变频空调控制系统原理

变频空调控制系统原理 1.变频空调器与定频空调器的区别 压缩机不同 定频空调器的压缩机运行频率不可变 50Hz 变频空调器的压缩机运行频率可以变化 25Hz120Hz。 控制器不同 变频空调器的控制器远比定频空调器复杂。 输出能力不同 在一个工况下定频机只有一个能力输出 变频机的输出能力可以随工况的变化而调整 1.变频空调器与定频空调器的区别 舒适性不同 变频空调器的舒适性比定频空调器的好。 可以快速制冷或制热 温度波动小。 1.变频空调器与定速空调器的区别 对环境的适应性不同 节能 从整年运行来说，变频空调器会比普通空调 器节约 30%以上的电量。 Note:频繁的开 /关变频空调器 不能 节约电量。 2.变频空调器的原理 从能量的转换上可把变频控制分为交流到交流 变频与交流 -直流 -交流变频。 对家用电器的变频控制而言，不管是交流变频 还是直流变频都是通过交流 -直流 -交流的方 式来实现变频运转的。 要得到可调频率的交流电，首先要把 220V- 240V的交流市电整流为直流电，然后再由直流 电变为可调频率的交流电，从而完成变频的过 程。 2.变频空调器的原理 VV VF PAM VVVF PWM 2.变频空调器的原理 变频控制器简单原理框图 3.变频空调器的分类 交流变频空调器 直流变频空调器 4.交流变频空调器原理 交流变频依据原理： n=60f(1-s)/p n 压缩机转速， f 压缩机供电频率， p 电机极对数， s 转差率 所有的交流异步电动机都满足以上这个公式，交流 变频压缩机也同样如此。简单的来说，交流变频是通过 改变压缩机的供电频率 f，这样，在 p与 s不变的情况下， 压缩机运转速度就会跟随频率的变化而变化。 4.交流变频空调器原理 异步电动机在运行时 ,产生的感应电动势为： E=4.44kfN （ k电机绕组系数； N每相定子绕组匝数； 每极磁通 ） 。 由于定子阻抗上的压降很小 ， 可以忽略 ， 可 以 认 为 ： U=E=4.44kfN。 实际运行过程中 ， 通常希望保持 不变 。 因为 的增加 ， 将导致 铁心的饱和 ， 进而引起励磁电流的上升 ， 使得铁损急剧增加 。 而 减小 ， 则铁心未得到充分的利用 ， 使得输出转矩下降 。 要改变频率 f的大小 ， 电机定子电压 U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称为 VVVF （ Vairble Voltage Varibe Frequency） ， 简称为 V/F变频控制 。 4.交流变频空调器原理 U(V) f(Hz) a b f N U N a-压缩机厂给出的 V-F曲线 b-经过适当补偿的 V-F曲线 V-F曲线示意图： 4.交流变频空调器原理 交直交变频器根据 VVVF调制技术不同， 分为 PAM和 PWM两种。 PAM是把 VV和 VF分开完成的，称为脉冲幅值 调制（ Pulse Amplitude Modulation）方式， 简称 PAM方式。 PWM是将 VV与 VF集中于逆变器一起来完成的， 称为脉冲宽度调制（ Pulse Width Modulation） 方式，简称 PWM方式。 目前变频空调基本使用 PWM方式。 交流变频控制的关键点： V-F曲线与死区 时间 V-F曲线： 死区时间： 4.交流变频空调器原理 4、交流变频空调器原理 PWM示意图 DCAC AC 图 c 不控 整流 调压调频 PWM 逆变 5.直流变频空调器原理 从整机形式上看，直流变频可分为全直流变频 与部分直流变频。 全直流变频是指压缩机、室内外风机均使用直 流无刷电机，部分直流指只有压缩机使用直流 无刷电机。 直流变频名称的由来 家用电器上，直流变频最常用（也是一直以来都在使 用）的是无刷直流电机，为了把这种变频与交流变频 进行区别，人们习惯上把使用了无刷直流电机的变频 家电称为直流变频家电。 和电子膨胀阀、无氟空调一样，直流变频是一个 约定 俗成 的词语，这种命名方法有一定的误导性。 所以，直流变频并不是说压缩机是直流电供电，它的 转化方式上与交流变频一样，都是采用交 -直 -交的方式。 供给压缩机的电压还是 交流 的信号。这种电机实际也 是一种交流电动机。 5.直流变频空调器原理 5.直流变频空调器原理 无刷直流电机与有刷直流电机 直流变频电动机的基本结构 用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极， 用具有多相绕组的定子取代电枢，用位置传感器及控制 器组成的电子换向器取代传统的机械换向器和电刷。这 样，就得到了无刷直流电动机。 由于无刷直流电动机与传统的直流电机 无论是结构还是调速性能都有很多 相似之处，所以人们习惯把这种 电机 称为无刷直流电机。 