變頻空調電控系統

基本原理簡介一、基本概念·變頻：顧名思義，就是改變頻率的意思。該頻率指的是壓縮機的運行頻率（f），是直接反映壓縮機的轉速（n）的一個參數。f=n/60。壓縮機的轉速(n）：通常指的是壓縮機里面的電機一分鐘內所轉的圈數。單位是rps。如何改變壓縮機轉速（也即如何使壓縮機變頻運行）：從電機理論可以知道，不管是同步電機還是異步電機，其轉速n都有以下公式決定：

在上式中，fs表示供給壓縮機的電源頻率，np表示壓縮機電機的極對數。

為什么要改變壓縮機轉速：1）快速制冷/制熱對空調的變頻調速提出了要求。

但定頻空調是以固定的頻率運行的，制冷/熱能力一定2）從節約電能和提高舒適性方面均要求空調能夠在不同的階段輸出不同的能力

為什么頻率改變時電壓也要改變？當壓縮機運轉在不同的頻率時，電機的反電動勢是不一樣的；這是電壓需要改變的主要原因。另外，隨著頻率的上升，系統的壓力也更大，因此需要的轉矩也更大，電流也更大。什么是壓縮機轉矩？

壓縮機轉矩就是壓縮機為了克服負載的阻力產生的力矩（也叫負載力矩、負載轉矩）和機械摩擦力產生的力矩

（摩擦力矩）而輸出的轉矩。其實它是一種力矩，但為什么叫轉矩？那是因為壓縮機電機的機械運動均體現為旋轉，該力矩是用來維持壓縮機旋轉的。在其他條件不變的情況下，當壓縮機的輸出轉矩等于負載轉矩+摩擦轉矩時，壓縮機就能夠維持在當前的轉速穩定運行；當壓縮機輸出轉矩大于負載轉矩+摩擦轉矩時，壓縮機的轉速就會上升，直到建立新的平衡；當壓縮的輸出轉矩小于負載轉矩+摩擦轉矩時，壓縮機的轉速就會下降，直到建立新的平衡。

現在介紹一下常用的功率器件的基本特性和檢測方法。1、整流橋

以上為單相整流橋。下面介紹一下三相整流橋（缺一個整流橋的圖片）1）作用：將50Hz的交流市電轉化成直流電的功率器件。2）分類：按照不同的電源類型分為單相整流橋和三相整流橋，分別適用于單相電源供電的變頻及核三相電源供電的變頻機。3）主要參數：額定電流反向耐壓值正向壓降

注意：一般的整流橋標稱的工作電流是在整流橋溫度為25度的情況下條件下的工作電流，實際工作起來以后整流橋的溫度將大幅上升到70~80度，甚至90度都有可能，此時其能承受的工作電流將大大減小，因此選型時應該留有足夠的裕量

具體方法如下：將萬用表調到測量二極管的檔位，（1）將黑表筆固定在整流橋的正極輸出端[帶有（+）符號的輸出端子，對于沒有標注“+”符號的三相整流橋則是‘4’端子]，紅表筆分別接觸到整流橋的交流輸入端[帶有“~”符號的端子]，如果正常則萬用表應該顯示0.4~0.7V左右，如果顯示0或無窮大則表示所測試的二極管已經燒壞。

（2）將紅表筆固定在整流橋的負極輸出端[帶有“-”符號的輸出端子，對于沒有標注“-”符號的三相整流橋則是‘5’端子]，黑表筆分別接觸到整流橋的交流輸入端[帶有“~”符號的端子]，如果正常則萬用表應該顯示0.4~0.7V左右，如果顯示0或無窮大則表示所測試的二極管已經燒壞。5）其他注意事項：整流橋由于是發熱量很大的功率器件（1V*20A*4個），因此在使用時一定要將整流橋緊緊固定在散熱器上，且整流橋跟散熱器之間必須涂上導熱性能好的硅脂，也就是常說的散熱膏。否則工作一段時間后將很容易燒壞。2、智能功率模塊（通常說的電源模塊）下圖更加簡單明了：3）主要參數：

額定電流

耐壓值工作頻率范圍

跟整流橋一樣應該注意：一般的模塊標稱的工作電流是在模塊溫度為25度的情況下條件下的工作電流，實際工作起來以后模塊溫度將大幅上升到70~80度，甚至100度都有可能，此時其能承受的工作電流將大大減小，因此選型時應該留有足夠的裕量

