變頻空調(diào)控制系統(tǒng)原理

1、變頻空調(diào)控制系統(tǒng)原理變頻空調(diào)控制系統(tǒng)原理1.變頻空調(diào)器與定頻空調(diào)器的區(qū)別 壓縮機不同 定頻空調(diào)器的壓縮機運行頻率不可變50Hz 變頻空調(diào)器的壓縮機運行頻率可以變化 25Hz120Hz。 控制器不同 變頻空調(diào)器的控制器遠比定頻空調(diào)器復(fù)雜。 輸出能力不同 在一個工況下定頻機只有一個能力輸出 變頻機的輸出能力可以隨工況的變化而調(diào)整1.變頻空調(diào)器與定頻空調(diào)器的區(qū)別 舒適性不同 變頻空調(diào)器的舒適性比定頻空調(diào)器的好。 可以快速制冷或制熱 溫度波動小。1.變頻空調(diào)器與定頻空調(diào)器的區(qū)別 對環(huán)境的適應(yīng)性不同 節(jié)能 從整年運行來說，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

2、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。 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)/p n壓縮機轉(zhuǎn)速，f壓縮機供電頻率， p電機磁極對數(shù)，s轉(zhuǎn)

3、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：E=4.44kfN（k電機繞組系數(shù)；N每相定子繞組匝數(shù)；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 ：U=E=4.44kfN。 實際運行過程中，通常希望保持不變。因為的增加，將導(dǎo)致鐵心的飽和，進而引起勵磁電流的上升，使得鐵損急劇增加。而減小，則鐵心未得到充分的利用，使得輸出轉(zhuǎn)矩下降。

4、要改變頻率f的大小，電機定子電壓U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（Vairble Voltage Varibe Frequency），簡稱為V/F變頻控制。 4.交流變頻空調(diào)器原理U(V)f(Hz)abfNUNa-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（Pulse Amplitude Modulation）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

5、寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）方式，簡稱PWM方式。 目前變頻空調(diào)基本使用PWM方式。 4、交流變頻空調(diào)器原理PWM示意圖DCACAC圖 c不 控整 流調(diào) 壓 調(diào) 頻PWM逆 變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

6、個約定約定俗成俗成的詞語，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

7、機。UV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

8、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（Brushless DC Motor 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（Permanent Magnet Synchronous Motor 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

9、低 均需位置檢測并進行換相控制，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(Surface Permanent Magnetic)：將永久磁鐵配置于轉(zhuǎn)子表面； IPM表面型磁極(Interior Permanent Magnetic)：將永久磁鐵嵌入于轉(zhuǎn)子內(nèi)部； 從電

10、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5.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） 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（Intelligent Power Module）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 6.變頻空調(diào)主要元器件注：三菱PM系列

11、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。我們目前在交流上使用的是美國TI公司的DSP芯片，且已實現(xiàn)掩膜。DSP即Digital Signal Processor，是數(shù)字信號處理器的簡稱，與一般的單片機相比，DSP在運算速度、信號的處理、電機控制方面具有更大的優(yōu)勢。直流變頻目前在開發(fā)階段，采用的是美國AD公司的DSP芯片。 Note：對于廣告宣傳的“使用DSP芯片速度大大可以提高、加快溫度采樣，使室內(nèi)溫度控制在0.5”的說法是不確切的，因為DSP的運算速度與溫度控制沒有直接關(guān)系。

12、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)換（220V交流變?yōu)?10V直流） 目前使用型號T25VB60（25A/600V） T15VB60（25A/600V） 室外電控盒中另外一個整流橋堆不做整流用，而是用做一對二極管，配合電抗器，用以提高整機功率因素。 6.變頻空調(diào)主要元器件+ 大電抗器 變頻空調(diào)室外控制器一般都有大電抗器，目的是為了提高整機的功率因素及通過諧波電流測試。為了符合3C標(biāo)準(zhǔn)，通過諧波電流測試，我們在分體機上采用了兩個電抗器的無源功率因素矯正方法。與日本廠家的有源方式相比，降低了成本，提高了可靠性。 濾波器 為了通過EMC測試的干擾功率及干擾電壓測試而采用的一種

