中央空調(diào)變頻電路的基本結(jié)構(gòu)知識

目前，在中央空調(diào)系統(tǒng)中，不論是商用中央空調(diào)還是家用中央空調(diào)系統(tǒng)，為達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的，基本上都釆用了變頻技術(shù)，具體體現(xiàn)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路上，且在中央空調(diào)的室外機(jī)中，壓縮機(jī)采用變頻式壓縮機(jī)，下面首先介紹變頻電路的基礎(chǔ)知識。

一、壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方式

壓縮機(jī)是空調(diào)器中的動(dòng)力核心，壓縮機(jī)的動(dòng)作是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，空調(diào)器的壓縮機(jī)實(shí)際上是將壓縮機(jī)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)制成一體化的結(jié)構(gòu)。空調(diào)器的制冷（或制熱）速度與壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式實(shí)際上是對它的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制，其控制方式有如下 幾種：

1.斷續(xù)控制方式

斷續(xù)控制方式是一種恒速（恒頻）的方式，即傳統(tǒng)的空調(diào)控制方式，當(dāng)需要制冷（或制熱）時(shí)，起動(dòng)壓縮機(jī)；當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定溫度時(shí)則停止壓縮機(jī)。不改變壓縮機(jī)供電的電壓和頻率。

上圖所示是直接用交流220V, 50Hz的電源供電，經(jīng)繼電器變成斷續(xù)供電的方式。傳統(tǒng)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制方式是交流電源斷續(xù)（ON/OFF）控制方式，釆用這種控制方式的空調(diào)器被稱為定頻/定速空調(diào)器。壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)多采用單相異步電動(dòng)機(jī)，控制電路比較簡單。220V交流電經(jīng)繼電器為壓縮機(jī)供電，在需要制冷時(shí)繼電器接通220V交流電并將其加到壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)繞組上，電動(dòng)機(jī)以全速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行制冷。當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，控制電路使繼電器切斷220V供電電源，壓縮機(jī)停機(jī)，室內(nèi)溫度上升后再次起動(dòng)繼電器使壓縮機(jī)起動(dòng)。這種方式電 源供電的電壓不變（220V）、頻率不變（50Hz）,電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也不變。繼電器只控制電源的通斷。壓縮機(jī)的頻繁起動(dòng)會增加耗電，使效率降低，也容易造成零部件的損壞。

2.變頻控制方式

為了提率、減低故障率，可采用另外一種控制方式，控制壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種空調(diào)器又稱變頻空調(diào)器。所謂變頻空調(diào)器是通過改變壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的供電頻率達(dá)到速度控制的目的。這種方式從供電方式上來分有兩種，即交流變頻方式和直流變頻方式。從控制速度方式上來分，變頻空調(diào)器有以下控制方式：

① PWM （Pulse Width Modulation）方式，即脈沖寬度調(diào)制方式，簡稱脈寬調(diào)制，控制能量的大小用脈沖的寬度來表示。

② PAM （Pulse Amplitude Modulation）方式，即脈沖幅度調(diào)制的方式，控制能量的大小用脈沖的幅度來表示。

③ PWM + PAM的控制方式，即將上述兩種方式結(jié)合起來對壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制， 既改變驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，又改變脈沖的幅度。

二、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理

1.直流斷續(xù)控制方式

直流斷續(xù)器控制電路，直流電源經(jīng)晶體管VT為直流電動(dòng)機(jī)M供電。VT 受控制電路的控制，VT導(dǎo)通時(shí)則為電動(dòng)機(jī)供電，截止時(shí)則停止供電。當(dāng)VT基極加上脈沖信號時(shí)，電源經(jīng)VT為電動(dòng)機(jī)提供脈沖電壓。

圖b所示為控制脈沖的寬度變化時(shí)，平均電壓會發(fā)生變化，因此會使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。

2.脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式

PWM方式的信號波形，每個(gè)脈沖的周期相等，但脈沖的寬度不等。這種信號脈沖的寬度越寬，平均電壓則越高。

3.脈沖幅度調(diào)制（PAM）方式

PAM方式是通過控制脈沖信號的幅度實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的控制的，電路采用直流電源供電。當(dāng)晶體管VT1、VT4導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)的供電電流從上向下流動(dòng)；當(dāng)VT2、VT3導(dǎo)通時(shí)，電動(dòng)機(jī)的供電電流從下向動(dòng)。輸入的是直流電，輸出的是交流電。通過邏輯控制可以使輸出實(shí)現(xiàn)三值控制，即正電壓、零電壓和負(fù)電壓。

4.模擬正弦波形控制方式

交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制方式可以轉(zhuǎn)換成電壓的控制方式，也可以轉(zhuǎn)換成頻率的控制方式。脈沖信號的寬度變化會引起平均電壓幅度的變化，脈沖組周期變化可以 引起輸出頻率的變化。

5,變頻控制電路的基本結(jié)構(gòu)

下圖所示為變頻控制電路簡圖，交流供電電壓經(jīng)整流電路先變成直流電壓，再經(jīng)過晶體管電路變成三相頻率可變的交流電壓去控制壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)通常有兩種類，即直流無刷電動(dòng)機(jī)和交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。邏輯控制電路通常由微處理器組成。