耐壓值也是模塊選型時的一個非常重要的參數，它指的是模塊P（+），N（-）間所能承受的最高電壓。同時由于其工作時有很大的干擾，干擾電壓也很高，因此實際工作時加在P（+）和N（-）間的直流電壓一般不要太高，應留有100~200V的余量。當所選的模塊的耐壓值比實際的工作電壓小時，就會很容易就擊穿燒毀。一般來講，用在單相220V電源的變頻機的模塊耐壓一般為600V；用在三相380V電源的變頻機的模塊耐壓一般為1200V。當然耐壓越高越好，但是應該考慮性價比，不能無限制增大。還有一種可能就是模塊里面的六個IGBT的控制電路有問題，導致三相電壓輸出不平衡，壓縮機工作異常。但是該異常在不帶電工作的情況下用萬用表是檢測不出來，只有設法讓它運轉起來測量三相的輸出電壓，看兩兩之間是否平衡（在保證其他控制板正常的情況下）5）其他注意事項：智能功率模塊由于是發熱量很大的功率器件，因此在使用時一定要將其緊緊固定在外加的散熱器上，且模塊跟散熱器之間必須涂上導熱性能好的硅脂，也就是常說的散熱膏。否則工作一段時間后將很容易由于長期高溫導致熱疲勞損壞。

曾經有一個售后反饋說換上去的模塊運行1~2個月就燒壞，已經換了好一個了。對這情況我第一個反應就是更換模塊后沒有涂散熱膏，導致模塊長期工作在高溫情況下，導致熱疲勞損壞。但是當我問到有沒有涂散熱膏時售后維修人員口口聲聲跟我說涂了，而且涂得很厚。那這樣就沒道理了?后來我到現場拆開模塊一看，里面干巴巴的，只是很少一點上次拆模塊留在散熱器上的。對此問題我們應該引起高度重視！同時散熱膏的質量必須過關，否則過一段時間干掉了不但沒有導熱的效果，反而對散熱更加不利了！！！

對涂敷散熱膏也有很大的講究，既要能有足夠的分量使模塊跟散熱器充分接觸，又不能太多，否則太多了也會影響散熱。

對發熱的功率器件如整流橋、模塊等為什么要加散熱膏在器件跟散熱器之間？

對這個問題認識的不深入也是導致大家進入“只要打緊了就不用涂散熱膏都可以”這一誤區的很重要的原因。功率器件普遍都存在發熱厲害的特點，都需要外加散熱器，外加的散熱器表面和功率器件的表面看上去很光滑

實際上在一定倍數的顯微鏡下看，能看到其表面是凹凸不平的，因此當兩者擰緊在一起的時候，從表面上看兩者很緊密地接觸在了一起，其實由于表面的凹凸不平的原因，里面存在著大量的空氣，而空氣又是熱的不良導體，因此功率器件工作時產生的熱量就不能夠很好地散出去，導致熱量的積聚，溫度的上升。如果在器件和散熱器之間增加導熱性能良好的硅脂（散熱膏），就能夠填平的凹凸不平的表面，使里面不含空氣，緊密地結合在一起，從而實現良好的散熱！3、大容量、高壓電解電容（增加圖片）

1）作用：儲能濾波。也就是將整流橋出來的幅值變化的直流電變為幅值不變的直流電。

2）分類：就電解電容來看，可以按照里面材料分不同的種類，在我們變頻空調里面使用的一般是鋁電解電容。就鋁電解電容來看，一般按照電壓進行分類，分成高壓電解電容和低壓電解電容。行業里面標準的電壓等級一般有：16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、160V、200V、250V、350V、400V、450V。低電壓的電解電容大量用在弱點控制板上，目前用在變頻高壓部分的一般都是450V的。3）主要參數：容量、耐壓值。容量的影響主要體現在濾波效果上，在相同的條件下，容量越大，濾波效果就越好，電容上面的紋波電壓就越小，越有利于后面的器件的工作。其他條件相同的情況下，壓縮機功率越大，所需要的電解電容容量也應該越大。如果容量用得過小，就有可能使后面的負載不能正常工作，或者工作在極限、不安全的狀態。容量要求滿足不了時，我們可以通過并聯的方式來提高總的電容容量，并聯后電容容量為所有電容容量的總和。注意并聯的電解電容要求應該是同一個廠家同一個型號。

耐壓值也是電解電容選型的一個很重要的指標。一般情況下單相220V的機器選用450V的電解電容，三相380V的機器選用兩個400V或450V的電解電容串聯使用。電容串聯后容量減小，耐壓提高。串聯的兩個電容要求型號和生產廠家最好一致，且要有均壓電阻

