楊 帆 梁 棟

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

由于變頻空調(diào)具有溫度波動小、電能消耗少，舒適度高而受到市場歡迎，但是它的變頻控制系統(tǒng)由于體積較大、價格高、控制難度大而成為眾多工程師的研究對象，通過深入的研究，希望獲得更低的價格、更優(yōu)秀的輸出性能和更穩(wěn)定的輸出效果。

1 變頻控制器的工作原理

電機工作的原理為：定子自身的三相電流產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子感應電流后自身形成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生相互作用力，最終實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)[1]。電機結(jié)構(gòu)及定子旋轉(zhuǎn)磁場示意圖如圖1所示。

圖1 電機結(jié)構(gòu)及定子旋轉(zhuǎn)磁場示意圖

電機的輸出能力是通過改變電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實現(xiàn)的，而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則需要改變定子磁場，定子磁場的改變需要變頻控制器輸出不同的電壓和電流來實現(xiàn)。

式中：

n—電機機械轉(zhuǎn)速；

f—定子電流頻率；

p—電機極對數(shù)。

如公式（1）所示，當一個電機參數(shù)固定之后，電機的極對數(shù)是一個定值，電機轉(zhuǎn)速的大小完全由通入電機的電流頻率決定，因此只要改變電流頻率就可以改變電機運行轉(zhuǎn)速。

為了改變運行電流頻率，在硬件上需要逆變電路來實現(xiàn)該功能，逆變電路的拓撲如圖2所示。通過控制單元按照一定的開關(guān)邏輯開通和關(guān)斷，從而在U、V、W三個端口輸出需要的電壓和電流波形，從而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

圖2 逆變電路控制主拓撲

為了得到滿足要求的電流波形，目前比較通用的控制方法是PWM調(diào)制，以及在此基礎上優(yōu)化的SPWM調(diào)制方式，后續(xù)為了得到更好的電機輸出性能，衍生出SVPWM等更多的控制方案。

基于以上控制拓撲和控制方案的通用變頻器和高性能變頻器仍有很大區(qū)別，在控制算法、調(diào)速范圍、啟動轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)速精度和轉(zhuǎn)矩控制方面高性能變頻器特性都比通用變頻器要好，但是通用變頻器適用范圍更寬，因此用戶需要根據(jù)負載的特性和應用環(huán)境選擇對應的變頻控制器，工程師在設計應用時應仔細甄別。

2 變頻控制器的發(fā)展

變頻調(diào)速發(fā)展起來之前，通常采用變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，但只能用于交流異步電動機的控制，存在性能較差的特點，變頻調(diào)速控制方式很好的解決了該問題，真正實現(xiàn)了無級調(diào)速，同時擁有優(yōu)秀的輸出特性。

按照應用特點進行分類，主要有表1三種方式，供電電源分為低壓和高壓，控制算法分為通用和高性能，拓撲結(jié)構(gòu)分為交直角和交交變頻。交直交電壓型變頻器因結(jié)構(gòu)簡單，功率因數(shù)高，因此受到大家的廣泛使用。

表1 變頻控制器分類表

圖3所示為現(xiàn)有變頻空調(diào)所應用的變頻控制框圖，主要包含整流、儲能、逆變和控制系統(tǒng)四個單元。

圖3 交直交變頻控制框圖

整流是將交流變換成直流的電力電子裝置，為提高功率因數(shù)和降低諧波含量，工程師通常采用無源PFC或有源PFC進行校正；儲能是為了獲得穩(wěn)定的直流母線電壓，為后級的逆變提供一個穩(wěn)定的輸入電源；逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波，而輸出電流近似正弦波，電流波形和頻率根據(jù)負載需求進行調(diào)整；控制系統(tǒng)是整個變頻控制的大腦，根據(jù)負載需求進行控制，保證輸入、輸出要求的同時，也要保證整個系統(tǒng)的可靠性。

3 變頻控制在制冷中的作用

制冷空調(diào)的冷媒流動狀態(tài)如圖4所示，位于圖中心位置的為壓縮機，是冷媒流動的動能來源。在室外側(cè)，壓縮機將吸入的低溫低壓的冷媒經(jīng)過壓縮后，變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)，再經(jīng)過冷凝器將熱量釋放，變?yōu)榈蜏馗邏旱臓顟B(tài)；此時冷媒流入到室內(nèi)機側(cè)，經(jīng)過節(jié)流裝置后進入到蒸發(fā)器中，變?yōu)榈蜏氐蛪旱臓顟B(tài)，此時吸收室內(nèi)側(cè)的熱量，然后再回到壓縮機中，如此往復，完成室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)的能量交換。

