变频控制技术在制冷空调上的应用

2021-06-22杨帆梁栋

日用电器 2021年5期

关键词：变频空调冷媒变频

杨帆梁栋

（珠海格力电器股份有限公司珠海 519070）

引言

由于变频空调具有温度波动小、电能消耗少，舒适度高而受到市场欢迎，但是它的变频控制系统由于体积较大、价格高、控制难度大而成为众多工程师的研究对象，通过深入的研究，希望获得更低的价格、更优秀的输出性能和更稳定的输出效果。

1 变频控制器的工作原理

电机工作的原理为：定子自身的三相电流产生定子旋转磁场，转子感应电流后自身形成转子旋转磁场，定子磁场与转子磁场产生相互作用力，最终实现电机旋转[1]。电机结构及定子旋转磁场示意图如图1所示。

图1 电机结构及定子旋转磁场示意图

电机的输出能力是通过改变电机转子转速实现的，而改变转子转速则需要改变定子磁场，定子磁场的改变需要变频控制器输出不同的电压和电流来实现。

式中：

n—电机机械转速；

f—定子电流频率；

p—电机极对数。

如公式（1）所示，当一个电机参数固定之后，电机的极对数是一个定值，电机转速的大小完全由通入电机的电流频率决定，因此只要改变电流频率就可以改变电机运行转速。

为了改变运行电流频率，在硬件上需要逆变电路来实现该功能，逆变电路的拓扑如图2所示。通过控制单元按照一定的开关逻辑开通和关断，从而在U、V、W三个端口输出需要的电压和电流波形，从而驱动电机运转。

图2 逆变电路控制主拓扑

为了得到满足要求的电流波形，目前比较通用的控制方法是PWM调制，以及在此基础上优化的SPWM调制方式，后续为了得到更好的电机输出性能，衍生出SVPWM等更多的控制方案。

基于以上控制拓扑和控制方案的通用变频器和高性能变频器仍有很大区别，在控制算法、调速范围、启动转矩、稳速精度和转矩控制方面高性能变频器特性都比通用变频器要好，但是通用变频器适用范围更宽，因此用户需要根据负载的特性和应用环境选择对应的变频控制器，工程师在设计应用时应仔细甄别。

2 变频控制器的发展

变频调速发展起来之前，通常采用变极调速、调压调速和转子串电阻调速方式，但只能用于交流异步电动机的控制，存在性能较差的特点，变频调速控制方式很好的解决了该问题，真正实现了无级调速，同时拥有优秀的输出特性。

按照应用特点进行分类，主要有表1三种方式，供电电源分为低压和高压，控制算法分为通用和高性能，拓扑结构分为交直角和交交变频。交直交电压型变频器因结构简单，功率因数高，因此受到大家的广泛使用。

表1 变频控制器分类表

图3所示为现有变频空调所应用的变频控制框图，主要包含整流、储能、逆变和控制系统四个单元。

图3 交直交变频控制框图

整流是将交流变换成直流的电力电子装置，为提高功率因数和降低谐波含量，工程师通常采用无源PFC或有源PFC进行校正；储能是为了获得稳定的直流母线电压，为后级的逆变提供一个稳定的输入电源；逆变器是将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，而输出电流近似正弦波，电流波形和频率根据负载需求进行调整；控制系统是整个变频控制的大脑，根据负载需求进行控制，保证输入、输出要求的同时，也要保证整个系统的可靠性。

3 变频控制在制冷中的作用

制冷空调的冷媒流动状态如图4所示，位于图中心位置的为压缩机，是冷媒流动的动能来源。在室外侧，压缩机将吸入的低温低压的冷媒经过压缩后，变为高温高压状态，再经过冷凝器将热量释放，变为低温高压的状态；此时冷媒流入到室内机侧，经过节流装置后进入到蒸发器中，变为低温低压的状态，此时吸收室内侧的热量，然后再回到压缩机中，如此往复，完成室内侧和室外侧的能量交换。

图4 制冷空调冷媒状态图

如图5所示，要想完成室内侧和室外侧的能量交换，需要逐级进行能量转换和传递。

图5 变频空调能量转换图

空调的电控单元将电能转换为电机的动能，然后再依次转换为压缩缸体的机械能和冷媒的动能，经过冷凝和蒸发，最终完成能量交换的过程。

从上面的分析可以看出，电控单元的作用是将电能转换为压缩机或者电机的机械能，而完成该过程任务的板块就是控制器板块，如果要达到无极调速，那么就需要使用变频控制器。

如图6所示，控制器作为中间执行机构，将输入电源进行电力转换，给到直流或交流负载，负载通过电磁力从而驱动压缩机或者电机运转。

图6 电气传动图示

由于交流电机没有碳刷及整流子，具有免维护、坚固、应用广的特性，但若要达到相当于直流电机的性能则需要使用复杂的控制技术才能达到。

半导体和微处理器的出现可实现交流电机的控制，并且达到输出类似直流电机的性能，交流电机与变频控制器的完美结合，使得变频技术在制冷空调领域得到迅速的推广。

为了获得更好的变频控制器输出性能，在软件方面需要解决启动、低频、中频和高频运行问题，由于压缩机输出变量并不是恒定不变的，其负载具有突变特点，因此控制压缩机与控制电机相比，变频空调控制系统更为复杂。

在硬件设计方面，需要根据不同的输入电源和功率等级进行设计。在图3的基础框架上，还要保证控制器电气安全和可靠性。不仅需要考虑原理设计、PCB设计、散热设计、应力应变设计、EMC设计，还要考虑工艺生产以及售后维护等因素。

以上软件设计和硬件设计都比较复杂，需要专业的变频控制设计人员，即便如此，设计出的变频控制器仍需满足成本要求，由于硬件和软件设计在功能上能够在部分电路方面具有可以相互转化的特点，越来越多的电路可以通过软件实现，随着时代发展，半导体技术的突飞猛进，变频器朝着小型化、高频化方向发展[2]，同时软件控制也越来越成熟，因此只有将硬件设计和软件设计完美结合，才能得到性价比最优的变频控制器。

目前变频空调基本得到普及，从以往的仅有压缩机变频，逐渐走向风机也是变频驱动，而且在有些高档空调中，为了获得更好的控制效果（如图7所示），相应的控制阀体也更改为变频控制，因此无论是小功率家用空调，还是中大功率的商用空调，基本都采用变频控制技术；随着国家对能效指标要求越来越严格，传统的定频空调已经无法满足国家能效标准要求，因此不久之后定频空调将退出历史舞台。