变频空调电控调测试原理.docx

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变频空调电控调测试原理

变频空调电控测试原理

一、定频变频电源的简介

1、定频电源

我们日常的生活用电及工业用电大都是恒压（220V或380V）、定频（50Hz，60Hz）的交流电源，电压是稳定在标准范围内，频率也是稳定,定频电源设备的控制方式简单可靠、成本低，主要以电源开关、继电器及可控硅为主要控制器件，但其输出功率恒定功率因素较难补偿。

定频空调采用定频压缩机，输出的制冷、制热能力恒定。

使用继电器进行控制及启动室内风速使用可控硅调速成本低、电路简单。

但这行过程中温度波动大，能耗大。

2、变频电源

变频技术随着微电子学、电力电子技术微电脑控制技术的发展，已得到越来越多的运用。

变频电源是频率、电压都可改变的电源，频率可以在10~15HZ范围内均匀地调节，故调速范围宽，调速精度高运行平稳。

广泛地被用于如空调、洗衣机等家电产品及冶金、机械、纺织、食品等其他行业的设备上。

二、变频空调的优缺点

变频空调使用变频压缩机，三相交流电感应异步电动机、无刷直流电机和永磁同步交流电机等，其输出的制冷、制热能力根据运行频率变化而变化。

压缩机运行频率可在20HZ~130HZ之间调节。

但需要专用的变频驱动电路及控制芯片。

变频空调同常规空调相比有以下优点：

1、变调空调可以快速制冷、制热

定频空调压缩机只有一种转速，制冷、制热量恒定不可能实现满负荷时的强劲运转。

而变频空调在刚开机时或室内外温差较大时，可实现高频强劲运转，从而快速制冷或制热。

2、温度波动小

以制冷状态为例，常规空调的温度调节方法,室内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。

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、节能

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，节省了电力。

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。

4、启动，运转平稳

常空调以定频启动，定速运转，启动冲击大，影响压缩机的使用性能，而变频空调低频启动，变频运转，启动平稳，运转平稳。

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。

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、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。

8.变频空调的缺点

室外控制电路复杂，易出故障；元器件一致性、工艺水平要求高；驱动算法复杂，难以掌握和推广；造价较高，短时间内难以普及。

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

交流变频空调的压缩机采用三相交流感应式异步电动机；驱动电压采用交－直－交变换方式；驱动方式采用电压空间矢量控制方式；压缩机运行频率根据驱动电压的变化而变化，形成V－F对应曲线。

（1）基本原理

变频压缩机依据原理：

n=60f（1-s）/p

（n—压缩机转速，f—压缩机供电频率，p—电机极对数，s—转差率）

通过改变压缩机的供电频率f，在p与s不变的情况下，压缩机运转速度n就会跟随供电频率f的变化而变化。

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。

（2）交流变频控制器的原理框图

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300V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。

（3）利用脉宽调制（SPWM）来实现V/F变频控制的方法

脉宽调制（PWM）（PuleWidthModulation）：

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

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”。

2.直流变频空调基本原理及结构

压缩机采用无刷直流电机（或永磁同步交流电机）；无刷直流电机绕组采取分布卷绕制方式；永磁同步交流电机绕组采取集中卷绕制方式；驱动电压也是采用交－直－交变换方式；驱动方式采用方波驱动方式（分布卷）及正弦波驱动方式（集中卷）；需要进行位置检测并进行电子换相。

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。

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。

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。

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：

下图为直流变频空调压缩机各绕组电压控制例图

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。

3.变频空调电控原理

变频空调电控分为室内电控及室外电控两部分。

室内电路又细分为电源电路、通信电路、风机驱动电路、过零检测电路、温度采集温度、主芯片控制电路、显示驱动电路等。

相对定频空调，变频空调的室内电控多了一个通信电路，其余电路基本相同（无四通阀、压缩机控制电路）。

室外电路又细分为电源滤波电路（强电）、通信电路、风机/四通阀驱动电路、温度采集温度、主芯片控制电路、电压/电流采样电路、功率因数校正电路（PFC）、整流电路、开关电源电路、压缩机驱动电路（IPM）等。

目前美的变频空调一般是将开关电源电路及压缩机驱动电路单独做在一块电路板上。

4.变频空调主要元器件:

