變頻控制技術(shù)在制冷空調(diào)上的應(yīng)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(diào)具有溫度波動(dòng)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(tǒng)由于體積較大、價(jià)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(jià)格、更優(yōu)秀的輸出性能和更穩(wěn)定的輸出效果。

1 變頻控制器的工作原理

電機(jī)工作的原理為：定子自身的三相電流產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流后自身形成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生相互作用力，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)[1]。電機(jī)結(jié)構(gòu)及定子旋轉(zhuǎn)磁場示意圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及定子旋轉(zhuǎn)磁場示意圖

電機(jī)的輸出能力是通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)。

式中：

n—電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速；

f—定子電流頻率；

p—電機(jī)極對數(shù)。

如公式（1）所示，當(dāng)一個(gè)電機(jī)參數(shù)固定之后，電機(jī)的極對數(shù)是一個(gè)定值，電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小完全由通入電機(jī)的電流頻率決定，因此只要改變電流頻率就可以改變電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

為了改變運(yùn)行電流頻率，在硬件上需要逆變電路來實(shí)現(xiàn)該功能，逆變電路的拓?fù)淙鐖D2所示。通過控制單元按照一定的開關(guān)邏輯開通和關(guān)斷，從而在U、V、W三個(gè)端口輸出需要的電壓和電流波形，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 逆變電路控制主拓?fù)?/p>

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(diào)制，以及在此基礎(chǔ)上優(yōu)化的SPWM調(diào)制方式，后續(xù)為了得到更好的電機(jī)輸出性能，衍生出SVPWM等更多的控制方案。

基于以上控制拓?fù)浜涂刂品桨傅耐ㄓ米冾l器和高性能變頻器仍有很大區(qū)別，在控制算法、調(diào)速范圍、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)速精度和轉(zhuǎn)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(jù)負(fù)載的特性和應(yīng)用環(huán)境選擇對應(yīng)的變頻控制器，工程師在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)應(yīng)仔細(xì)甄別。

2 變頻控制器的發(fā)展

變頻調(diào)速發(fā)展起來之前，通常采用變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，但只能用于交流異步電動(dòng)機(jī)的控制，存在性能較差的特點(diǎn)，變頻調(diào)速控制方式很好的解決了該問題，真正實(shí)現(xiàn)了無級調(diào)速，同時(shí)擁有優(yōu)秀的輸出特性。

按照應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為交直角和交交變頻。交直交電壓型變頻器因結(jié)構(gòu)簡單，功率因數(shù)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(xiàn)有變頻空調(diào)所應(yīng)用的變頻控制框圖，主要包含整流、儲(chǔ)能、逆變和控制系統(tǒng)四個(gè)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(shù)和降低諧波含量，工程師通常采用無源PFC或有源PFC進(jìn)行校正；儲(chǔ)能是為了獲得穩(wěn)定的直流母線電壓，為后級的逆變提供一個(gè)穩(wěn)定的輸入電源；逆變器是將直流電轉(zhuǎn)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(jù)負(fù)載需求進(jìn)行調(diào)整；控制系統(tǒng)是整個(gè)變頻控制的大腦，根據(jù)負(fù)載需求進(jìn)行控制，保證輸入、輸出要求的同時(shí)，也要保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

3 變頻控制在制冷中的作用

制冷空調(diào)的冷媒流動(dòng)狀態(tài)如圖4所示，位于圖中心位置的為壓縮機(jī)，是冷媒流動(dòng)的動(dòng)能來源。在室外側(cè)，壓縮機(jī)將吸入的低溫低壓的冷媒經(jīng)過壓縮后，變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)，再經(jīng)過冷凝器將熱量釋放，變?yōu)榈蜏馗邏旱臓顟B(tài)；此時(shí)冷媒流入到室內(nèi)機(jī)側(cè)，經(jīng)過節(jié)流裝置后進(jìn)入到蒸發(fā)器中，變?yōu)榈蜏氐蛪旱臓顟B(tài)，此時(shí)吸收室內(nèi)側(cè)的熱量，然后再回到壓縮機(jī)中，如此往復(fù)，完成室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)的能量交換。

