變頻空調(diào)解讀

一、變頻空調(diào)的工作原理

1、 交流變頻空調(diào)的基本原理：

在敘述變頻空調(diào)器的工作原理前，讓我們先熟悉一下異步電動機(jī)調(diào)速運(yùn)行原理：異步電動機(jī)的定子繞組流過電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出電動勢，因而產(chǎn)生感應(yīng)電流。此電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場之間相互作用，便產(chǎn)生電磁力。一般說來，P極的異步電動機(jī)在三相交流電的一個(gè)周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)2/P轉(zhuǎn)，所以表示旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的同步速度N0與極數(shù)P、電源頻率f的關(guān)系可用下式表示：

N0=120/P×f(r/min)

但異步電動機(jī)要產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，同步速度N0與轉(zhuǎn)子速度N1必須有差別，其速度差與同步速度的比值S稱為“轉(zhuǎn)差率”，所以轉(zhuǎn)子速度N1，可用下式表示：

N1=120/p ×f(1一S)(r/min)

由上式可知，改變電動機(jī)的供電頻率f，就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1。異步電動機(jī)在運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E1為：

E1=4.44kf N1Φ

式中，k — 電機(jī)繞組系數(shù);

N1 — 每相定子繞組匝數(shù)

Φ — 每極磁通

由于定子阻抗上的壓降很小，可以忽略，這樣，我們便可以得到：

U1≈E1=4.44kfN1Φ(U1為壓縮機(jī)定子電壓)

即：Φ=(1/4.44kfN1)×(U1/f)

由上式可知，磁通Φ與U1/f成正比。對于磁通 Φ，我們通常是希望其保持在接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通 Φ，將使電機(jī)的鐵心飽和，從而導(dǎo)致電機(jī)中流過很大的勵(lì)磁電流，增加電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會因繞組過熱而損壞電機(jī)。而磁通 Φ的減小，則鐵心未得到充分的利用，使得輸出轉(zhuǎn)矩下降。這樣，由上式可知，要保持 Φ恒定，即要保持U1/f恒定，改變頻率f的大小時(shí)，電機(jī)定子電壓U1必須隨之同時(shí)發(fā)生變化，即在變頻的同時(shí)也要變壓。這種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法我們稱為VVVF(Vairble Voltage Varibe Frequency)，簡稱為V/F變頻控制?，F(xiàn)在變頻空調(diào)的控制方法基本上都是采用這種方法來實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的。圖1為變頻空調(diào)器的V-f曲線圖，V-f曲線圖由變頻壓縮機(jī)性能來決定。

圖1 變頻空調(diào)器某變頻壓機(jī)的V-f曲線圖

2、 實(shí)現(xiàn)V/f變頻控制的方法

在講了上述異步電動機(jī)的調(diào)速原理后，這里重點(diǎn)講述變頻空調(diào)器是怎樣實(shí)現(xiàn)V/f變頻控制的，即在逆變器中廣泛采用的PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)。 異步電動機(jī)用的逆變器驅(qū)動時(shí)的方框圖如圖2所示：

圖2 異步電動機(jī)用逆變器驅(qū)動方框圖

圖2中，整流器將交流變?yōu)橹绷?，平滑回路將此脈動直流平滑后，由逆變器將它變換為頻率可調(diào)的交流電。如圖3(a)所示，把一個(gè)正弦波分成N等分(圖中N=12)，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積，都用一個(gè)與此面積相等高的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的

圖3與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波中點(diǎn)重合(如上圖)，這樣，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的正半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。圖3(b)的一系列脈沖波形就是所期望的逆變器PWM(Pule Width Modulation)波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電。也就是說，這種交一直一交變頻器中的變頻器采用不可控的二極管整流器就可以了。逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。如逆變器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)是與圖3(b)形狀相似的一系列脈沖波形。由于PWM調(diào)制輸出的電壓波形和電流波形都是非正

弦波，具有許多高次諧波成分，這樣就使得輸入到電機(jī)的能量不能得以充分選用，增加了損耗。為了使輸出的波形接近于正弦波，提出了正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)。所謂SPWM調(diào)制，簡單地來說，就是在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖序列的占空比按照正弦波的規(guī)律進(jìn)行變化，即，當(dāng)正弦波幅值為較大值時(shí)，脈沖的寬度也較大，當(dāng)正弦波幅值為較小值時(shí)，脈沖的寬度也較小(如圖4所示)。這樣，輸出到電動機(jī)的脈沖序列就可以使得負(fù)載中的電流高次諧波成分大為減小，從而提高了電機(jī)的效率。SPWM波形的特點(diǎn)概括起來就是“等幅不等寬，兩頭窄中間寬”。

