交、直流變頻空調(diào)電控

原理及應(yīng)用1、變頻空調(diào)器與定速空調(diào)器的區(qū)別壓縮機不同定速空調(diào)器的壓縮機運行頻率不可變。E.g.50Hz變頻空調(diào)器的壓縮機運行頻率可以變化。E.g.30Hz~120Hz。控制器不同變頻空調(diào)器的控制器遠(yuǎn)比定速空調(diào)器復(fù)雜。輸出能力不同在一個工況下定速機只有一個能力輸出變頻機的輸出能力是一個范圍1、變頻空調(diào)器與定速空調(diào)器的區(qū)別舒適性不同變頻空調(diào)器的舒適性比定速空調(diào)器的好。可以快速制冷或制熱溫度波動小。溫度時間設(shè)定溫度定速空調(diào)器變頻空調(diào)器1、變頻空調(diào)器與定速空調(diào)器的區(qū)別對環(huán)境的適應(yīng)性不同節(jié)能從長期運行來說，變頻空調(diào)器會比普通空調(diào)器節(jié)約30%以上的電量。Note:頻繁的開/關(guān)變頻空調(diào)器不能節(jié)約電量。2、變頻空調(diào)器的原理從能量的轉(zhuǎn)換上可把變頻控制分為交流到交流變頻與交流->直流->交流變頻。對家用電器的變頻控制而言，不管是交流變頻還是直流變頻都是通過交流->直流->交流的方式來實現(xiàn)變頻運轉(zhuǎn)的。要得到可調(diào)頻率的交流電，首先要把220V-240V的交流市電整流為直流電，然后再由直流電變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電，從而完成變頻的過程，見下頁圖所示

2、變頻空調(diào)器的原理VVVFPAMVVVFPWM2、變頻空調(diào)器的原理變頻控制器簡單原理框圖3、變頻空調(diào)器的分類交流變頻空調(diào)器直流變頻空調(diào)器4、交流變頻空調(diào)器原理交流變頻依據(jù)原理：

n=60f(1-s)/pn—壓縮機轉(zhuǎn)速，f—壓縮機供電頻率，

p—電機極對數(shù)，s—轉(zhuǎn)差率所有的交流異步電動機都滿足以上這個公式，交流變頻壓縮機也同樣如此。簡單的來說，交流變頻是通過改變壓縮機的供電頻率f，這樣，在p與s不變的情況下，壓縮機運轉(zhuǎn)速度就會跟隨頻率的變化而變化。

4、交流變頻空調(diào)器原理異步電動機在運行時,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：E1=4.44kfN1Ф（k—電機繞組系數(shù)；N1—每相定子繞組匝數(shù)；Ф—每極磁通）。由于定子阻抗上的壓降很小，可以忽略，可以認(rèn)為：U1=E1=4.44kfN1Ф。實際運行過程中，通常希望保持Ф不變。因為Ф的增加，將導(dǎo)致鐵心的飽和，進(jìn)而引起勵磁電流的上升，使得鐵損急劇增加。而Ф減小，則鐵心未得到充分的利用，使得輸出轉(zhuǎn)矩下降。要改變頻率f的大小，電機定子電壓U1必須隨之同時發(fā)生變化，即在變頻的同時也要變壓。這種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法稱為VVVF（VairbleVoltageVaribeFrequency），簡稱為V/F變頻控制。4、交流變頻空調(diào)器原理a-壓縮機廠給出的V-F曲線b-經(jīng)過適當(dāng)補償?shù)腣-F曲線V-F曲線示意圖：4、交流變頻空調(diào)器原理交－直－交變頻器根據(jù)VVVF調(diào)制技術(shù)不同，分為PAM和PWM兩種。PAM是把VV和VF分開完成的，稱為脈沖幅值調(diào)制（PulseAmplitudeModulation）方式，簡稱PAM方式。PWM是將VV與VF集中于逆變器一起來完成的，稱為脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）方式，簡稱PWM方式。目前我們使用的為PWM方式。交流變頻控制的關(guān)鍵點：V-F曲線與死區(qū)時間V-F曲線：死區(qū)時間：4、交流變頻空調(diào)器原理4、交流變頻空調(diào)器原理PAM示意圖PWM示意圖5、直流變頻空調(diào)器原理從整機形式上看，直流變頻可分為全直流變頻與部分直流變頻。全直流變頻是指壓縮機、室內(nèi)外風(fēng)機均使用直流無刷電機，部分直流指只有壓縮機使用直流無刷電機。直流變頻名稱的由來家用電器上，直流變頻最常用（也是一直以來都在使用）的是無刷直流電機，為了把這種變頻與交流變頻進(jìn)行區(qū)別，人們習(xí)慣上把使用了無刷直流電機的變頻家電稱為直流變頻家電。和電子膨脹閥、無氟空調(diào)一樣，直流變頻是一個約定俗成的詞語，這種命名方法有一定的誤導(dǎo)性。所以，直流變頻并不是說壓縮機是直流電供電，它的轉(zhuǎn)化方式上與交流變頻一樣，都是采用交-直-交的方式。供給壓縮機的電壓還是交流的信號。這種電機實際也是一種交流電動機。

