變頻空調(diào)控制系統(tǒng)原理

變頻空調(diào)控制系統(tǒng)原理第一頁，共33頁。1.變頻空調(diào)器與定頻空調(diào)器的區(qū)別壓縮機(jī)不同定頻空調(diào)器的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率不可變—50Hz變頻空調(diào)器的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率可以變化——25Hz~120Hz?？刂破鞑煌冾l空調(diào)器的控制器遠(yuǎn)比定頻空調(diào)器復(fù)雜。輸出能力不同在一個(gè)工況下定頻機(jī)只有一個(gè)能力輸出變頻機(jī)的輸出能力可以隨工況的變化而調(diào)整第二頁，共33頁。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(dòng)小。溫度時(shí)間設(shè)定溫度定速空調(diào)器變頻空調(diào)器第三頁，共33頁。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(yùn)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。第四頁，共33頁。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(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)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。第五頁，共33頁。2.變頻空調(diào)器的原理VVVFPAMVVVFPWM第六頁，共33頁。2.變頻空調(diào)器的原理變頻控制器簡單原理框圖第七頁，共33頁。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)器第八頁，共33頁。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(jī)轉(zhuǎn)速，f—壓縮機(jī)供電頻率，

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

第九頁，共33頁。4.交流變頻空調(diào)器原理異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為：E=4.44kfNФ（k—電機(jī)繞組系數(shù)；N—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：U=E=4.44kfNФ。實(shí)際運(yùn)行過程中，通常希望保持Ф不變。因?yàn)椐兜脑黾樱瑢?dǎo)致鐵心的飽和，進(jìn)而引起勵(lì)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(jī)定子電壓U必須隨之同時(shí)發(fā)生變化，即在變頻的同時(shí)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。

第十頁，共33頁。4.交流變頻空調(diào)器原理a-壓縮機(jī)廠給出的V-F曲線b-經(jīng)過適當(dāng)補(bǔ)償?shù)腣-F曲線V-F曲線示意圖：第十一頁，共33頁。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。目前變頻空調(diào)基本使用PWM方式。第十二頁，共33頁。4、交流變頻空調(diào)器原理PWM示意圖第十三頁，共33頁。5.直流變頻空調(diào)器原理從整機(jī)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(jī)、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)均使用直流無刷電機(jī)，部分直流指只有壓縮機(jī)使用直流無刷電機(jī)。第十四頁，共33頁。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(jī)，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(jī)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(gè)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(jī)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(jī)的電壓還是交流的信號。這種電機(jī)實(shí)際也是一種交流電動(dòng)機(jī)。

5.直流變頻空調(diào)器原理第十五頁，共33頁。5.直流變頻空調(diào)器原理無刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)直流變頻電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)械換向器和電刷。這樣，就得到了無刷直流電動(dòng)機(jī)。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的直流電機(jī)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(jī)稱為無刷直流電機(jī)。UVＷ永久磁鐵轉(zhuǎn)子線圈繞組定子位置傳感器第十六頁，共33頁。無刷直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須實(shí)時(shí)檢測出轉(zhuǎn)子的位置，從而進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)換相，保證電機(jī)平穩(wěn)地運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)位置檢測通常有兩種方法，一是利用電機(jī)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(jī)相電壓，利用相電壓的采樣信號進(jìn)行運(yùn)算后得出。由于壓縮機(jī)電機(jī)無法安裝位置傳感器，所以直流變頻空調(diào)的壓縮機(jī)都采用后一種方法進(jìn)行電機(jī)換相。5.直流變頻空調(diào)器原理第十七頁，共33頁。5.直流變頻空調(diào)器原理直流變頻所用電機(jī)學(xué)術(shù)上稱為“自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)”

