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    新業防爆空調:變頻空調器的原理及特點

    發布日期:[2017-04-12 23:08:00]    共閱[]次

    新業防爆空調:在科學技術發展日新月異的今天,空調器也與其他高科技產品一樣,以加速度的趨勢發展。電動機變頻調速技術的發展與應用,更為變頻空調器的發展注入了新的活力。

    1964年,德國的 A·Schonung等提出脈寬調制變頻技術(Pulse Width Modulation)。這種調速控制技術的核心部件是逆變器——將直流電變為頻率可調的交流電的裝置。隨著電子技術、微電子技術、單片機控制技術的發展,逆變器的功率、功能日益強大,性價比越來越高。三洋公司從1974年開始生產變頻空調器,目前三洋公司在日本本土生產的空調器中,變頻空調器的產量約占 80%。在一些發達國家里,變頻空調在家庭中的普及率已達60%。國外變頻空調品牌主要有日本三洋、松下、日立、大金、夏普等。國產變頻空調主要有海信、海爾、美的、格力等品牌。由于變頻空調器的復雜性,在學習變頻空調器的維修知識以前,我們先來了解變頻空調器的工作原理及特點,在后面的文章中重點講述變頻空調器的電路、系統特點和維修方法。
    一、變頻空調的工作原理

    1、 交流變頻空調的基本原理:

    在敘述變頻空調器的工作原理前,讓我們先熟悉一下異步電動機調速運行原理:異步電動機的定子繞組流過電流產生旋轉磁場,在轉子繞組內感應出電動勢,因而產生感應電流。此電流與定子旋轉磁場之間相互作用,便產生電磁力。一般說來,P極的異步電動機在三相交流電的一個周期內旋轉2/P轉,所以表示旋轉磁場轉速的同步速度N0與極數P、電源頻率f的關系可用下式表示:

    N0=120/P×f(r/min)

    但異步電動機要產生轉矩,同步速度N0與轉子速度N1必須有差別,其速度差與同步速度的比值S稱為“轉差率”,所以轉子速度N1,可用下式表示:

    N1=120/p ×f(1一S)(r/min)

    由上式可知,改變電動機的供電頻率f,就可以改變電動機的轉子轉速N1。異步電動機在運行時,產生的感應電動勢E1為:

    E1=4.44kf N1Φ

    式中,k — 電機繞組系數;

    N1 — 每相定子繞組匝數

    Φ — 每極磁通

    由于定子阻抗上的壓降很小,可以忽略,這樣,我們便可以得到:

    U1≈E1=4.44kfN1Φ(U1為壓縮機定子電壓)

    即:Φ=(1/4.44kfN1)×(U1/f)

      由上式可知,磁通Φ與U1/f成正比。對于磁通 Φ,我們通常是希望其保持在接近飽和值,如果進一步增大磁通 Φ,將使電機的鐵心飽和,從而導致電機中流過很大的勵磁電流,增加電機的銅損耗和鐵損耗,嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。而磁通 Φ的減小,則鐵心未得到充分的利用,使得輸出轉矩下降。這樣,由上式可知,要保持 Φ恒定,即要保持U1/f恒定,改變頻率f的大小時,電機定子電壓U1必須隨之同時發生變化,即在變頻的同時也要變壓。這種調節轉速的方法我們稱為VVVF(Vairble Voltage Varibe Frequency),簡稱為V/F變頻控制。現在變頻空調的控制方法基本上都是采用這種方法來實現變頻調速的。圖1為變頻空調器的V-f曲線圖,V-f曲線圖由變頻壓縮機性能來決定。

    圖1 變頻空調器某變頻壓機的V-f曲線圖

    2、 實現V/f變頻控制的方法

    在講了上述異步電動機的調速原理后,這里重點講述變頻空調器是怎樣實現V/f變頻控制的,即在逆變器中廣泛采用的PWM(脈寬調制)技術。 異步電動機用的逆變器驅動時的方框圖如圖2所示:



    圖2 異步電動機用逆變器驅動方框圖

    圖2中,整流器將交流變為直流,平滑回路將此脈動直流平滑后,由逆變器將它變換為頻率可調的交流電。如圖3(a)所示,把一個正弦波分成N等分(圖中N=12),然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積,都用一個與此面積相等高的矩形脈沖來代替,矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的



    圖3與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波中點重合(如上圖),這樣,由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的正半周等效。同樣,正弦波的負半周也可用相同的方法來等效。圖3(b)的一系列脈沖波形就是所期望的逆變器PWM(Pule Width Modulation)波形。由于各脈沖的幅值相等,所以逆變器可由恒定的直流電源供電。也就是說,這種交一直一交變頻器中的變頻器采用不可控的二極管整流器就可以了。逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。如逆變器各開關器件都是在理想狀態下工作,驅動相應開關器件的信號也應是與圖3(b)形狀相似的一系列脈沖波形。由于PWM調制輸出的電壓波形和電流波形都是非正