●变频模块

变频模块是实现由直流电转变为交流电从而驱动压缩机运转的关键器件，又称为IPM（IntelligentPowerModule）模块。

它是一种智能的功率模块，它将6个IGBT管连同其驱动电路和多种保护电路封装在一起，从而简化了设计，提高了整个系统的可靠性。

从其驱动电路使用的电源数目又可分为单电源与四电源两种。

主要厂家：

日本三菱、三洋、东芝

美的目前使用：

三菱PM20CTM060（20A/600V），PM30CTJ060（30A/600V）

东芝/三菱MIG20J503L（20A/600V）

ST：

7FM2S4T6；IR公司：

IR341，IR2136J

变频模块（IPM）内部简图：

注：

三菱PM系列模块内置保护：

过流、过压、欠压、短路、过热

●室外主控芯片

变频空调的核心算法及室外控制均由室外芯片完成。

我们目前在交流上使用的是美国TI公司的DSP芯片，且已实现掩膜。

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、电机控制方面具有更大的优势。

内销直流变频目前在开发阶段，采用美国ST公司及IR公司的正弦波直流变频专用控制芯片，具有很高的性能。

●整流桥堆

完成电源由交流到直流的转换（220V交流变为310V直流）,目前使用型号T25VB60（25A/600V）,T15VB60（15A/600V）.室外电控盒中另外一个整流桥堆不做整流用，而是用做一对二极管，配合电抗器，用以提高整机功率因素。

●大电抗器

变频空调室外控制器一般都有大电抗器，目的是为了提高整机的功率因素及通过谐波电流测试。

为了符合3C标准，通过谐波电流测试，我们在分体机上采用了两个电抗器的无源功率因素矫正方法。

降低了成本，提高了可靠性。

●滤波器

为了通过EMC测试的干扰功率及干扰电压测试而采用的一种一体化滤波器件。

●大直流滤波电容

电解电容，用做直流电源滤波，视功率不同，每套控制器使用3-6个（560uf/个）。

●放电管

用以防止室外造受雷击，而损坏电控。

目前使用放电管参数为3600V。

●光耦

用于芯片到模块间驱动信号的传送及隔离，另外在室内外通讯上也使用。

室外控制板一共使用了9个光耦器件。

四、变频空调功能简介

变频空调较常规空调功能更多，控制更复杂，大概功能如下，具体内容请参见变频机电控功能规格书。

4.1本机有遥控运行和强制运行两种工作模式:

遥控模式有：

自动、制冷、抽湿、制热、送风五种；

强制运行模式有：

强制制冷、强制自动两种。

4.2设定温度范围为：

17℃～30℃。

4.3室内机风机转速可设定为FANCSHIGH、FANHSHIGH、FANCHIGH、FANHHIGH、FANMID、FANLOW、FANSLOW

4.4室内机导风条自动摇摆和位置设定功能

4.5制冷模式下室内蒸发器防冻结功能

4.6制冷模式下室外冷凝器高温保护功能

4.7制热模式下防冷风功能

4.8制热模式下自动除霜和恢复制热功能

4.9制热模式下室内蒸发器高温保护功能

4.10室外机总电流保护功能

4.11室外压缩机顶部温度保护功能

4.12压缩机再启动保护功能

4.1324小时定时开关机功能

4.14故障自我诊断功能

4.15运行状态指示灯功能

4.16变频器模块保护功能

4.17室内外机通信功能

4.18交流输入电压过高或过低保护功能

4.19额定能力测试功能

4.20压缩机预热功能

五、变频空调电控测试方法

1.电控测试工装与测试仪器:

●220V输出工装（灯泡）:

用于指示压缩机，外风机，四通阀，负离子生器等的开断。

●高精度电阻箱:

0.0000K到99.9999KΩ的电阻箱。

用于模拟温度传感器的温度变化。

●秒表:

0.00秒到24小时,用于测试时间，如定时开关机，化霜，额定能力运行等。

●钳表：

主要用于测试大电流，如电流保护。

●FLUCK表：

用于测试频率，电流、电压、功率等还可以测试波型，电阻等。

●闪频仪：

用于测试室内风机的速度

●数据采集仪：

用于测试风机转速及电压等

●步进电机：

带360度刻度的步进电机

●万用表：

主要用于测试电压、电流、电阻。

●变频电源：

APC：

AFC—500W交流电源，F可以从50~400HZ变化，电压0~150V（0~300V）

●变压器：

初级220V，次级用粗线3圈，则次级回路有较大电流通过。

2、变频空调电控功能的单板测试方法

测试方法1:

直接短路/开路法,用导线直接短路/开路被测点,观测室内外动作及显示状态,记录动作及显示的时间.

测试方法2:

温度传感器温度变化的电阻箱模拟法,根据热敏电阻的温度值,按功能书的要求来改变温度,观测压缩机,室内外风机，四通阀,室内外显示,记录动作及显示的时间.

测试方法3:

保护电流测试法,用外部调压器,通过大电流变压器的次级导线穿过室外电流互感器,用嵌表测试互感器的电流,调节调压器的电压以改变互感器上的电流,按功能书的要求来改变电流,观测压缩机的频率变化,室内外风机，四通阀,室内外显示,记录动作及显示的时间.

