交、直流變頻空調(diào)電控原理.ppt

交 直流變頻空調(diào)電控原理 美的空調(diào)研發(fā)中心電控開(kāi)發(fā)部李強(qiáng)2003年12月1日 1 變頻空調(diào)器與定速空調(diào)器的區(qū)別 壓縮機(jī)不同定速空調(diào)器的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率不可變 E g 50Hz變頻空調(diào)器的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率可以變化 E g 30Hz 120Hz 控制器不同變頻空調(diào)器的控制器遠(yuǎn)比定速空調(diào)器復(fù)雜 輸出能力不同在一個(gè)工況下定速機(jī)只有一個(gè)能力輸出變頻機(jī)的輸出能力是一個(gè)范圍 1 變頻空調(diào)器與定速空調(diào)器的區(qū)別 舒適性不同變頻空調(diào)器的舒適性比定速空調(diào)器的好 可以快速制冷或制熱溫度波動(dòng)小 1 變頻空調(diào)器與定速空調(diào)器的區(qū)別 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不同節(jié)能從長(zhǎng)期運(yùn)行來(lái)說(shuō) 變頻空調(diào)器會(huì)比普通空調(diào)器節(jié)約30 以上的電量 Note 頻繁的開(kāi) 關(guān)變頻空調(diào)器不能節(jié)約電量 2 變頻空調(diào)器的原理 從能量的轉(zhuǎn)換上可把變頻控制分為交流到交流變頻與交流 直流 交流變頻 對(duì)家用電器的變頻控制而言 不管是交流變頻還是直流變頻都是通過(guò)交流 直流 交流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)的 要得到可調(diào)頻率的交流電 首先要把220V 240V的交流市電整流為直流電 然后再由直流電變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電 從而完成變頻的過(guò)程 見(jiàn)下頁(yè)圖所示 2 變頻空調(diào)器的原理 VV VF PAM VVVF PWM 2 變頻空調(diào)器的原理 變頻控制器簡(jiǎn)單原理框圖 3 變頻空調(diào)器的分類(lèi) 交流變頻空調(diào)器直流變頻空調(diào)器 4 交流變頻空調(diào)器原理 交流變頻依據(jù)原理 n 60f 1 s pn 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速 f 壓縮機(jī)供電頻率 p 電機(jī)極對(duì)數(shù) s 轉(zhuǎn)差率所有的交流異步電動(dòng)機(jī)都滿足以上這個(gè)公式 交流變頻壓縮機(jī)也同樣如此 簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō) 交流變頻是通過(guò)改變壓縮機(jī)的供電頻率f 這樣 在p與s不變的情況下 壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度就會(huì)跟隨頻率的變化而變化 4 交流變頻空調(diào)器原理 異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí) 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 E1 4 44kfN1 k 電機(jī)繞組系數(shù) N1 每相定子繞組匝數(shù) 每極磁通 由于定子阻抗上的壓降很小 可以忽略 可以認(rèn)為 U1 E1 4 44kfN1 實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中 通常希望保持 不變 因?yàn)?的增加 將導(dǎo)致鐵心的飽和 進(jìn)而引起勵(lì)磁電流的上升 使得鐵損急劇增加 而 減小 則鐵心未得到充分的利用 使得輸出轉(zhuǎn)矩下降 要改變頻率f的大小 電機(jī)定子電壓U1必須隨之同時(shí)發(fā)生變化 即在變頻的同時(shí)也要變壓 這種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法稱(chēng)為VVVF VairbleVoltageVaribeFrequency 簡(jiǎn)稱(chēng)為V F變頻控制 4 交流變頻空調(diào)器原理 a 壓縮機(jī)廠給出的V F曲線b 經(jīng)過(guò)適當(dāng)補(bǔ)償?shù)腣 