屬于交流電動(dòng)機(jī)范疇。自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)與正弦波型永磁同步電動(dòng)機(jī)；方波型永磁同步電動(dòng)機(jī)也稱為無刷直流電動(dòng)機(jī)（BrushlessDCMotor—BLDCM），繞組一般為分布式，反電動(dòng)勢為梯形波，驅(qū)動(dòng)方式為120度方波；正弦波型永磁同步電動(dòng)機(jī)也稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)（PermanentMagnetSynchronousMotor—PMSM），繞組一般為集中式，反電動(dòng)勢為正弦波，驅(qū)動(dòng)方式為180度正弦波；第十八頁，共33頁。5.直流變頻空調(diào)器原理

自控式永磁同步電機(jī)繞組

電機(jī)反電動(dòng)勢波形

驅(qū)動(dòng)方式

電機(jī)相電流波形

死區(qū)控制

特點(diǎn)

共同點(diǎn)

方波型永磁同步電機(jī)（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(jī)

（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(dòng)機(jī)對比第十九頁，共33頁。無刷直流電機(jī)反電動(dòng)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(jī)實(shí)際電流波形（一相）：

第二十頁，共33頁。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的不同，直流變頻的電機(jī)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(jī)效率上看，壓縮機(jī)采用IPM型比SPM型要高；這兩種電機(jī)形式對電控驅(qū)動(dòng)沒有影響。5.直流變頻空調(diào)器原理第二十一頁，共33頁。5.直流變頻空調(diào)器的優(yōu)點(diǎn)運(yùn)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）第二十二頁，共33頁。變頻模塊變頻模塊是實(shí)現(xiàn)由直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姀亩?qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)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(gè)IGBT管連同其驅(qū)動(dòng)電路和多種保護(hù)電路封裝在一起，從而簡化了設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。從其驅(qū)動(dòng)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)主要元器件第二十三頁，共33頁。注：三菱PM系列模塊內(nèi)置保護(hù)：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)主要元器件第二十四頁，共33頁。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(shí)現(xiàn)掩膜。DSP即DigitalSignalProcessor，是數(shù)字信號處理器的簡稱，與一般的單片機(jī)相比，DSP在運(yùn)算速度、信號的處理、電機(jī)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?yàn)镈SP的運(yùn)算速度與溫度控制沒有直接關(guān)系。

6.變頻空調(diào)主要元器件第二十五頁，共33頁。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(gè)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(jī)功率因素。

6.變頻空調(diào)主要元器件~~+－第二十六頁，共33頁。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(jī)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(jī)上采用了兩個(gè)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一體化濾波器件。

6.變頻空調(diào)主要元器件第二十七頁，共33頁。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(gè)（560uf/個(gè)）。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(dòng)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(gè)光耦器件。

第二十八頁，共33頁。7.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)別是前者增加了變頻器。變頻空調(diào)器的微電腦隨時(shí)收集室內(nèi)環(huán)境的有關(guān)信息與內(nèi)部的設(shè)定值比較，經(jīng)運(yùn)算處理輸出控制信號。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(大功率晶體管開關(guān)組合)；同時(shí)模塊受微電腦送來的控制信號控制，輸出頻率可調(diào)的交變電源(合成波形近似正弦波)，使壓縮機(jī)電機(jī)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(jī)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(無逆變環(huán)節(jié))送至壓縮機(jī)的直流電機(jī)，控制壓縮機(jī)的排量，因此直流變頻空調(diào)器更省電，噪聲更小。第二十九頁，共33頁。7.變頻空調(diào)的控制原理其主要特點(diǎn)為：1、變頻器能使壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)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(fù)荷而成比例變化的，當(dāng)室內(nèi)需要急速降溫(或急速升溫)，空調(diào)負(fù)荷加大時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速就加快，制冷量(或制熱量)就按比例增加，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，隨即處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)維持室溫基本不變。2、變頻空調(diào)器的節(jié)流是運(yùn)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(jìn)出口、壓縮機(jī)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(shí)改變制冷劑的流量。壓縮機(jī)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)揮。同時(shí)，由于采用了