第一節(jié) 產品技術發(fā)展現狀

所謂變頻技術就是通過控制電機的輸入頻率，從而達到改變其轉速的目的的技術。而“變頻空調”是與傳統(tǒng)的“定頻空調”相比較而產生的概念。眾所周知，我國的電網電壓為220V、50Hz在這種條件下工作的空調稱之為“定頻空調”，而“變頻空調”是可根據環(huán)境溫度，通過變頻器改變壓縮機供電頻率，調節(jié)壓縮機轉速，依靠壓縮機轉速的快慢調節(jié)制冷量，從而達到控制室溫的目的。

變頻空調器還有直流和交流之分，交流變頻是通過改變壓縮機輸入電流的頻率以達到改變壓縮機轉速來調節(jié)制冷劑流量，從而改變空調器的制冷(熱)量，相應地，電能消耗也隨之改變，而直流變頻其實不是變頻，而是通過改變壓縮機的直流無刷電機的輸入電壓來達到改變壓縮機轉速的目的，其頻率并不改變，但社會上已習慣稱謂是變頻機。

“變頻空調”是與傳統(tǒng)的“定頻空調”相比具有快速制冷(制熱)、節(jié)能、溫度控制精確、電壓適應范圍寬等優(yōu)點，目而得到越來越廣泛的應用。

現在看來，九十年代中后期進入中國市場的變頻技術和產品包括以下幾種類型：

１、單轉子變頻空調。這是變頻技術應用于空調器后的早期產品，壓縮機工作頻率在３０－６０Ｈｚ，制冷／制熱可控范圍不大，電控與普通分體機功能相當，但性能卻優(yōu)于普通分體機，因而容易被市場接受而商品化。當時日本國內有３０％的變頻產品屬于此種類型，而１９９６年上海夏普在國內推出的ＡＹ－２８／４１ＥＸ亦屬此類。根據當時中國國內市場實際情況，此類變頻產品更易形成市場從而存在商業(yè)機會，事實上后來一些變頻產品也是此類產品。

２、雙轉子變頻空調——壓縮機采用雙轉子結構、工作頻率在２０－１３０Ｈｚ，制冷／熱性能可控范圍較大，電控功能采用了較高級的仿智邏輯或模糊邏輯功能。這種產品由于性能較單轉子優(yōu)越，而且壓縮機和控制器成本較高，故整機成本較同類定速機高５０％左右。此類產品在日本市場約占４０％比例，適合中、高收入群體消費者。而對中國市場來說，當時普通定速空調仍處于普及階段，而且居民收入不高，一臺此類型１Ｐ空調售價便近１萬元，故市場機會較少。但同期不少企業(yè)開始引進此類技術，比如當時美的向東芝引進的變頻技術即是此類檔次。

３、直流變頻空調。這是當時家用空調中技術含量較高的產品，壓縮機要用雙轉子或渦旋式，而壓縮機內電動機則采用直流轉子結構，工作頻率在１５－１６０Ｈｚ，制冷／熱可控性能范圍大，電控部分則采用更高級的智能控制方式，風機也采用數字電機，精確控制轉速，膨脹閥也采用電磁膨脹閥精確控制冷媒流量。這類產品整機成本約是初級型單轉子變頻機的兩倍，在日本此類機型占總比重３０％，為高檔次消費者所接受，而對當時中國市場來說則有點勉為其難，從而難以商品化。

４、變頻多聯系列。這類產品是在第二類雙轉子變頻空調基礎上發(fā)展起來的產品，包括一拖二／三的家用和一拖多商用等多個品種，其最大特點是拖動多個室內機實現制冷／熱，從而最大程度地發(fā)揮變頻機組的效力，高效且省電。但是此類產品技術含量高而且安裝復雜，對當時中國空調 行業(yè) 而言屬于高端技術，而且其多聯功能使得可使用范圍更加廣泛。但是由于其成本高昂，初期一次性投入巨大，短期內在家用領域難以形成市場，但商用機會較大，因此一些空調廠家開始關注此類技術并推出系列產品，比如春蘭曾經推出的變頻一拖二／三組合產品、上海大金推出的變頻多聯系統(tǒng)等。

