暖通空调——变频空调器的原理

一、变频空调的工作原理

1、 交流变频空调的基本原理：

在叙述变频空调器的工作原理前，让我们先熟悉一下异步电动机调速运行原理：异步电动机的定子绕组流过电流产生旋转磁场，在转子绕组内感应出电动势，因而产生感应电流。此电流与定子旋转磁场之间相互作用，便产生电磁力。一般说来，P极的异步电动机在三相交流电的一个周期内旋转2／P转，所以表示旋转磁场转速的同步速度N0与极数P、电源频率f的关系可用下式表示：

N0=120/P×f（r／min）

但异步电动机要产生转矩，同步速度N0与转子速度N1必须有差别，其速度差与同步速度的比值S称为“转差率”，所以转子速度N1，可用下式表示：

N1＝120／p ×f（1一S）（r／min）

由上式可知，改变电动机的供电频率f，就可以改变电动机的转子转速N1。异步电动机在运行时，产生的感应电动势E1为：

E1=4.44kf N1Φ

式中，k — 电机绕组系数；

N1 — 每相定子绕组匝数

Φ — 每极磁通

由于定子阻抗上的压降很小，可以忽略，这样，我们便可以得到：

U1≈E1=4.44kfN1Φ(U1为压缩机定子电压)

即：Φ=（1/4.44kfN1）×（U1/f）

 由上式可知，磁通Φ与U1/f成正比。对于磁通 Φ，我们通常是希望其保持在接近饱和值，如果进一步增大磁通 Φ，将使电机的铁心饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。而磁通 Φ的减小，则铁心未得到充分的利用，使得输出转矩下降。这样，由上式可知，要保持 Φ恒定，即要保持U1/f恒定，改变频率f的大小时，电机定子电压U1必须随之同时发生变化，即在变频的同时也要变压。这种调节转速的方法我们称为VVVF（Vairble Voltage Varibe Frequency)，简称为V/F变频控制。现在变频空调的控制方法基本上都是采用这种方法来实现变频调速的。图1为变频空调器的V-f曲线图，V-f曲线图由变频压缩机性能来决定。

图1 变频空调器某变频压机的V-f曲线图

2、 实现V/f变频控制的方法

在讲了上述异步电动机的调速原理后，这里重点讲述变频空调器是怎样实现V/f变频控制的，即在逆变器中广泛采用的PWM（脉宽调制）技术。 异步电动机用的逆变器驱动时的方框图如图2所示：

图2 异步电动机用逆变器驱动方框图

图2中，整流器将交流变为直流，平滑回路将此脉动直流平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电。如图3（a）所示，把一个正弦波分成N等分（图中N＝12），然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积，都用一个与此面积相等高的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的

图3与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波中点重合（如上图），这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的正半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。图3(b)的一系列脉冲波形就是所期望的逆变器PWM(Pule Width Modulation)波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电。也就是说，这种交一直一交变频器中的变频器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。如逆变器各开关器件都是在理想状态下工作，驱动相应开关器件的信号也应是与图3(b)形状相似的一系列脉冲波形。由于PWM调制输出的电压波形和电流波形都是非正

弦波，具有许多高次谐波成分，这样就使得输入到电机的能量不能得以充分选用，增加了损耗。为了使输出的波形接近于正弦波，提出了正弦波脉宽调制（SPWM）。所谓SPWM调制，简单地来说，就是在进行脉宽调制时，使脉冲序列的占空比按照正弦波的规律进行变化，即，当正弦波幅值为较大值时，脉冲的宽度也较大，当正弦波幅值为较小值时，脉冲的宽度也较小（如图4所示）。这样，输出到电动机的脉冲序列就可以使得负载中的电流高次谐波成分大为减小，从而提高了电机的效率。SPWM波形的特点概括起来就是“等幅不等宽，两头窄中间宽”。

图4 SPWM波形
     二、交流变频控制器的原理框图

变频控制器的原理框图如图5所示，它主要是由以下环节组成，即整流器、滤波器、功率逆变器。变频器中的电脑控制系统，对各取样点传来的信号进行分析处理，并经内部波形产生新的控制信号，再经驱动放大去控制变频开关，产生相应频率的模拟三相交流电压，供给压缩机。

