變頻控制技術在制冷空調上的應用

楊 帆 梁 棟

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

由于變頻空調具有溫度波動小、電能消耗少，舒適度高而受到市場歡迎，但是它的變頻控制系統由于體積較大、價格高、控制難度大而成為眾多工程師的研究對象，通過深入的研究，希望獲得更低的價格、更優秀的輸出性能和更穩定的輸出效果。

1 變頻控制器的工作原理

電機工作的原理為：定子自身的三相電流產生定子旋轉磁場，轉子感應電流后自身形成轉子旋轉磁場，定子磁場與轉子磁場產生相互作用力，最終實現電機旋轉[1]。電機結構及定子旋轉磁場示意圖如圖1所示。

圖1 電機結構及定子旋轉磁場示意圖

電機的輸出能力是通過改變電機轉子轉速實現的，而改變轉子轉速則需要改變定子磁場，定子磁場的改變需要變頻控制器輸出不同的電壓和電流來實現。

式中：

n—電機機械轉速；

f—定子電流頻率；

p—電機極對數。

如公式（1）所示，當一個電機參數固定之后，電機的極對數是一個定值，電機轉速的大小完全由通入電機的電流頻率決定，因此只要改變電流頻率就可以改變電機運行轉速。

為了改變運行電流頻率，在硬件上需要逆變電路來實現該功能，逆變電路的拓撲如圖2所示。通過控制單元按照一定的開關邏輯開通和關斷，從而在U、V、W三個端口輸出需要的電壓和電流波形，從而驅動電機運轉。

圖2 逆變電路控制主拓撲

為了得到滿足要求的電流波形，目前比較通用的控制方法是PWM調制，以及在此基礎上優化的SPWM調制方式，后續為了得到更好的電機輸出性能，衍生出SVPWM等更多的控制方案。

基于以上控制拓撲和控制方案的通用變頻器和高性能變頻器仍有很大區別，在控制算法、調速范圍、啟動轉矩、穩速精度和轉矩控制方面高性能變頻器特性都比通用變頻器要好，但是通用變頻器適用范圍更寬，因此用戶需要根據負載的特性和應用環境選擇對應的變頻控制器，工程師在設計應用時應仔細甄別。

2 變頻控制器的發展

變頻調速發展起來之前，通常采用變極調速、調壓調速和轉子串電阻調速方式，但只能用于交流異步電動機的控制，存在性能較差的特點，變頻調速控制方式很好的解決了該問題，真正實現了無級調速，同時擁有優秀的輸出特性。

按照應用特點進行分類，主要有表1三種方式，供電電源分為低壓和高壓，控制算法分為通用和高性能，拓撲結構分為交直角和交交變頻。交直交電壓型變頻器因結構簡單，功率因數高，因此受到大家的廣泛使用。

表1 變頻控制器分類表

圖3所示為現有變頻空調所應用的變頻控制框圖，主要包含整流、儲能、逆變和控制系統四個單元。

圖3 交直交變頻控制框圖

整流是將交流變換成直流的電力電子裝置，為提高功率因數和降低諧波含量，工程師通常采用無源PFC或有源PFC進行校正；儲能是為了獲得穩定的直流母線電壓，為后級的逆變提供一個穩定的輸入電源；逆變器是將直流電轉換成交流電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波，而輸出電流近似正弦波，電流波形和頻率根據負載需求進行調整；控制系統是整個變頻控制的大腦，根據負載需求進行控制，保證輸入、輸出要求的同時，也要保證整個系統的可靠性。

3 變頻控制在制冷中的作用

制冷空調的冷媒流動狀態如圖4所示，位于圖中心位置的為壓縮機，是冷媒流動的動能來源。在室外側，壓縮機將吸入的低溫低壓的冷媒經過壓縮后，變為高溫高壓狀態，再經過冷凝器將熱量釋放，變為低溫高壓的狀態；此時冷媒流入到室內機側，經過節流裝置后進入到蒸發器中，變為低溫低壓的狀態，此時吸收室內側的熱量，然后再回到壓縮機中，如此往復，完成室內側和室外側的能量交換。

