第二節 變頻空調器的節電原理、工作原理和分類

一、變頻空調器的節電原理和工作原理

1．節電原理

最普通的交流變頻空調器和典型的定頻空調器相比，只是壓縮機的運行方式不同，定頻空調器壓縮機供電由市電直接提供，電壓為交流220V，頻率為50Hz，理論轉速為3000r/min，運行時由于阻力等原因，實際轉速約為2950r/min，因此制冷量也是固定不變的。

變頻空調器壓縮機的供電由模塊提供，模塊輸出模擬三相交流電，其頻率可以在15～120Hz之間變化，電壓可以在30～220V之間變化，因而壓縮機轉速可以在1500～9000r/min的范圍內變化。

壓縮機轉速升高時，制冷量隨之加大，制冷效果變好，制冷模式下房間溫度迅速下降，相對應此時空調器耗電量也隨之上升；當房間內溫度下降到設定溫度附近時，電控系統控制壓縮機轉速降低，制冷量下降，維持房間溫度，相對應的此時耗電量也隨之下降，從而達到節電的目的。

2．工作原理

圖1-17為變頻空調器工作原理框圖，圖1-18為其實物圖。

室內機主板CPU接收遙控器發送的設定模式和設定溫度信號，與室內環溫傳感器溫度相比較，如達到開機條件，則控制室內機主板主控繼電器觸點閉合，向室外機供電；室內機主板CPU同時根據室內管溫傳感器溫度信號，結合內置的運行程序計算出壓縮機的目標運行頻率，通過通信電路傳送至室外機主板CPU，室外機主板CPU再根據室外環溫傳感器、室外管溫傳感器、壓縮機排氣傳感器、市電電壓等信號，綜合室內機主板CPU傳送的信息，得出壓縮機的實際運行頻率，輸出控制信號至IPM（智能功率模塊）。

IPM是將直流300V轉換為頻率和電壓均可調的三相變頻裝置，內含6個大功率IGBT（開關管），構成三相上下橋式驅動電路，室外機主板CPU輸出的控制信號使每只IGBT導通180°，且同一橋臂的兩只IGBT中的一只導通時，另一只必須關斷，否則會造成直流300V直接短路。并且相鄰兩相的IGBT導通相位差為120°，在任意360°內都有3個IGBT導通以接通三相負載。在IGBT導通與截止的過程中，輸出的三相模擬交流電中帶有可以變化的頻率，且在一個周期內，如IGBT導通時間長而截止時間短，則輸出的三相交流電的電壓相對應就會升高，從而達到頻率和電壓均可調的目的。

IPM輸出的三相模擬交流電，加在壓縮機的三相感應電動機上，壓縮機運行，系統工作在制冷或制熱模式。如果室內溫度與設定溫度的差值較大，室內機主板CPU處理后送至室外機主板CPU，輸出控制信號使IPM內部的IGBT導通時間長而截止時間短，從而輸出頻率和電壓均相對較高的三相模擬交流電并加至壓縮機，壓縮機轉速加快，單位制冷量也隨之加大，達到快速制冷的目的；反之，當房間溫度與設定溫度的差值變小時，室外機主板CPU輸出的控制信號，使得IPM輸出較低的頻率和電壓，壓縮機轉速變慢，降低制冷量。

二、變頻空調器的分類

變頻空調器根據壓縮機工作原理和室內外風機的供電狀況可分為3種類型，即交流變頻空調器、直流變頻空調器、全直流變頻空調器。

1．交流變頻空調器

交流變頻空調器見圖1-19，是最早的變頻空調器，也是目前市場上保有量最大的類型，現在通常已經進入維修期或淘汰期。

室內風機和室外風機與普通定頻空調器上的相同，均為交流異步電機，由市電交流220V直接起動運行。只是壓縮機轉速可以變化，供電為IPM提供的模擬三相交流電。

制冷劑通常使用和普通定頻空調器相同的R22，一般使用常見的毛細管作為節流部件。

2．直流變頻空調器

將普通直流電機由永磁鐵組成的定子變為轉子，將普通直流電機需要換向器和電刷提供電源的線圈繞組（轉子）變成定子，這樣省掉普通直流電機所必需的電刷，稱為無刷直流電機。

使用無刷直流電機作為壓縮機的空調器稱為直流變頻空調器，其在交流變頻空調器基礎上發展而來，整機的控制原理和交流變頻空調器基本相同（模塊輸出供電，用萬用表測量時實際為交流電壓），只是在室外機電路板上增加了位置檢測電路，其同時是目前銷售量最大的變頻空調器機型。

