变频空调直流外机电控电源和外接启动改造与典型故障维修

手机维修

随着低碳、节能、环保的推进以及新能效标准的应用，目前变频空调中大部分的内、外风机都采用直流变频电机，而直流外风机中常用的有五线直流电机和三线直流电机，本文主要讨论故障率相对偏高的五线直流电机的原理、外接启动改造以及典型故障检修。
一、交流风机与直流风机的区别
       早期的变频空调尤其是能效相对较低的空调，室外热交换器一般使用交流风机，这样能节约制造成本，但是耗电量相对较大些。因交流风机主要采用交流电机来驱动，而交流电机的转子镶嵌了线圈，因此运转时会产生一定热量，所以能效相对较低，难以实现与冷量对应的转速调节匹配;而全直流变频空调外风机主要采用直流无刷电机，由于使用永磁转子，通过电控技术检测转子位置进行驱动，运转效率高、运行温度相对较低，还会随着制冷量的变化实时调整运转速度以适应并匹配冷凝温度需求，比较节能，这也是是目前高能效比空调主推的。

        二、五线与三线直流外风机的区别
       
                目前的全直流变频空调全部采用直流外风机。而直流外风机中早期主要采用成本更高的五线直流无刷电机，后期采用成本更低的三线直流无刷电机。五线与三线直流电机最大的区别是五线直流电机和控制电机的电控板做成一体，也就是电控板安放于电机内部，如图1所示;三线直流电机内部仅有线圈没有任何的电控板，把控制部分做到外机的电控板中，通过逆变后输出U、V、W三相交流电流来驱动外风机运转，如图2所示。
                五线与三线直流无刷电机，一个是电控板内置，另一个是外设，通过近些年的检修发现:由于五线直流电机电控板藏于电机内，受外环境温度、湿度、电机运行时热量的长期影响，导致外风机中因电控板元件高温老化、失效损坏的情况较多。市面五线外直流电机大同小异，通常大部分维修人员都会直接更换整个直流电机，维修成本较高。通过本文的介绍，掌握其原理，基本都可以拆开进行元件级维修，这样可大大降低维修成本。
三、五线直流外风机的工作原理
       下面以某3HP全直流变频空调为例进行其原理分析。该机采用了大洋电机生产的室外热交换器直流无刷电机。

        1.铭牌识读
                 铭牌是反映器件主要参数的重要标识，如图3所示，例如铭牌中显示DC310V，说明该电机需使用直流电，AC220V全波整流及滤波后是DC310V，是直流电机的标识;80W主要指直流电机的电功率;850rpm表示该直流电机额定转速;8P表示该电机采用8极的磁极数;B表示该直流电机的绝缘耐热温度为130°C。

                IP44标识:IP表示特征字母，“国际防护”的缩写;44表示4级防固体(防止大于1mm固体进入电机)，4级防水(任何方向溅水应无害影响);ROT表示转子的旋转方向。直流电机铭牌中还有接线标识图，如图4所示。以该机为例，Vm:红色线，主要用于驱动模块+310V供电;GND:黑色线，接地，Vm和Vcc都共此地;Vcc:白色线，主要用于电控板、模块+15V供电;Vsp:黄色线，是调速控制;FG:蓝色线，是反馈脉冲输出。
        2.电机控制板电路图

               由于该直流无刷电机采用内置电控板设计，为了与同行分享其工作原理，笔者拆卸了一台大洋电机生产的编号为EAU60884104 的室外热交换器直流无刷电机，电控板采用双面走线，器件密集，实绘控制原理图如图5所示，方便大家检修该类电机参考。
        3.内置电控板主要器件介绍
        (1)BD6204FS
        电机控制IC，罗姆(ROHM)公司制造的芯片。
       1)该芯片工作电压是+15V，其3脚为供电端，①脚接地;
       2)芯片通过15、17、19脚输入三路霍尔传感器电路信号;
       3)芯片的6~11脚输出六路驱动脉冲;
       4)直流电机的调速控制是Vsp端，通过芯片的14脚控制;
       5)芯片的13脚输出转速反馈脉冲给外机板CPU;
       6)芯片的④脚为故障输入控制引脚;
       7)该芯片通过③脚输入+15V电压后，在其内部产生一个+5V的基准电压，该电压供给霍尔传感器，以及外围需要+5V电源的电路使用。
        (2)SLA6868M