圖4 制冷空調(diào)冷媒狀態(tài)圖

如圖5所示，要想完成室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)的能量交換，需要逐級進行能量轉(zhuǎn)換和傳遞。

圖5 變頻空調(diào)能量轉(zhuǎn)換圖

空調(diào)的電控單元將電能轉(zhuǎn)換為電機的動能，然后再依次轉(zhuǎn)換為壓縮缸體的機械能和冷媒的動能，經(jīng)過冷凝和蒸發(fā)，最終完成能量交換的過程。

從上面的分析可以看出，電控單元的作用是將電能轉(zhuǎn)換為壓縮機或者電機的機械能，而完成該過程任務的板塊就是控制器板塊，如果要達到無極調(diào)速，那么就需要使用變頻控制器。

如圖6所示，控制器作為中間執(zhí)行機構(gòu)，將輸入電源進行電力轉(zhuǎn)換，給到直流或交流負載，負載通過電磁力從而驅(qū)動壓縮機或者電機運轉(zhuǎn)。

圖6 電氣傳動圖示

由于交流電機沒有碳刷及整流子，具有免維護、堅固、應用廣的特性，但若要達到相當于直流電機的性能則需要使用復雜的控制技術(shù)才能達到。

半導體和微處理器的出現(xiàn)可實現(xiàn)交流電機的控制，并且達到輸出類似直流電機的性能，交流電機與變頻控制器的完美結(jié)合，使得變頻技術(shù)在制冷空調(diào)領域得到迅速的推廣。

為了獲得更好的變頻控制器輸出性能，在軟件方面需要解決啟動、低頻、中頻和高頻運行問題，由于壓縮機輸出變量并不是恒定不變的，其負載具有突變特點，因此控制壓縮機與控制電機相比，變頻空調(diào)控制系統(tǒng)更為復雜。

在硬件設計方面，需要根據(jù)不同的輸入電源和功率等級進行設計。在圖3的基礎框架上，還要保證控制器電氣安全和可靠性。不僅需要考慮原理設計、PCB設計、散熱設計、應力應變設計、EMC設計，還要考慮工藝生產(chǎn)以及售后維護等因素。

以上軟件設計和硬件設計都比較復雜，需要專業(yè)的變頻控制設計人員，即便如此，設計出的變頻控制器仍需滿足成本要求，由于硬件和軟件設計在功能上能夠在部分電路方面具有可以相互轉(zhuǎn)化的特點，越來越多的電路可以通過軟件實現(xiàn)，隨著時代發(fā)展，半導體技術(shù)的突飛猛進，變頻器朝著小型化、高頻化方向發(fā)展[2]，同時軟件控制也越來越成熟，因此只有將硬件設計和軟件設計完美結(jié)合，才能得到性價比最優(yōu)的變頻控制器。

目前變頻空調(diào)基本得到普及，從以往的僅有壓縮機變頻，逐漸走向風機也是變頻驅(qū)動，而且在有些高檔空調(diào)中，為了獲得更好的控制效果（如圖7所示），相應的控制閥體也更改為變頻控制，因此無論是小功率家用空調(diào)，還是中大功率的商用空調(diào)，基本都采用變頻控制技術(shù)；隨著國家對能效指標要求越來越嚴格，傳統(tǒng)的定頻空調(diào)已經(jīng)無法滿足國家能效標準要求，因此不久之后定頻空調(diào)將退出歷史舞臺。

圖7 變頻定頻空調(diào)效果對比圖

不僅如此，節(jié)能而且可以發(fā)電的光伏空調(diào)也已經(jīng)面世，這些新的空調(diào)技術(shù)都與變頻控制密不可分，變頻控制正在快速走入千家萬戶。

4 結(jié)論

通過對空調(diào)變頻控制的工作原理的介紹以及對不同控制方式的對比分析，可以看到變頻控制器為空調(diào)帶來更好的輸出特性，但其應用也存在諸多的設計要求。在實際的變頻空調(diào)設計時，變頻控制是由軟件與硬件協(xié)同組成的系統(tǒng)，而且這個系統(tǒng)與負載特性和負載工作的環(huán)境息息相關(guān)，因此變頻控制器的好壞，應進行綜合評價。

作為空調(diào)技術(shù)的核心控制單元，變頻控制技術(shù)與其他技術(shù)的結(jié)合將會越來越多，人們在以后的生活中無論是空調(diào)還是其他電器領域，將會看到更加多樣的變頻控制應用。