圖4 制冷空調冷媒狀態圖

如圖5所示，要想完成室內側和室外側的能量交換，需要逐級進行能量轉換和傳遞。

圖5 變頻空調能量轉換圖

空調的電控單元將電能轉換為電機的動能，然后再依次轉換為壓縮缸體的機械能和冷媒的動能，經過冷凝和蒸發，最終完成能量交換的過程。

從上面的分析可以看出，電控單元的作用是將電能轉換為壓縮機或者電機的機械能，而完成該過程任務的板塊就是控制器板塊，如果要達到無極調速，那么就需要使用變頻控制器。

如圖6所示，控制器作為中間執行機構，將輸入電源進行電力轉換，給到直流或交流負載，負載通過電磁力從而驅動壓縮機或者電機運轉。

圖6 電氣傳動圖示

由于交流電機沒有碳刷及整流子，具有免維護、堅固、應用廣的特性，但若要達到相當于直流電機的性能則需要使用復雜的控制技術才能達到。

半導體和微處理器的出現可實現交流電機的控制，并且達到輸出類似直流電機的性能，交流電機與變頻控制器的完美結合，使得變頻技術在制冷空調領域得到迅速的推廣。

為了獲得更好的變頻控制器輸出性能，在軟件方面需要解決啟動、低頻、中頻和高頻運行問題，由于壓縮機輸出變量并不是恒定不變的，其負載具有突變特點，因此控制壓縮機與控制電機相比，變頻空調控制系統更為復雜。

在硬件設計方面，需要根據不同的輸入電源和功率等級進行設計。在圖3的基礎框架上，還要保證控制器電氣安全和可靠性。不僅需要考慮原理設計、PCB設計、散熱設計、應力應變設計、EMC設計，還要考慮工藝生產以及售后維護等因素。

以上軟件設計和硬件設計都比較復雜，需要專業的變頻控制設計人員，即便如此，設計出的變頻控制器仍需滿足成本要求，由于硬件和軟件設計在功能上能夠在部分電路方面具有可以相互轉化的特點，越來越多的電路可以通過軟件實現，隨著時代發展，半導體技術的突飛猛進，變頻器朝著小型化、高頻化方向發展[2]，同時軟件控制也越來越成熟，因此只有將硬件設計和軟件設計完美結合，才能得到性價比最優的變頻控制器。

目前變頻空調基本得到普及，從以往的僅有壓縮機變頻，逐漸走向風機也是變頻驅動，而且在有些高檔空調中，為了獲得更好的控制效果（如圖7所示），相應的控制閥體也更改為變頻控制，因此無論是小功率家用空調，還是中大功率的商用空調，基本都采用變頻控制技術；隨著國家對能效指標要求越來越嚴格，傳統的定頻空調已經無法滿足國家能效標準要求，因此不久之后定頻空調將退出歷史舞臺。

圖7 變頻定頻空調效果對比圖

不僅如此，節能而且可以發電的光伏空調也已經面世，這些新的空調技術都與變頻控制密不可分，變頻控制正在快速走入千家萬戶。

4 結論

通過對空調變頻控制的工作原理的介紹以及對不同控制方式的對比分析，可以看到變頻控制器為空調帶來更好的輸出特性，但其應用也存在諸多的設計要求。在實際的變頻空調設計時，變頻控制是由軟件與硬件協同組成的系統，而且這個系統與負載特性和負載工作的環境息息相關，因此變頻控制器的好壞，應進行綜合評價。

作為空調技術的核心控制單元，變頻控制技術與其他技術的結合將會越來越多，人們在以后的生活中無論是空調還是其他電器領域，將會看到更加多樣的變頻控制應用。