兩個相同的電容串聯后容量為原來的一半，三個串聯則為原來容量的1/3。如果電壓不符合實際的使用需求，則導致電解電容容易損壞。

4）電解電容的檢測：電解電容的故障一般表現為漏液、電解液干涸、鼓漲開裂等、外觀破損、端子松脫等。因此首先檢查其外觀是否完好（包括端子不能變形、不能鼓起、外皮不能破損等）以及在表面是否有漏液的痕跡，否則一律不準使用。另外用萬用表電容檔測量其容量，并比照其標稱容量，一般允許±20%的誤差，否則就有漏液的嫌疑或里面端子破損的可能，應該更換。

5）電解電容使用時其他注意事項（1）由于電解電容的端子跟里面是鉚接在一起的，在受力的情況下完全由可能使電容內部的鉚接產生松脫或不良的現象，因此嚴禁使電容的接線或焊接端子受力過大！接線時應該特別控制力矩。（2）鋁電解電容的鋁制外殼在其通電時是帶電的，因此不能與地有接觸。因此其外面黑色的塑料如有破損的現象則不能使用，安裝時也應該注意不要劃破或劃傷電解電容的表皮，否則容易引起設備故障或安全問題。（3）由于鋁電解電容存在的固有特性，在不通電的狀態下的存放時間不能超過一年，否則其通電后的故障率將直線上升，而且存放時間越長，出現故障的概率也越大。將存放了一年或半年的電解電容進行通電以后再保留一段時間后再放電，可以延長存儲時間。但應該注意通電時不能直接接上去充電，應該對充電電流進行限制，最好限制在1A以下進行慢慢充電。（4）電解電容是有極性的電容，正負極不能接反，否則將在短時間內就燒毀破裂。4、電感器1）作用：提高功率因數，降低峰值電流以上是未加電感器時的電流電壓波形，這種狀態的電流波形會導致功率因數低、諧波電流大，會污染電網。國家在這一方面有嚴格的標準限制。同時諧波大會導致我們空調的器件、接插件、電源線等發熱增加等問題。2）分類：按照工作頻率分類，主要分為高頻電感器和工頻電感器，分別適用于不同的工作頻率中。如果錯用的話將導致電感發熱厲害、還有可能導致后續的器件不能正常工作甚至燒毀。3）主要參數：工作頻率、額定工作電流、電感量工作頻率一般有50-120Hz，20KHz-50KHz等。一般來講工作頻率高的電感器其電感量均比較低，一般在幾百微亨（uH）到1毫亨（mH）左右，用非晶材料做成。工作頻率低的電感器（如50Hz的工頻電感器）起電感量一般比較大，在5mH到20mH或更高均有可能。不同頻率的電感器不能混用！！額定工作電流：指的是電感器工作的最大工作電流，實際的工作電流不能超過該額定電流，否則會導致發熱厲害，長期溫度較高，使電感器的絕緣性能受影響，引起安全問題。電感量也是電感器的一個主要的參數，是進行諧波抑制，提升功率因數的一個主要的參數。必須與所在的系統吻合，不能高也不能低。

5、扼流圈扼流圈主要起濾波作用，防止我們的空調干擾別的用電器，也防止電網上的干擾信號干擾我們空調的正常運行。在結構上來講就是一組或兩組或三組線圈繞在一個磁性材料上，只要線圈沒有斷或兩路線圈之間沒有短路均是正常的。三、變頻空調控制器1、濾波器濾波器一般由扼流圈和電容構成基本原理圖如下（三相電源的則在同一個磁芯上多增加2組線圈）：濾波器的測試要點：濾波器對應的輸入輸出端的電壓應該一致2、整流濾波電路具體如下：三相的機器也一樣，只是將整流橋更換成三相的整流橋即可。

測試要點：電解電容兩端的電壓為直流電壓，在不開機的情況下幅值為交流電壓的1.414倍。如單相220V交流輸入的情況下，直流電壓為220×1.414=311V；三相380V交流輸入情況下，直流電壓為380×1.414=537V；當機器開起來以后使用工頻電感的機器電壓會有一些下降

3、主板主板在功能模式的控制上起主要作用，主要功能有（1）與內機控制器通信；（2）通過感溫包檢測外環境溫度、外管溫、排氣溫度等溫度，通過電流互感器檢測機器運行電流；（3）根據在（2）中檢測到的室外的參數和從內機通信過來的設定溫度和內環境溫度的關系控制壓縮機的運行頻率；（4）通過檢測外機的故障及時停機，保護空調系統的正常運行；（5）通過與驅動板通信控制驅動板。

