1、浅谈变频空调技术摘要：本文从变频空调的基本情况出发，阐述了变频空调器的技术现状，多方面论述了变频空调器的技术优势，分析了变频空调器技术的发展趋势等方面。通过以上几方面综合介绍变频空调器相关技术。关键词：变频空调器、技术现状、优势、发展趋势Abstract: in this paper, from the basic situation of inverter air conditioner, expounds the technical status of inverter air conditioner, discussed the technical advantages of inver
2、ter air conditioner in many aspects, analyzed the technology of inverter air conditioner development trend. Through the comprehensive introduction of the above aspects of frequency conversion air conditioning technology.Keywords: inverter air conditioner, technology status, advantage, development tr
3、end一.引言空调作为创造舒适环境的家用电器,越来越受到家庭的重视,成为了居民消费的新亮点。近年来,新技术、新材料、新工艺的应用,厂商开发出高技术、高性能、低能耗的健康空调产品。市面上的变频空调就是新技术的代表。变频空调器以其优异控温精度,高效的节能技术受到各行业的关注。自 90 年代初开始,变频空调器开始进入国内市场。一些著名的空调生产厂家先后从国外引进变频空调器生产技术,如海尔、春兰、海信、长虹、美的等。从第一台变频空调器诞生至今,变频空调技术得到了充分地发展,尤其在控制系统方面。进入 90 年代以来,以 IGBT 为代表的复合型功率模块和以 IPM 为代表的智能型功率模块的诞生,PWM
4、控制技术、智能控制在其他领域的成功应用以及微处理器技术的迅速发展等,极大地推动了变频调速技术本身的发展,同时也加快了变频调速技术在家用空调器中的应用步伐。二变频空调技术现状空调器的变频调速技术主要由变频器、微控制器、PWM 的生成以及变频压缩机的电机等四个方面的关键技术组成。从第一台变频空调器诞生至今，变频空调技术得到了充分的发展。变频技术在空调领域的应用，按压缩机是采用交流还是直流马达驱动方式来划分，变频空调经过了交流变频空调和直流变频空调到全直流数字变频空调等三个过程。其中交流方式的变频控制过程是：50/60Hz 交流电 直流电 交流电（30120Hz ）交流压缩机 1。2.1 变频器变频
5、空调的核心部件是变频器,其主电路采用交-直-交电压型方式。交-直过程一般采用单相二极管不可控直接整流,直-交过程一般采用 6 管三相逆变器,另有一个辅助电源,一个逆变器控制器和相应的驱动电路 2。早期的空调变频器采用分立元件构成，整流器采用单相倍压整流电路，逆变器由 6 只分立的功率晶体管(GTR)构成。这种主电路复杂，可靠性差。目前大部分厂家采用的逆变桥由 6 个绝缘栅极晶体管(IGBT)组成，其综合了MOSFET 和 GTR 的优点，开关频率高、驱动功率小。随着智能功率模块( IPM)技术的发展应用，IPM 正在逐步取代普通 IGBT 模块。由于 IPM 内部既有 IGBT 的棚极驱动和保
6、护逻辑，又有过流、过 (欠 ) 压、短路和过热探测以及保护电路，提高了变频器的可靠性和可维护性 3。另外，IPM 的体积与普通 IGBT 模块不相上下，价格也比较接近，因此目前应用较为广泛。比较成功的产品如: 日本三菱 电机公 司所生产的 PM20CSJO60 型以及 日本新电元公司生产的 TM 系列 IPM 模块等。2.2 微控制器微电子技术的发展使变频调速的实现手段发生了根本的变化,从早期的模拟控制技术发展到数字控制技术。目前国外一些跨国公司的微控制器产品占据着主要的市场,如:Motorola 公司的 MC68HC08MP16、Intel 公司的 80C196MC、三菱公司的 M37705
