空调电源电压和频率对输入功率的影响分析

2019-07-17张铱

日用电器 2019年6期

张铱

（珠海格力电器股份有限公司珠海 519070）

引言

由于国际上不同国家的供电方式不同，电源设计不同，用电习惯也不同，在电源的电压和频率上存在明显差异。家用电器的部分产品在开发时需要同时考虑出口到不同国家，因此在开发设计时会将家用电器设计成为多种电压和双频率，部分空调机型就是采用多种规格电源参数的供电设计。

在进行电气安全的测试时，双频率50 Hz和60 Hz都需要测试，首先需要通过测试数据来评估双频率对电气安全的影响，评估是否需要同时测试两种频率，如果两种频率的测试结果差异很大，就需要对两个频率分别进行测试，否则只需测试更恶劣的频率，电压也是同样原则。

1 输入功率

输入功率是指器具所吸收的功率，它是评估家用电器产品是否合格的一个重要因素。对于家用电器设备而言，输入功率等于输入电压与输入电流的乘积。例如电动机的输入功率定义为：电动机两端电压乘以流过电动机的电流，是指电动机实际消耗的功率。输入电流是对器具所消耗功率在其中一个因子即电流上的体现。

器具在安装时要根据具体家电运行时的电流值来选取不同电源线线径，以铜线为例，不同线径所承受的电流值不同，如表1所示。

空调所需使用的电源线线径需要根据额定电压下的输入功率（输入电流）来选择，因此需要准确评估输入功率。输入功率偏差过大，不仅是对消费者的一种误导，严重的话，更有可能造成电击、火灾等危险，严重威胁消费者的生命和财产安全。

对于空调来说，两大主要用电部件压缩机和电机，输入功率主要是由压缩机和电机来决定的。而空调又分为定频空调和变频空调两种，不管是定频空调还是变频空调，压缩机和电机的启动都是以高电压启动，即压缩机或电机在启动的时候，压缩机和电机的输入功率是最大值。

2 压缩机对输入功率的影响分析

对于定频空调来说，压缩机频率都是一定的，一般为交流压缩机。而变频空调的压缩机一般为直流压缩机，双频率变频空调的内外电机都是直流电机，而单频率变频空调内电机为交流电机，外电机为直流电机。

压缩机的输入功率对空调整机功率起着决定性作用，压缩机输入功率的改变是通过改变压缩机转速（频率）来改变单位时间内压缩机的排量，从而实现空调、热泵系统工况的变化，压缩机的输入功率不仅会受压缩机转速（频率）增加的影响，也受蒸发温度的影响，在一定的条件和范围内，输入功率随着频率的增加呈线性增加。

2.1 定频压缩机

由于定频空调的压缩机是定频的，一般为交流压缩机，需要通过压缩机电容来启动和运转，并且电网直接和压缩机相连，开机时以高电压运行，启动电流较大，即此时输入功率最大，当室内温度达到设定温度，压缩机就停止运行，此时输入功率为零。因此供电电源的电压和频率的波动会直接影响空调整机的输入功率。

2.2 变频压缩机

对变频空调来说通常使用的电源和频率为: 208 V/60 Hz、230 V/60 Hz、230 V/50 Hz，压缩机一般为三相直流变频压缩机，其IPM模块电路原理分析为：系统输入电压为220 V（AC）（宽交流电压范围为208～240 V），整流滤波后的直流电压最大值为311 V（直流范围为260 ～350 V），供给给压缩机的IPM模块，然后通过外机的CPU产生PWM信号，送入到IPM模块内部的驱动IGBT芯片，经过PWM控制六路驱动逆变成电压和频率可调的三相交流电源，每两相交流电的电压一般在40～180 V（电压值一般在220 V以下），通过U、V、W三相与压缩机相连，通过改变逆变电路6路驱动的PWM输出的脉宽来改变压缩机的端电压，改变PWM脉宽周期来改变压缩机端电压的频率，根据室内环境温度的变化来改变PWM的输出，从而达到控制压缩机的转速（频率）的目的，进而改变压缩机的输入功率，调节空调整机的制冷量和制热量。

2.3 小结

综上所述，得出结论如下：

1）交流电压经过整流滤波后成为直流电压，因此输入电源的频率对压缩机调节电压和频率没有影响；交流电经过整流滤波后的最大直流电压进入IPM模块转化为交流电，因此输入电源的电压对压缩机的输入功率几乎没有影响。