13、一體化濾波器件。 6.變頻空調(diào)主要元器件6.變頻空調(diào)主要元器件 大直流濾波電容 電解電容，用做直流電源濾波，視功率不同，每套控制器使用3-6個（560uf/個）。 放電管 用以防止室外造受雷擊，而損壞電控。 目前使用放電管參數(shù)為3600V。 光耦 用于芯片到模塊間驅(qū)動信號的傳送及隔離，另外在室內(nèi)外通訊上也使用。室外控制板一共使用了9個光耦器件。 7.變頻空調(diào)的控制原理變頻空調(diào)的控制原理 變頻空調(diào)器與普通空調(diào)器或稱定轉(zhuǎn)速空調(diào)器的主要區(qū)變頻空調(diào)器與普通空調(diào)器或稱定轉(zhuǎn)速空調(diào)器的主要區(qū)別是前者增加了變頻器。變頻空調(diào)器的微電腦隨時收別是前者增加了變頻器。變頻空調(diào)器的微電腦隨時收集室內(nèi)環(huán)境的有關(guān)信息與內(nèi)部

14、的設(shè)定值比較，經(jīng)運算集室內(nèi)環(huán)境的有關(guān)信息與內(nèi)部的設(shè)定值比較，經(jīng)運算處理輸出控制信號。交流變頻空調(diào)器的工作原理是把處理輸出控制信號。交流變頻空調(diào)器的工作原理是把工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，并把它送到功率模塊工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，并把它送到功率模塊(大大功率晶體管開關(guān)組合功率晶體管開關(guān)組合)；同時模塊受；同時模塊受微電腦送來的控制微電腦送來的控制信號控制，輸出頻率可調(diào)的交變電源信號控制，輸出頻率可調(diào)的交變電源(合成合成波形近似正波形近似正弦波弦波)，使，使壓縮機電機的轉(zhuǎn)速隨電源頻率的變化作相應(yīng)壓縮機電機的轉(zhuǎn)速隨電源頻率的變化作相應(yīng)的變化，從而控制壓縮機的排量，調(diào)節(jié)制冷量或制熱的變化，從而控制壓縮

15、機的排量，調(diào)節(jié)制冷量或制熱量。直流變頻空調(diào)器同樣把工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電量。直流變頻空調(diào)器同樣把工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，并送至功率模塊，模塊同樣受微電腦送來的控制源，并送至功率模塊，模塊同樣受微電腦送來的控制信號控制，所不同的是模塊輸出受控的直流電源信號控制，所不同的是模塊輸出受控的直流電源(無逆無逆變環(huán)節(jié)變環(huán)節(jié))送至送至壓縮機的直流電機，控制壓縮機的排量，壓縮機的直流電機，控制壓縮機的排量，因此直流變頻空調(diào)器更省電，噪聲更小。因此直流變頻空調(diào)器更省電，噪聲更小。7.變頻空調(diào)的控制原理變頻空調(diào)的控制原理 其主要特點為：其主要特點為： 1、變頻器能使壓縮機電動機的轉(zhuǎn)速無級連續(xù)可調(diào)，其變頻器能使

