變頻空調(diào)器的變頻原理

　　摘 要： 空調(diào)器的變頻技術(shù)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，從而改變空調(diào)器制冷（熱）量的一種高效節(jié)能的技術(shù)。變頻空調(diào)器的核心是變頻器。
　　關(guān)鍵詞：變頻空調(diào)器 變頻原理 發(fā)展方向
　　
　　一、變頻與定頻
　　所謂的變頻空調(diào)器是與傳統(tǒng)的定頻空調(diào)器相比較而產(chǎn)生的概念。我國的電網(wǎng)電壓為220V、50Hz，在這種條件下工作的空調(diào)稱之為定頻空調(diào)器。由于供電頻率不能改變，傳統(tǒng)的定頻空調(diào)器的壓縮機轉(zhuǎn)速基本不變，依靠其不斷地開、停壓縮機來調(diào)整室內(nèi)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(diào)器通過改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，從而改變制冷（熱）量，使其對空氣調(diào)節(jié)的能力始終保持最佳狀態(tài)。變頻空調(diào)器可以根據(jù)環(huán)境溫度自動選擇制熱、制冷和除濕等運轉(zhuǎn)方式，使居室在短時間內(nèi)迅速達(dá)到所需要的溫度，并在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)下以較小的溫差波動實現(xiàn)、快速、節(jié)能和舒適控溫效果。變頻空調(diào)器的核心是變頻器，它通過對電流的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，把50Hz的固定電網(wǎng)頻率改為30—130Hz的變化頻率。同時，還使電源電壓范圍達(dá)到142—270V，徹底解決了由于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定而造成空調(diào)器不能正常工作的難題。變頻空調(diào)器每次開始使用時，通常是讓空調(diào)以最大功率、最大風(fēng)量進(jìn)行制熱或制冷，迅速接近所設(shè)定的溫度。變頻空調(diào)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(dá)到同品牌、同級別空調(diào)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(fēng)速可供調(diào)節(jié)，而變頻空調(diào)器的室內(nèi)風(fēng)機自動運行時，轉(zhuǎn)速會隨壓縮機轉(zhuǎn)速的改變在12檔風(fēng)速范圍內(nèi)變化，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與空調(diào)器的能力配合較為合理，實現(xiàn)了低噪音的寧靜運行。當(dāng)空調(diào)高功率運轉(zhuǎn)，迅速接近所設(shè)定的溫度后，壓縮機便在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)運轉(zhuǎn)，僅以所需的功率維持設(shè)定的溫度。這樣不但溫度穩(wěn)定，而且避免了壓縮機頻繁地開開停停所造成的空調(diào)器壽命的衰減，并且耗電量大大降低，實現(xiàn)了高效節(jié)能。
　　二、變頻原理
　　變頻空調(diào)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(diào)器誕生，此間變頻空調(diào)器的變頻方式經(jīng)歷了從交流變頻到直流變頻的技術(shù)革新歷程。
　　（一）交流變頻
　　1.交流變頻原理
　　交流變頻依據(jù)原理：n=60f（1-s）/p
　　n—電機的轉(zhuǎn)速（r/min）；s—轉(zhuǎn)差率（%）；f—頻率（Hz）；p—磁極對數(shù)。
　　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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為310V直流電源，并把它送到逆變器（大功率晶體管開關(guān)組合），又稱功率模塊，為其提供工作電壓；同時根據(jù)室溫和設(shè)定溫度的溫差，通過微處理器運算，產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電（合成波形近似正弦波），驅(qū)動變頻壓縮機運轉(zhuǎn)，使壓縮機電機的轉(zhuǎn)速隨電源頻率的變化做相應(yīng)地變化，從而調(diào)節(jié)制冷（熱）量。
　　2.變頻器的結(jié)構(gòu)與原理
　　（1）PWM控制，又稱電壓、頻率比例調(diào)制方式。在調(diào)節(jié)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(xiàn)變頻也變壓的效果。這種方法稱為PWM（Pule Width Modulation）調(diào)制，PWM調(diào)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(qū)動變頻壓縮機運轉(zhuǎn)的三相逆變器。如圖2所示，變頻空調(diào)通常采用6個絕緣柵極晶體管構(gòu)成大功率晶體管開關(guān)組合，又稱功率模塊。6個晶體管的狀態(tài)決定了電機繞組中電流的方向，而開關(guān)動作的快慢決定了通入電機繞組中電流的頻率；開關(guān)脈沖依次控制它們通斷，切換一次后，電機就轉(zhuǎn)動一周；如果每秒鐘切換100次，則電機的轉(zhuǎn)速就是100r/s。在實際應(yīng)用中，多采用變頻模塊加上外圍的電路（如開關(guān)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(diào)器稱為“直流變頻空調(diào)”，這樣稱呼從概念上來說是不確切的，因為直流變頻空調(diào)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(jīng)習(xí)慣將采用無刷直流電機的變頻空調(diào)器稱為直流變頻空調(diào)器。直流變頻空調(diào)器關(guān)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(diào)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(nèi)風(fēng)機、室外風(fēng)機都采用了無刷直流電機，這就是全直流變頻空調(diào)器。所以，直流變頻空調(diào)器相對與交流變頻空調(diào)器而言，具有更大的節(jié)能優(yōu)勢。
　　直流電機轉(zhuǎn)速公式n=U/Cφ
　　上式中：n為電機的轉(zhuǎn)速（r/min）；C為電極常數(shù)，與電機構(gòu)造有關(guān)；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(diào)器通過改變壓縮機的供電電壓，從而改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變制冷（熱）量。如圖3所示，直流變頻空調(diào)器控制原理與交流變頻空調(diào)器基本一樣，所不同的是交流變頻技術(shù)調(diào)節(jié)的是頻率，而直流變頻技術(shù)調(diào)節(jié)的是電壓。
　　2.變頻器的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速反饋控制信號。
　　三、變頻技術(shù)發(fā)展方向
　　目前變頻控制技術(shù)由PWM（脈寬調(diào)制）向PAM（脈幅調(diào)制）方向發(fā)展。采用PWM控制方式的電機轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(yōu)越性，可抑制高次諧波的生成，減小對電網(wǎng)的污染。
　　近年來帶驅(qū)動和保護(hù)電路的智能功率模塊（IPM）相繼面市。IPM是將三相逆變器、驅(qū)動電路及保護(hù)電路集成在一塊芯片上，它的出現(xiàn)推動了變頻家電市場的啟動和發(fā)展。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］張少利，何應(yīng)俊.制冷設(shè)備原理與維修實訓(xùn).北京：人民郵電出版社，2008.10.
　　［2］胡國喜.制冷設(shè)備維修技術(shù)基本功.北京：人民郵電出版社，2010.3.