空調(diào)變頻器控制原理及方式

徐經(jīng)碧

[摘 ?要]變頻調(diào)速技術(shù)是一門先進的科學技術(shù)，由電力電子、微電子以及計算機等多種技術(shù)組成的。具有工作效率高、精確度高以及范圍廣泛等優(yōu)點，由于其具有較高的節(jié)能效果，因此在空調(diào)、冶金、機械等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，而且逐漸成為了電氣傳動發(fā)展的主要方向。不同的變頻裝置具有不同的控制特性，因此在不同的應用場合中應當選擇一個合適的系統(tǒng)。本文介紹空調(diào)變頻器的常用類型，并且分析空調(diào)變頻器控制原理與方式。

[關(guān)鍵詞]空調(diào)變頻器 ?控制原理 控制方式

中圖分類號：D522 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）24-0028-01

前言

近幾年，隨著電子技術(shù)以及集成電路的不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝的提高，功率半導體器件的價格逐步降低，工業(yè)上開始重視起變頻調(diào)速的開發(fā)。因此，相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人員認識到開發(fā)性能良好的變頻器并將其應用于工業(yè)控制中的重要性，這也逐漸成為了變頻空調(diào)控制工作者共同追求的目標。

1.變頻器的類型

1.1 交-直-交型

交-直-交型變頻器首先通過整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為頻率可以調(diào)節(jié)的交流電。這種類型的變頻器是一種間接的變頻調(diào)速系統(tǒng)，帶有直流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，并且具有較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍，功率因素較高，一般應用于空調(diào)變頻器控制系統(tǒng)以及各種拖動系統(tǒng)。

1.2 交-交型

交-交型變頻器通過利用變頻器將電網(wǎng)交流電直接轉(zhuǎn)換為電壓和頻率可以調(diào)節(jié)的交流電，這是一種變頻調(diào)速系統(tǒng)，具有較高的工作效率，但是由于其調(diào)頻范圍較窄，而且在低速下功率因數(shù)較低，因此在低速大功率的拖動裝置中比較適用。

常用的VVVF變頻器通常使用交-直-交型為主，這種類型的變頻器由于中間的濾波方式有所不同而分為電壓型和電流型兩種主要形式。

2.空調(diào)變頻器控制原理

空調(diào)變頻器由五個部分組成，分別為濾波電路、整流電路、功率因素校正（PFC）電路、逆變電路和MCU控制電路。其中濾波電路濾除電網(wǎng)中的干擾，同時濾除控制器系統(tǒng)對電網(wǎng)產(chǎn)生的EMI干擾。整流電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟９β室蛩匦Ｕ≒FC）電路將電流信號和電壓信號的相位調(diào)整一致，提高空調(diào)變頻器效率。逆變電路直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電，用于驅(qū)動壓縮機。MCU控制電路為整個變頻控制器的核心部分，為逆變電路以及整個變頻控制器系統(tǒng)提供正確的控制策略。

整流電路能夠同時為逆變電路和控制系統(tǒng)提供工作所需要的直流電源。根據(jù)控制方式的不同，整流電源既可以由直流電壓源來充當，也可以由直流電流源來充當。整流電源如果由電壓源來構(gòu)成的話，直流濾波電路則主要是由容量較大的電解電容等元器件構(gòu)成的。若整流電路是電流源的話，直流濾波電路則是由容量較大的電感組成的。直流濾波電路能夠?qū)⒄麟娐匪敵龅闹绷麟娺M行濾波，這樣就可以得到高質(zhì)量的直流電源，保證逆變電路以及控制系統(tǒng)的正常工作。在某些情況下，直流濾波電路還可以由制動電阻以及其他種類的輔助電路等組成，這樣可以實現(xiàn)對電動機的制動。

功率因素校正（PFC）電路通過MCU 算法將電流信號和電壓信號的相位調(diào)整一致，減小無功功率，提高空調(diào)變頻器效率。同時功率因素校正（PFC）電路是BOOST拓展模式，可以將整流電路輸出的直流電壓進行升壓，供逆變器對壓縮機的高頻控制。

逆變電路通過智能功率模塊（IPM）將整流電路輸出的高質(zhì)量直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可以調(diào)節(jié)的三相交流電源，驅(qū)動變頻空調(diào)壓縮機。

MCU控制電路是空調(diào)變頻器的核心部分，是變頻器的大腦，控制整個空調(diào)變頻器系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。包括對PFC電路的控制調(diào)節(jié)，逆變電路的控制調(diào)節(jié)等，同時將外圍及負載反饋回來的關(guān)鍵信號進行處理，進而控制外圍及負載的運行。

3.空調(diào)變頻器控制方式

空調(diào)變頻器主要是通過電子技術(shù)和計算機技術(shù)等來獲取空調(diào)工作過程中所需要的電壓、電流和相應的頻率。各種不同類型的變頻器輸出一般都是電壓和頻率可變，而磁通量保持恒定不變。具有不同頻率的電動機的機械特性各不相同，但是在工作時的氣隙強度變化非常微小，因此在調(diào)速時，應當盡量使氣隙磁通量保持為恒定不變的值。