16、壓縮機電動機的轉(zhuǎn)速無級連續(xù)可調(diào)，其轉(zhuǎn)速是根據(jù)室內(nèi)空調(diào)負荷而成比例變化的，當(dāng)室內(nèi)需轉(zhuǎn)速是根據(jù)室內(nèi)空調(diào)負荷而成比例變化的，當(dāng)室內(nèi)需要急速降溫要急速降溫(或急速升溫或急速升溫)，空調(diào)負荷加大時，壓縮機轉(zhuǎn)空調(diào)負荷加大時，壓縮機轉(zhuǎn)速就加快，制冷量速就加快，制冷量(或或制熱量制熱量)就按比例增加，當(dāng)達到設(shè)就按比例增加，當(dāng)達到設(shè)定溫度時，隨即處于低速運轉(zhuǎn)維持室溫基本不變。定溫度時，隨即處于低速運轉(zhuǎn)維持室溫基本不變。 2、變頻空調(diào)器的節(jié)流是運用電子膨脹閥控制流量，它變頻空調(diào)器的節(jié)流是運用電子膨脹閥控制流量，它的室外微處理器可以根據(jù)設(shè)在膨脹閥進出口、壓縮機的室外微處理器可以根據(jù)設(shè)在膨脹閥進出口、壓縮機中氣管處的

17、溫度傳感器收集的信息來控制閥門的開啟中氣管處的溫度傳感器收集的信息來控制閥門的開啟度，隨時改變制冷劑的流量。壓縮機的轉(zhuǎn)速與膨脹閥度，隨時改變制冷劑的流量。壓縮機的轉(zhuǎn)速與膨脹閥的開啟度相對應(yīng)，使蒸發(fā)器的能力得到最大限度的發(fā)的開啟度相對應(yīng)，使蒸發(fā)器的能力得到最大限度的發(fā)揮。同時，由于采用了電子膨脹閥作為節(jié)流元件，化揮。同時，由于采用了電子膨脹閥作為節(jié)流元件，化霜時不停機，利用壓縮機排氣的熱量先向室內(nèi)供熱，霜時不停機，利用壓縮機排氣的熱量先向室內(nèi)供熱，余下熱量送到室外，將換熱器翅片上的霜融化余下熱量送到室外，將換熱器翅片上的霜融化。7.變頻空調(diào)的控制原理變頻空調(diào)的控制原理 3、變頻空調(diào)將逐步取代傳統(tǒng)

18、的定轉(zhuǎn)速空調(diào)，成為空調(diào)變頻空調(diào)將逐步取代傳統(tǒng)的定轉(zhuǎn)速空調(diào)，成為空調(diào)控制技術(shù)發(fā)展的主流?？刂萍夹g(shù)發(fā)展的主流。變頻技術(shù)已從交流式向直流式轉(zhuǎn)化，控制技術(shù)由變頻技術(shù)已從交流式向直流式轉(zhuǎn)化，控制技術(shù)由PWM(PWM(脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制) )發(fā)展為發(fā)展為PAM(PAM(脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制) )。采用。采用PWMPWM控制方式的控制方式的壓縮機轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)速的限制，一般壓縮機轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)速的限制，一般不超過不超過70007000轉(zhuǎn)分，而采用轉(zhuǎn)分，而采用PAMPAM控制方式的控制方式的壓縮機轉(zhuǎn)速壓縮機轉(zhuǎn)速可提高可提高1.51.5倍左右，這樣大大提高了制冷和倍左右，這樣大大提高了制冷和低溫下的制低溫下的制冷能力。冷能力。32 變頻空調(diào)每次開始使用時，通常是讓空調(diào)以最大功變頻空調(diào)每次開始使用時，通常是讓空調(diào)以最大功率、最大風(fēng)量進行制熱或制冷，迅速接近所設(shè)定的溫度。率、最大風(fēng)量進行制熱或制冷，迅速接近所設(shè)定的溫度。由于變頻空調(diào)通過提高壓縮機工作頻率的方式，增大了在由于變頻空調(diào)通過提高壓縮機工作頻率的方式，增大了在低溫時的制熱能力，最大制熱量可達到同級別空調(diào)器的低溫時的制熱能力，最大制熱量可達到同級別空調(diào)器的1.51.5倍，低溫下仍能保持良好的制熱效果。此外，一般的倍，低溫下仍能保持良好的制熱效果。此外，一般的分體機只有四檔風(fēng)速可供調(diào)節(jié)，而變頻空調(diào)器的室內(nèi)風(fēng)機分體機只有四檔風(fēng)