圖4 SPWM波形

二、交流變頻控制器的原理框圖

變頻控制器的原理框圖如圖5所示，它主要是由以下環(huán)節(jié)組成，即整流器、濾波器、功率逆變器。變頻器中的電腦控制系統(tǒng)，對各取樣點(diǎn)傳來的信號進(jìn)行分析處理，并經(jīng)內(nèi)部波形產(chǎn)生新的控制信號，再經(jīng)驅(qū)動放大去控制變頻開關(guān)，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的模擬三相交流電壓，供給壓縮機(jī)。

圖5 交流變頻控制器的原理框圖

1、整流濾波原理： 整流器是將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電的裝置，采用硅整流元件橋式連接，整流器結(jié)構(gòu)可分為單相和三相電源輸入。一般變頻空調(diào)器

電控率在2kW以下多采用單相電源輸入，當(dāng)電控率在2kW以上時(shí)，多采用三相電源輸入。單相和三相整流電路的不同之處只是在電流中多增加了2個(gè)整流二極管。濾波電路的作用是使輸出直流電壓平滑且得到提高，常采用大容量電容器，電容量一般在1500～3000uF之間 。因該電容器量大，放電時(shí)間長，所以在檢修變頻器時(shí)先需將電容放電。放電時(shí)用二根導(dǎo)線通過一個(gè)500Ω的大功率電阻并聯(lián)在電容二端，檢修時(shí)如不放電，將會造成人員傷亡事故。

2、功率逆變器原理。功率逆變器(又稱變頻模塊)是將直流電轉(zhuǎn)換為頻率與電壓可調(diào)的三相交流變頻裝置，如圖5所示，變頻空調(diào)上通常采用6個(gè)IGBT構(gòu)成上下橋式驅(qū)動電路。以功率晶體管為開關(guān)元件的交—直—交電路中，控制線路使每只功率晶體管導(dǎo)通180℃，且同一橋臂上兩只晶體管一只導(dǎo)通時(shí)，另一只必須關(guān)斷。相鄰兩相的元件導(dǎo)通相位差在120℃，在任意360℃內(nèi)都有三只功率管導(dǎo)通以接通三相負(fù)載。當(dāng)控制信號輸出時(shí)，A+、A-、B+、B-、C+、C-各功率管分別導(dǎo)通，從而輸出頻率變化的三相交流電使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，多采用IPM(Intelligent Power Module)模塊加上周圍的電路(如開關(guān)電源電路)組成。IPM是一種智能的功率模塊，它將IGBT連同其驅(qū)動電路和多種保護(hù)電路封裝在同一模塊內(nèi)，從而簡化了設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。現(xiàn)在變頻空 調(diào)常用的IPM模塊有日本的三菱和三洋IPM系列。

三、直流變頻空調(diào)的原理

直流變頻空調(diào)其關(guān)鍵在于采用了無刷直流電機(jī)作為壓縮機(jī)，其控制電路與交流變頻控制器基本一樣。

1、直流變頻空調(diào)的基本原理

我們把采用無刷直流電機(jī)作為壓縮機(jī)的空調(diào)器稱為“直流變頻空調(diào)”從概念上來說是不確切的，因?yàn)槲覀兌贾乐绷麟娛菦]有頻率的，也就談不上變頻，但人們已經(jīng)形成了習(xí)慣，對于采用無刷直流壓縮機(jī)的空調(diào)器就稱之為直流變頻空調(diào)。

(1) 無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)與普通的交流電機(jī)或有刷直流電機(jī)的較大區(qū)別在于其轉(zhuǎn)子是由稀土材料的永久磁鋼構(gòu)成，定子采用整距集中繞組，簡單地說來，就是把普通直流電機(jī)由永久磁鐵組成的定子變成轉(zhuǎn)子，把普通直流電機(jī)需要換向器和電刷提供電源的線圈繞組轉(zhuǎn)子變成定子。這樣，就可以省掉普通直流電機(jī)所必須的電刷，而且其調(diào)速性能與普通的直流電動機(jī)相似，所以把這種電機(jī)稱為無刷直流電機(jī)。無刷直流電機(jī)既克服了傳統(tǒng)的直流電機(jī)的一些缺陷，如電磁干擾、噪聲、火花可靠性差、壽命短，又具有交流電機(jī)所不具有的一些優(yōu)點(diǎn)，如運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好、無渦流損失。所以，直流變頻空調(diào)相對與交流變頻空調(diào)而言，具有更大的節(jié)能優(yōu)勢。

