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交、直流變頻空調(diào)電控原理,美的空調(diào)研發(fā)中心 電控開發(fā)部 李 強(qiáng) 2003年12月1日,1、變頻空調(diào)器與定速空調(diào)器的區(qū)別,壓縮機(jī)不同 定速空調(diào)器的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率不可變。E.g. 50Hz 變頻空調(diào)器的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率可以變化。 E.g. 30Hz~120Hz。 控制器不同 變頻空調(diào)器的控制器遠(yuǎn)比定速空調(diào)器復(fù)雜。 輸出能力不同 在一個(gè)工況下定速機(jī)只有一個(gè)能力輸出 變頻機(jī)的輸出能力是一個(gè)范圍,1、變頻空調(diào)器與定速空調(diào)器的區(qū)別,舒適性不同 變頻空調(diào)器的舒適性比定速空調(diào)器的好。 可以快速制冷或制熱 溫度波動小。,1、變頻空調(diào)器與定速空調(diào)器的區(qū)別,對環(huán)境的適應(yīng)性不同 節(jié)能 從長期運(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。,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的交流市電整流為直流電，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，見下頁圖所示,2、變頻空調(diào)器的原理,,VV,VF,PAM,VVVF,PWM,,,,,2、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(jī)轉(zhuǎn)速，f—壓縮機(jī)供電頻率， p—電機(jī)極對數(shù)，s—轉(zhuǎn)差率 所有的交流異步電動機(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。,4、交流變頻空調(diào)器原理,異步電動機(jī)在運(yùn)行時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：E1=4.44kfN1Ф （k—電機(jī)繞組系數(shù)；N1—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：U1=E1=4.44kfN1Ф。 實(shí)際運(yùn)行過程中，通常希望保持Ф不變。因?yàn)椐兜脑黾?，將?dǎo)致鐵心的飽和，進(jìn)而引起勵磁電流的上升，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U1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（Vairble Voltage Varibe Frequency），簡稱為V/F變頻控制。,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：,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，稱為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）方式，簡稱PWM方式。 目前我們使用的為PWM方式。,交流變頻控制的關(guān)鍵點(diǎn)：V-F曲線與死區(qū)時(shí)間 V-F曲線： 死區(qū)時(shí)間：,4、交流變頻空調(diào)器原理,,,4、交流變頻空調(diào)器原理,PAM示意圖,PWM示意圖,,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)。,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機(jī)。,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(jī)與有刷直流電機(jī) 直流變頻電動機(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機(jī)。 由于無刷直流電動機(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)。,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)動控制，以驅(qū)動電機(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,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機(jī)” 屬于交流電動機(jī)范疇。 自控式永磁同步電動機(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機(jī)與正弦波型永磁同步電動機(jī)； 方波型永磁同步電動機(jī)也稱為無刷直流電動機(jī)（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(jī)也稱為永磁同步電動機(jī)（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,,,,,,,方波型與正弦波型永磁同步電動機(jī)對比,無刷直流電機(jī)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(jī)實(shí)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(jī)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(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）；,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)動壓縮機(jī)運(yùn)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(gè)IGBT管連同其驅(qū)動電路和多種保護(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 美的目前使用：三菱 PM20CTM060(20A/600V) PM30CTJ060(30A/600V),6、變頻空調(diào)主要元器件,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,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Digital Signal Processor，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,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,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,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。,,,,,,,,,,,