7、 等。这些公司的产品性能价格比较高、功能强大 ,如带有 APD转换器、PWM 波形发生器、LEDPLCD 驱动等,且一般都有 OTP 产品以及功耗低可长期稳定的工作。微控制器目前主要由单片机向 DSP(信号处理器)过渡 4。以目前应用比较广泛的 TI 公司的 TMS320C240 为例,其具有:50Ns 的指令周期,544 字的 RAM,16K 的 EEPROM,12 个 PWM 通道,三个 16 位计数器,两个 10 位APD 转换,WATCHDOG,串行通讯口,串行外围接口等,采用 DSP,可使控制电路简单,而且控制功能强大。2.3.PWM 波的生成在家用空调器中,目前国内大部分厂家采用常
8、规的 SPWM 方法,在国外,有部分厂家以采用磁通跟踪型 SPWM 生成方法,该方法以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹)理想磁通圆,即用空间电压矢量的方法决定逆变器的开关状态,以形成 PWM 波形,该方法电压利用率高 ,低频谐波转矩小,频率变化范围宽、运行稳定,具有比较好的控制性能 5。近期出现的PAM 控制 (Pulse Amplitude Mod-ulation)不采用载波频率进行整流,而直接改变电压,减少了整流所需的能耗,提高了变频器的工作效率,满足了节电和降低高次谐波的要求,使供暖能力得到提高。2.4 变频压缩机的电机变频压缩机电机主要分为交流异步电动机和直
9、流无刷电动机两种。目前国内一些大的压缩机生产厂家如:万宝、松下、上海日立、东芝万家乐等已有能力生产变频压缩机( 包括交流机和直流机)。交流电动机成本低,制造工艺简单,但其节能效果较差。直流无刷电机拖动由无刷电机本身,转子位置传感器和电子换向开关组成。转子磁极为永磁体,电枢绕组采用自控式换流,定子旋转磁场与转子磁极同步旋转,通常采用按转子磁场定向的定子电流矢量变换控制,既有普通直流电机良好的调速性能和启动性能,又从根本上消除了换向火花、无线电干扰的弊端,具有寿命长、可靠性高和噪声低,控制方便等优点。以 1998 年三菱电机公司开发的适用于空调压缩机的节能高效直流无刷电机为例,其具有:转子上安装了
10、 8块 V 字型永久磁体。 磁体为埋入式,转子不会在不锈钢外壳中因涡流而产生损耗。采用了新的压缩机电机驱动方式,效率比普通的无刷电机高。但是这种压缩机电机的价格较高。开关磁阻电动机(SRM)是 80 年代新推出的变速传动系统,由磁阻电动机和控制器组成,是新一代机电一体化产品。该电机结构十分简单,但是比普通磁阻电机动多了转子位置检测器(一般为光电检测),总体上比交流异步电动机简单、坚固和便宜。又因为绕组电流是直流脉冲,只需整流,无需逆变,所以控制电路简单。研究表明,这种电动机的转速在大范围变化时,其系统效率比交、直流变频调速系统都高,且启动转矩大,启动电流小 6。目前有关 SRM 的理论尚不够完
11、善 ,低速时,转矩有些脉动 ,噪声和震动较大,转速的稳态精度不够高等,有待今后进一步研究解决。三变频空调技术优势3.1 变频空调（压缩机）可实现软起动，对电网无冲击，对其它家用电器无干扰由于变频压缩机可选择在 10Hz 低频及与之相应低电压条件下起动，因而在很低的起动电流下就可以获得所需的起动转矩，从而避免了对供电电网的冲击及对其它家用电器正常工作的影响。同时软起动也避开了空调管路系统的共振点。定速压缩机（空调器）起动电流是工作电流的 4-6 倍 7。以 1.5 匹机为例：起动电流高达约 32A（工作电流约为 6.2A） ，起动时将使家庭电网电路产生很大的压降，严重干扰其它家用电器的正常工作。
12、3.2 可实现快速冷暖由于变频压缩机初始工作频率允许达到 150Hz（双缸）或 120Hz（单缸） ，即初始的冷暖能力是定速压缩机（50Hz）的 2-3 倍，所以就促使房间的降温速率比定速空调器快 1-2 倍。 （如图 1 所示）图 1 变频空调与定速空调冷暖速率比较示意图3.3 高效强力、舒适性好变频空调器开始运转时，机组经低频低压启动，然后很快进入高速运转，转速可达到正常转速的 2- 3 倍，故比定频空调能更快达到设定温度。当室温接近设定温度时，机组在不停止压缩机工作状态下，通过调整压缩机的运行频率来调节室温，这样就可以使得室温变化波动不大，提供了舒适的环境。3.4 超低温制热、除霜快速当
