空调变频器控制原理及方式

徐经碧

[摘  要]变频调速技术是一门先进的科学技术，由电力电子、微电子以及计算机等多种技术组成的。具有工作效率高、精确度高以及范围广泛等优点，由于其具有较高的节能效果，因此在空调、冶金、机械等领域得到了广泛的应用，而且逐渐成为了电气传动发展的主要方向。不同的变频装置具有不同的控制特性，因此在不同的应用场合中应当选择一个合适的系统。本文介绍空调变频器的常用类型，并且分析空调变频器控制原理与方式。

[关键词]空调变频器  控制原理 控制方式

中图分类号：D522 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0028-01

前言

近几年，随着电子技术以及集成电路的不断发展，生产工艺的提高，功率半导体器件的价格逐步降低，工业上开始重视起变频调速的开发。因此，相关的专业技术人员认识到开发性能良好的变频器并将其应用于工业控制中的重要性，这也逐渐成为了变频空调控制工作者共同追求的目标。

1.变频器的类型

1.1 交-直-交型

交-直-交型变频器首先通过整流器将交流电转变为直流电，再通过逆变器将直流电转化为频率可以调节的交流电。这种类型的变频器是一种间接的变频调速系统，带有直流调节环节，并且具有较宽的频率调节范围，功率因素较高，一般应用于空调变频器控制系统以及各种拖动系统。

1.2 交-交型

交-交型变频器通过利用变频器将电网交流电直接转换为电压和频率可以调节的交流电，这是一种变频调速系统，具有较高的工作效率，但是由于其调频范围较窄，而且在低速下功率因数较低，因此在低速大功率的拖动装置中比较适用。

常用的VVVF变频器通常使用交-直-交型为主，这种类型的变频器由于中间的滤波方式有所不同而分为电压型和电流型两种主要形式。

2.空调变频器控制原理

空调变频器由五个部分组成，分别为滤波电路、整流电路、功率因素校正（PFC）电路、逆变电路和MCU控制电路。其中滤波电路滤除电网中的干扰，同时滤除控制器系统对电网产生的EMI干扰。整流电路将交流电转变为直流电。功率因素校正（PFC）电路将电流信号和电压信号的相位调整一致，提高空调变频器效率。逆变电路直流电转变为频率可调的三相交流电，用于驱动压缩机。MCU控制电路为整个变频控制器的核心部分，为逆变电路以及整个变频控制器系统提供正确的控制策略。

整流电路能够同时为逆变电路和控制系统提供工作所需要的直流电源。根据控制方式的不同，整流电源既可以由直流电压源来充当，也可以由直流电流源来充当。整流电源如果由电压源来构成的话，直流滤波电路则主要是由容量较大的电解电容等元器件构成的。若整流电路是电流源的话，直流滤波电路则是由容量较大的电感组成的。直流滤波电路能够将整流电路所输出的直流电进行滤波，这样就可以得到高质量的直流电源，保证逆变电路以及控制系统的正常工作。在某些情况下，直流滤波电路还可以由制动电阻以及其他种类的辅助电路等组成，这样可以实现对电动机的制动。

功率因素校正（PFC）电路通过MCU 算法将电流信号和电压信号的相位调整一致，减小无功功率，提高空调变频器效率。同时功率因素校正（PFC）电路是BOOST拓展模式，可以将整流电路输出的直流电压进行升压，供逆变器对压缩机的高频控制。

逆变电路通过智能功率模块（IPM）将整流电路输出的高质量直流电源转变为频率可以调节的三相交流电源，驱动变频空调压缩机。

MCU控制电路是空调变频器的核心部分，是变频器的大脑，控制整个空调变频器系统的稳定可靠运行。包括对PFC电路的控制调节，逆变电路的控制调节等，同时将外围及负载反馈回来的关键信号进行处理，进而控制外围及负载的运行。

3.空调变频器控制方式

空调变频器主要是通过电子技术和计算机技术等来获取空调工作过程中所需要的电压、电流和相应的频率。各种不同类型的变频器输出一般都是电压和频率可变，而磁通量保持恒定不变。具有不同频率的电动机的机械特性各不相同，但是在工作时的气隙强度变化非常微小，因此在调速时，应当尽量使气隙磁通量保持为恒定不变的值。