6.變頻驅(qū)動(dòng)電路的工作過程

變頻空調(diào)器中的變頻壓縮機(jī)通常釆用直流無刷電動(dòng)機(jī)，該變頻方式稱為直流變頻方式， 但變頻電路及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子的信號頻率仍然是可變的交流信號。

變頻空調(diào)器的變頻電路是將電源電路整流濾波后得到的約300V左右的直流電壓送給6個(gè)IGBT功率晶體管，由這6個(gè)IGBT控制流過三相電動(dòng)機(jī)繞組的電流方向和順序，形成旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在變頻驅(qū)動(dòng)信號的一個(gè)周期（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的0~ 60°）,控制信號同時(shí)加到IGBT管U+和V-的控制極，使之導(dǎo)通，于是電流從U+流出經(jīng)繞組線圈U、線圈V、IGBT管V-到地形成回路。

如下圖所示，在市電（AC220V）的60° - 120°周期，電路發(fā)生轉(zhuǎn)換，IGBT管V + 和IGBT管W-控制極為高電平而導(dǎo)通，電流從IGBT管V+流出經(jīng)繞組V流入，從繞組W流出，流過IGBT管W-到地形成回路。

在市電（AC220 V）的120° -180°周期，電路再次發(fā)生轉(zhuǎn)換，IGBT管 W+和IGBT管U-控制極為高電平導(dǎo)通，于是電流從IGBT的W +流出經(jīng)繞組W流入，從 繞組U流出，經(jīng)IGBT的U-流到地形成回路，又完成一個(gè)流程，并按照上述規(guī)律循環(huán)，使 電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

三、交流變頻方式

交流變頻的原理是把交流220V市電轉(zhuǎn)換為直流電源，為變頻器提供工作電壓，然后再將直流電“逆變”成脈動(dòng)的交流電，并把它送到脈沖功率放大器中進(jìn)行放大，再去驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)。脈沖功率放大器是由多個(gè)大功率晶體管組成的，常稱為功率模塊。同時(shí)，功率模塊受微處理器送來的指令控制，輸出頻率可變的交流電壓，使壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電壓頻率的變化而相應(yīng)改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了微處理器對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制和調(diào)節(jié)。

釆用交流變頻方式的空調(diào)器壓縮機(jī)必須使用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)才能通過改變壓縮機(jī)供電的頻率來控制它的轉(zhuǎn)速。變頻壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)必須與控制驅(qū)動(dòng)電路相對應(yīng)。典型的變頻電路如下圖。

在變頻過程中，為了使空調(diào)器的制冷或制熱能力與負(fù)荷相適應(yīng)，控制系統(tǒng)將根據(jù)檢測到的室溫和設(shè)定溫度的差值，通過微處理器運(yùn)算，產(chǎn)生控制運(yùn)轉(zhuǎn)頻率變化的信號。這個(gè)頻率可變的運(yùn)轉(zhuǎn)控制信號通過逆變器產(chǎn)生脈沖狀的模擬三相交流電壓，并將該電壓加到壓縮機(jī)的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)上，使壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而控制壓縮機(jī)的排量，調(diào)節(jié)空調(diào)器的制冷量或制熱量。

四、直流變頻方式

直流變頻空調(diào)器同樣是把交流市電轉(zhuǎn)換為直流電，并送至功率模塊，功率模塊同樣受微處理器指令的控制，所不同的是功率模塊輸出的是電壓可變的直流電，以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行, 控制壓縮機(jī)的排量。

由于壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速受電壓高低的控制，所以要釆用直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的定子上繞有電磁線圈，采用磁鐵作為轉(zhuǎn)子。當(dāng)施加在電動(dòng)機(jī)上的電壓增高時(shí)，轉(zhuǎn)速加快；當(dāng)電壓降低時(shí)，轉(zhuǎn)速下降。利用這種原理來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化的方式，通常稱為直流變頻。實(shí)際上，正因?yàn)檫@種空調(diào)器壓縮機(jī)是直流供電，并沒有電源頻率的變化，所以嚴(yán)格地講不應(yīng)該稱為直流變頻空調(diào)器，而應(yīng)該稱為直流變速空調(diào)器。由于壓縮機(jī)釆用了直流電動(dòng)機(jī)，空調(diào)器更節(jié)電，噪聲更小，但這種壓縮機(jī)的價(jià)格要高一些。

直流變頻空調(diào)器的控制電路也有兩種控制方式：PWM方式和PAM方式，這兩種方式的電路結(jié)構(gòu)分別如下圖所示。

1、PWM方式整流電路輸出的直流電壓基本不變，變頻器功率模塊的輸出電壓幅度恒定，控制脈沖的寬度受微處理器控制。

2、PAM方式整流輸出路中增加了一個(gè)開關(guān)晶體管，通過對該開關(guān)晶體管的控制可以改變整流電路輸出的直流電壓幅度，直流輸出電壓可以在140-390V之間變化。這樣變頻器輸出的脈沖電壓不但寬度可變，而且幅度可變。