中央空调变频电路的基本结构知识

目前，在中央空调系统中，不论是商用中央空调还是家用中央空调系统，为达到节能环保目的，基本上都釆用了变频技术，具体体现在中央空调系统中的压缩机的驱动电动机或风机的电动机的驱动电路上，且在中央空调的室外机中，压缩机采用变频式压缩机，下面首先介绍变频电路的基础知识。

一、压缩机的电动机转速控制方式

压缩机是空调器中的动力核心，压缩机的动作是由电动机驱动的，空调器的压缩机实际上是将压缩机与驱动电动机制成一体化的结构。空调器的制冷（或制热）速度与压缩机的转速有关。压缩机转速的控制方式实际上是对它的驱动电动机的控制，其控制方式有如下 几种：

1.断续控制方式

断续控制方式是一种恒速（恒频）的方式，即传统的空调控制方式，当需要制冷（或制热）时，起动压缩机；当到达设定温度时则停止压缩机。不改变压缩机供电的电压和频率。

上图所示是直接用交流220V, 50Hz的电源供电，经继电器变成断续供电的方式。传统的压缩机转速控制方式是交流电源断续（ON/OFF）控制方式，釆用这种控制方式的空调器被称为定频/定速空调器。压缩机电动机多采用单相异步电动机，控制电路比较简单。220V交流电经继电器为压缩机供电，在需要制冷时继电器接通220V交流电并将其加到压缩机电动机绕组上，电动机以全速旋转进行制冷。当达到设定温度时，控制电路使继电器切断220V供电电源，压缩机停机，室内温度上升后再次起动继电器使压缩机起动。这种方式电 源供电的电压不变（220V）、频率不变（50Hz）,电动机的旋转速度也不变。继电器只控制电源的通断。压缩机的频繁起动会增加耗电，使效率降低，也容易造成零部件的损坏。

2.变频控制方式

为了提高效率、减低故障率，可采用另外一种控制方式，控制压缩机电动机的转速。这种空调器又称变频空调器。所谓变频空调器是通过改变压缩机电动机的供电频率达到速度控制的目的。这种方式从供电方式上来分有两种，即交流变频方式和直流变频方式。从控制速度方式上来分，变频空调器有以下控制方式：

① PWM （Pulse Width Modulation）方式，即脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制，控制能量的大小用脉冲的宽度来表示。

② PAM （Pulse Amplitude Modulation）方式，即脉冲幅度调制的方式，控制能量的大小用脉冲的幅度来表示。

③ PWM PAM的控制方式，即将上述两种方式结合起来对压缩机的电动机进行控制， 既改变驱动脉冲的宽度，又改变脉冲的幅度。

二、电动机转速控制原理

1.直流断续控制方式

下图所示为电动机的直流断续控制方式示意图。

图a所示为直流断续器控制电路，直流电源经晶体管VT为直流电动机M供电。VT 受控制电路的控制，VT导通时则为电动机供电，截止时则停止供电。当VT基极加上脉冲信号时，电源经VT为电动机提供脉冲电压。

图b所示为控制脉冲的宽度变化时，平均电压会发生变化，因此会使电动机转速发生变化。

2.脉冲宽度调制（PWM）方式

PWM方式的信号波形，每个脉冲的周期相等，但脉冲的宽度不等。这种信号脉冲的宽度越宽，平均电压则越高。

3.脉冲幅度调制（PAM）方式

PAM方式是通过控制脉冲信号的幅度实现对电动机的控制的，电路采用直流电源供电。当晶体管VT1、VT4导通时，电动机的供电电流从上向下流动；当VT2、VT3导通时，电动机的供电电流从下向上流动。输入的是直流电，输出的是交流电。通过逻辑控制可以使输出实现三值控制，即正电压、零电压和负电压。

4.模拟正弦波形控制方式

交流感应电动机的控制方式可以转换成电压的控制方式，也可以转换成频率的控制方式。脉冲信号的宽度变化会引起平均电压幅度的变化，脉冲组周期变化可以 引起输出频率的变化。