5、直流變頻空調(diào)器原理5、直流變頻空調(diào)器原理無刷直流電機與有刷直流電機直流變頻電動機的基本結(jié)構(gòu)用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動機的定子磁極，用具有多相繞組的定子取代電樞，用位置傳感器及控制器組成的電子換向器取代傳統(tǒng)的機械換向器和電刷。這樣，就得到了無刷直流電動機。由于無刷直流電動機與傳統(tǒng)的直流電機無論是結(jié)構(gòu)還是調(diào)速性能都有很多相似之處，所以人們習(xí)慣把這種電機稱為無刷直流電機。UVＷ永久磁鐵轉(zhuǎn)子線圈繞組定子位置傳感器無刷直流電機在運行時，必須實時檢測出轉(zhuǎn)子的位置，從而進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動控制，以驅(qū)動電機換相，保證電機平穩(wěn)地運行。實現(xiàn)無刷直流電機位置檢測通常有兩種方法，一是利用電機內(nèi)部的位置傳感器（通常為霍爾元件）提供的信號；二是檢測出無刷直流電機相電壓，利用相電壓的采樣信號進(jìn)行運算后得出。由于壓縮機電機無法安裝位置傳感器，所以直流變頻空調(diào)的壓縮機都采用后一種方法進(jìn)行電機換相。5、直流變頻空調(diào)器原理5、直流變頻空調(diào)器原理直流變頻所用電機學(xué)術(shù)上稱為“自控式永磁同步電動機”

屬于交流電動機范疇。自控式永磁同步電動機根據(jù)定子繞組的不同主要分為兩大類，方波型永磁同步電動機與正弦波型永磁同步電動機；方波型永磁同步電動機也稱為無刷直流電動機（BrushlessDCMotor—BLDCM），繞組一般為分布式，反電動勢為梯形波，驅(qū)動方式為120度方波；正弦波型永磁同步電動機也稱為永磁同步電動機（PermanentMagnetSynchronousMotor—PMSM），繞組一般為集中式，反電動勢為正弦波，驅(qū)動方式為180度正弦波；5、直流變頻空調(diào)器原理

自控式永磁同步電機繞組

電機反電動勢波形

驅(qū)動方式

電機相電流波形

死區(qū)控制

特點

共同點

方波型永磁同步電機（BLDC）分布繞組

梯形波

120度方波120度方波

無

噪音小、中低速效率偏低

均需位置檢測并進(jìn)行換相控制，效率高、調(diào)速性能好、噪音低

正弦波永磁同步電機

（PMSM）集中繞組

正弦波

180度正弦波

180度正弦波

有

（與交流變頻相同）

中低速效率高、噪音偏大

方波型與正弦波型永磁同步電動機對比130090015002100270033003009006000012001800240030003600600PhaseAPhaseBPhaseCiaibic

e

e

eEaHallAHallBHallC方波型永磁同步電機反電動勢eaebec正弦波型永磁同步電機反電動勢方波型與正弦波型永磁同步電動機對比25、直流變頻空調(diào)器原理5、直流變頻空調(diào)器原理方波型與正弦波型永磁同步電動機對比3無刷直流電機反電動勢和電流波形（一相）：5、直流變頻空調(diào)器原理無刷直流電機實際電流波形（一相）：