4. 空调变频器的控制特性

SPWM型的变频装置由于其电动机的力矩是不受任何控制的，因此无法在高度精确的条件下控制转速，因此对于其应用范围就有了一定的限制，目前SPWM型变频器只能用于风机和泵类负载使用。如果空调变频装置使用的是矢量变换技术的话就能够对电机的磁通分量和力矩分量进行较为精确的分解，同时还能在更高的精度下对它们进行控制，这样就可以使电动机在力矩和速度方面获得良好的使用特性，因此这种类型的变频器不仅能够应用于风机以及泵类负载，同时还能对力矩和矢量的变换进行观测，但是实际上它的控制效果一般很难与理论分析所达到的效果相匹配，而且它在使用时必须要提前知道转子磁链在空间上的具体位置才能够对定子电流进行控制，因此在控制系统中必须要配制出相应的转子或者速度传感器，这种设定使其在很多场合都不适用。

直接转矩控制由于能够直接控制定子磁链，因此具有一定的优越性，在使用时不需要提前知道转速信息，而且在控制时除了定子的电阻之外能够完美适应其他所有的电机参数，而且引入的定子磁链观测器可以很迅速地对同步的速度信息进行估算，因此很容易就可以实现无速度传感器化，这种传感器也被称为无速度传感器（简称DTC）。无速度传感器需要使用足够精确的电机数学模型以及能够自动识别电机参数的系统才能够正常运行，并且自动识别出电机在运行过程中的定子阻抗互感、电动机惯量等许多重要的参数，并根据精确的模型来估算或者计算出电动机的转子转速和实际的转矩等信息。这种系统具有很高的精确度，因此在转矩响应速度和控制精度等方面都具有一定的优越性，但是由于电机转子参数无法收到控制，因此会产生一些转矩脉动，这就在一定程度上降低了调速的范围以及特性，该系统可以应用于风机和泵类负载，或者是一些对调整范围没有较高要求的场合。

在交流的调速系统中，只要能够保证系统指示的要求，使用简单的结构、成熟的技术以及尽量低的成本和尽量小的工作量来选择出最佳的系统配置，而且应当尽量克服掉盲目追求高新技术的心态，防止造成高投资、复杂技术设计、工作量大的局面，因为如果只是一味的追求高级的系统配置而忽略了现有的技术手段和工作人员的专业知识水平就会使事情事倍功半，反而不能全部发挥出高科技的优越性。首先，可以按照负载的类型来选择调速装置，负载在发生变化时，一般都是速度的变化越小，系统的稳定性越好，因此为了减少系统的误差性一般会使负载的静态速度较小，机械特性越硬。但是也会有一些负载需要机械特性较软，当发现负载超重使应当为了保障安全性而降低速度。其次，考虑到调速的经济性，应当首先想到设备的投资水平，一般来说都会有特定的系统调速要求，因此在选择变频器调速装置的时候应当根据要求慎重选择，例如风机和水泵等由于其为一般性节能调速，因此绝对不能选择矢量控制类型的变频器;而在一些对于转矩和调速特性要求较高的场合，应当直接选择矢量控制型的变频装备。

5.结语

空调变频器是一种新型的节能控制设备，在一些发达国家具有广泛的应用，近年来在我国也得到了逐渐的推广。目前常用的空调变频器使用的就是VVVF调控设备，该设备能够取代常用的启动装置，而且能够节省20%的电能。对于相关的管理人员来说，只有具备了相关的理论知识和专业基础才能够实现系统的正确运行，同时还要做好系统的日常维护工作。如果国内的空调变频器技术能够达到足够的可靠性的话，对于我国来说无疑是一个巨大的贡献。

参考文献：

[1] 李淑梅.浅析变频器的工作原理和控制方式[J].科协论坛（下半月），2009，01：10-11.

[2] 陈天毅，刘隆强，张新民，周平.变频器控制交流电动机正反转技术的研究[J].电子技术与软件工程，2015，06：133-134.