13、室外环温在 0 以下时，定频空调的制热能力大幅度下降，在 -12 时制热量只有额定值的 35% 左右。而变频空调则可根据室外温度的变化自动改变压缩机转速，在室外温度低的情况下，通过提高运行频率，使得制热能力提高，在 -12 时制热量可达到额定值的 70 %左右。在低温条件下，定频率空调器除霜时间需 5 - 15 分钟，在此期间室内机停机，会向室内供热。而变频空调器在除霜时，通过调节电子膨胀阀的开启度，将电子膨胀阀全开，压缩机高速运转，利用压缩机排气的温热除霜，从而实现不间断供热快速除霜。3.5 控温精度高定频空调器由开 / 停两位控制，故温差范围大，一般可控制在 23 ，而变频空调器的控制温差
14、范围小，一般可控制在 0.21 ，因此变频空调器比定频空调器的控制温精度高得多。3.6 节能经济定频空调器供给压缩机的电源频率不变（ 50Hz 或 60Hz ） ，压缩机启动电流很大，一般为 57 倍的工作电流，能耗大，当设定温度达到，压缩机停转，温度上升或下降时，压缩机再启动，周而复始压缩机处于开 / 停机工作状态，每次启动都有很大的无用功消耗，很不经济；变频空调器可以在很低频率（ 20Hz30Hz 左右）低电压（ 60100V 左右）条件下启动，启动电流一般仅为工作电流的 1.5 倍，启动转矩大，缩短启动时间，减少能耗，在整个变频空调工作过程中，压缩机能量输出大小一直在随着室内温度差值大小
15、来迅速逼近设定温度值,压缩机处于最佳最合理的工作状态，同时由于取消了压缩机高频高电压的停 / 开控制，大大减少了启动中的无用功的控制，从而达到了节能经济的目的 8。因此变频空调节能效果明显，比定频率空调节电约 20% - 30% 。四.变频空调技术的发展趋势4.1 智能控制在空调器中的应用随着电力电子技术和单片机技术的发展,空调器的控制方法发生了很大的变化。以单片机为核心的温度控制器采用 PID 调节,能构成一个闭环连续控制系统。由于空调系统的被控对象是房间的温度场,它与空调器进行热交换的工况相当复杂,制约因素太多,系统的数学模型很难确定,而 PID 调节器参数的整定在很大程度上依赖于精确的数
16、学模型,两者的矛盾很难统一。模糊控制 FLC(Fuzzy Logic Control)是人工智能领域中形成最早、应用最广泛的一个重要分支,适合于结构复杂且难以用传统理论建模的问题。在空调系统的过程控制中,由于控制对象的时滞、时变和非线性的特征比较明显,导致控制参数不易在线调节,而 FLC 却能较好的适应这些特征,因此引起了空调领域的普遍关注,目前已经成功地应用到家用空调器上。日本、西欧等发达国家在这一领域处于领先水平。随着模糊控制技术在空调器中应用研究的不断深入,在控制目标方面从早期的温度控制发展到以 PMV(Predicted Mean Vote)作为控制基准;在控制策略方面从基于查询表方法
17、的简单模糊控制发展到与其它人工智能领域相结合的智能模糊控制 9。为了提高控制器的控制效果,适应过程参数的变化对控制系统的要求,出现了在线调整模糊控制参数的自适应、自组织模糊控制器等。如在日本已经出现了基于遗传算法的模糊空调器、模糊神经元控制的空调系统 10等。另外,混沌理论(Chaos)在国外一些新型空调器中得到了应用。如日本三洋公司生产的 SAP-E40B6 型空调器,在室内机贯流风扇的控制中采用 Chaos 理论,降低了风扇的噪音,增大了风量。这些智能控制方法的应用极大地提高了空调器的控制效果。国内在模糊控制方面的研究虽然起步较晚,但是发展很快,取得了一些令人鼓舞的成就。尽管如此,其应用成
18、果的数量和质量均有待进一步提高。九十年代初,国内一些空调器生产厂家率先从国外(尤其是日本) 引进了模糊控制变频空调器技术,在消化和吸收这些技术的同时,一些研究机构积极开发研制空调器的模糊控制系统,目前已有一些产品问世。但是这些产品和国外先进技术相比还存在一定差距。表现在智能化程度不高、控制效果不太理想等,对于这些问题,不少科研人员先后对所开发的模糊控制器进行改进,达到了一定效果,但是对严格影响控制效果的一些重要参数还缺乏系统的选择原则。要确定这些参数不但需要控制领域的相关知识,更重要的是需要制冷学科的知识,因此作者认为应用研究的不深入是造成国产模糊控制器在空调系统中应用效果不理想的主要原因,结