根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的不同，直流變頻的電機可以分為IPM與SPM兩種。SPM表面型磁極(SurfacePermanentMagnetic)：將永久磁鐵配置于轉(zhuǎn)子表面；IPM表面型磁極(InteriorPermanentMagnetic)：將永久磁鐵嵌入于轉(zhuǎn)子內(nèi)部；從電機效率上看，壓縮機采用IPM型比SPM型要高；這兩種電機形式對電控驅(qū)動沒有影響。5、直流變頻空調(diào)器原理直流變頻空調(diào)器的優(yōu)點運行效率高調(diào)速性能好轉(zhuǎn)速范圍寬轉(zhuǎn)矩大噪音低能效比高（與交流相比較）；5、直流變頻空調(diào)器原理對于直流變頻控制（重點指120度方波變頻控制）結(jié)合個人經(jīng)驗及參考、學(xué)習(xí)多家控制方法，提出以下幾點意見，希望對直流變頻開發(fā)、測試、控制、評價有所幫助（純屬個人意見，僅供參考）：1、壓縮機電流波形：直流變頻壓縮機控制的好壞，電流波形是一個重要的參數(shù)。良好的電流波形應(yīng)盡量趨進(jìn)理想狀態(tài)（120度方波），且其換相電流波動小（即換相平穩(wěn)，無異常換相），整體電流幅值脈動小。控制不好的直流壓縮機，往往其電流波形會明顯看到換相不平穩(wěn)，高頻時電流脈動較大；正弦波電機也同樣如此。

5、直流變頻空調(diào)器的評價2、起動控制：

由于直流壓縮機控制為無位置檢測，其位置檢測電路的好壞，起動算法的設(shè)置直接影響了壓縮機的起動及運行效果。直流變頻很關(guān)鍵的一點為從無位置的強制開環(huán)起動切換到有位置信號的閉環(huán)起動。良好的控制算法應(yīng)能使壓縮機在各種狀態(tài)下都能良好起動，開環(huán)到閉環(huán)切換良好，起動無異常，噪音及震動小。最好測試PWM信號波形。

重要測試：超低溫起動低電壓測試5、直流變頻空調(diào)器的評價3、高、低頻運轉(zhuǎn)直流壓縮機在高頻運轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)頻率抖動或換相不良，嚴(yán)重時會導(dǎo)致壓縮機失步、壓縮機停止運轉(zhuǎn)，而在低頻時又會出現(xiàn)力矩不夠的情況，同樣導(dǎo)致壓縮機停止運轉(zhuǎn)。4、壓縮機由于直流變頻壓縮機的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵（鐵氧體或稀土材料），長期運行過程中，有可能會出現(xiàn)壓縮機轉(zhuǎn)子失磁，最終導(dǎo)致壓縮機損壞或無法運轉(zhuǎn)。這與壓縮機本身的設(shè)計與運行有關(guān)，也與電控的驅(qū)動控制有關(guān)。最好的考驗辦法是使壓縮機長期在高溫的情況下進(jìn)行高頻運轉(zhuǎn)，然后由壓縮機廠家對比其前后情況（如失磁狀況等）。

5、直流變頻空調(diào)器的評價變頻模塊變頻模塊是實現(xiàn)由直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姀亩?qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵器件，又稱為IPM（IntelligentPowerModule）模塊。它是一種智能的功率模塊，它將6個IGBT管連同其驅(qū)動電路和多種保護電路封裝在一起，從而簡化了設(shè)計，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。從其驅(qū)動電路使用的電源數(shù)目又可分為單電源與四電源兩種。主要廠家：日本三菱、三洋、東芝三菱PM20CTM060(20A/600V)PS21245PM30CTJ060(30A/600V)PS21255

三洋：ST621-410(20A/600V)、ST621-411(30A/600V)6、變頻空調(diào)主要元器件注：三菱PM系列模塊內(nèi)置保護：過流、過壓、欠壓、短路、過熱變頻模塊（IPM）內(nèi)部簡圖：6、變頻空調(diào)主要元器件室外主控芯片

變頻空調(diào)的核心算法及室外控制均由室外芯片完成。由于控制算法比較復(fù)雜，所以一般很少采用常規(guī)的單片機，多采用電機控制專用單片機或DSP芯片。電機控制專用單片機：ST72141、7MC系列；東芝88PH47等；

DSP：TI的TMS24X系列、ADI的ADMCF3X系列及摩托羅拉等產(chǎn)品；6、變頻空調(diào)主要元器件整流橋堆

完成電源由交流到直流的轉(zhuǎn)