(2) 轉(zhuǎn)子位置檢測

由于無刷直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須實(shí)時(shí)檢測出永磁轉(zhuǎn)子的位置，從而進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動控制，以驅(qū)動電機(jī)換相，才能保證電機(jī)平穩(wěn)地運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)位置檢測通常有兩種方法，一是利用電機(jī)內(nèi)部的位置傳感器(通常為霍爾元件)提供的信號;二是檢測出無刷直流電機(jī)相電壓，利用相電壓的采樣信號進(jìn)行運(yùn)算后得出。在無刷直流電動機(jī)中總有兩相線圈通電，一相不通電。一般無法對通電線圈測出感應(yīng)電壓，因此通常以剩余的一相作為轉(zhuǎn)子位置檢測信號用于捕捉感應(yīng)電壓，通過專門設(shè)計(jì)的電子回路轉(zhuǎn)換，反過來控制給定子線圈施加方波電壓;由于后一種方法省掉了位置傳感器，所以直流變頻空調(diào)壓縮機(jī)都采用后一種方法進(jìn)行電機(jī)換相。

3、 直流變頻空調(diào)與交流變頻空調(diào)的區(qū)別

交流變頻空調(diào)的是將工頻市電220V轉(zhuǎn)換為310V直流電源，并把它送到功率模塊(晶體管開關(guān)等組合);同時(shí)模塊受微電腦送來的控制信號控制，輸出頻率可變的電源(合成波形近似正弦波)，使壓縮機(jī)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電源的頻率變化而變化，從而可控制壓縮機(jī)的排量，快速的調(diào)節(jié)制冷和制熱量。

直流變頻空調(diào)器同樣是把工頻市電220V轉(zhuǎn)換為直流電源，并送至功率模塊，變頻模塊每次導(dǎo)通二個(gè)三極管(A+、A-不能同時(shí)導(dǎo)通，B+、B-不能同時(shí)導(dǎo)通，C+、C-不能同時(shí)導(dǎo)通)，給兩相線圈通以直流電，同時(shí)模塊受微電腦的控制，輸出電壓可變的直流電源(這里沒有逆變過程)，如圖7所示，并將直流電源送至壓縮機(jī)的直流電機(jī)，控制壓縮機(jī)的排量。從圖6中可以看出，直流變頻相比交流變頻多一位置檢測電路，使得直流變頻的控制更精確。

圖6 直流變頻控制器原理框圖

圖7 直流變頻空調(diào)器壓縮機(jī)各繞組電壓控制圖

四、變頻空調(diào)的優(yōu)特點(diǎn)：

由于變頻空調(diào)器實(shí)現(xiàn)了對壓縮機(jī)的變頻控制，這樣當(dāng)室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷加大時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在微電腦控制下加快運(yùn)轉(zhuǎn)，制冷量(或制熱量)也相應(yīng)增加;

當(dāng)室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷減小時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在微電腦控制下則按比例減小。變頻式空調(diào)器具有高效、節(jié)能、啟動運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、故障判斷自動化等特點(diǎn)。這種空調(diào)可以節(jié)省電能20%—30%，電源輸出頻率范圍為15Hz—150Hz時(shí)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速在1500r/min—9000r/min范圍內(nèi)變化。變頻空調(diào)較定速空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)如下表一所示：

1、適應(yīng)負(fù)荷的能力

如圖8，圖9所示，常規(guī)空調(diào)的制冷能力隨著室外溫度的上升而下降，而房間熱負(fù)荷隨室外溫度上升而上升，這樣，在室外溫度較高，本需要空調(diào)向房間輸出更大冷量時(shí)，常規(guī)空調(diào)往往制冷量不足，影響舒適性;而在室外溫度較低時(shí)，本需要空調(diào)向房間輸出較小冷量，常規(guī)空調(diào)往往制冷量過盛，白白浪費(fèi)電力。而變頻空調(diào)通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，可以實(shí)現(xiàn)制冷量隨室外溫度的上升而上升，下降而下降，這樣就實(shí)現(xiàn)了制冷量與房間熱負(fù)荷的自動匹配，改善了舒適性，也節(jié)省了電力。