圖4 制冷空調(diào)冷媒狀態(tài)圖

如圖5所示，要想完成室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)的能量交換，需要逐級進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和傳遞。

圖5 變頻空調(diào)能量轉(zhuǎn)換圖

空調(diào)的電控單元將電能轉(zhuǎn)換為電機(jī)的動(dòng)能，然后再依次轉(zhuǎn)換為壓縮缸體的機(jī)械能和冷媒的動(dòng)能，經(jīng)過冷凝和蒸發(fā)，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(zhuǎn)換為壓縮機(jī)或者電機(jī)的機(jī)械能，而完成該過程任務(wù)的板塊就是控制器板塊，如果要達(dá)到無極調(diào)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(zhí)行機(jī)構(gòu)，將輸入電源進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換，給到直流或交流負(fù)載，負(fù)載通過電磁力從而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或者電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 電氣傳動(dòng)圖示

由于交流電機(jī)沒有碳刷及整流子，具有免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣的特性，但若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能則需要使用復(fù)雜的控制技術(shù)才能達(dá)到。

半導(dǎo)體和微處理器的出現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的控制，并且達(dá)到輸出類似直流電機(jī)的性能，交流電機(jī)與變頻控制器的完美結(jié)合，使得變頻技術(shù)在制冷空調(diào)領(lǐng)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(dòng)、低頻、中頻和高頻運(yùn)行問題，由于壓縮機(jī)輸出變量并不是恒定不變的，其負(fù)載具有突變特點(diǎn)，因此控制壓縮機(jī)與控制電機(jī)相比，變頻空調(diào)控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。

在硬件設(shè)計(jì)方面，需要根據(jù)不同的輸入電源和功率等級進(jìn)行設(shè)計(jì)。在圖3的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、應(yīng)力應(yīng)變設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)，還要考慮工藝生產(chǎn)以及售后維護(hù)等因素。

以上軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜，需要專業(yè)的變頻控制設(shè)計(jì)人員，即便如此，設(shè)計(jì)出的變頻控制器仍需滿足成本要求，由于硬件和軟件設(shè)計(jì)在功能上能夠在部分電路方面具有可以相互轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，越來越多的電路可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，隨著時(shí)代發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，變頻器朝著小型化、高頻化方向發(fā)展[2]，同時(shí)軟件控制也越來越成熟，因此只有將硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)完美結(jié)合，才能得到性價(jià)比最優(yōu)的變頻控制器。

目前變頻空調(diào)基本得到普及，從以往的僅有壓縮機(jī)變頻，逐漸走向風(fēng)機(jī)也是變頻驅(qū)動(dòng)，而且在有些高檔空調(diào)中，為了獲得更好的控制效果（如圖7所示），相應(yīng)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(diào)，還是中大功率的商用空調(diào)，基本都采用變頻控制技術(shù)；隨著國家對能效指標(biāo)要求越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的定頻空調(diào)已經(jīng)無法滿足國家能效標(biāo)準(zhǔn)要求，因此不久之后定頻空調(diào)將退出歷史舞臺(tái)。

圖7 變頻定頻空調(diào)效果對比圖

不僅如此，節(jié)能而且可以發(fā)電的光伏空調(diào)也已經(jīng)面世，這些新的空調(diào)技術(shù)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(jié)論

通過對空調(diào)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(diào)帶來更好的輸出特性，但其應(yīng)用也存在諸多的設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際的變頻空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，變頻控制是由軟件與硬件協(xié)同組成的系統(tǒng)，而且這個(gè)系統(tǒng)與負(fù)載特性和負(fù)載工作的環(huán)境息息相關(guān)，因此變頻控制器的好壞，應(yīng)進(jìn)行綜合評價(jià)。

作為空調(diào)技術(shù)的核心控制單元，變頻控制技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合將會(huì)越來越多，人們在以后的生活中無論是空調(diào)還是其他電器領(lǐng)域，將會(huì)看到更加多樣的變頻控制應(yīng)用。