    弦波,具有許多高次諧波成分,這樣就使得輸入到電機的能量不能得以充分選用,增加了損耗。為了使輸出的波形接近于正弦波,提出了正弦波脈寬調制(SPWM)。所謂SPWM調制,簡單地來說,就是在進行脈寬調制時,使脈沖序列的占空比按照正弦波的規律進行變化,即,當正弦波幅值為最大值時,脈沖的寬度也最大,當正弦波幅值為最小值時,脈沖的寬度也最小(如圖4所示)。這樣,輸出到電動機的脈沖序列就可以使得負載中的電流高次諧波成分大為減小,從而提高了電機的效率。SPWM波形的特點概括起來就是“等幅不等寬,兩頭窄中間寬”。

    圖4 SPWM波形
    二、交流變頻控制器的原理框圖

    變頻控制器的原理框圖如圖5所示,它主要是由以下環節組成,即整流器、濾波器、功率逆變器。變頻器中的電腦控制系統,對各取樣點傳來的信號進行分析處理,并經內部波形產生新的控制信號,再經驅動放大去控制變頻開關,產生相應頻率的模擬三相交流電壓,供給壓縮機。



    圖5 交流變頻控制器的原理框圖

    1、整流濾波原理: 整流器是將交流電源轉換為直流電的裝置,采用硅整流元件橋式連接,整流器結構可分為單相和三相電源輸入。一般變頻空調器

    電控率在2kW以下多采用單相電源輸入,當電控率在2kW以上時,多采用三相電源輸入。單相和三相整流電路的不同之處只是在電流中多增加了2個整流二極管。濾波電路的作用是使輸出直流電壓平滑且得到提高,常采用大容量電容器,電容量一般在1500~3000uF之間 。因該電容器量大,放電時間長,所以在檢修變頻器時先需將電容放電。放電時用二根導線通過一個500Ω的大功率電阻并聯在電容二端,檢修時如不放電,將會造成人員傷亡事故。

    2、功率逆變器原理。功率逆變器(又稱變頻模塊)是將直流電轉換為頻率與電壓可調的三相交流變頻裝置,如圖5所示,變頻空調上通常采用6個IGBT構成上下橋式驅動電路。以功率晶體管為開關元件的交—直—交電路中,控制線路使每只功率晶體管導通180℃,且同一橋臂上兩只晶體管一只導通時,另一只必須關斷。相鄰兩相的元件導通相位差在120℃,在任意360℃內都有三只功率管導通以接通三相負載。當控制信號輸出時,A+、A-、B+、B-、C+、C-各功率管分別導通,從而輸出頻率變化的三相交流電使壓縮機運轉。在實際應用中,多采用IPM(Intelligent Power Module)模塊加上周圍的電路(如開關電源電路)組成。IPM是一種智能的功率模塊,它將IGBT連同其驅動電路和多種保護電路封裝在同一模塊內,從而簡化了設計,提高了整個系統的可靠性。現在變頻空 調常用的IPM模塊有日本的三菱和三洋IPM系列。

    三、直流變頻空調的原理

    直流變頻空調其關鍵在于采用了無刷直流電機作為壓縮機,其控制電路與交流變頻控制器基本一樣。

    1、直流變頻空調的基本原理

    我們把采用無刷直流電機作為壓縮機的空調器稱為“直流變頻空調”從概念上來說是不確切的,因為我們都知道直流電是沒有頻率的,也就談不上變頻,但人們已經形成了習慣,對于采用無刷直流壓縮機的空調器就稱之為直流變頻空調。

    (1) 無刷直流電機

    無刷直流電機與普通的交流電機或有刷直流電機的最大區別在于其轉子是由稀土材料的永久磁鋼構成,定子采用整距集中繞組,簡單地說來,就是把普通直流電機由永久磁鐵組成的定子變成轉子,把普通直流電機需要換向器和電刷提供電源的線圈繞組轉子變成定子。這樣,就可以省掉普通直流電機所必須的電刷,而且其調速性能與普通的直流電動機相似,所以把這種電機稱為無刷直流電機。無刷直流電機既克服了傳統的直流電機的一些缺陷,如電磁干擾、噪聲、火花可靠性差、壽命短,又具有交流電機所不具有的一些優點,如運行效率高、調速性能好、無渦流損失。所以,直流變頻空調相對與交流變頻空調而言,具有更大的節能優勢。