F曲線 V F曲線示意圖 4 交流變頻空調(diào)器原理 交 直 交變頻器根據(jù)VVVF調(diào)制技術(shù)不同 分為PAM和PWM兩種 PAM是把VV和VF分開(kāi)完成的 稱(chēng)為脈沖幅值調(diào)制 PulseAmplitudeModulation 方式 簡(jiǎn)稱(chēng)PAM方式 PWM是將VV與VF集中于逆變器一起來(lái)完成的 稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制 PulseWidthModulation 方式 簡(jiǎn)稱(chēng)PWM方式 目前我們使用的為PWM方式 交流變頻控制的關(guān)鍵點(diǎn) V F曲線與死區(qū)時(shí)間V F曲線 死區(qū)時(shí)間 4 交流變頻空調(diào)器原理 4 交流變頻空調(diào)器原理 PAM示意圖 PWM示意圖 5 直流變頻空調(diào)器原理 從整機(jī)形式上看 直流變頻可分為全直流變頻與部分直流變頻 全直流變頻是指壓縮機(jī) 室內(nèi)外風(fēng)機(jī)均使用直流無(wú)刷電機(jī) 部分直流指只有壓縮機(jī)使用直流無(wú)刷電機(jī) 直流變頻名稱(chēng)的由來(lái)家用電器上 直流變頻最常用 也是一直以來(lái)都在使用 的是無(wú)刷直流電機(jī) 為了把這種變頻與交流變頻進(jìn)行區(qū)別 人們習(xí)慣上把使用了無(wú)刷直流電機(jī)的變頻家電稱(chēng)為直流變頻家電 和電子膨脹閥 無(wú)氟空調(diào)一樣 直流變頻是一個(gè)約定俗成的詞語(yǔ) 這種命名方法有一定的誤導(dǎo)性 所以 直流變頻并不是說(shuō)壓縮機(jī)是直流電供電 它的轉(zhuǎn)化方式上與交流變頻一樣 都是采用交 直 交的方式 供給壓縮機(jī)的電壓還是交流的信號(hào) 這種電機(jī)實(shí)際也是一種交流電動(dòng)機(jī) 5 直流變頻空調(diào)器原理 5 直流變頻空調(diào)器原理 無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)直流變頻電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極 用具有多相繞組的定子取代電樞 用位置傳感器及控制器組成的電子換向器取代傳統(tǒng)的機(jī)械換向器和電刷 這樣 就得到了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的直流電機(jī)無(wú)論是結(jié)構(gòu)還是調(diào)速性能都有很多相似之處 所以人們習(xí)慣把這種電機(jī)稱(chēng)為無(wú)刷直流電機(jī) 無(wú)刷直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí) 必須實(shí)時(shí)檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置 從而進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制 以驅(qū)動(dòng)電機(jī)換相 保證電機(jī)平穩(wěn)地運(yùn)行 實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)位置檢測(cè)通常有兩種方法 一是利用電機(jī)內(nèi)部的位置傳感器 通常為霍爾元件 提供的信號(hào) 二是檢測(cè)出無(wú)刷直流電機(jī)相電壓 利用相電壓的采樣信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后得出 由于壓縮機(jī)電機(jī)無(wú)法安裝位置傳感器 所以直流變頻空調(diào)的壓縮機(jī)都采用后一種方法進(jìn)行電機(jī)換相 5 直流變頻空調(diào)器原理 5 直流變頻空調(diào)器原理 直流變頻所用電機(jī)學(xué)術(shù)上稱(chēng)為 自控式永磁同步電動(dòng)機(jī) 屬于交流電動(dòng)機(jī)范疇 自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)定子繞組的不同主要分為兩大類(lèi) 方波型永磁同步電動(dòng)機(jī)與正弦波型永磁同步電動(dòng)機(jī) 方波型永磁同步電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) BrushlessDCMotor BLDCM 繞組一般為分布式 