2006年12月，新科推出了第四代數碼渦旋變頻空調e-scroll(E渦旋)。據介紹，這款空調全部采用e-scroll渦旋壓縮機技術。這壓縮機采用最先進的稀土磁石材料和星型構造。使其擁有高效率(世界上最高效的壓縮機COP3.34以上)，低握動(是旋轉式的1／10，為20-30μm)低噪音(比他直流壓縮機低5分貝)。e-scroll變領空調的誕生，標志著我國變頻空調 行業(yè) 走進了一個新時代。

第二節(jié) 產品工藝特點或流程

一、變頻空調的優(yōu)點

變頻空調與常規(guī)空調的比較

二、變頻空調的控制特點

1、適應負荷的能力

如圖1，常規(guī)空調的制冷能力隨著室外溫度的上升而下降，而房間熱負荷隨室外溫度上升而上升，這樣，在室外溫度較高，本需要空調向房間輸出更大冷量時，常規(guī)空調往往制冷量不足，影響舒適性；而在室外溫度較低時，本需要空調向房間輸出較小冷量，常規(guī)空調往往制冷量過盛，白白浪費電力。而變頻空調通過壓縮機轉速的變化，可以實現制冷量隨室外溫度的上升而上升，下降而下降，這樣就實現了制冷量與房間熱負荷的自動匹配，改善了舒適性，也節(jié)省了電力。

常溫空調與變頻空調制冷量比較

變頻空調調節(jié)制冷量的原理如下：

一定工況下，制冷量與制冷劑質量流量成正比，

即Q=q.m

式中，Q—制冷量

q—制冷劑單位質量制冷量

m—制冷劑質量流量

一定工況下，制冷劑質量流量與壓縮機轉速成正比例函數關系，

即m=f(N)

式中f—制冷劑質量流量與壓縮機轉速的函數關系，不同結構的壓縮機此關系式不同

N—壓縮機轉速

綜合上兩式，就可以通過調節(jié)壓縮機轉速實現空調制冷量的調節(jié)，這正是直流或交流變頻空調變頻能量調節(jié)的原理。

2、溫度調節(jié)方法

常溫空調與變頻空調房間制冷時溫度調節(jié)比較

以制冷狀態(tài)為例，圖表示的為常規(guī)空調的溫度調節(jié)方法，其中T為室內溫度，Ts為設定溫度，達到設定溫度壓機停，室內溫度高于設定溫度1度，壓縮機重新開啟。圖4為變頻空調的溫度調節(jié)方法，室溫每降低0.5度，運轉頻率就降低一檔，相反，室溫每升高0.5度，運轉頻率就升高一檔，即室溫越高，運轉頻率越大，以便空調快速制冷，室溫越接近設定溫度，運轉頻率就越小，提供的制冷量也越小，以維持室溫在設定溫度附近，溫度波動小。

3、啟動、運轉性能

分別為常規(guī)空調、變頻空調啟動時轉速曲線。常規(guī)空調以定頻啟動、定速運轉。變頻空調低頻啟動、變頻運轉。

4、節(jié)能性

常規(guī)空調開/關方法控制，壓縮機開關頻繁，耗電多。變頻空調自動以低頻維持室溫基本恒定，避免壓縮機頻繁開啟，比常規(guī)空調省電30%左右。

常溫空調與變頻空調啟動過程比較

5、低電壓運轉性能

常規(guī)空調在電壓低于180V左右時，壓縮機就不能啟動，而變頻空調在電壓很低時，降頻啟動，降低啟動時的負荷，最低啟動電壓可達150V。

常溫空調與變頻空調房間低電壓控制比較

6、熱冷比

常規(guī)空調制冷、制熱壓縮機轉速一樣，只能通過系統(tǒng)匹配提高熱冷比，局限性很大。變頻空調制熱時壓縮機轉速比制冷時高許多，所以熱冷比可高達140%以上。（制熱時最高運轉頻率往往要比制冷最高運轉頻率高20Hz左右）