以上各功能的實現方法：（1）與內機控制器通信在硬件上通過一根通信線和電源的零線配合通信，這兩根線不能接錯，也不能跟火險接錯，否則不單通信不上，還有可能燒壞控制器。在通信的內容上，外機將通過通信獲取內機的環境溫度、內機的管溫、內機的設定溫度、內機的運行模式（制冷/制熱/送風/除濕）等。這些參數都將參與決定壓縮機的運行頻率。大概原理如下：

內環境溫度、設定溫度：外機通過比較內環境溫度（15K)與設定溫度后按照一定的規律來決定運行頻率，在其他條件相同的情況下，相差越大，頻率就越高；反之亦然。

內機管溫：外機通過獲取到的內機管溫(20K）進行頻率控制。在正常情況下內機管溫不參與決定頻率的，但當制冷（制熱）時內機的管溫低于（高于）某一個設定值的時候，就會使壓縮機的頻率在原來運行的基礎上下降若干赫茲運行；降頻運行一段時間后如果管溫仍然低于（高于）該溫度值，則頻率繼續下降若干赫茲運行；如此反復知道內機的管溫上升或壓縮機到最低的頻率。當內機管溫低于某個設定的更低的溫度值得時候，則立即停壓縮機。

內機運行模式：外機根據內機的運行模式來決定自己的運行模式，決定是否切換四通閥、是否化霜等！

（2）通過感溫包檢測外環境溫度（15K）、外管溫（20K）、排氣溫度（50K）等溫度，通過電流互感器檢測機器運行電流；外環境溫度：主要結合外管溫進行化霜時刻的控制。同時在制冷（制熱）時，如果環境溫度較低（較高），在其他條件相同的情況下也會適當降低運行頻率。外管溫：外管溫有兩個作用，第一個是前面提到的跟外環境溫度結合控制化霜時刻。另外在制冷時進行過負荷保護，如果在制冷時外管溫過高，則會將在原來運行頻率的基礎上將頻率下降若干赫茲運行，維持若干時間后如果仍然高于某個設定的溫度值，則繼續下降若干赫茲運行，直到溫度下降或運行頻率已經是壓縮機的最低頻率。如果管溫高于某個設定的更高的值，則立即停壓縮機。在維修后一定要將管溫感溫包插入到相應的銅管里面去檢測管溫，并將彈簧卡扣卡好，否則將可能無法進行降頻而出現壓縮機過載頻繁停機或損壞機器。（3）排氣溫度：排氣溫度主要用來控制壓縮機的頻率和對壓縮機進行及時保護。在其他情況不變的情況下，當排氣溫度高于某個設定的值時，壓縮機將降頻運行直到排氣溫度下降到合理的溫度或最低頻率值。如果排氣溫度高于某個更高的設定值時，立即停機。在維修后一定要將排氣溫度感溫包插入到相應的銅管里面去檢測溫度，并將彈簧卡扣卡好，否則將可能無法進行降頻而出現壓縮機過載頻繁停機或損壞機器。（4）機器運行電流：在特殊情況下當機器運行電流超過某個設定的電流值時，將降頻運行，直到電流值達到合格范圍為止。當電流高于某個更改的值時，立即停機保護。5）與驅動板通信：主控板將綜合各種信息計算出來的壓縮機運行頻率發送給驅動板，驅動板按照主板給的頻率運行，并將實際運行的頻率返回給主板。綜上所述，主板是整個控制系統的核心，起總的調度的作用，既要綜合內機信息，又要考慮外機等信息，從而控制壓縮機的運行頻率。但是從技術難度來講，她又不是最難的，驅動板才是最難得部分。4、驅動板驅動板所做的工作比較簡單，就是按照主板發送過來的目標頻率，驅動智能功率模塊驅動壓縮機運行，并且檢測功率模塊和壓縮機運行是否正常。一般來講驅動板上還會有一塊芯片。但是，由于驅動板上安裝了變頻系統最關鍵的智能功率模塊，因此其設計的難度也最大，對運行條件的要求也最苛刻。可以說把這一塊做好了整個變頻空調就做好了50%了。具體驅動板的構成如下：

上圖中綠色的表示的是U、V、V對N-的電壓波形，仔細看綠色波形是一個個幅值相等寬度不等的脈沖波。