变频一拖多空调机技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

所谓变频技术就是通过控制电机的输入频率，从而达到改变其转速的目的的技术。而“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。众所周知，我国的电网电压为220V、50Hz在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”，而“变频空调”是可根据环境温度，通过变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢调节制冷量，从而达到控制室温的目的。

变频空调器还有直流和交流之分，交流变频是通过改变压缩机输入电流的频率以达到改变压缩机转速来调节制冷剂流量，从而改变空调器的制冷(热)量，相应地，电能消耗也随之改变，而直流变频其实不是变频，而是通过改变压缩机的直流无刷电机的输入电压来达到改变压缩机转速的目的，其频率并不改变，但社会上已习惯称谓是变频机。

“变频空调”是与传统的“定频空调”相比具有快速制冷(制热)、节能、温度控制精确、电压适应范围宽等优点，目而得到越来越广泛的应用。

现在看来，九十年代中后期进入中国市场的变频技术和产品包括以下几种类型：

１、单转子变频空调。这是变频技术应用于空调器后的早期产品，压缩机工作频率在３０－６０Ｈｚ，制冷／制热可控范围不大，电控与普通分体机功能相当，但性能却优于普通分体机，因而容易被市场接受而商品化。当时日本国内有３０％的变频产品属于此种类型，而１９９６年上海夏普在国内推出的ＡＹ－２８／４１ＥＸ亦属此类。根据当时中国国内市场实际情况，此类变频产品更易形成市场从而存在商业机会，事实上后来一些变频产品也是此类产品。

２、双转子变频空调——压缩机采用双转子结构、工作频率在２０－１３０Ｈｚ，制冷／热性能可控范围较大，电控功能采用了较高级的仿智逻辑或模糊逻辑功能。这种产品由于性能较单转子优越，而且压缩机和控制器成本较高，故整机成本较同类定速机高５０％左右。此类产品在日本市场约占４０％比例，适合中、高收入群体消费者。而对中国市场来说，当时普通定速空调仍处于普及阶段，而且居民收入不高，一台此类型１Ｐ空调售价便近１万元，故市场机会较少。但同期不少企业开始引进此类技术，比如当时美的向东芝引进的变频技术即是此类档次。

３、直流变频空调。这是当时家用空调中技术含量较高的产品，压缩机要用双转子或涡旋式，而压缩机内电动机则采用直流转子结构，工作频率在１５－１６０Ｈｚ，制冷／热可控性能范围大，电控部分则采用更高级的智能控制方式，风机也采用数字电机，精确控制转速，膨胀阀也采用电磁膨胀阀精确控制冷媒流量。这类产品整机成本约是初级型单转子变频机的两倍，在日本此类机型占总比重３０％，为高档次消费者所接受，而对当时中国市场来说则有点勉为其难，从而难以商品化。

４、变频多联系列。这类产品是在第二类双转子变频空调基础上发展起来的产品，包括一拖二／三的家用和一拖多商用等多个品种，其最大特点是拖动多个室内机实现制冷／热，从而最大程度地发挥变频机组的效力，高效且省电。但是此类产品技术含量高而且安装复杂，对当时中国空调行业而言属于高端技术，而且其多联功能使得可使用范围更加广泛。但是由于其成本高昂，初期一次性投入巨大，短期内在家用领域难以形成市场，但商用机会较大，因此一些空调厂家开始关注此类技术并推出系列产品，比如春兰曾经推出的变频一拖二／三组合产品、上海大金推出的变频多联系统等。

2006年12月，新科推出了第四代数码涡旋变频空调e-scroll(E涡旋)。据介绍，这款空调全部采用e-scroll涡旋压缩机技术。这压缩机采用最先进的稀土磁石材料和星型构造。使其拥有高效率(世界上最高效的压缩机COP3.34以上)，低握动(是旋转式的1／10，为20-30μm)低噪音(比他直流压缩机低5分贝)。e-scroll变领空调的诞生，标志着我国变频空调行业走进了一个新时代。

第二节 产品工艺特点或流程

一、变频空调的优点

变频空调与常规空调的比较

二、变频空调的控制特点

1、适应负荷的能力

如图1，常规空调的制冷能力随着室外温度的上升而下降，而房间热负荷随室外温度上升而上升，这样，在室外温度较高，本需要空调向房间输出更大冷量时，常规空调往往制冷量不足，影响舒适性；而在室外温度较低时，本需要空调向房间输出较小冷量，常规空调往往制冷量过盛，白白浪费电力。而变频空调通过压缩机转速的变化，可以实现制冷量随室外温度的上升而上升，下降而下降，这样就实现了制冷量与房间热负荷的自动匹配，改善了舒适性，也节省了电力。