直流變頻空調器見圖1-20，室內風機和室外風機與普通定頻空調器上的相同，均為交流異步電機，由市電交流220V直接起動運行。

制冷劑早期機型使用R22，目前生產的機型多使用新型環保的R410A制冷劑，節流部件同樣使用常見且價格低廉但性能穩定的毛細管。

3．全直流變頻空調器

全直流變頻空調器見圖1-21，屬于目前高檔空調器，在直流變頻空調器基礎上發展而來，與之相比最主要的區別是，室內風機和室外風機均使用直流無刷電機，供電為直流300V電壓，而不是交流220V，同時壓縮機也使用無刷直流電機。

制冷劑通常使用新型環保的R410A，節流部件也大多使用毛細管，只有少數品牌的機型使用電子膨脹閥，或電子膨脹閥和毛細管相結合的方式。

三、交流和直流變頻空調器的區別

1．相同之處

1）制冷系統：定頻空調器、交流變頻空調器、直流變頻空調器的工作原理和實物基本相同，區別是壓縮機的工作原理和內部結構不同。

2）電控系統：交流變頻空調器和直流變頻空調器的控制原理、單元電路、硬件實物基本相同，區別是室外機主控CPU對模塊的控制原理不同[即脈沖寬度調制（PWM）方式或脈沖幅度調制（PAM）方式，但控制程序內置在室外機CPU或存儲器之中，實物看不到。

3）模塊輸出電壓（此處指用萬用表實測電壓）：交流變頻空調器的IPM輸出頻率和電壓均可調的模擬三相交流電，頻率和電壓越高，壓縮機轉速就越快。直流變頻空調器的IPM同樣輸出頻率和電壓均可調的模擬三相交流電，頻率和電壓越高，壓縮機轉速就越快。

2．整機不同之處

1）壓縮機：交流變頻空調器使用三相感應電機，直流變頻空調器使用無刷直流電機，兩者的內部結構不同。

2）位置檢測電路：直流變頻空調器設有位置檢測電路，交流變頻空調器則沒有。

3．交流變頻和直流變頻空調器模塊的不同之處

在實際應用中，同一個型號的模塊既能驅動交流變頻空調器的壓縮機，也能驅動直流變頻空調器的壓縮機，所不同的是由模塊組成的控制電路板不同。驅動交流變頻壓縮機的模塊板通過改動程序（即修改CPU或存儲器的內部數據），即可驅動直流變頻壓縮機。模塊板硬件方面有以下幾種區別。

（1）模塊板增加位置檢測電路

仙童FSBB15CH60模塊在海信KFR-28GW/39MBP交流變頻空調器中，見圖1-22，驅動交流變頻壓縮機。

海信KFR-33GW/25MZBP直流變頻空調器中，見圖1-23，基板上增加位置檢測電路，驅動直流變頻壓縮機。

（2）模塊板雙CPU控制電路

三洋STK621-031（041）模塊在海信KFR-26GW/18BP交流變頻空調器中，見圖1-24，驅動交流變頻壓縮機。

海信KFR-32GW/27ZBP中，見圖1-25，模塊板使用雙CPU設計，其中1個CPU的作用是和室內機通信、采集溫度信號并驅動繼電器等，另外1個CPU專門控制模塊，驅動直流變頻壓縮機。

（3）雙主板雙CPU設計電路

目前常用的一種設計形式為，設有室外機主板和模塊板，見圖1-26和圖1-27，每塊電路板上均設計有CPU，室外機主板為主控CPU，作用是采集溫度信號和驅動繼電器等，模塊板為模塊驅動CPU，專門用于驅動IPM或變頻模塊和PFC模塊。