19、合空调系统本身来研究模糊控制是提高家用空调器性能的重要措施之一。4.2 能效比指标的改进目前,我国对空调器评价的效率指标是能效比,其中制冷工况以 EER 表示,制热工况用 COP 值来表示。空调器的能效比是指在国标规定的室内、外环境温度和湿度条件下按额定功率运行时的稳态能效比。生产厂家都在这一规定的环境下优化空调器,使其达到最佳值。因此,能效比就自然成为空调器性能优劣的重要评价标准之一。在实际运行过程中,环境条件会不断化,加之空调器会出现开)停过程功率损失,因此能效比并不能反映实际的运转效率。变频空调器的能效比与普通非变频空调器的能效比相差无几,但是变频空调器在动态运转过程中的节能优势是非常明
20、显的,其实际运转效率远高于普通空调器。为了推动变频空调器的发展,一些发达国家制定了新的标准)季节能效比(SEER)作为空调器的效率标准。SEER 不仅考虑了稳态效率,同时还考虑了变化的环境和开关损失因素,是一个较为合理的指标。制定一个适应我国气候条件的季节能效比国家标准,是变频空调器技术进一步发展的前提。我国在这方面的研究工作势在必行。4.3 控制器参数的优化空调对象本身的结构和参数复杂多样,环境和干扰的特性又存在某种不确定性,所以要求控制系统能够在空调器运行期间在线地积累与控制有关的信息,并修正这些控制参数,使空调器始终处于最优或接近最优的工作状态。由于目前 FLC设计的两个重要步骤)规则获
21、取及参数设定没有一个系统的设计方法,主要依靠专家经验和设计者反复试验。为此,不少学者对此作了相应的改进 101112。 近年来神经网络和进化计算理论的研究,给模糊控制研究提供了新的工具。文献 13提出了采用遗传算法(GAs)优化模糊控制规则的概念 ;文献 14采用了神经网络理论对模糊控制规则进行了辨识。这些理论的应用推动了模糊控制理论和应用的发展,由于对这些理论的理解和应用还处于初期,目前仍有许多亟待完善之处,如:神经网络对变迟延对象的不适应问题:GAs 群体大小、算子概率、编码与选择方式等尚需进一步证明等。这些问题的早日解决对提高变频空调器的控制效果会起到关键的作用。4.4 空调器的信息化目
22、前,全球正在进入网络化时代,住宅也在进入智能化。欧洲的西门子、梅洛尼两个家电巨人于 1998 年推出了自己的产品。西门子的/家庭电子系统(HES)0是一个基于 Windows 95 下的家庭控制系统,利用这个系统可实现对多种家电器具网络性控制,以及完成电话、传真、E-mail 等对外的通讯联络。意大利的梅洛尼公司推出的称之为/家庭智能检测器(HSM)0 也具备了类似的功能。据梅洛尼公司有关人士介绍,该公司已率先将该产品用于洗衣机之上,制造了能够上网的洗衣机。用户不仅能够通过网络对这种洗衣机进行遥控,还可以将洗衣机与售后服务中心相连,一旦发生故障服务中心立即可以通过网络检测出故障原因,并迅速提出
23、解决方案。日本几大电子公司正在加紧研制/家庭服务器。另外 ,IBM 和贝尔大西洋电话公司宣布,他们将与建筑商合伙,为消费者提供由它们研制的智能化住宅。作为信息化的家用空调器,除了应具备常规制冷系统的特点以外,还应具备以下两个条件:具有完善的通讯连网功能,使人们可从远程计算机上对其进行控制 ,参数设定,并具有双向通讯功能; 采用数字化传感器。数字化传感器是以专用微处理器控制的具有双向通讯功能的先进传感器系统,微处理器能够按照给定的程序对传感器实施软件控制,把传感器从单功能变成多功能以消除与模拟电路有关的误差源,从而提高测量的精确度。这样通过智能住宅内的数字化传感器,可以通过上位机来控制冷系统的工
24、作。微软总裁比尔盖茨提出的/维纳斯计划已正式拉开中国信息家电的序幕。相信不久的将来,能够上网的空调器会出现在中国的市场上。五结论国内变频空调在技术上与国外差距还是很大，研究发展变频空调技术是现在首要任务。根据变频开空调的技术现状，在变频空调器中的变频器、微控制器、PWM 的生成以及变频压缩机的电机等主要零部件为首进行技术研究发展。明确现在变频空调器的发展趋势进行进一步发展，跟上世界变频空调的步调。六.参考文献1 周子成 .日本分体挂壁式房间空调器的新进展(续)J.制冷 ,1996,54(3):2025. 2 朱瑞琪 ,孙毅刚,刘君华.制冷空调设备的变频能量调节 J。流体工程,1991,19(8
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