反電動(dòng)勢(shì)為梯形波 驅(qū)動(dòng)方式為120度方波 正弦波型永磁同步電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為永磁同步電動(dòng)機(jī) PermanentMagnetSynchronousMotor PMSM 繞組一般為集中式 反電動(dòng)勢(shì)為正弦波 驅(qū)動(dòng)方式為180度正弦波 5 直流變頻空調(diào)器原理 方波型與正弦波型永磁同步電動(dòng)機(jī)對(duì)比 無(wú)刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和電流波形 一相 5 直流變頻空調(diào)器原理 無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)際電流波形 一相 根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的不同 直流變頻的電機(jī)可以分為IPM與SPM兩種 SPM表面型磁極 SurfacePermanentMagnetic 將永久磁鐵配置于轉(zhuǎn)子表面 IPM表面型磁極 InteriorPermanentMagnetic 將永久磁鐵嵌入于轉(zhuǎn)子內(nèi)部 從電機(jī)效率上看 壓縮機(jī)采用IPM型比SPM型要高 這兩種電機(jī)形式對(duì)電控驅(qū)動(dòng)沒(méi)有影響 5 直流變頻空調(diào)器原理 5 直流變頻空調(diào)器的優(yōu)點(diǎn) 運(yùn)行效率高調(diào)速性能好轉(zhuǎn)速范圍寬轉(zhuǎn)矩大噪音低能效比高 與交流相比較 變頻模塊變頻模塊是實(shí)現(xiàn)由直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姀亩?qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵器件 又稱(chēng)為IPM IntelligentPowerModule 模塊 它是一種智能的功率模塊 它將6個(gè)IGBT管連同其驅(qū)動(dòng)電路和多種保護(hù)電路封裝在一起 從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì) 提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性 從其驅(qū)動(dòng)電路使用的電源數(shù)目又可分為單電源與四電源兩種 主要廠家 日本三菱 三洋 東芝美的目前使用 三菱PM20CTM060 20A 600V PM30CTJ060 30A 600V 6 變頻空調(diào)主要元器件 注 三菱PM系列模塊內(nèi)置保護(hù) 過(guò)流 過(guò)壓 欠壓 短路 過(guò)熱 變頻模塊 IPM 內(nèi)部簡(jiǎn)圖 6 變頻空調(diào)主要元器件 室外主控芯片變頻空調(diào)的核心算法及室外控制均由室外芯片完成 我們目前在交流上使用的是美國(guó)TI公司的DSP芯片 且已實(shí)現(xiàn)掩膜 DSP即DigitalSignalProcessor 是數(shù)字信號(hào)處理器的簡(jiǎn)稱(chēng) 與一般的單片機(jī)相比 DSP在運(yùn)算速度 信號(hào)的處理 電機(jī)控制方面具有更大的優(yōu)勢(shì) 直流變頻目前在開(kāi)發(fā)階段 采用的是美國(guó)AD公司的DSP芯片 Note 對(duì)于廣告宣傳的 使用DSP芯片速度大大可以提高 加快溫度采樣 使室內(nèi)溫度控制在 0 5 的說(shuō)法是不確切的 因?yàn)镈SP的運(yùn)算速度與溫度控制沒(méi)有直接關(guān)系 6 變頻空調(diào)主要元器件 整流橋堆完成電源由交流到直流的轉(zhuǎn)換 220V交流變?yōu)?10V直流 目前使用型號(hào)T25VB60 25A 600V T15VB60 25A 600V 室外電控盒中另外一個(gè)整流橋堆不做整流用 而是用做一對(duì)二極管 配合電抗器 用以提高整機(jī)功率因素 6 變頻空調(diào)主要元器件 大電抗器變頻空調(diào)室外控制器一般都有大電抗器 目的是為了提高整機(jī)的功率因素及通過(guò)諧波電流測(cè)試 為了符合3C標(biāo)準(zhǔn) 通過(guò)諧波電流測(cè)試 我們?cè)诜煮w機(jī)上采用了兩個(gè)電抗器的無(wú)源功率因素矯正方法 與日本廠家的有源方式相比 降低了成本 提高了可靠性 濾波器為了通過(guò)EMC測(cè)試的干擾功率及