直流变频空调 180正弦波驱动技术

直流变频空调 180正弦波驱动技术
2009年对变频空调在中国的发展而言，是具有特殊意义的一年。

在国家节能产品产业政策的引导下，《房间空调器能源效率限定值及能效等级》即将出台，如果空调能效限定值进一步提升，将会加速变频空调在国内的推广。

变频空调最显著的特点是节能、舒适性好，因此在日本和欧洲国家得到了大规模推广，在日本的普及率甚至超过99%。

相信在能源紧缺的中国，变频空调的大规模上市为时不远。

变频空调驱动演变历程
1.AC变频驱动：这是变频空调早期产品，国内一些厂家已拥有成熟的技术，AC变频空调的市场在减小。

2.DC120°方波变频驱动：该方案技术相对成熟，已有部分国内厂家掌握。

市场上，亦有大批量成熟产品。

3.DC150°广角波变频驱动：推广该方案的企业以日系企业为主，国内还处于研究状态时，其即被新的180°正弦波驱动方案所替代。

4.DC180°正弦波驱动：该技术初期在日本较为成熟，进入国内已有5年左右的历史，主要是日系企业在推广。

与交流、DC120°方波变频驱动、DC150°广角波变频驱动等方案相比，其具有噪声低，振动性能好的特点，关键是符合压缩机及空调系统高能效化的发展要求，代表了变频空调技术的发展方向。

国内变频空调驱动技术研发状况
国内变频空调驱动技术的研发起步晚于日本，但在近十多年得到迅猛发展，采用AC、DC变频驱动技术、甚至DC180°正弦波驱动技术的变频空调产品已大量出口和内销。

目前，国内一些专业厂家已经掌握变频空调驱动技术，并已向空调整机企业提供变频控制器产品的技术服务。

如上海新源变频电器股份有限公司已经成立十多年，一直致力于变频空调驱动控制技术的研究与应用，成功开发并大量推广AC、DC系列变频空调控制器，其技术水平与国外先进技术同步，拥有其自主研发的直流变频180°正弦波驱动技术的知识产权，成熟产品已在市场批量推广。

日系、欧美的主要芯片供应商同样拥有这些技术，并与国内控制器厂家合作或直接与空调企业合作，开始推广180°正弦波驱动变频空调产品。

180°正弦波变频空调控制系统主电路由电源整流、功率因数校正、逆变和控制电路构成。

整流电路将220V交流输入整流成直流电源，经电容滤波后变成300V直流电压，功率因数校正完成输入电流的谐波控制和提高系统的位移功率因数，逆变电路将直流电压变换成电压和频率可调的交流电提供给压缩机。

控制电路主要包括电流检测、位置估算、速度控制、性能控制、电流控制、SVPWM、PFC控制部分。

1.电流检测：电流检测在逆变桥的3个下桥臂与直流母线的负极之间串接水泥电阻来取样，该脉冲电流信号经放大滤波进入DSP的AD采样口采样，得到的三相电流经ABC-β坐标变换和αβ-dq坐标变换转换为id、iq供电流闭环控制和位置估算使用。

2.位置估算：位置估算是180°正弦波驱动的核心，只有得到正确的位置信息，直流压缩机才能得到良好控制。

位置估算单元利用电流检测单元检测的电流和输出的电压，按照电机dq轴下的假定坐标系模型，构造一个模型电机，通过闭环控制，将模型电机的运转状态与实际电机运行状态一致，此时模型电机的位置就是对实际压缩机电机转子位置的估算位置。

常用的位置估算方法有模型参考自适应位置估算方法、Kalman滤波方法、滑模观测器方法及状态反馈方法等。

3.转速控制：转速给定信号与转速观测器估算的转速进行比较，进入速度PI调节器，得到转矩电流iq给定信号，转矩电流经PI调节器后得到转矩电压；按照直轴电流给定为0，则电机的励磁完全由永磁体提供，如果要进行弱磁控制则将id的给定设置为一个小于0的数，转速经过PI调节器后生成电流is 给定值。

4.性能控制：主要针对压缩机的实际应用要求，对压缩机的效率、出力、弱磁升速以及振动等进行控制。

5.电流控制：通过PI调节器完成d轴和q轴电流的闭环控制，输出d轴和q轴的给定电压。

6.SVPWM：按照电流控制输出的dq轴给定电压，经dq-αβ坐标变换转换到αβ的电压给定，然后采用SVPWM输出6路PWM脉冲驱动信号到主回路的IGBT。

7.PFC控制部分：通过检测环节检测输入电压、直流电压和输入电流。

通过对PFC 开关VPFC 的控制来改善输入电流波形。

VPFC 开通时，电流经电感L、整流桥BR2 和VPFC 后返回电源；关断时，储存在L 中的能量与电源串连后通过主整流桥BR1 给电容和负载供电。

通过适当的控制，将谐波电流控制在标准限值以内。

同DC120°方波驱动相比较，直流压缩机正弦驱动的主要有点：针对反电动势为正弦波的压缩机，采用正弦驱动转矩脉动小；能充分利用压缩机的磁阻转矩，提供出力和效率；便于在直流电压降低的条件下，采用弱磁控制提高转速；压缩机电机电流波形为正弦，谐波含量少，能有效降低压缩机噪声。

不足之处是控制复杂，运算量较大，一般要采用32位MCU或DSP才能实现压缩机的可靠驱动。

变频空调提前迎来了销售旺季，在空调厂家的“变频”营销战下，昔日灼灼生辉的“变频技术”却
变了味，消费者在面对越来越多外延修饰的“变频技术”时，感受就是一个字———“晕”。