7、低溫制熱效果

常規(guī)空調壓縮機轉速恒定，0°C以下壓縮機功率很低，實際上沒有什么制熱效果；變頻空調低溫下以高頻運轉，制熱量是常規(guī)空調的3、4倍。

8、滿負荷運轉

常規(guī)空調壓縮機只有一種轉速，不可能實現滿負荷時的強勁運轉；變頻空調在人多時、剛開機時或室內外溫差較大時，可實現高頻強勁運轉。

9、保護功能

常規(guī)空調每次發(fā)生電流等保護均需停壓縮機；變頻空調每當發(fā)生保護時均以適當的降頻運轉予以緩沖，可實現不停機保護，不影響用戶的使用。

三、變頻空調的電路基本原理

變頻空調根據壓縮機是采用交流還是直流電機可分為交流變頻和直流變頻兩種。

1.交流變頻空調

（1）基本原理

異步電動機的電磁轉矩是由定子主磁通和轉子電流相互作用而產生的。定子繞組渡過電流時產生旋轉磁場，在轉子繞組內感應出電動勢，因而產生了感應電流，該電流與定子旋轉磁場相互作用，便產生了磁場力。而實際上對于異步電動機，旋轉磁場的轉速（通常稱為同步轉速）n0與轉子的轉速n1是有差別的，兩者之差與同步轉速的比值，我們稱之為轉差率，用s來表示，即式中，f—電流頻率

p—電機極對數

所以轉子的速度n1可用下式表示

由上式可知，只要改變異步電動機的供電頻率，電機的轉速便會發(fā)生改變，交流變頻空調就是根據這一基本原理來運行的。

異步電動機在運行時，產生的感應電動勢E1為：

式中，k—電機繞組系數；

N1—每相定子繞組匝數

Φ—每極磁通

由于定子阻抗上的壓降很小，可以忽略，這樣，我們便可以得到：

由上式可知，磁通Φ與U1/f成正比。對于磁通Φ，我們通常是希望其保持在接近飽和值，如果進一步增大磁通Φ，將使電機的鐵心飽和，從而導致電機中流過很大的勵磁電流，增加電機的銅損耗和鐵損耗，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。而磁通Φ的減小，則鐵心未得到充分的利用，使得輸出轉矩下降。這樣，由上式可知，要保持Φ恒定，即要保持U1/f恒定，改變頻率f的大小時，電機定子電壓U1必須隨之同時發(fā)生變化，即在變頻的同時也要變壓。這種調節(jié)轉速的方法我們稱為VVVF（VairbleVoltageVaribeFrequency)，簡稱為V/F變頻控制?，F在變頻空調的控制方法基本上都是采用這種方法來實現變頻調速的。下圖為一變頻空調的V-f曲線圖，V-f曲線由變頻壓縮機性能決定。

變頻控制器的原理框圖如下所示，220V/50Hz的市電經整流濾波后得到310V左右的直流電，此直流電經過逆變后，就可以得到用以控制壓縮機運轉的變頻電源。

變頻控制器的原理框圖

（3）實現V/F變頻控制的方法

脈寬調制（PWM）：在輸出電壓每半個周期內，把輸出電壓的波形分成若干個脈沖波，由于輸出電壓的平均值與脈沖的占空比（脈沖的寬度除以脈沖的周期稱為占空比）成正比，所以在調節(jié)頻率的同時，不改變脈沖電壓幅度的大小，而是改變脈沖的占空比，可以實現變頻也變壓的效果。這種方法稱為PWM（PuleWidthModulation）調制，PWM調制可以直接在逆變器中完成電壓與頻率的同時變化，控制電路比較簡單。

由于PWM調制輸出的電壓波形和電流波形都是非正弦波，具有許多高次諧波成分，這樣就使得輸入到電機的能量不能得以充分選用，增加了損耗。為了使輸出的波形接近于正弦波，提出了正弦波脈寬調制（SPWM）。

所謂SPWM調制，簡單地來說，就是在進行脈寬調制時，使脈沖序列的占空比按照正弦波的規(guī)律進行變化，即，當正弦波幅值為最大值時，脈沖的寬度也最大，當正弦波幅值為最小值時，脈沖的寬度也最小（如下圖所示）。這樣，輸出到電動機的脈沖序列就可以使得負載中的電流高次諧波成分大為減小，從而提高了電機的效率。SPWM波形的特點概括起來就是“等幅不等寬，兩頭窄中間寬”。