5,变频控制电路的基本结构

下图所示为变频控制电路简图，交流供电电压经整流电路先变成直流电压，再经过晶体管电路变成三相频率可变的交流电压去控制压缩机的驱动电动机。该电动机通常有两种类，即直流无刷电动机和交流感应电动机。逻辑控制电路通常由微处理器组成。

6.变频驱动电路的工作过程

变频空调器中的变频压缩机通常釆用直流无刷电动机，该变频方式称为直流变频方式， 但变频电路及驱动电动机定子的信号频率仍然是可变的交流信号。

变频空调器的变频电路是将电源电路整流滤波后得到的约300V左右的直流电压送给6个IGBT功率晶体管，由这6个IGBT控制流过三相电动机绕组的电流方向和顺序，形成旋转磁场，驱动转子旋转。在变频驱动信号的一个周期（电动机转动的0~ 60°）,控制信号同时加到IGBT管U 和V-的控制极，使之导通，于是电流从U 流出经绕组线圈U、线圈V、IGBT管V-到地形成回路。

如下图所示，在市电（AC220V）的60° - 120°周期，电路发生转换，IGBT管V 和IGBT管W-控制极为高电平而导通，电流从IGBT管V 流出经绕组V流入，从绕组W流出，流过IGBT管W-到地形成回路。

在市电（AC220 V）的120° -180°周期，电路再次发生转换，IGBT管 W 和IGBT管U-控制极为高电平导通，于是电流从IGBT的W 流出经绕组W流入，从 绕组U流出，经IGBT的U-流到地形成回路，又完成一个流程，并按照上述规律循环，使 电动机旋转。

三、交流变频方式

交流变频的原理是把交流220V市电转换为直流电源，为变频器提供工作电压，然后再将直流电“逆变”成脉动的交流电，并把它送到脉冲功率放大器中进行放大，再去驱动压缩机的电动机。脉冲功率放大器是由多个大功率晶体管组成的，常称为功率模块。同时，功率模块受微处理器送来的指令控制，输出频率可变的交流电压，使压缩机的转速随电压频率的变化而相应改变，这样就实现了微处理器对压缩机转速的控制和调节。

釆用交流变频方式的空调器压缩机必须使用三相感应电动机才能通过改变压缩机供电的频率来控制它的转速。变频压缩机的电动机必须与控制驱动电路相对应。典型的变频电路如下图。

在变频过程中，为了使空调器的制冷或制热能力与负荷相适应，控制系统将根据检测到的室温和设定温度的差值，通过微处理器运算，产生控制运转频率变化的信号。这个频率可变的运转控制信号通过逆变器产生脉冲状的模拟三相交流电压，并将该电压加到压缩机的三相感应电动机上，使压缩机的转速发生变化，从而控制压缩机的排量，调节空调器的制冷量或制热量。

四、直流变频方式

直流变频空调器同样是把交流市电转换为直流电，并送至功率模块，功率模块同样受微处理器指令的控制，所不同的是功率模块输出的是电压可变的直流电，以驱动压缩机运行, 控制压缩机的排量。

由于压缩机的转速受电压高低的控制，所以要釆用直流电动机。直流电动机的定子上绕有电磁线圈，采用永久磁铁作为转子。当施加在电动机上的电压增高时，转速加快；当电压降低时，转速下降。利用这种原理来实现压缩机转速变化的方式，通常称为直流变频。实际上，正因为这种空调器压缩机是直流供电，并没有电源频率的变化，所以严格地讲不应该称为直流变频空调器，而应该称为直流变速空调器。由于压缩机釆用了直流电动机，空调器更节电，噪声更小，但这种压缩机的价格要高一些。

直流变频空调器的控制电路也有两种控制方式：PWM方式和PAM方式，这两种方式的电路结构分别如下图所示。

1、PWM方式整流电路输出的直流电压基本不变，变频器功率模块的输出电压幅度恒定，控制脉冲的宽度受微处理器控制。

2、PAM方式整流输出路中增加了一个开关晶体管，通过对该开关晶体管的控制可以改变整流电路输出的直流电压幅度，直流输出电压可以在140-390V之间变化。这样变频器输出的脉冲电压不但宽度可变，而且幅度可变。