常温空调与变频空调制冷量比较

变频空调调节制冷量的原理如下：

一定工况下，制冷量与制冷剂质量流量成正比，

即Q=q.m

式中，Q—制冷量

q—制冷剂单位质量制冷量

m—制冷剂质量流量

一定工况下，制冷剂质量流量与压缩机转速成正比例函数关系，

即m=f(N)

式中f—制冷剂质量流量与压缩机转速的函数关系，不同结构的压缩机此关系式不同

N—压缩机转速

综合上两式，就可以通过调节压缩机转速实现空调制冷量的调节，这正是直流或交流变频空调变频能量调节的原理。

2、温度调节方法

常温空调与变频空调房间制冷时温度调节比较

以制冷状态为例，图表示的为常规空调的温度调节方法，其中T为室内温度，Ts为设定温度，达到设定温度压机停，室内温度高于设定温度1度，压缩机重新开启。图4为变频空调的温度调节方法，室温每降低0.5度，运转频率就降低一档，相反，室温每升高0.5度，运转频率就升高一档，即室温越高，运转频率越大，以便空调快速制冷，室温越接近设定温度，运转频率就越小，提供的制冷量也越小，以维持室温在设定温度附近，温度波动小。

3、启动、运转性能

分别为常规空调、变频空调启动时转速曲线。常规空调以定频启动、定速运转。变频空调低频启动、变频运转。

4、节能性

常规空调开/关方法控制，压缩机开关频繁，耗电多。变频空调自动以低频维持室温基本恒定，避免压缩机频繁开启，比常规空调省电30%左右。

常温空调与变频空调启动过程比较

5、低电压运转性能

常规空调在电压低于180V左右时，压缩机就不能启动，而变频空调在电压很低时，降频启动，降低启动时的负荷，最低启动电压可达150V。

常温空调与变频空调房间低电压控制比较

6、热冷比

常规空调制冷、制热压缩机转速一样，只能通过系统匹配提高热冷比，局限性很大。变频空调制热时压缩机转速比制冷时高许多，所以热冷比可高达140%以上。（制热时最高运转频率往往要比制冷最高运转频率高20Hz左右）

7、低温制热效果

常规空调压缩机转速恒定，0°C以下压缩机功率很低，实际上没有什么制热效果；变频空调低温下以高频运转，制热量是常规空调的3、4倍。

8、满负荷运转

常规空调压缩机只有一种转速，不可能实现满负荷时的强劲运转；变频空调在人多时、刚开机时或室内外温差较大时，可实现高频强劲运转。

9、保护功能

常规空调每次发生电流等保护均需停压缩机；变频空调每当发生保护时均以适当的降频运转予以缓冲，可实现不停机保护，不影响用户的使用。

三、变频空调的电路基本原理

变频空调根据压缩机是采用交流还是直流电机可分为交流变频和直流变频两种。

1.交流变频空调

（1）基本原理

异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用而产生的。定子绕组渡过电流时产生旋转磁场，在转子绕组内感应出电动势，因而产生了感应电流，该电流与定子旋转磁场相互作用，便产生了磁场力。而实际上对于异步电动机，旋转磁场的转速（通常称为同步转速）n0与转子的转速n1是有差别的，两者之差与同步转速的比值，我们称之为转差率，用s来表示，即式中，f—电流频率

p—电机极对数

所以转子的速度n1可用下式表示

由上式可知，只要改变异步电动机的供电频率，电机的转速便会发生改变，交流变频空调就是根据这一基本原理来运行的。

异步电动机在运行时，产生的感应电动势E1为：

式中，k—电机绕组系数；

N1—每相定子绕组匝数

Φ—每极磁通

由于定子阻抗上的压降很小，可以忽略，这样，我们便可以得到：

由上式可知，磁通Φ与U1/f成正比。对于磁通Φ，我们通常是希望其保持在接近饱和值，如果进一步增大磁通Φ，将使电机的铁心饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。而磁通Φ的减小，则铁心未得到充分的利用，使得输出转矩下降。这样，由上式可知，要保持Φ恒定，即要保持U1/f恒定，改变频率f的大小时，电机定子电压U1必须随之同时发生变化，即在变频的同时也要变压。这种调节转速的方法我们称为VVVF（VairbleVoltageVaribeFrequency)，简称为V/F变频控制。现在变频空调的控制方法基本上都是采用这种方法来实现变频调速的。下图为一变频空调的V-f曲线图，V-f曲线由变频压缩机性能决定。