               SLA6868M是直流电机驱动模块，系三垦(Sanken)半导体公司制造的，其内部框图如图6所示，外围电路如图5所示。
                 1)该模块供电分为高压和低压供电，高压供电主要是+310V通过10脚给内部上桥的3只功率驱动管提供电压;低压供电是指该芯片要工作还需要+15V的电压，以保障芯片内部的各功能模块正常工作，上桥供电通过④脚引入，下桥通过23脚供给。
       2)该模块①~③脚接了自举电容C15~C17，而自举二极管则是模块内置的，通过三路自举电容确保上桥功率管在上桥时能正常工作。
       3)模块的⑦~⑨脚是上桥的三路驱动脉冲输入，而18~20脚则是下桥的三路驱动脉冲输入。
       4)模块的24、12、11脚是驱动直流电机的U、V、W三相交流电流输出。
       5)模块的22脚是过热过流故障输出引脚，正常情况下22脚是高电平，有故障时变为低电平。
       6)该模块输出最大电流为2.5A.
   (3)霍尔传感器
       该直流电机采用3路霍尔传感器来检测转子位置，以及反馈转速脉冲给CPU。传感器工作电压是+5V，通过数据脚把传感器采集的脉冲信号送入15、17、19脚。该传感器异常有可能导致电机转动时振动大、不转甚至失速现象。
4.直流电机控制原理
        (1)直流电机升频和降频转速控制原理
         变频空调上电开机，夏季时开启制冷模式，室内、外机直流电机运转，压缩机也启动。由于刚开机室内温度距离调节温度的温差比较大，压缩机开始升频，制冷量变大，此时室外热交换器风机转速也要从低变高，主要通过外机板的CPU送出占空比更小的PWM脉冲转为模拟量后，送入到外直流电机的Vsp端口。Vsp端口电压在1.5V~5V之间(不同芯片方案的产品电压有区别)，高速时此电压相应为高，低速时变低。压缩机处于高速某频点时，实测BD6204FS芯片14脚电压为4.9V左右，通过内部电路运算，从6~11脚送出六路驱动脉冲至直流电机驱动模块SLA6868M的⑦~⑨和18~20脚，经模块处理后，依据一定的时序来控制该模块内的六颗驱动功率管，从而在24、12、11脚输出U、V.W可调的三相电流以控制压缩机转速。当六路驱动脉冲占空比较小时，U、V、W输出电流较大，电压较高，压缩机转速快。反之，如果房间温度比较接近设定温度值时，压缩机则会降频，转速变慢，制冷量变小，此时外直流风机转速也会同步降低，其实现过程如下:

