系统阀体的供电

暖通空调设备中会运用到各种电磁阀，用于控制制冷剂管路的通断。电磁阀一般由阀体和电磁线圈等部分组成，电磁线圈通常是AC220V电源规格，通过继电器来控制电磁线圈电源的通断即可达到调节阀体开通与关断的目的。由于电磁阀体的线圈功率较小（约数W不等），因此，可以通过电压转换装置（如线性变压器）把相电压从AC380V转换为AC220V，出于低成本和小体积的考虑，可以采用抽头变压器。由于电磁阀线圈功率低、电流小，线性变压器的输入可以取自任意相-相之间，不会影响三相电流的平衡。

3 曲轴箱加热、底盘加热等辅助加热装置的供电

为满足超低温环境的启动和运行，暖通空调设备的室外侧通常会配置辅助加热装置，如：给压缩机曲轴部位进行预热的曲轴箱加热带、为避免换热器化霜形成的水珠在底盘集聚结冰的底盘加热带。加热带功率一般在数百瓦不等，如果仍像制冷系统阀体一样采用线性变压器降压的方式供电，不仅会增加变压器的成本和体积，还会加剧三相电源的电流不平衡，因此，需选择星型或三角形接法的辅助加热装置。

4 MCU电源

控制部分MCU的电源一般为+5V或+3.3V，通常采用反激式开关电源进行电压转换，为了适应AC380V输入电压，可以采用超宽输入电压设计(90-600VAC)，开关电源的输入取自于任意相——相之间，整流后经过串联的两个电解电容滤波，MOSFET也相应选择高耐压规格（如VDSS为1500V）。

5 滤波电路设计

如图5所示，三相三线EMI滤波电路由X电容CX、Y电容CY、共模电感L等组成。其中：CY电容跨接于相线与地之间，用于抑制共模干扰；CX电容一端分别连接于L1/L2/L3相线，另一端连接在一起，构成虚拟中性点，用于抑制差模干扰。当输入电源三相完全对称时，虚拟中性点电压为零，CX电容两端的电压为220V，但当输入电源三相不完全对称或负载不平衡，导致虚拟中性点电压位移，势必造成各相的CX电容两端电压不一致，为安全起见，CX电容选择高额定电压的规格，如305VAC或310VAC。

图5 三相三线EMI滤波电路

结束语：采用三相三线制配电的暖通空调设备，可以更灵活的适用于各种环境的电源配电系统，有利于拓宽暖通空调设备的应用范围，充分发挥暖通空调设备节能降耗的优势，提高对能源的利用率，为早日实现碳中和发挥积极作用。