变频压缩机的工作原理.docx
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变频压缩机的工作原理
变频压缩机的工作原理
我们知道传统常规空调是直接更具温度控制让压缩机运转或者停止来维持室内的温度范围。
变频空调由于可以根据温度控制指令，利用变频电源频率让压缩机在800-7800转/分范围内变化，从而调节氟利昂这种空调的冷媒流量来调节室内温度范围。
下面我们详细看看变频空调机的工作原理：
变频空调中都装有变频器，这个变频控制器是如何工作的呢？
国内规定的电压220V，频率50Hz的电流经整流滤波后得到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，这就能将50赫兹的电网频率转变为30-130赫兹，
变频控制器的原理框图如下所示，
变频式空调器一般带有微机（电脑）控制。
它检测室内外信号如温度（室内外温、蒸发器温、冷凝器温、吸气管口温、膨胀阀出入口温、变频开头散热片温等），风机转速，电动机电流等。
并由微机发出风机、压缩机运转速、制冷剂流量、阔的切换、安全保护等信号。
此类机装有电子膨胀间节流。
它随微处理器发出的信号，随时改变制冷剂流量，故它的效率比普遍使用毛细管节流方式的高。
同时在制冷方式中，无化霜烦恼（化霜不停机）。
因此空调在制热时不会像普通机在除霜倒泵逆转时，吹出冷风使室温下降。
变频空调电控总体框图如下：
变频空调还能在142-270伏范围的电网电压正常使用，根据温度控制指令，在压缩机连续运行时会改变频率，当产冷量要求大时则高速运转，反之低速运转。
由于变频机无频繁的启动大电流冲击，且一直工作在低速上，又第一次只半小时就能达到设定值，故节电明显。
即制冷（热）的功耗之比效率就高得多了。
低频信号发生器的使用方法
如图1所示为XDI型低频信号发生器的面板图，其工作原理框图如图2所示。
XD1型低频信号发生器是由文氏电桥RC振荡器、功率放大器、功放过载保护电路、交流电压表及直流稳压电源等组成。
文氏电桥RC振荡器产生的正弦波信号电压，经衰减器I成为仪器的电压输出或功放级的输人信号，进行功率放大后，再经过衰减器Ⅱ送到输出匹配变压器组。
为适应不同频率的功率输出，该信号发生器共设有三个输出变压器，即一个低频变压器和两个高频变压器。
稳压电源供给各个电路的工作电压和工作电流。
交流电压表除用于指示仪器的电压输出或功率输出外，也可单独用于测量外部交流电压。
图1XD1型低频信号发生器的面板
图2XD1型低频信号发生器工作原理框图
具体使用方法如下。
（1）使用前的准各工作接通仪器的电源之前，应先检查电源电压是否正常，电源线及电源插头是否完好无损，通电前将输出细调电位器旋至最小，然后接通电源，打开XD1型低频信号发生器的开关。
（2）频率的调节包括频段的选择和频率细调。
①频段的选择。
根据所需要的频段（即频率范围）可通过按面板上的琴键开关，来选择所需要的频率。
例如，需要输出信号的频率为6200Hz，该频率在1～10kHz的频段，故应按下10kHz的按键（从左向右第五个键）。
②频率细调。
在频段按键的上方，有三个频率细调旋钮，1～10旋钮为整数，0.1～0.9旋钮为第一位小数，0.01～0.10旋钮为第二位小数。
选择频率时，信号频率的前三位有效数字由这三个旋钮来确定。
例如，需要信号的频率为3550Hz，则频段选择按下10kHz按键后，应将三个细调旋钮分别旋转到3、0.5、0.05的位置。
（3）输出电压的调节。
XD1型低频信号发生器设有电压输出和功率输出两组端钮，这两组输出共用一个输出衰减旋钮，可做10dB／步的衰减。
但需要注意，在同一衰减位置上，电压与功率的衰减分贝数是不相同的，面板上已用不同的颜色区别表示。
输出细调是由同一电位器连续调节的，这两个旋钮适当配合便可在输出端上得到所需的信号输出幅度。
调节时，首先将负载接在电压输出端钮上，然后调节输出衰减旋钮和输出细调旋钮，即可得到所需要的电压幅度信号。
输出信号电压的大小可从电压表上读出，然后除以衰减倍数就是实际输出电压值。