            外机板的CPU送出控制风速的Vsp电压变低，则实测在低频某频点运转时BD6204FS芯片的14脚电压为3V，通过运算从6~11脚送出占空比较大的六路驱动脉冲送至直流电机驱动模块SLA6868M的⑦~⑨和18~20脚，经内部时序及六颗驱动功率管控制后在24、12、11脚输出U、V、W三相交流电流以控制压缩机低频段运转。
            (2)自举升压电路原理
         如图6所示，为了避免上桥的驱动功率管得电后，由于+310V 电压至U、V、W(w1与W2相接)后因比功率管栅极电压高，导致上桥功率管进入到截止状态，所以在上桥设置了自举升压电路，主要通过外设的C15~C17三颗电容，以及模块内部自带的三颗二极管、限流电阻来组成。通过自举电路抬高功率管栅极电压，使整个模块能正常工作。如果自举电容因个别容量有衰减则会导致外直流风机运转时振动大，而无容量时则出现外风机不运转的情况，因转速返馈FG无脉冲送回外机板CPU，所以空调会报风机故障代码。
         (3)转速反馈原理
        当直流电机运转时，通过电机内置电控板中的三颗霍尔传感器检测转子位置信息，并送入BD6204FS芯片的15、17、19脚，处理后从13脚送出方波脉冲，经电阻R14、三极管Q1放大、倒相后，再经电阻R1限流送FG脉冲给外机的CPU，外机CPU依据接收到方波脉冲的周期，得到脉冲的频率，算出转速。从而，可根据实时的转速对Vsp电压作出相应的调整，以实现转速的升高、降低，并稳定速度。
         通过转速反馈方波脉冲还让外机的CPU得知外风机是否在运转，如果因器件、线路问题导致连续三次没有检测到反馈信号也会让空调报风机转速异常故障码或外机停机，这样能有效避免造成更大的故障。例如空调正在运转，因为外风机异常导致停转，此时如果没有保护程序压缩机仍会继续运转，由于外风机不工作，就会使冷凝压力、温度突然变高，从而对压缩机、系统管路等造成影响，此时，如果外风机保护就能使外机停机从而有效保护空调。
       (4)模块保护原理
       1)BD6204FS保护原理
       该直流电机带有内置的温度保护功能:电路板中安装了一颗NTC(负温度系数的热敏电阻)，用于检测电控板或者电机内部的温度，在常温下测量其阻值为9kΩ/28°C。如果因直流电机负荷变重(如轴承损坏、电控输出三相不平衡、热交换器严重脏堵等)，都会导致直流电机温升变高，为了保护电机避免更严重的损坏，此时NTC检测温度变高，其阻值变小，通过电阻R36分压后，BD6204FS芯片的④脚电压变高，通过实际测量当NTC检测直流电机内部达到75C左右时，NTC阻值为1.5kΩ，BD6204FS的④脚电压为3.8V，且芯片不再发出六路PWM脉冲信号，进入保护模式，这样驱动模块SLA6868M由于没有六路驱动信号的输入，从而也没有U、V、W三相交流电流输出，直流电机则停止运转实现自我保护。
        2)SLA6868M保护原理
        该模块设置了过流、限流的内部采样保护电路。当直流电机因定子线圈损坏。轴承卡滞、三路自举电压异常、模块自身过流等，都会触发其内部过流采样、过流检测电路工作，此时就会把模块在正常时2脚的高电平拉为低电平，实现模块自身硬件保护，停止发送六路PWM驱动脉冲给六颗功率管，电机停转。
        本模块没有在下桥臂功率管的源极与地之间接电流采样电阻，而是直接接地，因为它已经把采样电阻放置在模块内的过流、限流保护电路中，所以外设中没有采样电阻。
四、变频空调改定频空调中五线直流电机外接启动改造
         如果遇到变频空调压缩机损坏，由于压缩机型号老旧难以找到一模一样的变频压缩机，而用户又不想安装新空调，就提出能否换用定频压缩机的方案，如遇到外风机是直流变频电机的情况往往大部分的师傅会束手无策，不予接单。其实整个改造并不复杂，下面笔者结合多台由变频改定频的情况与同行分享。
         首先，找到同匹数的压缩机，以确保相当的制冷量;其次，把内机的控制板更换为定频板，如果遇到内机也是直流电机的也用下面方法进行改造;然后，购置一台100W左右的开关电源，要求有+310V、+15V和+5V输出，或者自己做一个驱动风机电源(使用一个5A、一个2A的整流桥各，一个交流输出18V/10W的变压器，一只100uF/450V电解电容，一只100uF/50V 电解电容，以及7815、7805三端稳压器各一个，电路如图7所示)，分别接到外直流电机上，并置于最大转速状态(Vsp为+5V)，这样热交换能力特别好，而电机输出的FG霍尔传感器脉冲线空置就好，L、N上电后风机就运转，改造比较方便。接外直流电机后接线图如图8所示(其余变频改定频中关于节流装置等改造不在本次探究范围，此处仅结合文章主题探讨直流风机问题)。
       