变频控制器的原理框图如下所示，220V/50Hz的市电经整流滤波后得到310V左右的直流电，此直流电经过逆变后，就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源。

变频控制器的原理框图

（3）实现V/F变频控制的方法

脉宽调制（PWM）：在输出电压每半个周期内，把输出电压的波形分成若干个脉冲波，由于输出电压的平均值与脉冲的占空比（脉冲的宽度除以脉冲的周期称为占空比）成正比，所以在调节频率的同时，不改变脉冲电压幅度的大小，而是改变脉冲的占空比，可以实现变频也变压的效果。这种方法称为PWM（PuleWidthModulation）调制，PWM调制可以直接在逆变器中完成电压与频率的同时变化，控制电路比较简单。

由于PWM调制输出的电压波形和电流波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分，这样就使得输入到电机的能量不能得以充分选用，增加了损耗。为了使输出的波形接近于正弦波，提出了正弦波脉宽调制（SPWM）。

所谓SPWM调制，简单地来说，就是在进行脉宽调制时，使脉冲序列的占空比按照正弦波的规律进行变化，即，当正弦波幅值为最大值时，脉冲的宽度也最大，当正弦波幅值为最小值时，脉冲的宽度也最小（如下图所示）。这样，输出到电动机的脉冲序列就可以使得负载中的电流高次谐波成分大为减小，从而提高了电机的效率。SPWM波形的特点概括起来就是“等幅不等宽，两头窄中间宽”。

（4）具体电路

对于变频空调的电路，其室内机部分与常规空调相类似，比常规空调多一通讯电路。其主要部分集中在室外部分，室外电控有主控板、电源电路、变频驱动模块。而室外变频电路的核心主要集中在以下两个方面：

1）变频驱动模块

这一部分指的是完成直流到交流的逆变过程，用于驱动变频压缩机运转的逆变桥及其周围电路。变频空调上通常采用6个IGBT构成上下桥式驱动电路。在实际应用中，多采用IPM（IntelligentPowerModule)模块加上周围的电路（如开关电源电路）组成。IPM是一种智能的功率模块，它将IGBT连同其驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内，从而简化了设计，提高了整个系统的可靠性。现在变频空调常用的IPM模块有日本三菱的PM系列及日本新电元的TM系列（内置开关电源电路）。

2）室外控制芯片

随着技术的进步，变频空调的控制将向智能化、集成化、可靠化的方向发展，而其控制的核心--芯片也将越来越先进。室外芯片主要的功能是完成各种运算，产生SPWM波形，实现压缩机V/F曲线的控制并提供各种保护等。变频空调采用的室外控制芯片有很多种，如NEC、摩托罗拉、三菱等。由于空调技术的发展，模糊控制技术的不断完善，这就出现了一种性能更优异、功能更强大的控制芯片—DSP。DSP即DigitalSignalProcessor是数字信号处理器的简称，与一般的单片机相比，DSP在运算速度、信号的处理、电机的控制方面具有更大的优势，是未来的发展方向。美的空调与美国TI（德州仪器）公司进行合作，其变频空调均采用DSP控制技术，大大提高了整机的控制性能。整机电控框图如下所示：

整机电控框图

2.直流变频空调基本原理及结构

直流变频空调其关键在于采用了无刷直流电机作为压缩机，其控制电路与交流变频控制器基本一样。

（1）直流变频空调的基本原理

1）直流变频概念

我们把采用无刷直流电机作为压缩机的空调器称为“直流变频空调”从概念上来说是不确切的，因为我们都知道直流电是没有频率的，也就谈不上变频，但人们已经形成了习惯，对于采用无刷直流压缩机的空调器就称之为直流变频空调。

2）无刷直流电机

无刷直流电机与普通的交流电机或有刷直流电机的最大区别在于其转子是由稀土材料的永久磁钢构成，定子采用整距集中绕组，简单地说来，就是把普通直流电机由永久磁铁组成的定子变成转子，把普通直流电机需要换向器和电刷提供电源的线圈绕组转子变成定子。这样，就可以省掉普通直流电机所必须的电刷，而且其调速性能与普通的直流电动机相似，所以把这种电机称为无刷直流电机。无刷直流电机既克服了传统的直流电机的一些缺陷，如电磁干扰、噪声、火花可靠性差、寿命短，又具有交流电机所不具有的一些优点，如运行效率高、调速性能好、无涡流损失。所以，直流变频空调相对与交流变频空调而言，具有更大的节能优势。