    (2) 轉子位置檢測

    由于無刷直流電機在運行時,必須實時檢測出永磁轉子的位置,從而進行相應的驅動控制,以驅動電機換相,才能保證電機平穩地運行。實現無刷直流電機位置檢測通常有兩種方法,一是利用電機內部的位置傳感器(通常為霍爾元件)提供的信號;二是檢測出無刷直流電機相電壓,利用相電壓的采樣信號進行運算后得出。在無刷直流電動機中總有兩相線圈通電,一相不通電。一般無法對通電線圈測出感應電壓,因此通常以剩余的一相作為轉子位置檢測信號用于捕捉感應電壓,通過專門設計的電子回路轉換,反過來控制給定子線圈施加方波電壓;由于后一種方法省掉了位置傳感器,所以直流變頻空調壓縮機都采用后一種方法進行電機換相。

    3、 直流變頻空調與交流變頻空調的區別

    交流變頻空調的是將工頻市電220V轉換為310V直流電源,并把它送到功率模塊(晶體管開關等組合);同時模塊受微電腦送來的控制信號控制,輸出頻率可變的電源(合成波形近似正弦波),使壓縮機電動機的轉速隨電源的頻率變化而變化,從而可控制壓縮機的排量,快速的調節制冷和制熱量。

    直流變頻空調器同樣是把工頻市電220V轉換為直流電源,并送至功率模塊,變頻模塊每次導通二個三極管(A+、A-不能同時導通,B+、B-不能同時導通,C+、C-不能同時導通),給兩相線圈通以直流電,同時模塊受微電腦的控制,輸出電壓可變的直流電源(這里沒有逆變過程),如圖7所示,并將直流電源送至壓縮機的直流電機,控制壓縮機的排量。從圖6中可以看出,直流變頻相比交流變頻多一位置檢測電路,使得直流變頻的控制更精確。

    圖6 直流變頻控制器原理框圖

    圖7 直流變頻空調器壓縮機各繞組電壓控制圖

    四、變頻空調的優特點:

    由于變頻空調器實現了對壓縮機的變頻控制,這樣當室內空調負荷加大時,壓縮機轉速在微電腦控制下加快運轉,制冷量(或制熱量)也相應增加;

    當室內空調負荷減小時,壓縮機轉速在微電腦控制下則按比例減小。變頻式空調器具有高效、節能、啟動運轉靈活、故障判斷自動化等特點。這種空調可以節省電能20%—30%,電源輸出頻率范圍為15Hz—150Hz時,壓縮機的轉速在1500r/min—9000r/min范圍內變化。變頻空調較定速空調的優點如下表一所示:

    1、適應負荷的能力 
    如圖8,圖9所示,常規空調的制冷能力隨著室外溫度的上升而下降,而房間熱負荷隨室外溫度上升而上升,這樣,在室外溫度較高,本需要空調向房間輸出更大冷量時,常規空調往往制冷量不足,影響舒適性;而在室外溫度較低時,本需要空調向房間輸出較小冷量,常規空調往往制冷量過盛,白白浪費電力。而變頻空調通過壓縮機轉速的變化,可以實現制冷量隨室外溫度的上升而上升,下降而下降,這樣就實現了制冷量與房間熱負荷的自動匹配,改善了舒適性,也節省了電力。



    2、控溫精確
    由于采用的是不停機控制溫度,避免了壓縮機的啟停對房間溫度的頻繁沖擊,控制溫度精度可達到±0.5℃,避免了房間忽冷忽熱對人造成的不舒適。 以制冷狀態為例,圖10表示的為常規空調的溫度調節方法,其中T為室內溫度,Ts為設定溫度,達到設定溫度壓機停,室內溫度高于設定溫度1度,壓縮機重新開啟。圖11為變頻空調的溫度調節方法,室溫每降低0.5度,運轉頻率就降低一檔,相反,室溫每升高0.5度,運轉頻率就升高一檔,即室溫越高,運轉頻率越大,以便空調快速制冷,室溫越接近設定溫度,運轉頻率就越小,提供的制冷量也越小,以維持室溫在設定溫度附近,溫度波動小。


    3、軟啟動
    這是變頻空調器所獨有的優點。定速空調在啟動期間,啟動電流往往是工作電流的3-5倍,極易引起開關保護、燒保險、跳閘等現象;而變頻空調則可以很好地解決這一難題,變頻空調采用超低頻進行啟動,此時啟動電流尚不及正常的運轉電流,且一開始壓縮機運轉功率比較低,使之可以順利啟動,這時對電網的沖擊小,從而保證了電表和電網上其他電器能正常運轉。


    4、 低電壓運轉功能
    常規空調在電壓低于180V左右時,壓縮機就不能啟動,而變頻空調在電壓很低時,降頻啟動,降低啟動時的負荷,最低啟動電壓可達150V。如圖14、15所示。