为什么呢？
业内分析人士指出，面对美的抢先占位和“逼宫”，以格力和海信为代表的空调厂家只得借助G-Matrik直流变频和360度全直流变频等新技术概念剑指偏峰，虽不得已而必须为之。

变频空调是通过改变电源的频率控制压缩机的转速，从而控制室内温度。

而普通空调是采用继电器开合控制压缩机的工作时间实现室内温度调节。

从制冷系统看两者的区别在于控制制冷剂流量的毛细管被“变频”时代的电子膨胀阀所取代。

控制阀门的开度可改变制冷剂的流量，适当的匹配可使蒸发器的能力发挥到极致。

国家节能大势使“变频”必取代“定频”，成为空调节能和延长压缩机寿命的不二之选。

从海信1997年推出国内第一台变频空调，此间变频空调的压缩机驱动方式经历了从交流变频到120度直流变频，再到180度直流变频的技术革新历程。

交流变频与直流变频的差异在于压缩机的驱动模式不同带来控制器的变化。

相比之下直流变频压缩机效率比交流变频压缩机高10%%—30%%，噪音低5—10分贝，相对成本也略高。

120度和180度是两种不同的直流变频技术。

120度就是在任意时刻三相中只有两相导通，一相截止。

算法简单易行，但在转矩和转速变化大的时候，效率很低，逐渐被180度方案所取代。

180度驱动方式有采用SPWM技术的正弦波控制和采用FOC的SVPWM矢量控制。

在变频空调用得比较多的有国际整流器的IR方案、NEC方案和TI方案。

IR方案是目前基于FOC的矢量控制方案中最为先进的变频控制技术之一，美的、大金、伊莱克斯均有采用IR方案。

无论采用哪种技术方案，普及变频技术的最终是多赢，国家落实节能减排目标，企业提升技术产研能力，消费者获得经济实惠。

然而在空调厂家的“变频”营销战下，昔日灼灼生辉的“变频技术”却变了味，消费者在面对越来越多外延修饰的“变频技术”时，感受就是一个字———“晕”。

变频技术“变了味”
据3月25日有关报道：格力推出拥有100%自主知识产权的G-Matrik直流变频技术，成功实现15赫兹低频运行。

报道指出G-Matrik直流变频技术运行频率从15赫兹到120赫兹要比普通直流变频提供更多的舒适性，比30赫兹运行时省电达50%—80%。

然而，令人奇怪的是这么好的技术在格力网站的新闻中心和格力电器报居然只字未提。

其官网也找不到有关G-Matrik直流变频技术的细节。

业内人士指出，从理论角度，变频空调控制频率可实现1—150赫兹运行，许多企业都掌握了15赫兹甚至更低的控制技术。

如采用IR方案的变频跑步机，启动转矩大，在冲击负载的情况下，反应速度快，低速上实现了5赫兹无抖动带载平稳启动。

无独有偶，海信近日宣布推出了360度全直流变频空调，实现空调从低频12赫兹至高频150赫兹宽
范围的运行。

令人意外的是，与其2004年推出了我国第一款180度正弦波直流变频空调时，用了大篇幅的文字介绍180度直流变频技术。

但这次海信宣布推出的360度全直流变频空调却鲜见360度的说明。

诚然，在推崇自主创新的国策下，推行以技术为亮点的技术型营销原无可厚非，但值得注意的是应当回归技术本位。

一旦掺杂了过多的概念成分，这样的技术营销则会变了味。

专家表示，与变频的运行频率对应成正比的是电机的转速，低频运行只是代表电机的转速可以控制在更宽的范围。

变与不变看细节
事实上，成功的技术营销需要正确的处理“变”与“不变”的细节。

美的空调这轮变频营销就是一个善于处理技术细节的典范。

众所周知，海信是最早在国内矢力推广180度直流变频的先行者。

然而，现在180度直流变频的最大受益者却是美的。

归根结底，美的空调正是处理好了变与不变的关系。

去年在国家节能环保大势下，变频空调的高能效已经被国家认可并被业内高度关注。

美的空调一开始就锁定了高起点的180度直流变频为战略目标，之后从战略到重金推广180度直流变频的核心始终不变。

作为原定频的三大巨头之一，美的所要变的就是围绕战略目标，调整上游供应链，改变研发方向和产品结构，重新部署营销策略。

因此，从2008年下半年起，美的在CCTV投入巨资进行了高密集轰炸式的变频空调广告投放，并且为180度直流变频专门设计了醒目的LOGO，突出其180度正弦波直流变频技术。

在技术方案上，美的选择了美国IR公司提供的半成品方案，用低研发成本快速地从定频转向了变频。

这一变，变得准、狠、快。

令美的在最短的时间就将定频的“老大”格力和昔日变频“英雄”海信甩在了身后。

美的这一突变在变频主导的关键时刻为其赢得了变频先机。

美的变频的所有舆论导向都在180度直流变频下定格。

这令一直定位于变频专家的海信又气又急，而格力虽不甘落后却又无可奈何。

业内分析人士指出，面对美的抢先占位和“逼宫”，以格力和海信为代表的空调厂家只得借助G-Matrik直流变频和360度全直流变频等新技术概念剑指偏峰，虽不得已而必须为之。

美的虽然暂处上风，但应该警醒的是，180度直流变频驱动的软、硬技术、矢量变频空调控制系统、电子膨胀阀控制等核心技术尚有很大的发挥空间。