2、控溫精確

由于采用的是不停機(jī)控制溫度，避免了壓縮機(jī)的啟停對房間溫度的頻繁沖擊，控制溫度精度可達(dá)到±0.5℃，避免了房間忽冷忽熱對人造成的不舒適。 以制冷狀態(tài)為例，圖10表示的為常規(guī)空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)方法，其中T為室內(nèi)溫度，Ts為設(shè)定溫度，達(dá)到設(shè)定溫度壓機(jī)停，室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度1度，壓縮機(jī)重新開啟。圖11為變頻空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)方法，室溫每降低0.5度，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率就降低一檔，相反，室溫每升高0.5度，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率就升高一檔，即室溫越高，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率越大，以便空調(diào)快速制冷，室溫越接近設(shè)定溫度，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率就越小，提供的制冷量也越小，以維持室溫在設(shè)定溫度附近，溫度波動小。

3、軟啟動

這是變頻空調(diào)器所獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。定速空調(diào)在啟動期間，啟動電流往往是工作電流的3-5倍，極易引起開關(guān)保護(hù)、燒保險(xiǎn)、跳閘等現(xiàn)象;而變頻空調(diào)則可以很好地解決這一難題，變頻空調(diào)采用超低頻進(jìn)行啟動，此時(shí)啟動電流尚不及正常的運(yùn)轉(zhuǎn)電流，且一開始壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率比較低，使之可以順利啟動，這時(shí)對電網(wǎng)的沖擊小，從而保證了電表和電網(wǎng)上其他電器能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4、 低電壓運(yùn)轉(zhuǎn)功能

常規(guī)空調(diào)在電壓低于180V左右時(shí)，壓縮機(jī)就不能啟動，而變頻空調(diào)在電壓很低時(shí)，降頻啟動，降低啟動時(shí)的負(fù)荷，較低啟動電壓可達(dá)150V。如圖14、15所示。

5、 節(jié)電

變頻空調(diào)器有迅速制溫、精確保溫的特點(diǎn)。開機(jī)階段，壓縮機(jī)以很高的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，可以快速達(dá)到設(shè)定溫度，此過程通常需要的時(shí)間很短;而長時(shí)間的保溫階段，壓縮機(jī)是以低頻運(yùn)轉(zhuǎn)的，運(yùn)轉(zhuǎn)功率僅300W左右;同容量的定頻空調(diào)每次啟動后，均有5～10分鐘的不穩(wěn)定階段，此階段制冷量遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而功耗卻絲毫未減，在保溫階段，往往是空調(diào)器剛剛運(yùn)行穩(wěn)定，房間溫度就已經(jīng)達(dá)到而造成停機(jī)，這樣就會造成空調(diào)器經(jīng)常在未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，造成頻繁地啟停，頻繁地在未達(dá)到額定制冷量的情況下運(yùn)行，這就消耗了許多無謂的電能。而變頻空調(diào)是以低頻運(yùn)轉(zhuǎn)來代替停機(jī)，此時(shí)功耗很低，不存在每次開啟階段的無謂功耗，節(jié)省了電能。

6、低溫制熱效果

定速空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，0°C以下壓縮機(jī)功率很低，實(shí)際上沒有什么制熱效果;變頻空調(diào)低溫下以高頻運(yùn)轉(zhuǎn)， 以滿足用戶的需要。

7、滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)

定速空調(diào)壓縮機(jī)只有一種轉(zhuǎn)速，不可能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷時(shí)的強(qiáng)勁運(yùn)轉(zhuǎn);變頻空調(diào)在人多時(shí)、剛開機(jī)時(shí)或室內(nèi)外溫差較大時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高頻強(qiáng)勁運(yùn)轉(zhuǎn)。

8、保護(hù)功能

定速空調(diào)每次發(fā)生電流等保護(hù)均需停壓縮機(jī);變頻空調(diào)每當(dāng)發(fā)生保護(hù)時(shí)均以適當(dāng)?shù)慕殿l運(yùn)轉(zhuǎn)予以緩沖，可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)保護(hù)，不影響用戶的使用。

審核編輯：湯梓紅