2）对于变频空调来说，刚开机时是以高电压运行，即此时输入功率最大，当室内的温度达到设定温度，压缩机就会降频，输入功率也会相应降低。

3 电机对输入功率的影响分析

3.1 直流电机

表1 铜线不同线径承受最大电流值

对于变频空调来说，电机一般为直流电机，内部具有将直流电转化为交流电的逆变器和转速检测电路，可以根据输入的模拟电压来控制电机的转速，直流电压接入后，经过PWM控制驱动逆变成电压可变的交流电源，然后与电机连接，通过改变逆变电路驱动的PWM输出的脉宽来改变电机的端电压。

通过对直流电机的分析市电经整流模块转化为直流电压，此时电源频率对电机没有影响，内部再将直流电转化为交流电，而此时的频率是根据环境温度来调节PWM脉宽周期，从而控制转速，相应的输入功率也会有相应的变化，可知电源频率对直流电机没有直接影响。

3.2 交流电机

对于定频空调来说电源频率都为单频率，并且电机一般为交流电机，除非是带有风机驱动板电机为直流电机，因此不同的频率会直接影响到交流电机的转速，交流电机的转速n 与频率f 的关系为:

式中P 为电机的磁极对数。对应于不同的磁极对数P= 1、2、3，其同步转速n = 3 000、1 500、1 000，可知转速与频率成正比，转速的变化可能严重地影响到设备的正常运转。

电机转矩M和频率f之间的关系为：

M：电机转矩，C：转矩常数，U：电源电压，s：转差率，

R*X：折算到定子线圈圈数后的转子电阻、电抗，Ke：电机绕组分布系数。

由上述公式可知，转矩与电源频率近似成反比。当50 Hz电机用于60 Hz时，虽然转矩减至原来的5/6倍，但同时转速增至原来的6/5倍，输出几乎不变，实际上，电源频率从50 Hz提高到60 Hz时转差率要稍大些，才能使电机输出保持不变。

假设电机的输出功率一定，那么当器具在工作电压降低的时候，工作电流增大。理论上来说，当频率下降时，电压下降，那么电流就会增加。但是，只要我们保证电机在低速状态，转矩相同，此时改变频率，降低电压，工作电流就不会有太大改变，这样就可以实现总功率的降低，节能省电。

3.3 小结

1）对于电机本身而言，假设磁极对数P不变，如果频率变小，则转速下降，风量减少，将严重影响到电机散热，甚至可能导致设备烧毁；如果频率变大，则转速过高，转子的离心力变大，很容易损坏转子。

2）对于50 Hz频率电机用于60 Hz电源频率时最大转矩与额定转矩之比值要降低20 %左右，除特殊情形外，对电机的使用尚无妨碍，但起动转矩减少20 % ，电机的输出可维持不变，需注意其安全使用将电源频率60 Hz电机用于50 Hz的电源频率。

3）仅全直流变频空调可能出现双频率，如果是交流电机，那么电机的电压、频率要和电源的电压、频率保持一致，不能设计为双频率，否则电机可能被烧毁。双频率对输入功率的影响无法评估。

4.实测数据分析

取2台商用空调样机（型号A1、A2）分别在制冷和制热模式下进行输入功率测试如图1所示。

具体测试数据如下：

型号A1：

相同频率，不同电压时如图2所示。

相同电压，不同频率时如图3所示。

型号A2：

相同频率，不同电压时如图4所示。

相同电压，不同频率时如图5所示。

通过以上数据分析可得：相同电压、不同频率的情况下，输入功率和电流相差不大。相同频率、不同电压的情况下，电压较低时输入功率和电流比电压高时稍大，电流的偏差较输入功率的偏差更加明显偏大。因此在相同频率、电压较低时，当输入功率相差不大的前提下，可以从电流方面进行评估，电压208～230 V时，测试低电压是更恶劣的情况。

图1 两台空调在两种模式下的功率测试

images/BZ_28_272_1770_1192_1829.png制冷电压 207.9 229.3电流 17.7 15.9功率 3 655.8 3 633.6制热电压 207.5 229.5电流 13.7 12.3功率 2 825.6 2 812.8

图2 型号A1空调测试数据①

images/BZ_28_1287_1765_2208_1824.png制冷电压 229.3 229.5电流 15.9 15.9功率 3 640.6 3 648.7制热电压 229.5 230.1电流 12.3 12.4功率 2 812.8 2 833.3

图3 型号A1空调测试数据②

5 结论

通过以上理论分析和实际测试数据，综合分析可以得知：当空调被设计为双频率和双电压时，要分不同情况对电气安全输入功率测试进行评估。总体来说，可以大致认为：相同频率、电压较低时的输入功率和电流更恶劣，空调的输入功率测试应使用低电压进行评估。在输入功率相差不大的情况下，应该从电流方面进行评估。电压相同，频率不同的情况下，低频率和高频率下进行的测试数据相近，空调的输入功率测试应综合评估。