    5、 節電
    變頻空調器有迅速制溫、精確保溫的特點。開機階段,壓縮機以很高的頻率運轉,可以快速達到設定溫度,此過程通常需要的時間很短;而長時間的保溫階段,壓縮機是以低頻運轉的,運轉功率僅300W左右;同容量的定頻空調每次啟動后,均有5~10分鐘的不穩定階段,此階段制冷量遠未達到設計要求,而功耗卻絲毫未減,在保溫階段,往往是空調器剛剛運行穩定,房間溫度就已經達到而造成停機,這樣就會造成空調器經常在未達到設計要求的情況下運轉,造成頻繁地啟停,頻繁地在未達到額定制冷量的情況下運行,這就消耗了許多無謂的電能。而變頻空調是以低頻運轉來代替停機,此時功耗很低,不存在每次開啟階段的無謂功耗,節省了電能。
    6、低溫制熱效果
    定速空調壓縮機轉速恒定,0°C以下壓縮機功率很低,實際上沒有什么制熱效果;變頻空調低溫下以高頻運轉, 以滿足用戶的需要。
    7、滿負荷運轉
    定速空調壓縮機只有一種轉速,不可能實現滿負荷時的強勁運轉;變頻空調在人多時、剛開機時或室內外溫差較大時,可實現高頻強勁運轉。
    8、保護功能
    定速空調每次發生電流等保護均需停壓縮機;變頻空調每當發生保護時均以適當的降頻運轉予以緩沖,可實現不停機保護,不影響用戶的使用。


    變頻空調介紹

    變頻房間空調器根據壓縮機是采用交流還是直流馬達而分為交流變頻方式和直流變頻方式兩種。

    1、交流方式
    50/60HZ交流電??直流電??交流電(30?120HZ)??交流壓縮機。

    2、直流方式

    50/60HZ交流電??直流電??直流壓縮機。
    這兩種方式比較起來,直流方式更先進,表現在更省電,運轉更寧靜和更強勁的制熱效果等。
    當然,直流變頻空調價格更高。目前,日本的房間空調器95%以上都是變頻空調,而其中直流變頻空調又占主流。美的空調事業部自九十年代初開始投入人力物力研制變頻空調,并長期堅持與日本東芝,松下等到公司進行技術合作。隨著中國消費者的實際購買力的提高,我公司將及時向市場投放直流變頻空調。
    美的研制的直流變頻空調,不僅壓縮機是直流壓縮機(其中(KFR?35GW/BP2Y更是采用高性能的雙轉子壓縮機),而且室內外風機電機都是直流無刷電機,采用世界上最先進的數字變頻控制技術,運轉更平穩,噪音更低,效率更高(比交流變頻空調高出10%)。


    壓縮機在空調器中的作用是什么?


    在空調運轉時,壓縮機降低溫、低壓的制冷劑壓縮成高溫、高壓的制冷劑,推動制冷劑在冷凍循環系統中不停的循環流動,達到制冷(暖)的目的。

    變頻式空調器為什么會省電一些?


    變頻式空調器采用了變頻壓縮機,變頻空調可根據房間冷(熱)負荷的變化自動調整壓縮機的運轉頻率。當負荷小時運轉頻率低,此時壓縮機消耗的功率小,同時避免了頻繁開停,從而更加省電。

    空調如何實現溫度控制?


    制冷時,當溫度達到遙控器設定溫度時,壓縮機停止(或以低頻運轉),當溫度重新高于遙控器設定溫度時,壓縮機重新啟動(或以高頻運轉);制暖時,當室內溫度達到遙控器設定溫度時,壓縮機停止(或以低頻運轉),當溫度重新降到遙控器設定溫度以下時,壓縮機重新啟動(或以高頻運轉)。

    空調如何實現制暖的?


    空調的制暖過程和制冷過程剛好相反,高溫高壓制冷劑在室內機冷卻釋放熱量,加熱室內機周圍的空氣,冷卻后的制冷劑經節流后在室外機熱交換器中蒸發吸收熱量,再經壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體流入室內機,如此循環達到制暖的目的。

    空調如何實現制冷的?


    低溫的液態制冷劑在室內機的熱交換器上蒸發成氣態而吸收熱量,冷卻周圍的空氣,氣態的制冷劑經壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體經室外的冷凝器冷卻釋放熱量成液體,然后液體制冷劑經節流后流入室內機蒸發,如此循環從而達到制冷的目的。

    變頻空調的優點有那些?


     變頻式空調的主要優點有: (1)、采用低頻啟動,啟動電流小對電網的干擾小,省電節能; (2)、能快速制冷、制暖;(3)、啟動后長期運轉溫度控制精度可達到±0.5℃。

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