（4）电压级的使用从电压级可以得到较好的非线性失真系数（＜0.1％）、较小的输出电压（200μV）和较好的信噪比。
电压级最大可输出5V电压，其输出阻抗是随输出衰减的分贝数的变化而变化的。
为了保持衰减的准确性及输出波形不失真（主要是在0dB时），电压输出端钮上的负载应大于5kΩ以上。
（5）功率级的使用使用功率级时应先将功率开关按下，以将功率级输人端的信号接通。
①阻抗匹配。
功率级共设有50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和5kΩ五种额定负载值，如欲得到最大的功率输出，应使负载阻抗等于这五种数值之一，以达到阻抗匹配。
若做不到完全相同，一般也应使实际的负载阻抗值大于所选用的功率级的额定阻抗数值，以减小信号失真。
当负载为高阻抗，且要求工作在频率输出频段的两端，即在接近10Hz或几百千赫时，为了输出足够的幅度，应将功放部分内负载按键按下，接通内负载，否则在功放级工作频段的两端，输出幅度会下降。
当负载值与面板上负载匹配旋钮所指数值不相符时，步进衰减器指示将产生误差，尤其是0～10dB这一挡。
当功率输出衰减放在0dB时，信号发生器内阻比负载值要小。
但衰减放在10dB以后的各挡时，内阻与面板上负载匹配旋钮指示的阻抗值相符，可做到负载与信号发生器内阻匹配。
②保护电路。
刚开机时，过载指示灯亮，经5～6s后熄灭，表示功率级进人工作状态。
当输出衰减旋钮开得过大或负载阻抗值过小时，过载指示灯亮，表示过载。
此时应减小输出幅度，指示灯过几秒钟后熄灭，自动恢复正常工作。
若减小输出幅度后仍过载，则灯闪亮。
在高频端，有时因信号幅度过大，指示灯会一直亮，此时应减小信号幅度或减轻负载，使其恢复正常。
当保护指示不正常时，需要关机进行检修，以免烧坏功率管。
当不使用功率级时，应把功率开关按键复位，以免功率保护电路的动作影响电压级输出。
③对称输出。
功率级输出可以不接地，当需要这样使用时，只要将功率输出端与接地端的连接片取下即可。
④功率输出。
功率级在10Hz～700kHz（5kΩ负载时在10～200Hz）范围的输出，符合技术条件的规定。
在5～10Hz、700kHz～1MHz（或5kΩ负载在200kHz～1MHz）范围仍有输出，但输出功率减小。
功率级输出频率在5Hz以下时，不能输出信号。
⑤电压表的使用。
当用作外测仪表时，需将电压测量开关拨向外，此时根据被测量电压选择电压表的量程，测量信号从输人电缆上输人。
当电压测量开关拨向内时，电压表接在电压输出级细调电位器之后，量程为5V挡。
当功率输出衰减旋钮挡位改变时，电压表指示不变，而实际输出电压在改变。
这时的实际输出电压值U＝电压表指示值U1/电压衰减倍数。
此电压表与地无关，因此可测量不接地的输出电压。
对于空调系统而言，如何提高系统的效率已显得越来越重要。
这一要求使得开发可变容量的空调系统成为当前的潮流。
可变容量空调系统有较高的季节
1.能效比，能将室温控制在更小的波动范围内，这样就确保了用户更高的舒适度。
迄今为止用于调节容量的压缩机技术真正主导市场的只有变频和数码涡旋技术两种，分别采用两种完全不同的方式进行压缩机容量调节，由此带来了它们在许多方面的差异。
1978年，日本部分公司提出变频空调的概念，由于变频空调具有许多优点,因此很快进入了发达国家的家庭。
而后“春兰”、“海尔”、“美的”、“格力”等公司也相应推出了变频空调产品，并有代替目前使用的单频空调的趋势。
1990年初，随着涡旋压缩机被研制出来，空调系统的容量改变方式也得到很大发展。
全球最大的涡旋压缩机厂Corpland公司于1993年提出了数码涡旋压缩机，而后韩国三星、格力、美的等公司推出了数码涡旋空调机组。
本文通过对这两种压缩机及其空调系统的比较，以分析它们各自的优势及不足。
2变频涡旋与数码涡旋压缩机的工作原理
涡旋变频压缩机由于采用了变频器（工作原理如图1所示）,因此其转速随频率变化而产生不同的输气量，从而使制冷、制热量增大或减小。
当今全封闭变频压缩机的变频调节有交流变频和直流变频两种方式。
