變頻空調器的變頻原理

　　摘 要： 空調器的變頻技術是通過變頻器改變壓縮機的供電頻率或電壓，改變壓縮機的運轉轉速，從而改變空調器制冷（熱）量的一種高效節能的技術。變頻空調器的核心是變頻器。
　　關鍵詞：變頻空調器 變頻原理 發展方向
　　
　　一、變頻與定頻
　　所謂的變頻空調器是與傳統的定頻空調器相比較而產生的概念。我國的電網電壓為220V、50Hz，在這種條件下工作的空調稱之為定頻空調器。由于供電頻率不能改變，傳統的定頻空調器的壓縮機轉速基本不變，依靠其不斷地開、停壓縮機來調整室內溫度，其開、停之間容易造成室溫忽冷忽熱，并消耗較多電能。與之相比，變頻空調器通過改變壓縮機的轉速，從而改變制冷（熱）量，使其對空氣調節的能力始終保持最佳狀態。變頻空調器可以根據環境溫度自動選擇制熱、制冷和除濕等運轉方式，使居室在短時間內迅速達到所需要的溫度，并在低轉速、低能耗狀態下以較小的溫差波動實現、快速、節能和舒適控溫效果。變頻空調器的核心是變頻器，它通過對電流的轉換來實現電動機轉速的自動調節，把50Hz的固定電網頻率改為30—130Hz的變化頻率。同時，還使電源電壓范圍達到142—270V，徹底解決了由于電網電壓的不穩定而造成空調器不能正常工作的難題。變頻空調器每次開始使用時，通常是讓空調以最大功率、最大風量進行制熱或制冷，迅速接近所設定的溫度。變頻空調器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品牌、同級別空調器的1.5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速可供調節，而變頻空調器的室內風機自動運行時，轉速會隨壓縮機轉速的改變在12檔風速范圍內變化，風機的轉速與空調器的能力配合較為合理，實現了低噪音的寧靜運行。當空調高功率運轉，迅速接近所設定的溫度后，壓縮機便在低轉速、低能耗狀態運轉，僅以所需的功率維持設定的溫度。這樣不但溫度穩定，而且避免了壓縮機頻繁地開開停停所造成的空調器壽命的衰減，并且耗電量大大降低，實現了高效節能。
　　二、變頻原理
　　變頻空調器按工作原理可以分為交流變頻和直流變頻兩種方式。自從1997年中國第一臺變頻空調器誕生，此間變頻空調器的變頻方式經歷了從交流變頻到直流變頻的技術革新歷程。
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　　1.交流變頻原理
　　交流變頻依據原理：n=60f（1-s）/p
　　n—電機的轉速（r/min）；s—轉差率（%）；f—頻率（Hz）；p—磁極對數。
　　從上式可以看出，交流變頻是通過改變變頻壓縮機的供電頻率，在p與s不變的情況下，壓縮機的轉速會隨頻率的變化而變化。
　　交流變頻原理如圖1所示，是把220V、50HZ工頻交流電轉換為310V直流電源，并把它送到逆變器（大功率晶體管開關組合），又稱功率模塊，為其提供工作電壓；同時根據室溫和設定溫度的溫差，通過微處理器運算，產生一個控制信號（PWM脈沖信號），也送入逆變器；然后由三相逆變器將直流電轉變為頻率可調的三相交流電（合成波形近似正弦波），驅動變頻壓縮機運轉，使壓縮機電機的轉速隨電源頻率的變化做相應地變化，從而調節制冷（熱）量。
　　2.變頻器的結構與原理
　?。?）PWM控制，又稱電壓、頻率比例調制方式。在調節頻率的同時，不改變脈沖電壓幅度的大小，而是改變脈沖的占空比，可以實現變頻也變壓的效果。這種方法稱為PWM（Pule Width Modulation）調制，PWM調制可以直接在逆變器中完成電壓與頻率的同時變化，控制電路比較簡單。
　　（2）逆變器。這一部分指的是完成直流到交流的逆變過程，用于驅動變頻壓縮機運轉的三相逆變器。如圖2所示，變頻空調通常采用6個絕緣柵極晶體管構成大功率晶體管開關組合，又稱功率模塊。6個晶體管的狀態決定了電機繞組中電流的方向，而開關動作的快慢決定了通入電機繞組中電流的頻率；開關脈沖依次控制它們通斷，切換一次后，電機就轉動一周；如果每秒鐘切換100次，則電機的轉速就是100r/s。在實際應用中，多采用變頻模塊加上外圍的電路（如開關電源電路）組成。
　　（二）直流變頻
　　1.直流變頻原理
　　我們把采用無刷直流電機作為壓縮機電機的空調器稱為“直流變頻空調”，這樣稱呼從概念上來說是不確切的，因為直流變頻空調器的變頻方式與交流變頻一樣，也采用的是交—直—交方式，供給壓縮機的電壓還是交流電，但人們已經習慣將采用無刷直流電機的變頻空調器稱為直流變頻空調器。直流變頻空調器關鍵在于采用了無刷直流電機作為壓縮機電動機。直流變頻空調器分為兩類：一類是只有壓縮機電機采用無刷直流電機；另一類是不只壓縮機，室內風機、室外風機都采用了無刷直流電機，這就是全直流變頻空調器。所以，直流變頻空調器相對與交流變頻空調器而言，具有更大的節能優勢。
　　直流電機轉速公式n=U/Cφ
　　上式中：n為電機的轉速（r/min）；C為電極常數，與電機構造有關；U為定子輸入電壓（V）；φ為磁極磁通。
　　從上式可以看出，直流變頻空調器通過改變壓縮機的供電電壓，從而改變壓縮機的轉速，進而改變制冷（熱）量。如圖3所示，直流變頻空調器控制原理與交流變頻空調器基本一樣，所不同的是交流變頻技術調節的是頻率，而直流變頻技術調節的是電壓。
　　2.變頻器的結構與原理
　　直流與交流變頻主電路差別不大，變頻模塊之前電路完全相同；如圖4所示不同之處在于交流變頻壓縮機無反饋控制信號，而直流變頻壓縮機有三相轉速反饋控制信號。
　　三、變頻技術發展方向
　　目前變頻控制技術由PWM（脈寬調制）向PAM（脈幅調制）方向發展。采用PWM控制方式的電機轉速受到上限轉速的限制。如對壓縮機來講，一般不超過7000r/min。而采用PAM控制方式的壓縮機轉速可提高1.5倍左右，這樣大大提高了快速制冷和制熱能力。同時，由于PAM在調整電壓時具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面PAM也有著PWM無法比擬的優越性，可抑制高次諧波的生成，減小對電網的污染。
　　近年來帶驅動和保護電路的智能功率模塊（IPM）相繼面市。IPM是將三相逆變器、驅動電路及保護電路集成在一塊芯片上，它的出現推動了變頻家電市場的啟動和發展。
　　
　　參考文獻：
　　［1］張少利，何應俊.制冷設備原理與維修實訓.北京：人民郵電出版社，2008.10.
　　［2］胡國喜.制冷設備維修技術基本功.北京：人民郵電出版社，2010.3.