变频空调解读图（变频空调解读视频）

一、变频空调工作原理

1、交流变频空调的基本原理：

在讲述变频空调的工作原理之前，我们先来熟悉一下异步电机的调速工作原理：异步电机的定子绕组流过电流，产生旋转磁场，在电机中感应出电动势。转子绕组，从而产生感应电流。该电流与定子旋转磁场之间的相互作用产生电磁力。一般来说，P极异步电机在三相交流电一个周期内旋转2/P转，因此代表旋转磁场速度的同步转速N0与极数P和功率之间的关系供电频率f可用下式表示：

N0=120/Pf(转/分)

但异步电机要产生扭矩，同步转速N0 和转子转速N1 之间必须存在差异。转速差与同步转速之比S称为“转差率”，因此转子转速N1可用下式表示：

N1=120/pf(1-S)(转/分)

由上式可知，改变电机的供电频率f，可以改变电机的转子转速N1。异步电动机运行时，产生的感应电动势E1为：

E1=4.44kf N1

式中，k——电机绕组系数；

N1——每相定子绕组匝数

——每极磁通量

由于定子阻抗上的压降很小，可以忽略不计，所以我们可以得到：

U1E1=4.44kfN1（U1为压缩机定子电压）

即：=(1/4.44kfN1)(U1/f)

由上式可知，磁通量与U1/f成正比。对于磁通量，我们通常希望保持接近饱和值。如果磁通进一步增大，电机的铁芯就会饱和，导致电机中流过很大的励磁电流，增大电机的铜损和铁损。严重时，电机会因绕组过热而损坏。随着磁通减小，铁芯没有得到充分利用，导致输出扭矩减小。这样，从上式可以看出，要保持恒定，即保持U1/f恒定，当频率f改变时，电机定子电压U1必须同时改变，即改变频率时必须同时改变电压。这种调节速度的方法称为VVVF（VairbleVoltageVaribeFrequency），简称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。图1所示为变频空调的V-f曲线。 V-f曲线由变频压缩机的性能决定。

图1 变频空调变频压缩机V-f曲线

2、V/f变频控制的实现方法

讲完了上述异步电机的调速原理，这里重点介绍一下变频空调如何实现V/f变频控制，即变频器中广泛应用的PWM（脉冲宽度调制）技术。逆变器驱动的异步电机框图如图2所示：

图2 异步电机逆变器驱动框图

在图2 中，整流器将交流电转换为直流电。脉动直流经平滑电路平滑后，由逆变器变换为频率可调的交流电。如图3(a)所示，将一个正弦波分成N等份（图中N=12），然后将每个等份的正弦曲线和横轴围成的面积分成等于此的高度区域。不是矩形脉冲，矩形脉冲的中点等于正弦波的每个相等部分

图3与正弦波等幅的等效矩形脉冲序列的中点重合（如上图所示）。这样，N个等幅但不等宽的矩形脉冲组成的波形就相当于正弦波的正半周。同样，正弦波的负半周也可以用同样的方法等效。图3(b) 中的一系列脉冲波形是预期的逆变器PWM（脉冲宽度调制）波形。由于每个脉冲的幅度相等，因此逆变器可以由恒定的直流电源供电。也就是说，这种AC-DC变换器中的变频器只需要使用不可控二极管整流器即可。逆变器输出脉冲的幅度就是整流器的输出电压。如果逆变器的各个开关器件工作在理想状态，驱动相应开关器件的信号也应该是一系列形状类似于图3(b)的脉冲波形。由于PWM调制输出的电压波形和电流波形都是非正的

正弦波含有很多高次谐波成分，使输入到电机的能量无法得到充分利用，增加损耗。为了使输出波形接近正弦波，提出了正弦波脉宽调制(SPWM)。所谓SPWM调制，简单地说，就是在进行脉宽调制时，脉冲序列的占空比按照正弦波的规律变化。也就是说，当正弦波的幅度较大时，脉冲的宽度也较小。大，当正弦波的幅度较小时，脉冲的宽度也较小（如图4所示）。这样，输出到电机的脉冲序列可以大大降低负载中电流的高次谐波分量，从而提高电机的效率。 SPWM波形的特点可以概括为“等幅不等宽、两端窄、中间宽”。

