变频空调原理

变频空调原理 变频空调的优点 表1 变频空调与常规空调的比较 序 号 项 目 常 规 空 调 变 频 空 调 1 适应负荷的能力 不能自动适应负荷变化 自动适应负荷的变化 2 温控精度 开/关控制,温度波动范围达2℃ 降频控制,温度波动范围1℃ 3 启动性能 启动电流大于额定电流 软启动，启动电流很小 4 节能性 开/关控制，不省电 自动以低频维持，省电30% 5 低电压运转性能 180V以下很难运转 低至150V也可正常运转 6 制冷、制热速度 慢 快 7 热冷比 小于120% 大于140% 8 低温制热效果 0°C以下效果差 -10°C时效果仍好 9 化霜性能 差 准确而快速，只需常规空调一半的时间 10 除湿性能 定时开/关控制，除湿时有冷感 低频运转，只除湿不降温，健康除湿 11 满负荷运转 无此功能 自动以高频强劲运转 12 保护功能 简单 全面 13 自动控制性能 简单 真正模糊化、神经网络化         变频空调的控制特点 1.适应负荷的能力 如图1，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，本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，常规空调往往制冷量过盛，白白浪费电力。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的上升而上升，下降而下降，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。 变频空调调节制冷量的原理如下： 一定工况下，制冷量与制冷剂质量流量成正比， 即 Q = q . m 式中，Q — 制冷量 q — 制冷剂单位质量制冷量 m — 制冷剂质量流量 一定工况下，制冷剂质量流量与压缩机转速成正比例函数关系， 即 m = f ( N ) 式中 f — 制冷剂质量流量与压缩机转速的函数关系，不同结构的压缩机此关系式不同 N — 压缩机转速 综合上两式，就可以通过调节压缩机转速实现空调制冷量的调节，这正是直流或交流变频空调变频能量调节的原理。 2.温度调节方法 以制冷状态为例，图3表示的为常规空调的温度调节方法，其中T为室内温度，Ts为设定温度，达到设定温度压机停，室内温度高于设定温度1度，压缩机重新开启。图4为变频空调的温度调节方法，室温每降低0.5度，运转频率就降低一档，相反，室温每升高0.5度，运转频率就升高一档，即室温越高，运转频率越大，以便空调快速制冷，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，以维持室温在设定温度附近，温度波动小。 3.启动、运转性能 图5、图6分别为常规空调、变频空调启动时转速曲线。常规空调以定频启动、定速运转。变频空调低频启动、变频运转。 4.节能性 常规空调开/关方法控制，压缩机开关频繁，耗电多。变频空调自动以低频维持室温基本恒定，避免压缩机频繁开启，比常规空调省电30%左右。 5.低电压运转性能 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，降频启动，降低启动时的负荷，最低启动电压可达150V。 6.热冷比 常规空调制冷、制热压缩机转速一样，只能通过系统匹配提高热冷比，局限性很大。 变频空调制热时压缩机转速比制冷时高许多，所以热冷比可高达140%以上。（制热时最高运转频率往往要比制冷最高运转频率高20Hz左右） 7.低温制热效果 常规空调压缩机转速恒定，0°C以下压缩机功率很低，实际上没有什么制热效果； 变频空调低温下以高频运转，制热量是常规空调的3、4倍。 8.满负荷运转 常规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。 9.保护功能 常规空调每次发生电流等保护均需停压缩机； 变频空调每当发生保护时均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。 二.变频空调的电路基本原理 变频空调根据压缩机是采用交流还是直流电机可分为交流变频和直流变频两种。 1.交流变频空调 （1）基本原理 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用而产生的。定子绕组渡过电流时产生旋转磁场，在转子绕组内感应出电动势，因而产生了感应电流，该电流与定子旋转磁场相互作用，便产生了磁场力。而实际上对于异步电动机，旋转磁场的转速（通常称为同步转速）n0与转子的转速n1是有差别的，两者之差与同步转速的比值，我们称之为转差率，用s来表示，即 式中，f — 电流频率 p — 电机极对数 所以转子的速度n1可用下式表示 由上式可知，只要改变异步电动机的供电频率，电机的转速便会发生改变，交流变频空调就是根据这一基本原理来运行的。 异步电动机在运行时，产生的感应电动势E1为： 式中，k — 电机绕组系数； N1 — 每相定子绕组匝数 Φ — 每极磁通 由于定子阻抗上的压降很小，可以忽略，这样，我们便可以得到： 由上式可知，磁通Φ与U1/f成正比。对于磁通 Φ，我们通常是希望其保持在接近饱和值，如果进一步增大磁通 Φ，将使电机的铁心饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。而磁通 Φ的减小，则铁心未得到充分的利用，使得输出转矩下降。这样，由上式可知，要保持 Φ恒定，即要保持U1/f恒定，改变频率f的大小时，电机定子电压U1必须随之同时发生变化，即在变频的同时也要变压。