测试方法4:

压缩机的频率测试法,用FULCK表的两只表笔测压缩机的任意两线，FULCK表打在POWER档。

或用钳表钳住的压缩机的任意一线，钳表打在Hz档。

按功能书的要求来改变各参数,观测压缩机的频率变化,用记录动作及显示的时间.

测试方法5:

室内风机风速测试法,用数采仪的1号输入线接在风机反馈的信号输出线,用数位表的地线与室内的地线连接.数位表打在60倍的频率挡,其读数为转速/分钟.或用闪频仪对着风叶,调节闪光频率,直风叶上的图标相对静止,闪频仪的频率为风机的转速

3、变频空调电控功能（参考功能书）及测试方法

3.1通用保护功能

通用保护功能指在异常情况下,为保护空调器不被可能出现的大电流、高温、高压所损坏而设计的保护功能。

所谓通用保护功能，即在制冷、制热、抽湿、自动模式下均有效的保护功能，其它仅在某种特定模式下才起作用的保护功能则在相应模式中说明。

3.1.1压缩机顶部温度保护功能（室外硬件实现）

当压缩机顶部过载保护器断开时,停整机。

当压缩机顶部过载保护器恢复闭合时,重新起动压缩机（受三分钟保护限制）。

用测试方法1,用导线直接断开压缩机顶部过载保护器输入点,记录停机时间.用导线直接闭合压缩机顶部过载保护器输入点,记录停机时间是大于三分钟后启动。

（室内显示“P2”）。

把记录填在<变频空调测试记录表>上.

3.2机排气温度保护功能

3.2.1当排气温度超过108度而不到115度时立即限频，以后限频速度为每3分钟降一档进行，限频到F1即一直以F1运转,直到排气温度低于105度为止，此后若排气温度降到低于90度以下时，则解除限制。

3.2.2当排气温度超过115度历时5秒钟时，停压缩机，直到排气温度低于90度以下时，重新开机。

用测试方法2:

根据热敏电阻的温度值,按上述的要求来改变温度,观测压缩机的频率变化,室内外显示（室内显示“E5”）,记录动作及显示的时间.

3.3压缩机延时3分钟启动保护功能

3.3.1压缩机每次启动前必须等待3分钟（包括制冷模式或除湿模式与制热模式相互转换之时，自动化霜结束转制热时除外）；但当压缩机是首次上电启动时，压缩机延时1分钟启动。

3.3.2室外风机与压缩机同时启动，但压缩机停后，室外风机延时30秒才停。

3.3.3室外一旦出现保护停机，且保护时间超过3min时，当保护解除后，压缩机自动延时一分钟启动，室外保护包括：

电流、电压、模块、通信、室外传感器及顶部温度保护。

直接用秒表记录压缩机每次启动前的等待时间,把记录填在<变频空调测试记录表>上.

3.4传感器开路或短路保护功能

当室内环境温度传感器、蒸发器传感器对应的AD采样电压小于0.06V（对应的A/D值不大于3）或者大于4.94V（对应的A/D值不小于253）时，则认为传感器出现故障，关整机，并且LED显示故障信息，当AD采样电压恢复正常时则恢复正常工作，（室外传感器与此相同，但故障显示将保留1分钟后恢复）。

用万用表测试各电阻室内环境温度传感器、蒸发器传感器的电阻箱两端的电压,调节各电以上要求。

记录动作及显示的时间（T1，T2保护室内显示“E6”，T3，T4保护室内显示“E5”）把记录填在<变频空调测试记录表>（见附录）上.

