变频技术在家用空调中的应用

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1、低压控制电器及变频器实训结业论文专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气08-5 姓 名： 初晓宇 学 号： 20084073522 信息技术学院电气工程系2011年 11 月 12 日变频技术在家用空调中的应用摘要变频空调应用高新的变频技术,增强了空气调节功能,在家用空调当中占有较大的优势。着重介绍变频技术如何应用于家用空调中,并通过与普通家用空调相比较,总结出变频空调的特点。关键词:空调;变频技术;变频空调特点前言早在20世纪80年代初,日本各大公司如日立、松下、三菱、三洋、夏普、东芝等空调企业已相继将变频技术应用在家用空调器上,到了20世纪90年代,变频技术已从交流变频转向直流变频,

2、控制技术由PWM(脉冲宽度调制)发展为PAM(脉冲振幅调制),我国的上海日立公司已经直流技术应用在家用空调器上,并称完全直流变转速空调器1。变频空调与普通空调(或称定速空调)最主要的区别是前者增加了变频器,目前,变频空调器中的变频电路有交流变频和直流变频两种形式。1交流变频1.1异步电动机的转速与频率的关系异步电动机的转子的速度n1可用下式表示n1=60fp(1-s)式中,f电流频率p电机极对数s转差率由上式可知,只要改变异步电动机的供电频率,电机的转速便会发生改变,家用交流变频空调就是根据这一基本原理来运行的。1.2压缩机的定子电压与频率的关系压缩机的定子电压U1可用下式表示U14.44kf

3、N1式中,k电机绕组系数N1每相定子绕组匝数每极磁通由上式可知,在保持恒定的情况下,改变频率f的大小时,电机定子电压U1必须随之同时发生变化,即在变频的同时也要变压。这种调节转速的方法简称为V/F变频控制。现在家用变频空调的控制方法基本上都是采用这种方法来实现变频调速的。图1为一家用变频空调的V-f曲线图,V-f曲线由变频压缩机性能决定。1.3交流变频控制器的原理变频控制器的原理如图2所示,220V/50Hz的市电经桥式整流器整流和电容滤波后得到310V左右的直流电,此直流电被输送到功率模块(变频模块),功率模块内部是由三组(每组两支)大功率的开关晶体管组成,其作用是将输入模块的直流电压通过晶

4、体管的开关作用(A+、A-不能同时导通,B+、B-不能同时导通,C+、C-不能同时导通),给压缩机三相线圈同时通电,且三相间电流的相位各差120,使压缩机获得运转所需的电源,压缩机为一三相交流电机。但功率驱动元件不能像类似音频功放的推挽电路输出正弦波,开关状态只能产生矩形波的电源,而电动机需要的是正弦波的电源,为了解决这一矛盾,变频电路又通过产生一串相互对称,脉冲宽度不同的矩形波来等效正弦波,这就是脉冲宽度调制(PWM)方法1。脉宽调制(PWM):在输出电压每半个周期内,把输出电压的波形分成若干个脉冲波,由于输出电压的平均值与脉冲的占空比(脉冲的宽度除以脉冲的周期称为占空比)成正比,在进行脉宽

5、调制时,使脉冲序列的占空比按照正弦波的规律进行变化,即当正弦波幅值为最大值时,脉冲的宽度也最大,当正弦波幅值为最小值时,脉冲的宽度也最小(如图3所示),用此办法来等效正弦波,在调节频率的同时,不改变脉冲电压幅度的大小,而是改变脉冲的占空比,可以实现变频也变压的效果。控制频率改变的信号主要由空调器的室温感应元件提供,室温感应元件将室内温度采集传送到主控板芯片,经过比例与积分运算后,将结果输出至功率模块,通过改变开关晶体管的导通时间,以及改变脉冲序列占空比变化的快慢来达到变频目的。1.4电子膨胀阀工作原理家用变频空调的节流运用电子膨胀阀以控制流量,室外机微处理器可以根据设在膨胀阀进出口、压缩机吸气

6、管等多处的温度传感器收集的信息,来控制阀门的开启度,随时改变制冷剂的流量,压缩机的转速与膨胀阀的开启度相对应,供压缩机的输送量与通过阀的供液量相适应,使其过热度不致于太大,蒸发器的能力得到最大限度的发挥,从而实现制冷系统的最佳控制1。2直流变频2.1直流变频概念人们把采用无刷直流电机作为压缩机电机的家用空调器称为“直流变频空调”,从概念上图4直流变频的控制原理图来说是不确切的,因为直流电是没有频率的,所以也就谈不上变频,但人们已经形成了习惯,对于采用无刷直流压缩机的家用空调器就称之为直流变频空调,严格地讲,这种家用空调应该称作“直流变转速空调器。”2.2直流变频控制器的原理家用直流变频空调其关

7、键在于采用了无刷直流电机作为压缩机电机,并且比交流变频多一位置检测电路,其控制电路与交流变频控制器相类似(如图4所示)。直流变频控制器的功率模块(变频模块)每次只导通二个晶体管(A+、A-不能同时导通,B+、B-不能同时导通,C+、C-不能同时导通),所加在压缩机电机两相线圈上的电压波形不是交流电动机的正弦波,而是矩形波(即每个脉冲的占空比相等,如图5所示),通以直流电,驱动压缩机运转。2.3直流无刷压缩机电机工作原理家用直流变频空调所用的无刷压缩机电机,即线圈是定子,永久磁铁是转子,可以通过晶体管的开关作用改变线圈中电流的方向,实现无刷换向。电动机的转速是靠PWM来改变输出电压来实现控制的,