4. 空調(diào)變頻器的控制特性

SPWM型的變頻裝置由于其電動機的力矩是不受任何控制的，因此無法在高度精確的條件下控制轉(zhuǎn)速，因此對于其應用范圍就有了一定的限制，目前SPWM型變頻器只能用于風機和泵類負載使用。如果空調(diào)變頻裝置使用的是矢量變換技術(shù)的話就能夠?qū)﹄姍C的磁通分量和力矩分量進行較為精確的分解，同時還能在更高的精度下對它們進行控制，這樣就可以使電動機在力矩和速度方面獲得良好的使用特性，因此這種類型的變頻器不僅能夠應用于風機以及泵類負載，同時還能對力矩和矢量的變換進行觀測，但是實際上它的控制效果一般很難與理論分析所達到的效果相匹配，而且它在使用時必須要提前知道轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的具體位置才能夠?qū)Χㄗ与娏鬟M行控制，因此在控制系統(tǒng)中必須要配制出相應的轉(zhuǎn)子或者速度傳感器，這種設(shè)定使其在很多場合都不適用。

直接轉(zhuǎn)矩控制由于能夠直接控制定子磁鏈，因此具有一定的優(yōu)越性，在使用時不需要提前知道轉(zhuǎn)速信息，而且在控制時除了定子的電阻之外能夠完美適應其他所有的電機參數(shù)，而且引入的定子磁鏈觀測器可以很迅速地對同步的速度信息進行估算，因此很容易就可以實現(xiàn)無速度傳感器化，這種傳感器也被稱為無速度傳感器（簡稱DTC）。無速度傳感器需要使用足夠精確的電機數(shù)學模型以及能夠自動識別電機參數(shù)的系統(tǒng)才能夠正常運行，并且自動識別出電機在運行過程中的定子阻抗互感、電動機慣量等許多重要的參數(shù)，并根據(jù)精確的模型來估算或者計算出電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和實際的轉(zhuǎn)矩等信息。這種系統(tǒng)具有很高的精確度，因此在轉(zhuǎn)矩響應速度和控制精度等方面都具有一定的優(yōu)越性，但是由于電機轉(zhuǎn)子參數(shù)無法收到控制，因此會產(chǎn)生一些轉(zhuǎn)矩脈動，這就在一定程度上降低了調(diào)速的范圍以及特性，該系統(tǒng)可以應用于風機和泵類負載，或者是一些對調(diào)整范圍沒有較高要求的場合。

在交流的調(diào)速系統(tǒng)中，只要能夠保證系統(tǒng)指示的要求，使用簡單的結(jié)構(gòu)、成熟的技術(shù)以及盡量低的成本和盡量小的工作量來選擇出最佳的系統(tǒng)配置，而且應當盡量克服掉盲目追求高新技術(shù)的心態(tài)，防止造成高投資、復雜技術(shù)設(shè)計、工作量大的局面，因為如果只是一味的追求高級的系統(tǒng)配置而忽略了現(xiàn)有的技術(shù)手段和工作人員的專業(yè)知識水平就會使事情事倍功半，反而不能全部發(fā)揮出高科技的優(yōu)越性。首先，可以按照負載的類型來選擇調(diào)速裝置，負載在發(fā)生變化時，一般都是速度的變化越小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好，因此為了減少系統(tǒng)的誤差性一般會使負載的靜態(tài)速度較小，機械特性越硬。但是也會有一些負載需要機械特性較軟，當發(fā)現(xiàn)負載超重使應當為了保障安全性而降低速度。其次，考慮到調(diào)速的經(jīng)濟性，應當首先想到設(shè)備的投資水平，一般來說都會有特定的系統(tǒng)調(diào)速要求，因此在選擇變頻器調(diào)速裝置的時候應當根據(jù)要求慎重選擇，例如風機和水泵等由于其為一般性節(jié)能調(diào)速，因此絕對不能選擇矢量控制類型的變頻器;而在一些對于轉(zhuǎn)矩和調(diào)速特性要求較高的場合，應當直接選擇矢量控制型的變頻裝備。

5.結(jié)語

空調(diào)變頻器是一種新型的節(jié)能控制設(shè)備，在一些發(fā)達國家具有廣泛的應用，近年來在我國也得到了逐漸的推廣。目前常用的空調(diào)變頻器使用的就是VVVF調(diào)控設(shè)備，該設(shè)備能夠取代常用的啟動裝置，而且能夠節(jié)省20%的電能。對于相關(guān)的管理人員來說，只有具備了相關(guān)的理論知識和專業(yè)基礎(chǔ)才能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的正確運行，同時還要做好系統(tǒng)的日常維護工作。如果國內(nèi)的空調(diào)變頻器技術(shù)能夠達到足夠的可靠性的話，對于我國來說無疑是一個巨大的貢獻。

參考文獻：

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