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:
1适应负荷的能力
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，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，常规空调却又冷量过盛，不但白白浪费电力，使用者也不舒服。

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变化，环境温度上升，制冷量加大；环境温度下降，制冷量也下降。

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
由于变频空调采用不停机控制温度方式，避免了压缩机“时开时停”造成房间温度的频繁波动，
控制温度精度可达到土0.5C，避免了房间忽冷忽热对人的不舒适。

例如，在制冷状态下，常规空
调在室内达到设定温度时停机，室内温度高于设定温度1C,压缩机重新开启。

变频空调对温度的
调节方法是室温每降低0.5 C,压缩机运转频率就降低一档；相反，室温每升高0.5C，运转频率就
升高一档，即室温越高，运转频率越大，使空调快速制冷，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，这样能使室温维持在设定温度附近，温度波动很小。

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，变频空调则可以很好地解决这一问题。

变频空调采用超低频启动，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，这对电网的冲击小，能保证用户电表和电网上其他电器不受影响，能正常运转。

图5是两种空调器启动器件转速变化情况，可以对比分析。

區记常挖空通启动过程
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，因为是降频启动，能自动降低启动时的负荷，所以最低启动电压可达150V。

5.节电
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。

进入保温阶段后，往往是空调刚刚运行稳定，就因房间温度已经达到设定值而停机, 这样就会造成空调经常在未达到设计要求的情况下运转，频繁地启停，经常在未达到额定制冷量的情况下运行，这就无谓地消耗许多电能。

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。

开机阶段，压缩机以很高的频率运转，可以使房间快速达到设定温度，此过程需要的时间很短。

在随后的长时间保温阶段，压缩机是以低频运转的，运转功率仅300W左右。

6.低温制热效果
定速空调压缩机转速恒定，0C以下压缩机功率很低，实际上没有什么制热效果；变频空调在
低温时以高频运转，可满足用户的需要。

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；变频空调在室内人多时、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过大等保护动作时，均需停止压缩机运转；变频空调每当发生保护时，则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。