交流变频压缩机一般指压缩机动力采用交流异步电机，由变频器向电动机定子侧线圈提供三相交流电流、产生回转磁场,从而在转子侧产生了二次电流,因回转磁场和二次电流产生的电磁作用而产生回转。
直流变频压缩机一般指压缩机动力采用直流无刷电机，即BLDC电机。
工作时,定子通入脉冲直流电,产生旋转磁场与转子永久磁铁的磁场相互作用,产生所需的转矩,达到一定转速。
此外，大功率变频压缩机逐渐引入更先进的变频控制方式，压缩机采用永磁同步调速电机，即PMSM电机。
它们都通过将频率电压不可控的市电经过整流逆变等电力电子变换得到频率电压可控的电源驱动压缩机运转，从而控制压缩机吸排气量和能力输出。
数码涡旋压缩机（图2）利用涡旋压缩机的轴向柔性技术，动静涡盘能沿轴向脱离分开一段距离实现加载与卸载，即数码0和1的转变（图3）[1]。
当动静涡盘处于密封状态时，压缩机100％运行；当动静涡盘轴向脱离时，压缩机吸－排气腔导通，压缩腔内无压缩，即压缩机电机虽然运转，但压缩机不作功。
通过组合0和1状态的时间，即可实现任意比例的能力输出。
变频压缩机与变容量压缩机的区别，如何达到变容量的目的？
所谓变频就是改变供电频率。
变频技术的核心是变频器，它通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节，把50Hz的固定电网频改为10—130Hz的变化频率。
同时，还使电源电压适应范围达到142—270V，解决了由于电网电压的不稳定而影响电器工作的难题。
正常空调因为电源频次50Hz是流动的，因为紧缩机的转速是流动的，也就是被称为“空调淋巴”的冷媒（氟化氢）的重复是常量的，正在定然工夫内冷媒的重复量越大，空调的输入功率就越高。
也就是说，紧缩机的转持久定了空调的输入功率。
而变频空调机是一种运用变频压缩机和依稀掌握技能的空调机器，能依据室内气温的变迁，调理制冷进度。
存正在低乐音、耗能高等特性。
一个15平方米的房间，变频空调机比定频式调温进度快6到10分钟。
到达设容量度后，变频空调机又能以仅为定频空调机10％的功率低速运行，以调理量度纤细消耗，保持候温形态。
实验显现，较之定频空调机，变频空调机乐音低5-6分贝，寿数长5-8年，是空调机市面将来的停滞位置。
数字直流变频空调机是采纳数字直流紧缩机的空调机。
高效数字直流变频紧缩机的专长处正在于它摒弃了一般变频空调机紧缩机原部分“交换电压－电流压－交换电压－变转速形式交换发电机”的重复任务形式，采纳保守的“交换电压－电流压－变转速形式数目字发电机”掌握技能，缩小直流电正在任务中改变位数，使动能转化频率大大进步。
其位数字直流变频空调机的风机要采纳数字发电机。
数字发电机是指采纳数字脉冲消息掌握的，转速无比准确的发电机，正在发电机反向转动和改观转速时期可以完成加速减速的彻底掌握以保障风机以最佳形式停止颠簸恬静地运行。
同声防止了交换发电机惹起的交换乐音，大大地升高了运行乐音。
其三，要采纳数目字解决的传感器。
传感器是条件量度与空调机火控零碎对于话的窗口。
也就是说，条件量度稍有变迁，传感器就会精确正确地将这种变迁转达给紧缩机与风机零碎，停止调温，使室内量度一直在于一种相近候温形态。
准确的调温，使室内舒服度更高。
数字紧缩机的节能成效，就好像一只电灯泡，正在没有采纳数字化解决事先，倘若动能30％用于照射，70％用于发烧，假如采纳数目字化以后，70％的动能转化成了光，30％的动能转化成了热量，其节能成效没有言而喻。
变容量:
一种可改变容量与负荷，实现系统节能的热泵型中央空调。
它是在热泵类中央空调主机内定频压缩机1，单向阀2，油分离器3，汽液分离器4，冷凝器5，换向阀6，贮液管7，膨胀机构8；膨胀机构9，及末端中蒸发器18依次连接的系统中，将一只或数只定频压缩机并联联接于定频压缩机1，用CPU精确控制压缩机的启停与膨胀节流元件的开度。
对相应的负荷，始终由较大容量压缩机连续工作，作为空调的基本负荷，较小容量压缩机作调节负荷，确保至少由50-90％的负荷处于最高COP状态，10-30％的负荷处于原来公知的热泵类空调的COP状态。
使空调负荷在可调范围内处于系统最高效率状态。
实现了中央空调容量与负荷可变的同时相对节约了能源。
