变频空调器的原理及特点

变频空调器的原理及特点

交流变频空调的基本原理

交流变频空调中使用异步电机。

异步电机是由定子绕组产生旋转磁场，带动转子运行，转速高低由电机构造与电源频率决定。改变电动机的供电频率f，就可以改变电机的转速。

同时，为了提高电机效率，要求在改变频率f的同时，电机定子工作电压U必须随之变化，即

在变频的同时也要变压。这种调节转速的方法简称为V/F变频控制。现在变频空调基本上都是采用

这种方法来实现变频调速。

交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，它们的转速N公式为：

N0=60F/P （同步电动机）

N=N0（1-S）=60F/P（1-S）（异步电动机）

式中：F-频率；P-极对数；S-转差率（0〜3%或0〜6%）。

由转速公式可见，只要设法改变三相交流电动机的供电率F,就十分方便地改变了电动机的转速

N。比改变极对数P和转差率S两个参数简单得多，特别是近二十多年来，静态电力变频调速器突飞猛进的发展，使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。

实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。例如：标准设计的三相异步电动机，

380V , 50Hz。如果电压不变，只改变频率，会产生什么问题？380V不变，频率下调（＜50Hz），会使电机气隙磁通 $约等于V/F）饱和；反之，380V不变，频率向上调（＞50Hz），则使磁通减弱。所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又

称为WVF（Variable V oltage Variable Frequency）装置。

1.交流变频电路结构

为了实现V/F变频控制，变频空调在逆变器中广泛采用的PWM （脉宽调制）技术，来驱动电

机。这种驱动电路结构如图1所示。

图中，整流器将交流变为直流，经平滑回路处理后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电。

逆变器可由恒定的直流电源供电，而输出一系列脉冲波形，脉冲序列的占空比按照正弦波的规律进行变化。这样，输出到电机的脉冲序列（称为SPWM波形简单，见图2）可以形象地描述为“等幅不等宽，两头窄中间宽”。

2.交流变频控制

变频空调的控制电路主要由整流器、滤波器、功率逆变器组成，如图3所示。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，发出相应控制信号，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。

（1）整流滤波

整流电路采用桥式硅整流元件，将交流电源变成直流电。

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。两者的不同之处只是在电路中多增加了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1500〜3000卩F的容量电容。由于

电容器量大，放电时间长，在检修变频器时需先将电容放电，如不放电会造成人员伤亡事故。放电时用二根导线通过一个500 Q的大功率电阻连接电容二端。

（2 ）变频模块

变频模块（又称功率逆变器）是将直流电转换为频率与电压可调的三相交流电的重要元件，变频空调上通常采用6个大功率开关管构成上下桥式驱动电路。以功率晶体管为开关元件的交一直一

交电路中，控制线路使每只功率晶体管在每个周期中导通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120°,这样在任意一个周期内都有三只功率

管导通，接通三相负载。当控制信号输入时， 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，电路可采用IPM模块加上周围元件

（如开关电源）组成。IPM是一种智能的功率模块，它将大功率管与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。现在日本的三菱和三洋IPM系列变频空调常用IPM模块。

、直流变频空调的基本原理

1.直流变频电路原理

直流变频空调的特点在于压缩机采用了无刷直流电机，其控制电路与交流变频基本一样。从概

念上严格来说，把采用直流电机压缩机的空调称为"直流变频空调”是不确切的，因为直流电是没有频率的，也就谈不

上变频，但人们还是约定俗成，将采用无刷直流压缩机的空调称为直流变频空

调。

直流变频空调电路结构如图4所示。220V交流市电整流变成直流电，经平滑滤波后驱动变频模块。控制电路使变频模块每次导通2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），给电机中两相线圈通以直流电，使电机转动。同时模块受电脑芯片的控制，输出电压可变的直流电源（这里没有逆变过程），送至压缩机的直流电机，即可以改变电机转

速。

2.直流变频空调的特点

（1）无刷直流电机

无刷直流电机转子是由稀土材料的永久磁钢制成，定子采用整距集中绕组。简单地说，就是把普通直流电机由永久磁铁制成的定子变成转子，把普通直流电机需要换向器和电刷供电的线圈转子

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机相似，

所以称为无刷直流电机。无刷直流电机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

无刷直流电机运行时，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，反过来给定子线圈施加方波电压控制。后一种方法省掉了位置传感器，所以多被直流变频空调压缩机采用。

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220V市电转换为310V直流电源，并把它送到功率模块（晶体管开关等组合）；同时模块受电脑芯片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220V市电转换为直流电源，并送至功率模块，驱动压缩机直流电机，控制压缩机的排量。直流变频相比交流变频多一个位置检测电路，使得直流变频的控制更精确。

三、变频空调的优点

由于变频空调实现了对压缩机的转速控制，机内变频模块输出电源频率范围为15Hz〜150Hz时,

压缩机的转速在1500〜9000转/分范围内变化。这样当室内空调负荷加大时，压缩机转速在电脑芯片控制下加快运转，制冷量（或制热量）也相应增加；当室内空调负荷减小时，压缩机转速在电脑

控制下则按比例减小，这可以节省电能20〜30%。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。

变频空调较定速空调的优点如表1所示: