中央空調變頻電路的基本結構知識

目前，在中央空調系統中，不論是商用中央空調還是家用中央空調系統，為達到節能環保目的，基本上都釆用了變頻技術，具體體現在中央空調系統中的壓縮機的驅動電動機或風機的電動機的驅動電路上，且在中央空調的室外機中，壓縮機采用變頻式壓縮機，下面首先介紹變頻電路的基礎知識。

一、壓縮機的電動機轉速控制方式

壓縮機是空調器中的動力核心，壓縮機的動作是由電動機驅動的，空調器的壓縮機實際上是將壓縮機與驅動電動機制成一體化的結構。空調器的制冷（或制熱）速度與壓縮機的轉速有關。壓縮機轉速的控制方式實際上是對它的驅動電動機的控制，其控制方式有如下 幾種：

1.斷續控制方式

斷續控制方式是一種恒速（恒頻）的方式，即傳統的空調控制方式，當需要制冷（或制熱）時，起動壓縮機；當到達設定溫度時則停止壓縮機。不改變壓縮機供電的電壓和頻率。

上圖所示是直接用交流220V, 50Hz的電源供電，經繼電器變成斷續供電的方式。傳統的壓縮機轉速控制方式是交流電源斷續（ON/OFF）控制方式，釆用這種控制方式的空調器被稱為定頻/定速空調器。壓縮機電動機多采用單相異步電動機，控制電路比較簡單。220V交流電經繼電器為壓縮機供電，在需要制冷時繼電器接通220V交流電并將其加到壓縮機電動機繞組上，電動機以全速旋轉進行制冷。當達到設定溫度時，控制電路使繼電器切斷220V供電電源，壓縮機停機，室內溫度上升后再次起動繼電器使壓縮機起動。這種方式電 源供電的電壓不變（220V）、頻率不變（50Hz）,電動機的旋轉速度也不變。繼電器只控制電源的通斷。壓縮機的頻繁起動會增加耗電，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，控制壓縮機電動機的轉速。這種空調器又稱變頻空調器。所謂變頻空調器是通過改變壓縮機電動機的供電頻率達到速度控制的目的。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，變頻空調器有以下控制方式：

① PWM （Pulse Width Modulation）方式，即脈沖寬度調制方式，簡稱脈寬調制，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合起來對壓縮機的電動機進行控制， 既改變驅動脈沖的寬度，又改變脈沖的幅度。

二、電動機轉速控制原理

1.直流斷續控制方式

直流斷續器控制電路，直流電源經晶體管VT為直流電動機M供電。VT 受控制電路的控制，VT導通時則為電動機供電，截止時則停止供電。當VT基極加上脈沖信號時，電源經VT為電動機提供脈沖電壓。

圖b所示為控制脈沖的寬度變化時，平均電壓會發生變化，因此會使電動機轉速發生變化。

2.脈沖寬度調制（PWM）方式

PWM方式的信號波形，每個脈沖的周期相等，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.脈沖幅度調制（PAM）方式

PAM方式是通過控制脈沖信號的幅度實現對電動機的控制的，電路采用直流電源供電。當晶體管VT1、VT4導通時，電動機的供電電流從上向下流動；當VT2、VT3導通時，電動機的供電電流從下向動。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現三值控制，即正電壓、零電壓和負電壓。

4.模擬正弦波形控制方式

交流感應電動機的控制方式可以轉換成電壓的控制方式，也可以轉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構

下圖所示為變頻控制電路簡圖，交流供電電壓經整流電路先變成直流電壓，再經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的驅動電動機。該電動機通常有兩種類，即直流無刷電動機和交流感應電動機。邏輯控制電路通常由微處理器組成。

6.變頻驅動電路的工作過程

變頻空調器中的變頻壓縮機通常釆用直流無刷電動機，該變頻方式稱為直流變頻方式， 但變頻電路及驅動電動機定子的信號頻率仍然是可變的交流信號。

變頻空調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IGBT功率晶體管，由這6個IGBT控制流過三相電動機繞組的電流方向和順序，形成旋轉磁場，驅動轉子旋轉。在變頻驅動信號的一個周期（電動機轉動的0~ 60°）,控制信號同時加到IGBT管U+和V-的控制極，使之導通，于是電流從U+流出經繞組線圈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，電路發生轉換，IGBT管V + 和IGBT管W-控制極為高電平而導通，電流從IGBT管V+流出經繞組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，電路再次發生轉換，IGBT管 W+和IGBT管U-控制極為高電平導通，于是電流從IGBT的W +流出經繞組W流入，從 繞組U流出，經IGBT的U-流到地形成回路，又完成一個流程，并按照上述規律循環，使 電動機旋轉。

三、交流變頻方式

交流變頻的原理是把交流220V市電轉換為直流電源，為變頻器提供工作電壓，然后再將直流電“逆變”成脈動的交流電，并把它送到脈沖功率放大器中進行放大，再去驅動壓縮機的電動機。脈沖功率放大器是由多個大功率晶體管組成的，常稱為功率模塊。同時，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，使壓縮機的轉速隨電壓頻率的變化而相應改變，這樣就實現了微處理器對壓縮機轉速的控制和調節。

釆用交流變頻方式的空調器壓縮機必須使用三相感應電動機才能通過改變壓縮機供電的頻率來控制它的轉速。變頻壓縮機的電動機必須與控制驅動電路相對應。典型的變頻電路如下圖。

在變頻過程中，為了使空調器的制冷或制熱能力與負荷相適應，控制系統將根據檢測到的室溫和設定溫度的差值，通過微處理器運算，產生控制運轉頻率變化的信號。這個頻率可變的運轉控制信號通過逆變器產生脈沖狀的模擬三相交流電壓，并將該電壓加到壓縮機的三相感應電動機上，使壓縮機的轉速發生變化，從而控制壓縮機的排量，調節空調器的制冷量或制熱量。

四、直流變頻方式

直流變頻空調器同樣是把交流市電轉換為直流電，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，以驅動壓縮機運行, 控制壓縮機的排量。

由于壓縮機的轉速受電壓高低的控制，所以要釆用直流電動機。直流電動機的定子上繞有電磁線圈，采用磁鐵作為轉子。當施加在電動機上的電壓增高時，轉速加快；當電壓降低時，轉速下降。利用這種原理來實現壓縮機轉速變化的方式，通常稱為直流變頻。實際上，正因為這種空調器壓縮機是直流供電，并沒有電源頻率的變化，所以嚴格地講不應該稱為直流變頻空調器，而應該稱為直流變速空調器。由于壓縮機釆用了直流電動機，空調器更節電，噪聲更小，但這種壓縮機的價格要高一些。

直流變頻空調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構分別如下圖所示。

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開關晶體管，通過對該開關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。