变容量泛指具备负荷调节功能的产品，变频是利用改变电源频率从而改变电机转速，以实现变容量的一项技术措施。
从这个角度来说变频是变容量的一种类型。
但通常市面上的变容量产品：
如数码涡旋与直流变频的产品相比能耗仍较高！
静音和舒适度也差不少，但产品的价格也比同类直流变频产品要低不少。
直流变频压缩机的工作原理
摘 要：
主要对变频空调，特别是对等宽度PWM（Pulse Width Modulation脉冲宽度调制方式）方式调速的直流变频予以阐述。
关键词：
直流变频；PWM（脉冲宽度调制方式）；PAM（脉冲幅度调制方式）
1 概述
图1为变频空调变频部分的基本构成。
电源220V交流电压经转换器变换为直流。
逆变器主要功能为实现换向，把直流电压转换成任意频率的有效值相当于三相交流电的脉冲电压信号;其最常见的结构形式是六个半导体开关元件组成的三相桥式电路（大功率模块）。
图1 变频部分的基本构成
逆变器的负荷为压缩机中的异步电动机，变频空调器按照负荷是交流变频压缩机还是直流变频压缩机而分为交流变频与直流变频两大类。
交流变频中逆变器的输出电压方式一般采用是不等宽度PWM调制方式，而直流变频中逆变器的输出电压方式一般采用是等宽度PWM调制方式。
目前PAM（PulseAmplitudeModulation脉冲幅值调制方式）以其独特的优越性而被用于直流变频空调器的压缩机输入电压的调制中。
其调制波形图见图3。
图2 变频部分电路原理图
图3 变频的各种调制方式
交流变频压缩机的电动机为普通三相异步感应电动机，因此不再赘述。
下面主要以直流变频为核心进行论述。
2 大功率模块
有刷直流电动机中，当转子（单线圈）磁场转到与定子（永磁体）磁场平行后，若转子再越过此位置，而直流电源不改变流向，即线圈中的电流方向不改变的话，那么根据右手定则此时线圈受力将使之向原方向反转。
因此，需有炭刷来改变线圈中电流的流向，使转子能继续旋转下去。
在压缩机中，由于汽缸中充满了氟利昂蒸汽，不能采用会产生火花的有刷直流电机，因此必须采用通过电子回路实现换向的无刷直流电机。
图2的虚框即显示了一种由六个三极管模块组成的逆变器，习惯上叫作大功率模块，其中A＋、B＋、C＋组成上支路，A+、B+、C+组成下支路。
按图4表中顺序循环通断，每次总是上支路的一个三极管与下支路一个三极管ON，给压缩机定子线圈施加方波电压。
图4 等宽度PWM调制方式的电动机定子电压
3 直流压缩机电机的基本原理
直流压缩机的电机的转子为永磁体。
典型的永磁体结构有弧形、逆弧形、V形、X形等；不同的排列，磁力线的集中度不一样，它直接影响电动机的效率。
定子同交流压缩机电机为漆包线绕制而成。
图5为四极（磁极对数为2）三相无刷直流电机的示意图，定子线圈绕法如图5所示，每极2槽，共24槽。
首先大功率模块根据转子的旋转位置切换定子绕组的通电电流，始终保证转子N极对面的定子绕组导体内的电流流向为一个方向，如；而转子S极对面的定子绕组导体内的电流流向为另一个方向，如⊙（参见图5右侧的电机横截面示意图）。
具体地讲当转子处于图5的位置时，三极管A＋、C导通，如图2可知，此时仅U、W线圈即A、C线圈中有电流，流向为a→
、
→c，即产生图示定子横截面上导体内电流的流向。
我们把电机分成左上180°和右下180°两半来看。
左上180°部分，a、
导体的磁场根据右螺旋法则叠加后在定、转子间产生一个垂直向上的方向磁场，而
、c导体磁场叠加后产生一个水平向右的磁场，二者再叠加的磁场ΦZ1方向如图;正好与转子磁场Φd1互相垂直，于是便会产生逆时针方句的电磁转矩，推动转子向逆时针方向旋转。
右下180°的原理一样。
※右螺旋法则：
用右于握住导体，使大拇指方向为电流方向则其余四指的方向便是磁场的方向（磁力线的方向）。
图5 无刷直流电机示意图
当转子转过60°电气角后，按表1，是晶体管B＋、C导通，B、C线圈通电，且b→
、
→c，我们会发现定子线圈仍正对转子N极，
仍正对转子S极同样产生两个互相正交的定、转子c磁场，如此反复，电动机即可旋转起来。
其中定子绕组中控制方波电压波形与绕组切割磁力线的感应电压波形如图4的虚线部分所示，且每相绕组的导通电气角为30°。