图5 交流变频控制器的原理框图

1、整流滤波原理： 整流器是将交流电源转换为直流电的装置，采用硅整流元件桥式连接，整流器结构可分为单相和三相电源输入。一般变频空调器

电控率在2kW以下多采用单相电源输入，当电控率在2kW以上时，多采用三相电源输入。单相和三相整流电路的不同之处只是在电流中多增加了2个整流二极管。滤波电路的作用是使输出直流电压平滑且得到提高，常采用大容量电容器，电容量一般在1500～3000uF之间 。因该电容器量大，放电时间长，所以在检修变频器时先需将电容放电。放电时用二根导线通过一个500Ω的大功率电阻并联在电容二端，检修时如不放电，将会造成人员伤亡事故。

2、功率逆变器原理。功率逆变器（又称变频模块）是将直流电转换为频率与电压可调的三相交流变频装置，如图5所示，变频空调上通常采用6个IGBT构成上下桥式驱动电路。以功率晶体管为开关元件的交—直—交电路中，控制线路使每只功率晶体管导通180℃，且同一桥臂上两只晶体管一只导通时，另一只必须关断。相邻两相的元件导通相位差在120℃，在任意360℃内都有三只功率管导通以接通三相负载。当控制信号输出时，A+、A-、B+、B-、C+、C-各功率管分别导通，从而输出频率变化的三相交流电使压缩机运转。在实际应用中，多采用IPM（Intelligent Power Module)模块加上周围的电路（如开关电源电路）组成。IPM是一种智能的功率模块，它将IGBT连同其驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内，从而简化了设计，提高了整个系统的可靠性。现在变频空 调常用的IPM模块有日本的三菱和三洋IPM系列。

三、直流变频空调的原理

直流变频空调其关键在于采用了无刷直流电机作为压缩机，其控制电路与交流变频控制器基本一样。

1、直流变频空调的基本原理

我们把采用无刷直流电机作为压缩机的空调器称为“直流变频空调”从概念上来说是不确切的，因为我们都知道直流电是没有频率的，也就谈不上变频，但人们已经形成了习惯，对于采用无刷直流压缩机的空调器就称之为直流变频空调。

（1） 无刷直流电机

无刷直流电机与普通的交流电机或有刷直流电机的较大区别在于其转子是由稀土材料的永久磁钢构成，定子采用整距集中绕组，简单地说来，就是把普通直流电机由永久磁铁组成的定子变成转子，把普通直流电机需要换向器和电刷提供电源的线圈绕组转子变成定子。这样，就可以省掉普通直流电机所必须的电刷，而且其调速性能与普通的直流电动机相似，所以把这种电机称为无刷直流电机。无刷直流电机既克服了传统的直流电机的一些缺陷，如电磁干扰、噪声、火花可靠性差、寿命短，又具有交流电机所不具有的一些优点，如运行效率高、调速性能好、无涡流损失。所以，直流变频空调相对与交流变频空调而言，具有更大的节能优势。

（2） 转子位置检测

由于无刷直流电机在运行时，必须实时检测出永磁转子的位置，从而进行相应的驱动控制，以驱动电机换相，才能保证电机平稳地运行。实现无刷直流电机位置检测通常有两种方法，一是利用电机内部的位置传感器（通常为霍尔元件）提供的信号；二是检测出无刷直流电机相电压，利用相电压的采样信号进行运算后得出。在无刷直流电动机中总有两相线圈通电，一相不通电。一般无法对通电线圈测出感应电压，因此通常以剩余的一相作为转子位置检测信号用于捕捉感应电压，通过专门设计的电子回路转换，反过来控制给定子线圈施加方波电压；由于后一种方法省掉了位置传感器，所以直流变频空调压缩机都采用后一种方法进行电机换相。

3、 直流变频空调与交流变频空调的区别

交流变频空调的是将工频市电220V转换为310V直流电源，并把它送到功率模块（晶体管开关等组合）；同时模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可变的电源（合成波形近似正弦波），使压缩机电动机的转速随电源的频率变化而变化，从而可控制压缩机的排量，快速的调节制冷和制热量。

直流变频空调器同样是把工频市电220V转换为直流电源，并送至功率模块，变频模块每次导通二个三极管（A+、A-不能同时导通，B+、B-不能同时导通，C+、C-不能同时导通），给两相线圈通以直流电，同时模块受微电脑的控制，输出电压可变的直流电源（这里没有逆变过程），如图7所示，并将直流电源送至压缩机的直流电机，控制压缩机的排量。从图6中可以看出，直流变频相比交流变频多一位置检测电路，使得直流变频的控制更精确。