这种调节转速的方法我们称为VVVF（Vairble Voltage Varibe Frequency)，简称为V/F变频控制。现在变频空调的控制方法基本上都是采用这种方法来实现变频调速的。下图为一变频空调的V-f曲线图，V-f曲线由变频压缩机性能决定 下表为部分变频压缩机的性能参数 压缩机型号 排气量60Hz 制冷量60Hz 最大制冷量 频率范围 VF曲线点 备注 2RV110N7CA04 10.3ml/rev 2030W 4398W 130Hz 180V/100Hz 100V/60Hz 2PV132N7CB02 13.2ml/rev 2665W 5752W 30-130Hz 180V/100Hz 125V/60Hz 2PV164N7EA02 16.5ml/rev 3390W 6000W 105Hz 180V/100Hz 110V/60Hz 2KV196N7AA02 19.6ml/rev 4015W 7500W 110Hz 180V/100Hz 113V/60Hz 2KD210N7AA03 21ml/rev 4405W 9000W 120Hz 180V/96Hz 114V/60Hz C-7RV113 23.3ml/rev 3980W 10106W 120Hz 175v/85Hz 138V/60Hz 2KV250N7AA03 25ml/rev 5315W 11500W 120Hz 180V/100Hz 113V/60Hz               (2) 交流变频控制器的原理框图 变频控制器的原理框图如下所示，220V/50Hz的市电经整流滤波后得到310V左右的直流电，此直流电经过逆变后，就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源。 （3）实现V/F变频控制的方法 脉宽调制（PWM）：在输出电压每半个周期内，把输出电压的波形分成若干个脉冲波，由于输出电压的平均值与脉冲的占空比（脉冲的宽度除以脉冲的周期称为占空比）成正比，所以在调节频率的同时，不改变脉冲电压幅度的大小，而是改变脉冲的占空比，可以实现变频也变压的效果。这种方法称为PWM（Pule Width Modulation）调制，PWM调制可以直接在逆变器中完成电压与频率的同时变化，控制电路比较简单。 由于PWM调制输出的电压波形和电流波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分，这样就使得输入到电机的能量不能得以充分选用，增加了损耗。为了使输出的波形接近于正弦波，提出了正弦波脉宽调制（SPWM）。 所谓SPWM调制，简单地来说，就是在进行脉宽调制时，使脉冲序列的占空比按照正弦波的规律进行变化，即，当正弦波幅值为最大值时，脉冲的宽度也最大，当正弦波幅值为最小值时，脉冲的宽度也最小（如下图所示）。这样，输出到电动机的脉冲序列就可以使得负载中的电流高次谐波成分大为减小，从而提高了电机的效率。SPWM波形的特点概括起来就是“等幅不等宽，两头窄中间宽”。 （4）具体电路 对于变频空调的电路，其室内机部分与常规空调相类似，比常规空调多一通讯电路。其主要部分集中在室外部分，室外电控有主控板、电源电路、变频驱动模块。而室外变频电路的核心主要集中在以下两个方面： 1）变频驱动模块 这一部分指的是完成直流到交流的逆变过程，用于驱动变频压缩机运转的逆变桥及其周围电路。变频空调上通常采用6个IGBT构成上下桥式驱动电路。在实际应用中，多采用IPM（Intelligent Power Module)模块加上周围的电路（如开关电源电路）组成。IPM是一种智能的功率模块，它将IGBT连同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。现在变频空调常用的IPM模块有日本三菱的PM系列及日本新电元的TM系列（内置开关电源电路）。 2）室外控制芯片 随着技术的进步，变频空调的控制将向智能化、集成化、可靠化的方向发展，而其控制的核心--芯片也将越来越先进。室外芯片主要的功能是完成各种运算，产生SPWM波形，实现压缩机V/F曲线的控制并提供各种保护等。变频空调采用的室外控制芯片有很多种，如NEC、摩托罗拉、三菱等。由于空调技术的发展，模糊控制技术的不断完善，这就出现了一种性能更优异、功能更强大的控制芯片—DSP。DSP即Digital Signal Processor是数字信号处理器的简称，与一般的单片机相比，DSP在运算速度、信号的处理、电机的控制方面具有更大的优势，是未来的发展方向。美的空调与美国TI（德州仪器）公司进行合作，其变频空调均采用DSP控制技术，大大提高了整机的控制性能。整机电控框图如下所示： 2.直流变频空调基本原理及结构 直流变频空调其关键在于采用了无刷直流电机作为压缩机，其控制电路与交流变频控制器基本一样。 （1）直流变频空调的基本原理 l 直流变频概念 我们把采用无刷直流电机作为压缩机的空调器称为“直流变频空调”从概念上来说是不确切的，因为我们都知道直流电是没有频率的，也就谈不上变频，但人们已经形成了习惯，对于采用无刷直流压缩机的空调器就称之为直流变频空调。 l 无刷直流电机 无刷直流电机与普通的交流电机或有刷直流电机的最大区别在于其转子是由稀土材料的永久磁钢构成，定子采用整距集中绕组，简单地说来，就是把普通直流电机由永久磁铁组成的定子变成转子，把普通直流电机需要换向器和电刷提供电源的线圈绕组转子变成定子。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动机相似，所以把这种电机称为无刷直流电机。无刷直流电机既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。 继续阅读