同理二极（磁极对数为1）的直流电机的每相绕组的导通电气角为60°,即电机转速为n=60fd/p（n:
转速rpm;p:
磁极对数：
fd：
电源频率Hz）。
另外，电磁转矩在换向期间会产生少量凹点，引起一定的转矩波动。
表1 逆变器的通断顺序表
注:
ON为通,其余为断
4 转子位置检测回路
直流电动机转子位置检测手段通常有磁敏式（霍尔元件）、光电式、电磁感应式、电磁谐振式等。
用其中一种方式为捕捉上述定子线圈中产生的感应电压，作为转子的位置信号，再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的时刻。
如图5，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。
5 起动
由于感应电压只有在电动机转动时产生，因此不能通过转子位置检测电机起动。
而必须强制性地输出驱动波形，直到电动机转速达到一定速度，可以靠感应电压测出转子位置为止，再切换到转子位置检测输出波形驱动方式。
例如，起动阶段大功率模块要经2～4秒的低频换向使压缩机转速到达200～500rpm，再进入通常位置检测运行模式。
6 变频调速的基本方式
由电动机理论对三相异步电动机而言有下式：
Ed=4.44fdNdΦz
Ed：
定子每相线圈气隙磁通感应电压的均方根值V；
fd：
电源频率Hz；
Nd：
定子每相绕组的有效匝数；
Φz：
每极气隙磁通量Wb。
为了保证电动机负载能力，应保证Φz不变，这就要求Ed/fd为常数，这种保持Ed/fd为常数的控制方式又称恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。
由于Ed难于直接检测、控制，当Ed与fd较高时，定子漏阻抗压降小到可忽略不计，则可以以定子每相电压Ud代替Ed,保持Ud/fd为常数，即可称为恒压频比控制方式。
因此，欲实现压缩机稳定调速，除了要控制逆变器的换向频率外，还必须同时按比例提高或降低对压缩机施加的方波电压值。
在电子控制方面采用大功率模块三极管，其基极电压信号是比换向频率还高的（例如上支路三极管是数千赫兹的高频开关），从而向电动机施加的电压被段切开来（参考图4），而电动机的平均直流电压与三极管的ON（开通）时间/（ON时间+OFF时间）成正比，以此便轻而易举地达到变频调速的目的。
7 直流变频与交流变频的比较
笼统地讲，交流变频空调器与直流变频空调器中采用的压缩机电机原理上部是定子产生一个不断旋转的圆形旋转磁场，其转速为n=60fd/p，利用定、转子磁场间电磁力相互作用产生的转矩不断推动转子转动。
由于直流变频中采用了无刷直流电动机，其转子为永久磁铁，不需要外部供给电流，减少了损耗，因此效率较高。
一般情况下较交流变频省电约12%，如果转子的磁体排列更科学，磁力线集中度更高，再加上采用含稀土钕的磁体，则可较交流变频省电高达18%～20％。
另外，因为直流变频可以随外界负荷的大小调节转速，在原理上比负荷变化时压缩机开停的交流变频要节能。
因此，综上所述，直流变频要比交流变频省电。
8 PAM调制方式在空调器上的应用
如上所述，直流变频压缩机为保持电机转矩不变，必须使Ud/fd为常数，转速提高时，压缩机输入电压应按比例上升。
采用的等宽度PWM变频器，虽然具有扭矩大、灵敏度高的特点，但输出电压能力不足，制约了压缩机的最高转速。
PAM调制方式能在相同电网输入电压的情况下，获得较高的逆变器输出电压，因此如果在压缩机低速范围内沿用等宽度PWM调制方式，而在高速范围内采用PAM高效、低噪的混合调制方式，无疑是一个比较两全其美的办法。
PAM逆变器采用只负责频率的调节，转换器（一般为相控整流器或直流斩波器）则负责控制直流电压。
不象PWM转换器负责产生一定的直流电压，而逆变器在控制频率的同时也进行电压的调节。
PAM转换器具有网侧功率因素较大的特点，更利于空调器节电。
如日立最新推出的全PAM直流变频空调，其功率因素可高达99.5%。
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