（4）具體電路

對于變頻空調的電路，其室內機部分與常規(guī)空調相類似，比常規(guī)空調多一通訊電路。其主要部分集中在室外部分，室外電控有主控板、電源電路、變頻驅動模塊。而室外變頻電路的核心主要集中在以下兩個方面：

1）變頻驅動模塊

這一部分指的是完成直流到交流的逆變過程，用于驅動變頻壓縮機運轉的逆變橋及其周圍電路。變頻空調上通常采用6個IGBT構成上下橋式驅動電路。在實際應用中，多采用IPM（IntelligentPowerModule)模塊加上周圍的電路（如開關電源電路）組成。IPM是一種智能的功率模塊，它將IGBT連同其驅動電路和多種保護電路封裝在同一模塊內，從而簡化了設計，提高了整個系統(tǒng)的可靠性?，F在變頻空調常用的IPM模塊有日本三菱的PM系列及日本新電元的TM系列（內置開關電源電路）。

2）室外控制芯片

隨著技術的進步，變頻空調的控制將向智能化、集成化、可靠化的方向發(fā)展，而其控制的核心--芯片也將越來越先進。室外芯片主要的功能是完成各種運算，產生SPWM波形，實現壓縮機V/F曲線的控制并提供各種保護等。變頻空調采用的室外控制芯片有很多種，如NEC、摩托羅拉、三菱等。由于空調技術的發(fā)展，模糊控制技術的不斷完善，這就出現了一種性能更優(yōu)異、功能更強大的控制芯片—DSP。DSP即DigitalSignalProcessor是數字信號處理器的簡稱，與一般的單片機相比，DSP在運算速度、信號的處理、電機的控制方面具有更大的優(yōu)勢，是未來的發(fā)展方向。美的空調與美國TI（德州儀器）公司進行合作，其變頻空調均采用DSP控制技術，大大提高了整機的控制性能。整機電控框圖如下所示：

整機電控框圖

2.直流變頻空調基本原理及結構

直流變頻空調其關鍵在于采用了無刷直流電機作為壓縮機，其控制電路與交流變頻控制器基本一樣。

（1）直流變頻空調的基本原理

1）直流變頻概念

我們把采用無刷直流電機作為壓縮機的空調器稱為“直流變頻空調”從概念上來說是不確切的，因為我們都知道直流電是沒有頻率的，也就談不上變頻，但人們已經形成了習慣，對于采用無刷直流壓縮機的空調器就稱之為直流變頻空調。

2）無刷直流電機

無刷直流電機與普通的交流電機或有刷直流電機的最大區(qū)別在于其轉子是由稀土材料的永久磁鋼構成，定子采用整距集中繞組，簡單地說來，就是把普通直流電機由永久磁鐵組成的定子變成轉子，把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，就可以省掉普通直流電機所必須的電刷，而且其調速性能與普通的直流電動機相似，所以把這種電機稱為無刷直流電機。無刷直流電機既克服了傳統(tǒng)的直流電機的一些缺陷，如電磁干擾、噪聲、火花可靠性差、壽命短，又具有交流電機所不具有的一些優(yōu)點，如運行效率高、調速性能好、無渦流損失。所以，直流變頻空調相對與交流變頻空調而言，具有更大的節(jié)能優(yōu)勢。

3）轉子位置檢測

由于無刷直流電機在運行時，必須實時檢測出永磁轉子的位置，從而進行相應的驅動控制，以驅動電機換相，才能保證電機平穩(wěn)地運行。實現無刷直流電機位置檢測通常有兩種方法，一是利用電機內部的位置傳感器（通常為霍爾元件）提供的信號；二是檢測出無刷直流電機相電壓，利用相電壓的采樣信號進行運算后得出。在無刷直流電動機中總有兩相線圈通電，一相不通電。一般無法對通電線圈測出感應電壓，因此通常以剩余的一相作為轉子位置檢測信號用線，捕捉到感應電壓，通過專門設計的電子回路轉換，反過來控制給定子線圈施加方波電壓；由于后一種方法省掉了位置傳感器，所以直流變頻空調壓縮機都采用后一種方法進行電機換相。

