变频空调器控制系统的技术现状与发展趋势

变频空调器控制系统的技术现状与发展趋势

王沣浩费继友金立文底冰俞炳丰

（西安交通大学能源与动力工程学院空调系，西安710049）

摘要：针对变频空调控制技术快速成发展的现状，从逆变器，微控制器，PWM波的生成方法以及变频压缩机的电机等4个方面对空调器变频技术发展的现状和趋势作了探讨。对智能控制理论在空调器中应用带来的一些问题进行了分析。最后讨论了近期变频空调器的一些研究热点问题。

关键词：空调器变频调速智能控制

1 引言

随着世界范围内能源危机的到来,各国政府都在为经济可持续发展的目的积极地推广节能降耗技术.作为家庭用电的主要设备,传统空调器由于其运行效率低下正在逐渐退出市场。新一代的变频空调器因为具有节能效果明显的特点而大受市场的关注。以日本1992年推出的空调器为例[1]，三菱电机公司采用了AS变频器，三菱重工推出了PMV变频系列空调以及夏普的AYC40F型、日电的RCV8B/V25B型、富士通的AS28TPR型等都运用了变频调速技术。有些公司还运用了无速度传感器的矢量变换控制和模糊控制技术，以提高空调器变频驱动系统的运行性能。据有关资料报道，日本东芝公司生产的RA V-46HT型空调器和未采用变频调速技术的空调器相比节能20%以上[2]。正是由于具有高效、节能和控温精度高的优点，变频空调器迅速占有了市场，成为家用空调器市场的主导产品。1994年底的调查结果表明，日本变频空调器的普及率已达50%，且有逐年上升的趋势[3]。到1998年日本的变频空调器市场占有率已达90%以上[4]。

自90年代初开始，变频空调器开始进入国内市场。一些著名的空调生产厂家先后从国外引进变频空调器生产技术，如海尔、春兰、海信、长虹、美的等。在消化和吸收这些技术的同时，积极开发研制国产变频空调器，并且有不少研制成功的报道。应该说我国的变频空调器起步虽晚，但是发展很快，形成了市场需求旺盛、生产能力充足、价格基本平稳、消费者购买理智、市场竞争多元化的趋势。价格竞争进入有序阶段。强化技术指标成为众多厂家的共同追求。对消费者而言，节能、低噪、能效比高的空调器最受青睐。1998年二月份的家电市场调查结果表明，市场占有率最高的（达22.3%）空调器为海尔变频空调器。由此可见，变频空调器具有极大的市场。

从第一台变频空调器诞生至今，变频空调技术得到了充分地发展，尤其在控制系统方面。进入90年代以来，以IGBT为代表的复合型功率模块和以IPM为代表的智能型功率模块的诞生，PWM控制技术、智能控制在其他领域的成功应用以及微处理器技术的迅速发展等，极大地推动了变频调速技术本身的发展，同时也加快了变频速技术在家用空调器中的应用步伐。

正是由于变频空调器控制系统的快速技术革新，给产品的标准化设计带来了一定的难度，加之一些厂家（尤其是国外）对关键技术的封锁，造成了目前重复开发且开发出的产品

莨莠不齐的局面。本文从逆变器，控制器，PWM波的生成方法以及变频压缩机的电机等4个方面对空调器变频技术发展的现状和趋势作了探讨。对智能控制理论在空调器中应用带来的一些问题进行了分析。最后讨论了近期变频空调器的一些研究热点问题。

2. 空调器变频技术的发展

传统的空调器采用定速压缩机，实行开关控制，利用压缩机上附带的鼠笼式电动机驱动空调压缩机调节房间的温度。这种控制方式室内的温度波动较大，容易引起人的不舒适感觉。压缩机电机在工作过程中要不断克服转子从静止到额定转速变化过程中所产生的巨大转动惯量，尤其是带着负荷启动时，启动力矩要高出运行力矩许多倍，其结果不仅要额外耗费电能[5]，而且会加剧压缩机运动部件的磨损。另外这种运行方式在启动过程中还会产生较大的振动、噪声以及冲击电流，引起电源电压的波动，因此应采用变频压缩机尽量避免这种频繁的起停过程。空调器的变频调速技术主要由以下4个方面的关键技术组成：逆变器，微控制器，PWM的生成以及变频压缩机的电机选择。

2.1 逆变器

变频空调的核心部件是变频器，其主电路采用交-直-交电压型方式。交-直过程一般采用单相二极管不可控直接整流，直-交过程一般采用6管三相逆变器，另有一个辅助电源，一个逆变器控制器和相应的驱动电路。

早期的空调变频器采用分立元件构成，整流器采用单相倍压整流电路，逆变器由6只分立的功率晶体管（GTR）构成。这种主电路复杂，可靠性差。目前大部分厂家采用的逆变桥由6个绝缘栅极晶体管（IGBT）组成，其综合了MOSFET和GTR的优点，开关频率高、驱动功率小。随着智能功率模块（IPM）技术的发展应用，IPM正在逐步取代普通IGBT 模块。由于IPM内部既有IGBT的棚极驱动和保护逻辑，又有过流、过（欠）压、短路和过热探测以及保护电路，提高了变频器的可靠性和可维护性。另外，IPM的体积与普通IGBT 模块不相上下，价格也比较接近，因此目前应用较为广泛。比较成功的产品如：日本三菱电机公司所生产的PM20CSJ060型以及日本新电元公司生产的TM系列IPM模块等。

功率因素校正（PFC）环节和逆变桥集成是新一代的空调器逆变电源技术。PFC技术的应用不但可以极大改善电网的工作环境，减少输电线的损耗，而且在变频工作时可以减小输入端电感和输出端电容器，减小模块体积。因此PFC环节和IPM逆变桥集成一体化是家用空调器发展的必然。

2.2 微控制器

微电子技术的发展使变频调速的实现手段发生了根本的变化，从早期的模拟控制技术发展到数字控制技术。目前国外一些跨国公司的微控制器产品占据着主要的市场，如：Motorola 公司的MC68HC08MP16、Intel公司的80C196MC、三菱公司的M37705等。这些公司的产品性能价格比较高、功能强大，如带有A/D转换器、PWM波形发生器、LED/LCD驱动等，且一般都有OTP产品以及功耗低可长期稳定的工作。微控制器目前主要由单片机向DSP（信号处理器）过渡。以目前应用比较广泛的TI公司的TMS320C240为例，其具有：50Ns的指令周期，544字的RAM，16K的EEPROM，12个PWM通道，三个16位计数器，两个10