3）转子位置检测

由于无刷直流电机在运行时，必须实时检测出永磁转子的位置，从而进行相应的驱动控制，以驱动电机换相，才能保证电机平稳地运行。实现无刷直流电机位置检测通常有两种方法，一是利用电机内部的位置传感器（通常为霍尔元件）提供的信号；二是检测出无刷直流电机相电压，利用相电压的采样信号进行运算后得出。在无刷直流电动机中总有两相线圈通电，一相不通电。一般无法对通电线圈测出感应电压，因此通常以剩余的一相作为转子位置检测信号用线，捕捉到感应电压，通过专门设计的电子回路转换，反过来控制给定子线圈施加方波电压；由于后一种方法省掉了位置传感器，所以直流变频空调压缩机都采用后一种方法进行电机换相。

4）直流变频空调与交流变频空调的电控区别

交流变频空调的变频模块按照SPWM调制方法，通过三极管的通断，给压缩机三相线圈同时通电，压缩机为一三相交流压机。

直流变频空调的变频模块每次导通二个三极管（A+、A-不能同时导通，B+、B-不能同时导通，C+、C-不能同时导通），两相线圈通以直流电，驱动转子运转，另一相线圈不通电，但有感应电压，根据感应电压的大小可以判断出转子的位置，进而控制绕组通电顺序。直流变频相比交流变频多一位置检测电路。

下图为直流变频空调的电路原理图：

直流变频空调可分为两类，一类是只有压缩机采用无刷直流电机；二是不仅压缩机，还包括室内风机、室外风机都采用了无刷直流电机，而且制冷剂的调节方式也由毛细管变为电子膨胀阀，这就是全直流变频空调。KFR-35GW/BP2Y，就是一款全数字直流变频空调（其中其压缩机更是采用了高性能的双转子直流变频压缩机）。

直流变频空调电路原理图

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

通过对空调发展的后风扇时代、纯空调时代、超空调时代和即将来到的网络信息时代回顾。以及几种典型的主流空调技术和产品的分析，可以看出科技创新势不可挡。高科技含量的空调产品必将取代市场上仅仅具备了制冷制热功能的低技术含量空调。未来空调将要朝着“四化”．即健康化、节能环保化、人性化、网络化迈进。

健康化：健康的空气舒适指数主要从空气洁净度、空调气流的舒适度、空气温湿度控制技术三方面来衡量。各空调厂家针对这一需求，推出了多重空气过滤技术、等离子技术、负离子技术、多元光触煤技术、环绕立体送风技术、自动除湿加湿等技术。并运用到产品上。目前，日本的一些空调企业以及中国的海尔在这方面都处于世界领先水平。

节能环保化：从世界发展趋势看，节能是环保的第一重要因素。环保始终是各国所关注的问题。欧盟颁布了相关法规，限制非环保产品进入，日本政府公布了<节能法>，美国环保署公布了美国国家政府强行执行的能耗标准。把无环保产品拒之门外也是遵循这一节能环保的大趋势。中国国家技术监督局节能认证委员会在2000年也首次颁布了中国节能认证。从空调产品节能技术的演变上，已经实现了从最初的定频空调到变频空调的节能30％。随着先进技术的不断创新运用。2001年海尔又推出了具有高效数字直流变频压缩机、数字传感器、数字直流电机的空调器世纪超人。将节能水平提升至5l％。创造了目前国内外节能产品之最。

人性化：使用方便，人机互动是更高层次要求。由于传统空调的功能简单，各国空调厂商运用了多项人性化空调设计技术．推出了具有多种视窗显示(VFD点阵液晶、LED显示)的空调，使空调运行状态一目了然。同时。为了满足夜间使用空调，在多个系列产品中具有夜光显示功能的遥控器，背光功能，让消费者在黑暗中能够清晰可见地进行空调操作。具有语音声控功能的空调等。具有人性化设计功能的空调必将成为未来空调的发展方向之一。

网络化：网络信息空调时代。网络技术的发展必将为空调带来一场全新的技术革命。传统空调的概念将发生质的改变。谁先掌握网络技术在空调上的应用，谁就会成为未来空调市场的引领者，空调网络信息时代的到来成为不可逆转的潮流。一些新型空调产品开始预留网络接口，实现网络开放。通过选配的网络控制器可实现千里之外的网络遥控。集中控制器可实现同时控制128台空调，为智能化小区物业管理提供便利。高技术、高附加值的特点把空调这种最初简单的舒适品推向了一个全新的概念。成为人们在工作和生活中必不可少的人性化智能家电。

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