3.5风机速度失控保护

当室内风机的速度连续60秒太低（低于300RPM）时，说明当前的风机速度失控，整机关并且LED显示故障信息，且不可恢复。

拔出室内风机反馈的信号输出线，同时用秒表记时，是否为60秒，LED显示故障信息（室内显示“E3”），且不可恢复，把记录填在<变频空调测试记录表>上。

3.6过零信号故障

如果连续20个过零信号时间间隔不对，进入故障状态，室内LED显示故障信息。

过零信号恢复后,恢复正常工作。

过零信号间隔为6ms-13ms（与常规机判断方式不同）。

把空调的电源接在变频电源上,调节变频电源的频率使空调出现“E3”保护。

LED显示故障信息（室内显示“E2”），把记录填在<变频空调测试记录表>上。

3.7压缩机启动、运转和停机时的频率升降速度按以下规则进行（室外芯片控制）

Hz

1Hz/S

92Hz1Hz/S

1Hz/S

57Hz

1Hz/S

35Hz1Hz/S

50秒时间

2分钟

说明：

3.7.1起动过程

1）当压缩机由关到开时必须在57Hz、92Hz两个平台保持一段时间；

2）57Hz平台保持运转50秒，92Hz平台保持运转2分钟；

3）当起动的目标频率≤57Hz时，先以1Hz/S的速度上升频率至57Hz，保持57Hz运转50秒，而后再以1Hz/s的速度降到目标频率。

4）当启动的目标频率<92Hz，但在压缩机正常运行过程中，若是第一次上升到92Hz以上的频率时，应在92Hz平台保持运转2分钟。

若在92Hz平台运行的过程中，由于保护或限频等原因导致频率下降（没有达到2分钟），以后再上升到92Hz以上的频率时，不需要再在92Hz平台保持运转2分钟。

3.7.2频率上升速度

①当频率<57Hz时,频率上升速度为1Hz/S；

②当频率≥57Hz时,频率上升速度为1Hz/S。

3.7.3频率下降速度

①当频率>57Hz时,频率下降速度为1Hz/S；

②当频率≤57Hz时，频率下降速度为1Hz/S。

3.7.4停机过程

如果某种保护功能发生作用，主芯片发出指令要求压缩机停止运转，则以当前运转频率立即停机；

用秒表记录各段时间,是否满足上述要求.把时间填在<变频空调测试记录表>（见附录）上

3.8变频器模块保护

变频器模块自身具有电流、电压等保护功能，当发生该种保护时，整机关机（见3.11.12条），室内LED显示故障信息；保护消除后自动恢复开机（压缩机延时3分钟启动有效）。

人为将变频器模块保扩输出端（ST方案端的F0端，IR方案的FAULT端）为低电平，记录动作及显示（室内显示“P0”），填写《记录表》

3.9风机延时开功能

在各种模式下开机时，导风条先动作，10秒后内风机起动运转；制热模式下防冷风功能优先。

如果使用快检遥控器开机，则内风机立即起动。

用秒表记录时间，是否满面足上述要求，注意制热模式下防冷风功能优先，填写《记录表》。

3.10压缩机预热功能（室内外芯片）

3.10.1预热准入条件

①室外主继电器闭合的前提下，室外温度<3℃且新插上电源时，进入预热状态

②室外主继电器闭合的前提下，室外温度<3℃且压缩机停止运转3小时以上。

3.10.2预热方法

以小电流的方式从压缩机接线端引入压缩机，使压缩机在不转动的情况下因线圈发热而达到预热效果。

3.10.3预热解除条件

当室外温度>5℃时或用户开机使压缩机起动时，预热状态即解除。

用测试方法2调节温度，用秒表计时。

预热的测试：

ST方案是十秒一段输出波形，IR方案输出连续低电压波形。

3.11室外电源主继电器控制功能说明

3.11.0室外电源主继电器每次闭合后延时5秒，室内才开始和室外进行通讯。

3.11.1首次上电，遥控开机（制冷或制热），则室外电源主继电器在电源上电后1分钟闭合（注：

1分钟计时是从上电开始计时，即如果上电后延迟1分钟再用遥控器开机制冷或制热，室外主继电器会立即闭合，另外室内温度小于20度上电室外主继电器也会立即闭合）。

3.11.2当室外电源主继电器闭合后，若关机或改变空调运行模式为送风模式，则继电器在3分钟后断开。

若在此3分钟内重新开机或转换模式为非送风模式（包括制冷、制热、自动、强制制冷、强制自动模式），则室外电源主继电器不用断开。

继电器断开期间，室内不判断通讯出错。

3.11.3制冷、抽湿模式与制热模式相互转换时，不用断开室外电源主继电器。

3.11.4当室内出现故障时（传感器故障、过零检测故障、EEPROM参数故障、室内风机失速），若在3分钟后没有恢复正常，则室外电源主继电器断开，若故障恢复则继电器立即闭合。

3.11.5当出现通讯故障时，若在2分钟后没有恢复正常，则室外电源主继电器断开，经过2分钟后重新闭合。

若室外该故障仍然没有恢复，则室外电源主继电器重复以上步骤（即继电器断开后2分钟后闭合），三次后，室内继电器将不再断开，整机停止运转，室内显示E1故障代码。

三次重试过程中，室内风机正常运转。

室外电源断电2分钟，通电2分钟，三次重试共12分后室内显示“E1”。

3.11.6室外出现其他故障时，直接报故障整机停机并显示故障代码，继电器不断开；

3.11.7当运行制冷、抽湿、制热模式时，当达到设定温度而停压缩机时，不用断开室外电源主继电器。

3.11.8当室内温度小于20度，立即闭合室外电源主继电器，即使出现3.11.2的模式转换也不断开继电器，但出现3.11.