U V 永久磁铁 转子 线圈绕组 定子 位置传感 器 无刷直流电机在运行时 ， 必须实时检测出转子的位置 ， 从而进行相应的驱动控制 ， 以驱动电机换相 ， 保证电 机平稳地运行 。 实现无刷直流电机位置检测通常有两种方法 ， 一是利 用电机内部的位置传感器 （ 通常为霍尔元件 ） 提供的 信号；二是检测出无刷直流电机相电压 ， 利用相电压 的采样信号进行运算后得出 。 由于压缩机电机无法安装位置传感器，所以直流变频 空调的压缩机都采用后一种方法进行电机换相。 5.直流变频空调器原理 5.直流变频空调器原理 直流变频所用电机学术上称为“自控式永磁同步电动 机” 属于交流电动机范畴。 自控式永磁同步电动机根据定子绕组的不同主要分为 两大类，方波型永磁同步电动机与正弦波型永磁同步 电动机； 方波型永磁同步电动机也称为无刷直流电动机 （ Brushless DC Motor BLDCM ），绕组一般为分 布式，反电动势为梯形波，驱动方式为 120度方波； 正弦波型永磁同步电动机也称为永磁同步电动机 （ Permanent Magnet Synchronous Motor PMSM）， 绕组一般为集中式，反电动势为正弦波，驱动方式为 180度正弦波； 5.直流变频空调器原理 自控式 永磁同 步电机 绕组 电机反 电动势 波形 驱动方 式 电机相 电流波 形 死区控 制 特点 共同点 方波型 永磁同 步电机 （ BLDC） 分布绕 组 梯形波 120度方 波 120度方 波 无 噪音小、 中低速 效率偏 低 均需位 置检测 并进行 换相控 制，效 率高、 调速性 能好、 噪音低 正弦波 永磁同 步电机 （ PMS M） 集中绕 组 正弦波 180度正 弦波 180度正 弦波 有 （与 交流变 频相同） 中低速 效率高、 噪音偏 大 方波型与正弦波型永磁同步电动机对比 无刷直流电机反电动势和电流波形 （ 一相 ） ： 5.直流变频空调器原理 无刷直流电机实际电流波形 （ 一相 ） ： 根据转子结构形式的不同，直流变频的电机可以分为 IPM与 SPM两种。 SPM表面型磁极 (Surface Permanent Magnetic)：将 永久磁铁配置于转子表面； IPM表面型磁极 (Interior Permanent Magnetic)：将永 久磁铁嵌入于转子内部； 从电机效率上看，压缩机采用 IPM型比 SPM型要高； 这两种电机形式对电控驱动没有影响。 5.直流变频空调器原理 5.直流变频空调器的优点 运行效率高 调速性能好 转速范围宽 转矩大 噪音低 能效比高（与交流相比较） 变频模块 变频模块是实现由直流电转变为交流电从而驱动压缩 机运转的关键器件，又称为 IPM（ Intelligent Power Module）模块。它是一种智能的功率模块，它将 6个 IGBT管连同其驱动电路和多种保护电路封装在一起， 从而简化了设计，提高了整个系统的可靠性。从其驱 动电路使用的电源数目又可分为单电源与四电源两种。 主要厂家：日本三菱、三洋、东芝 6.变频空调主要元器件 注：三菱 PM系列模块内置保护： 过流、过压、欠压、短路、过热 变频模块（ IPM）内部简图： 6.变频空调主要元器件 室外主控芯片 变频空调的核心算法及室外控制均由室外芯片完成。 我们目前在交流上使用的是美国 TI公司的 DSP芯片， 且已实现掩膜。 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、电机控制方面具有更大的优 势。直流变频目前在开发阶段，采用的是美国 AD公司 的 DSP芯片。 Note：对于广告宣传的“使用 DSP芯片速度大大可以 提高、加快温度采样，使室内温度控制在 0.5 ”的说 法是不确切的，因为 DSP的运算速度与温度控制没有 直接关系。 6.变频空调主要元器件 整流桥堆 完成电源由交流到直流的转换（ 220V交流变为 310V直 流） 目前使用型号 T25VB60（ 25A/600V） T15VB60（ 25A/600V） 室外电控盒中另外一个整流桥堆不做整流用，而是用做 一对二极管，配合电抗器，用以提高整机功率因素。 6.变频空调主要元器件 + 大电抗器 变频空调室外控制器一般都有大电抗器，目的是为了 提高整机的功率因素及通过谐波电流测试。为了符合 3C标准，通过谐波电流测试，我们在分体机上采用了 两个电抗器的无源功率因素矫正方法。与日本厂家的 有源方式相比，降低了成本，提高了可靠性。 滤波器 为了通过 EMC测试的干扰功率及干扰电压测试而采用的 一种一体化滤波器件。 6.变频空调主要元器件 6.变频空调主要元器件 大直流滤波电容 电解电容 ， 用做直流电源滤波 ， 视功率不同 ， 每套控 制器使用 3-6个 （ 560uf/个 ） 。 放电管 用以防止室外造受雷击，而损坏电控。 目前使用放电管参数为 3600V。 光耦 用于芯片到模块间驱动信号的传送及隔离，另外在室 内外通讯上也使用。室外控制板一共使用了 9个光耦器 件。