       
五、五线直流电机常见故障检修
        为了给同行更多参考、借鉴的价值，本文案例中去掉了空调品牌及机型，避免同行僵硬套入，陷入狭隘的维修，思维，这样以后遇到问题就能举-反三，灵活应用。
        例1:一台3HP全直流变频空调，外机不工作，显示外，风机故障码。上门检修，上电开机，内机工作，外机- 直没有运转，内机液晶面板显示外风机故障代码(部分老机型不显示)。首先，拆卸室外机外壳，用手转动外风机顺畅，没有卡滞现象，说明室外直流风机故障并非机械故障导致。然后上电开机，外机的电子膨胀阀处听见有“哒哒、哒哒”自检复位动作声音，但压缩机和外，风机仍然没有任何反应( 部分品牌机子有可能出现压缩机一启动就停止，而外风机一直不转现象)。用万用表测量外机板及外风机供电电压+310V、+12V、+15V、+5V、+3.3V，都正常。把万用表调节至直流电压挡，黑表笔接直流风机与外机板接插口的地(GND)，红表笔接转速反馈端(FG)，并用电池或万用表给调速(Vsp )供给+3V电压，用手转动直流外风机，万用表指针没有反应，正常情况下应该在oV~14.9V之间跳变(该处由于外风机运转时通过霍尔传感器检测会在FG口输出反馈方波脉冲，由于万用表用于检测直流电压而检测方波电压会变小)，因此估计是外直流电机问题。
         断电取下外风机扇叶，取出直流外风机后进行拆卸，目测电机内的电控板没有损坏痕迹。给电控板Vcc供+15V、Vsp供+3.0V电压，当用手转动转子时使用万用表的直流电压挡测量BD6204FS的③脚，电压在0V~4.79V之间波动(说明霍尔传感器、BD6204FS芯片没问题)，但当测量FG反馈脉冲时没有电压。细查后发现贴片三极管Q1的集电极与发射极已击穿短路，从而导致+15V电压经电阻R2到地，所以R1电阻以及FG的检测一直为低电平。用NPN型贴片三极管更换Q1后故障排除。
         例2:一台3HP全直流变频空调，外风机转速慢，噪声大，制冷(热)效果差。上门检修，上电开机，正值夏季制冷模式效果不太理想。测量该机运行时R410a冷媒低压侧运行压力为13.8bar， 明显比正常的7.5bar~11bar压力高。该机使用至今一直没有维修过，如果天气太热还出现运行约20分钟左右就会停机并报故障码。低压侧运行压力变高有可能是热交换能力变差所致。通过观察，发现外机热交换器翅片上有少许粉尘，影响不大，但外风机转速比较慢，而且发出比较尖锐的金属摩擦声。测量外直流电机的Vm( +310V)、Vcc（ +15V)电压，正常。通过按遥控器调节温度，也能听见压缩机升降频声音，Vsp调速电压也有变化，说明外机电控板没有问题，问题应该在外直流电机。
        拆下外风机扇叶和直流电机，用手摇转子能产生径向位移，说明内部有机械损坏，拆开电机后发现轴承已经严重损坏，如图9所示。
       