图6 直流变频控制器原理框图

图7 直流变频空调器压缩机各绕组电压控制图

四、变频空调的优特点：

由于变频空调器实现了对压缩机的变频控制，这样当室内空调负荷加大时，压缩机转速在微电脑控制下加快运转，制冷量（或制热量）也相应增加；

当室内空调负荷减小时，压缩机转速在微电脑控制下则按比例减小。变频式空调器具有高效、节能、启动运转灵活、故障判断自动化等特点。这种空调可以节省电能20%—30%，电源输出频率范围为15Hz—150Hz时，压缩机的转速在1500r/min—9000r/min范围内变化。变频空调较定速空调的优点如下表一所示：

1、适应负荷的能力 
如图8，图9所示，常规空调的制冷能力随着室外温度的上升而下降，而房间热负荷随室外温度上升而上升，这样，在室外温度较高，本需要空调向房间输出更大冷量时，常规空调往往制冷量不足，影响舒适性；而在室外温度较低时，本需要空调向房间输出较小冷量，常规空调往往制冷量过盛，白白浪费电力。而变频空调通过压缩机转速的变化，可以实现制冷量随室外温度的上升而上升，下降而下降，这样就实现了制冷量与房间热负荷的自动匹配，改善了舒适性，也节省了电力。

     2、控温精确
    由于采用的是不停机控制温度，避免了压缩机的启停对房间温度的频繁冲击，控制温度精度可达到±0.5℃，避免了房间忽冷忽热对人造成的不舒适。 以制冷状态为例，图10表示的为常规空调的温度调节方法，其中T为室内温度，Ts为设定温度，达到设定温度压机停，室内温度高于设定温度1度，压缩机重新开启。图11为变频空调的温度调节方法，室温每降低0.5度，运转频率就降低一档，相反，室温每升高0.5度，运转频率就升高一档，即室温越高，运转频率越大，以便空调快速制冷，室温越接近设定温度，运转频率就越小，提供的制冷量也越小，以维持室温在设定温度附近，温度波动小。

     3、软启动
    这是变频空调器所独有的优点。定速空调在启动期间，启动电流往往是工作电流的3-5倍，极易引起开关保护、烧保险、跳闸等现象；而变频空调则可以很好地解决这一难题，变频空调采用超低频进行启动，此时启动电流尚不及正常的运转电流，且一开始压缩机运转功率比较低，使之可以顺利启动，这时对电网的冲击小，从而保证了电表和电网上其他电器能正常运转。

     4、 低电压运转功能
    常规空调在电压低于180V左右时，压缩机就不能启动，而变频空调在电压很低时，降频启动，降低启动时的负荷，较低启动电压可达150V。如图14、15所示。

    5、 节电
    变频空调器有迅速制温、精确保温的特点。开机阶段，压缩机以很高的频率运转，可以快速达到设定温度，此过程通常需要的时间很短；而长时间的保温阶段，压缩机是以低频运转的，运转功率仅300W左右；同容量的定频空调每次启动后，均有5～10分钟的不稳定阶段，此阶段制冷量远未达到设计要求，而功耗却丝毫未减，在保温阶段，往往是空调器刚刚运行稳定，房间温度就已经达到而造成停机，这样就会造成空调器经常在未达到设计要求的情况下运转，造成频繁地启停，频繁地在未达到额定制冷量的情况下运行，这就消耗了许多无谓的电能。而变频空调是以低频运转来代替停机，此时功耗很低，不存在每次开启阶段的无谓功耗，节省了电能。
    6、低温制热效果
   定速空调压缩机转速恒定，0°C以下压缩机功率很低，实际上没有什么制热效果；变频空调低温下以高频运转， 以满足用户的需要。
    7、满负荷运转
    定速空调压缩机只有一种转速，不可能实现满负荷时的强劲运转；变频空调在人多时、刚开机时或室内外温差较大时，可实现高频强劲运转。
     8、保护功能
    定速空调每次发生电流等保护均需停压缩机；变频空调每当发生保护时均以适当的降频运转予以缓冲，可实现不停机保护，不影响用户的使用。