4）直流變頻空調與交流變頻空調的電控區(qū)別

交流變頻空調的變頻模塊按照SPWM調制方法，通過三極管的通斷，給壓縮機三相線圈同時通電，壓縮機為一三相交流壓機。

直流變頻空調的變頻模塊每次導通二個三極管（A+、A-不能同時導通，B+、B-不能同時導通，C+、C-不能同時導通），兩相線圈通以直流電，驅動轉子運轉，另一相線圈不通電，但有感應電壓，根據感應電壓的大小可以判斷出轉子的位置，進而控制繞組通電順序。直流變頻相比交流變頻多一位置檢測電路。

下圖為直流變頻空調的電路原理圖：

直流變頻空調可分為兩類，一類是只有壓縮機采用無刷直流電機；二是不僅壓縮機，還包括室內風機、室外風機都采用了無刷直流電機，而且制冷劑的調節(jié)方式也由毛細管變?yōu)殡娮优蛎涢y，這就是全直流變頻空調。KFR-35GW/BP2Y，就是一款全數字直流變頻空調（其中其壓縮機更是采用了高性能的雙轉子直流變頻壓縮機）。

直流變頻空調電路原理圖

第三節(jié) 國內外技術未來發(fā)展趨勢 分析

通過對空調發(fā)展的后風扇時代、純空調時代、超空調時代和即將來到的網絡信息時代回顧。以及幾種典型的主流空調技術和產品的 分析 ，可以看出科技創(chuàng)新勢不可擋。高科技含量的空調產品必將取代市場上僅僅具備了制冷制熱功能的低技術含量空調。未來空調將要朝著“四化”．即健康化、節(jié)能環(huán)保化、人性化、網絡化邁進。

健康化：健康的空氣舒適指數主要從空氣潔凈度、空調氣流的舒適度、空氣溫濕度控制技術三方面來衡量。各空調廠家針對這一需求，推出了多重空氣過濾技術、等離子技術、負離子技術、多元光觸煤技術、環(huán)繞立體送風技術、自動除濕加濕等技術。并運用到產品上。目前，日本的一些空調企業(yè)以及中國的海爾在這方面都處于世界領先水平。

節(jié)能環(huán)?；簭氖澜绨l(fā)展趨勢看，節(jié)能是環(huán)保的第一重要因素。環(huán)保始終是各國所關注的問題。歐盟頒布了相關法規(guī)，限制非環(huán)保產品進入，日本政府公布了<節(jié)能法>，美國環(huán)保署公布了美國國家政府強行執(zhí)行的能耗標準。把無環(huán)保產品拒之門外也是遵循這一節(jié)能環(huán)保的大趨勢。中國國家技術監(jiān)督局節(jié)能認證委員會在2000年也首次頒布了中國節(jié)能認證。從空調產品節(jié)能技術的演變上，已經實現了從最初的定頻空調到變頻空調的節(jié)能30％。隨著先進技術的不斷創(chuàng)新運用。2001年海爾又推出了具有高效數字直流變頻壓縮機、數字傳感器、數字直流電機的空調器世紀超人。將節(jié)能水平提升至5l％。創(chuàng)造了目前國內外節(jié)能產品之最。

人性化：使用方便，人機互動是更高層次要求。由于傳統(tǒng)空調的功能簡單，各國空調廠商運用了多項人性化空調設計技術．推出了具有多種視窗顯示(VFD點陣液晶、LED顯示)的空調，使空調運行狀態(tài)一目了然。同時。為了滿足夜間使用空調，在多個系列產品中具有夜光顯示功能的遙控器，背光功能，讓消費者在黑暗中能夠清晰可見地進行空調操作。具有語音聲控功能的空調等。具有人性化設計功能的空調必將成為未來空調的發(fā)展方向之一。

網絡化：網絡信息空調時代。網絡技術的發(fā)展必將為空調帶來一場全新的技術革命。傳統(tǒng)空調的概念將發(fā)生質的改變。誰先掌握網絡技術在空調上的應用，誰就會成為未來空調市場的引領者，空調網絡信息時代的到來成為不可逆轉的潮流。一些新型空調產品開始預留網絡接口，實現網絡開放。通過選配的網絡控制器可實現千里之外的網絡遙控。集中控制器可實現同時控制128臺空調，為智能化小區(qū)物業(yè)管理提供便利。高技術、高附加值的特點把空調這種最初簡單的舒適品推向了一個全新的概念。成為人們在工作和生活中必不可少的人性化智能家電。

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