        使用三爪拉卸器拆除损坏的轴承，并用两个规格为6201Z的轴承依据规范安装后故障排除(建议有条件的换用NSK品牌的轴承)。此时外直流风机转速正常，压缩机中高频运行时量测低压侧压力为10.5bar，空调制冷(热)恢复正常，而且运行平稳，噪声很低。
        例3:一台3HP全直流变频空调，外风机转速慢，有烧焦味，开机运行5分钟后报故障码。上门检修，上电开机，空调制冷效果不太理想，此时外风机转速比较慢，而且几分钟后还闻到烧焦味，约5分钟左右就保护停机。测量外机电控板供给直流风机的+310V、+15V电压，正常。应该是外直流电机有问题。
         拆卸外直流电机，发现外壳很烫，而且有烧焦的气味。拆解直流电机后目测没有发现定子线圈有烧焦、烧煳的迹象，于是给外风机Vm供+310V电压、Vcc供+15V电压、Vsp供+3V电压，发现电机能运转，但几分钟后又发出烧焦味，说明定子线圈应该有短路现象。又过了几分钟后，电机停止运转，用万用表测量驱动模块SLA6868M的22脚为低电平，明显不正常，正常时应该为高电平，说明SLA6868M因过流而保护了。
        正常时，电机定子绕组U、V、W之间应该有582的阻值，结果因U相有短路现象，导致U-V与U-W间阻值仅为7Ω。重绕线圈后故障排除。如果更换整个电机确实短时间内不好找且费用也比较高。
        例4:一台3HP全直流变频空调，外风机一启动就停止，并报故障码。上门检修，上电开机，内机运转正常，但外风机一启动就停止运转，之后在内机面板上报故障码。断电后，再次上电开机，并使用万用表测量供给外风机的+310V、+15V电压，正常，观察外风机启动瞬间从外机板CPU送来的Vsp调速信号电压为+3.1V，说明外机板基本正常，问题应该在外风机。
         拆卸外直流风机后，目测定子线圈、电控板没有烧焦损坏迹象。为Vm( +310V)、Vcc( +15V)、Vsp( +3V )供电，外风机转子也是在上电瞬间转了一下就停了 。此时测量SLA6868M的22脚已经由高电平变为低电平，且三路自举电容端有-路电压仅为10.3V，明显不正常，正常应该在13.5V~16.5V之间。细查后发现是W相的自举升压电容C15无容量，如图10所示，导致其中六路驱动功率管上桥臂中的一颗未工作造成电机不运转，电流变大，从而触发了保护电路启动保护停机。换用同规格的电容后故障排除。
       
       例5:一台3HP全直流变频空调，外风机不工作，并报故障码。上门检修，制冷模式时，该机的启动顺序是，开机后内机工作，内机继电器闭合送电到外机，小电流供给外机开关电源，从而使CPU等得电工作，并通过反相器使外机大电流供电继电器工作。外风机先工作10秒左右压缩机开始低频启动运转，这样就能确保只有外风机正常运转情况下压缩机启动。如果外机板没有接收到反馈的霍尔传感器脉冲信号，就不会启动压缩机，同时还会报故障码。当然，笔者也遇到过一些变频空调如定频空调一样，压缩机与外风机同步运转的情况，此处就不再一一叙述 。
        本例中，在刚开机期间，量测调速Vsp电压为+3.2V，10秒左右消失，在这10秒内测量BD6204FS芯片有六路PWM信号输出，而且SLA6868M也有六路脉冲输入，说明PWM没问题。测量SLA6868M的22脚为高电平，没有进入保护模式，三路自举升压电容有+15.2V电压，但24、12、11脚没有U、V、W三路交流电流输出。断电后测量24、12、11脚与地(GND)之间的阻值，以及与Vm的正反向电阻均正常。查驱动模块外围电路及元件，未见异常，估计驱动模块SLA6868M，内部故障，换新SLA6868M后，故障排除。
        提示:1.为了提高五线直流外风机的耐用度，一定要保持好室外热交换器的翅片通风良好，通过外风机的工作，掠过翅片的气流来给室外电机散热，如果其翅片严重脏堵外风机自然就温度高，加速其内部的电控板器件老化与损坏。
        2. 直流外风机拆卸维修后一定要做好接口(接合处)的密封工作，避免雨水渗入导致损坏内部电控板以及加速轴承的磨损。