图4 SPWM波形

2、交流变频控制器原理框图

变频控制器原理框图如图5所示，主要由以下几个环节组成，即整流器、滤波器、功率逆变器。变频器内的计算机控制系统对各个采样点的信号进行分析处理，通过内部波形产生新的控制信号，然后驱动并放大变频开关，控制变频开关产生模拟三相交流电。相应频率的电压，提供给变频器。压缩机。

图5 交流变频控制器原理框图

1、整流滤波原理：整流器是将交流电变换为直流电的装置。它采用硅整流元件进行桥接。整流器结构可分为单相电源输入和三相电源输入。通用变频空调

当电控功率在2kW以下时，多采用单相电源输入。当电控功率在2kW以上时，多采用三相电源输入。单相和三相整流电路的区别在于电流中多了两个整流二极管。滤波电路的作用是平滑和提高输出直流电压。常采用大容量电容，电容量一般在15003000uF之间。由于电容器容量较大，放电时间较长，因此在检查逆变器时需要先将电容器放电。放电时，用两根导线通过500大功率电阻并联到电容器两端。如果维护时不对电容器进行放电，就会造成人员伤亡。

2、逆变电源原理。逆变器（又称变频模块）是一种将直流电变换为可调频率和电压的三相交流变频装置。如图5所示，变频空调通常采用6个IGBT组成上下桥驱动电路。在采用功率晶体管作为开关元件的AC-DC-AC电路中，控制电路使每个功率晶体管在180C时导通，并且当同一桥臂上的两个晶体管中的一个导通时，另一个必须导通。关掉。相邻两相元件之间的导通相位差为120。在任意360时，三个功率管导通连接三相负载。当控制信号输出时，功率管A+、A-、B+、B-、C+、C-分别导通，输出变频的三相交流电来运行压缩机。实际应用中多采用IPM（智能功率模块）模块加上周边电路（如开关电源电路）。 IPM是一种智能功率模块，将IGBT及其驱动电路和各种保护电路封装在同一模块中，从而简化了设计，提高了整个系统的可靠性。目前变频空调常用的IPM模块有日本三菱、三洋IPM系列。

三、直流变频空调原理

直流变频空调的关键是采用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相同。

一、直流变频空调的基本原理

我们把采用无刷直流电机作为压缩机的空调称为“直流变频空调”。从概念上来说是不准确的，因为我们都知道直流电没有频率，所以没有变频，但是人们已经形成习惯，将使用无刷直流压缩机的空调称为直流变频空调。

(1)无刷直流电机

无刷直流电机与普通交流电机或有刷直流电机的最大区别在于，其转子采用稀土材料制成的永磁体，定子采用整节距集中绕组。简单来说，就是用永磁体制成的普通直流电机。由磁铁组成的定子成为转子，而需要换向器和电刷提供动力的普通直流电机的线圈绕组转子则成为定子。这样就可以省去普通直流电机所必需的电刷，其调速性能与普通直流电机相似，因此这种电机称为无刷直流电机。无刷直流电机不仅克服了传统直流电机的一些缺点，如电磁干扰、噪音、火花可靠性差、寿命短等，而且还具有交流电机所不具备的一些优点，如运行效率高、转速好等调节性能好，无涡流损耗。因此，直流变频空调比交流变频空调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，需要实时检测永磁转子的位置，从而进行相应的驱动控制，驱动电机换向，保证电机平稳运行。通常有两种方法实现无刷直流电机的位置检测。一是利用电机内部的位置传感器（通常是霍尔元件）提供的信号；另一种是检测无刷直流电机的相电压，并利用相电压的采样信号。运行后获得。在无刷直流电机中，总是有两相线圈通电，一相不通电。一般情况下，在通电线圈上无法测量感应电压，因此通常使用剩余相位作为转子位置检测信号来捕获感应电压，通过专门设计的电子电路将其转换，进而控制施加的方波电压到定子线圈；由于后者这种方式省去了位置传感器，所以直流变频空调压缩机均采用后一种方式进行电机换向。

三、直流变频空调与交流变频空调的区别

交流变频空调将220V市电转换成310V直流电，送至电源模块（晶体管开关等组合）；同时模块受微机发送的控制信号控制，输出变频电源（合成波形类似正弦波），使压缩机电机的转速随频率变化。电源，从而控制压缩机排量，快速调节冷量和制热量。