8、输出电压与转速成正比。由于无刷直流电机在运行时,必须实时检测出永磁转子的位置,从而进行相应的驱动控制,以驱动电机换相,才能保证电机平稳地运行。在无刷直流电动机中总有两相线圈通电,一相不通电,通常用不通电的一相作为转子位置检测信号用线,因为磁铁转动,线圈里产生感应电压,由于此电压的相位和磁铁的位置有一定关系,可测出转子的位置,通过专门设计的电子回路转换,反过来控制定子线圈的换相。但感应电压只在电动机运转时产生,在起动时处于停止状态,不能检测到转子的位置,这时需要强制性输出驱动波形,从电动机开始运转到某种程度,可以靠感应电压测出转子位置时,再切换为边输出波形边测出位置的驱动方式。3变频空调的特点3

9、.1适应负荷的能力强普通家用空调的制冷能力随着室外温度的上升而下降,而家用变频空调通过压缩机转速的变化,可以实现制冷量随室外温度的上升而上升,下降而下降,这样就实现了制冷量与房间热荷的自动匹配,改善了舒适性,也节省了电力2。3.2温度调节方法较佳以制冷状态为例,普通家用空调的温度调节方法:达到设定温度压机停,室内温度高于设定温度1,压缩机重新开启。家用变频空调的温度调节方法:室温每降低0.5,运转频率就降低一档,相反,室温每升高0.5,运转频率就升高一档,即室温越高,运转频率越大,以便空调快速制冷,室温越接近设定温度,运转频率就越小,提供的制冷量也越小,以维持室温在设定温度附近,温度波动小,人

10、体没有忽冷忽热的感觉1。3.3启动电流小普通家用空调以定频启动,启动电流大于额定电流。家用变频空调低频启动,启动电流很小,减少对压缩机的启动冲击。3.4高效节能普通家用空调开/关方法控制,压缩机开关频繁,耗电多,家用变频空调自动以低频维持室温基本恒定,避免压缩机频繁开启,比常规空调省电30%左右3。但家用变频空调的节能不是绝对的,还涉及到制冷量与热负荷相匹配的问题,如果热负荷过大,压缩机长时间处于高频运转状态,家用变频空调比普通家用空调更耗电。所以,家用变频空调省电的前提是正确的选择容量。3.5电压适应范围宽普通家用空调在电压低于180V左右时,压缩机就不能启动,而家用变频空调在电压很低时,降

11、频启动,最低启动电压可达150V,运行电压在160250V的范围内1。3.6超低温制热效果好普通家用空调压缩机转速恒定,在环境温度0时,实际上没有什么制热效果;家用变频空调低温下以高频运转,制热量是常规空调的3、4倍,在室外温度为-10-15时,仍能正常工作1。3.7制冷制热速度快普通家用空调压缩机只有一种转速,不可能实现满负荷时的强劲运转;家用变频空调在人多时、刚开机时或室内外温差较大时,可实现高频强劲运转,要使室内温度改变10,仅需常规空调的1/3时间,约为35min1。3.8较好的除湿功能普通家用空调除湿时定时开/关室内风机,除湿时有冷感,家用变频空调低频运转,只除湿不降温,又不会改变除

12、湿效果。3.9运转噪声低普通家用空调的室内机一般只有3档风速调节,而家用变频空调的室内风扇电机,会随压缩机的工作频率在12档风速范围变化,因而实现了低噪声的运行2。3.10除霜性能好空调在冬季制热时,室外换热器上由于温度较低造成结霜,影响吸热效果。普通家用空调一般采用逆循环办法来除霜,导致室温下降。而家用变频空调采用不间断供暖的方式来除霜,它一般采用电子膨胀阀作为节流元件,除霜时,电子膨胀阀全开,压缩机为使供热量增加而以最大频率运转,排气的热量先向室内供热,室内风机间歇式运转,可向室内吹出近40的暖风,余下的热量输送到室外,这时室外风机完全停止运转,余热将换热器翅片上的霜融化3。4 结束语变频

13、技术是20世纪80年代问世的一种高新技术,它应用在家用空调上,使家用空调在节能、舒适、工作适应范围等方面都得到了很大的改善,使家用空调完成了一次新的革命。但家用变频空调生产成本高,价格一般比同匹数普通空调高,目前在发达国家比较普及。但目前有些家用变频空调存在的问题是谐波达不到电磁兼容的标准(EMC)要求,谐波对人体的影响是很小的,甚至可以忽略不计。谐波的危害主要是指对电网产生的干扰作用。家用变频空调的工作原理会产生谐波,从而引起电网的不纯净,当谐波严重时,就会导致局部电网的瘫痪。如果厂家引进抑制谐波技术,又会增加成本。所以这些家用变频空调的谐波问题,是其无法通过EMC认证的原因。现在国内外的家用变频空调技术都不够成熟,特别是功率模块的散热问题没有得到很好的解决。所以变频空调往往比普通空调更容易出现故障,而且维修成本高,这些不利因素也在某种程度上制约了家用变频空调的发展。参考文献1肖凤明,王清兰,朱长庚.变频空调器微电脑控制电路分析与速修技巧M.北京:机械工业出版社,2004,1.2刑振禧.高级制冷设备维修工M.北京:机械工业出版社,2001,5.3尹选模.电冰箱与空调器M.北京:中国商业出版社,1997,8.