直流变频空调还将220V市电转换成直流电送至电源模块。逆变模块同时导通两个晶体管（A+和A-不能同时导通，B+和B-不能同时导通）。C+和C-不能同时导通），给两相线圈通入直流电，同时模块受微电脑控制，输出可变电压的直流电源（有此处无逆变过程），如图7所示，将直流电发送至压缩机的直流电机，以控制压缩机的排量。从图6可以看出，直流变频相比交流变频多了一个位置检测电路，使得直流变频的控制更加精准。

图6 直流变频控制器原理框图

图7 直流变频空调压缩机各绕组电压控制图

4、变频空调优点：

由于变频空调实现了压缩机的变频控制，当室内空调负荷增大时，压缩机在微电脑的控制下转速加快，制冷量（或制热量）也相应增大；

当室内空调负荷降低时，压缩机转速在微电脑控制下按比例降低。变频空调具有高效节能、启动运行灵活、故障自动诊断等特点。这种空调可节省电能20%-30%。当电源输出频率范围为15Hz-150Hz时，压缩机转速在1500r/min-9000r/min范围内变化。变频空调相对于定速空调的优点如下表1所示：

1、负载适应能力

如图8和图9所示，传统空调的制冷量随着室外温度的升高而降低，而房间热负荷则随着室外温度的升高而增加。这样，当室外温度较高时，空调需要向房间输出更多的功率。当制冷量较高时，传统空调往往制冷量不足，影响舒适度；当室外温度较低时，要求空调向房间输出较少的制冷量，但传统空调往往制冷量过多，浪费电力。变频空调通过改变压缩机的转速，可以实现制冷量随着室外温度的升高而上升和下降。实现制冷量与房间热负荷的自动匹配，提高舒适度，并节省电力。

2. 精确的温度控制

由于采用不停机温度控制，避免了压缩机频繁启停对室温的影响。控温精度可达0.5，避免了房间忽冷忽热给人们带来的不适。以制冷状态为例，图10示出了传统空调的温度调节方法，其中T为室内温度，Ts为设定温度。当达到设定温度时，压缩机停止。当室内温度高于设定温度1度时，压缩机重新启动。图11为变频空调的温度调节方法。室温每降低0.5度，工作频率就会降低一级。相反，室温每升高0.5度，工作频率就会增加一级。即室温越高，工作频率越大。为了让空调快速制冷，室温越接近设定温度，运行频率越小，提供的制冷量越小，以较小的温差将室温维持在设定温度附近波动。

3、软启动

这是变频空调的独特优势。定速空调在启动过程中，启动电流往往是工作电流的3-5倍，很容易造成开关保护、熔丝烧毁、跳闸等，变频空调可以很好地解决这个问题。变频空调采用超低频，此时启动电流小于正常工作电流，压缩机一开始的工作功率比较低，从而能够平稳启动。此时对电网的影响较小，从而保证了电网上的电表和其他电器能够正常运行。

4.低电压运行功能

传统空调的电压低于180V左右时，压缩机无法启动。但变频空调在电压很低时，会降低频率启动，以减轻启动时的负载。较低的启动电压可达150V。如图14和图15所示。

5、节省用电

变频空调具有快速控温、精准保温的特点。在启动阶段，压缩机运行频率非常高，能很快达到设定温度。这个过程通常需要很短的时间；长期保温阶段，压缩机工作频率较低，工作功率仅300W左右；同时，大容量定频空调每次启动时，都会出现5至10分钟的不稳定阶段。这一阶段，制冷量远未达到设计要求，但功耗却丝毫没有降低。在保温阶段，空调往往只是稳定运行。室温已达到并引起停机，这会导致空调在未达到设计要求的情况下频繁运行，造成频繁启停，在未达到额定制冷量的情况下频繁运行，消耗大量无用的电能。变频空调低频运行而不停机。此时功耗很低，每次启动阶段都没有不必要的功耗，节省了电能。

6.低温加热效果

定速空调压缩机转速恒定，0以下压缩机功率很低，所以实际上没有制热效果；变频空调在低温下高频运行，满足用户的需求。

7、满负荷运行

定速空调压缩机只有一种转速，无法实现满负荷强劲运行；变频空调在人多、刚启动、或室内外温差较大时，可以实现高频强力运行。

8、保护功能

定速空调每次出现电流等保护时都需要停止压缩机；变频空调在每次保护发生时都采用适当的降频运行进行缓冲，可以实现不停机保护，不影响用户的使用。

审稿编辑：唐子红