DC变频空调工作原理分析(图)

下图是变频空调变频部分的基本组成。电源的220伏交流电压由转换器转换成DC。逆变器的主要功能是实现换相，将DC电压转换成有效值相当于任意频率三相交流的脉冲电压信号。最常见的结构是由六个半导体开关元件组成的三相桥式电路(大功率模块)。

上图中变频器的负载是压缩机中的异步电机，变频空调根据负载是交流变频压缩机还是DC变频压缩机分为交流变频和DC变频。交流变频逆变器的输出电压模式一般为不等宽脉宽调制模式，而DC变频逆变器的输出电压模式一般为等宽脉宽调制模式。目前，DC变频空调压缩机输入电压的调制采用的是脉冲幅度调制(PAM)，因为它具有独特的优势。调制波形图如下图所示。

交流变频压缩机的电机为普通三相异步感应电机，不再赘述。下面主要讨论DC变频。2在大功率模块的有刷DC电机中，当转子(单线圈)的磁场变为与定子(永磁体)的磁场平行时，如果转子再次越过这个位置，而DC电源不改变流向，即线圈中的电流方向不变，那么按照右手定则，线圈的应力会使其反转到原来的方向。因此，需要一个碳刷来改变线圈中的电流流向，使转子能够继续旋转。在压缩机中，由于气缸中充满氟利昂蒸汽，不可能使用会产生火花的无刷DC电机，因此需要使用通过电子电路实现换向的无刷DC电机。

的虚拟方框显示了由六个三极管模块组成的逆变器，习惯上称为大功率模块，其中A、B、C构成上支路，A、B、C构成下支路。按照下表中的顺序循环通断，每次总是接通上支路的一个三极管和下支路的一个三极管，从而给压缩机的定子线圈施加方波电压。

3 DC压缩机电机的基本原理DC压缩机电机的转子是永磁体。典型的永磁体结构有弧、反弧、V、X等。不同的排列有不同的磁力线浓度，直接影响电机的效率。定子和交流压缩机电机用漆包线缠绕。图5是四极(极数为2)三相无刷DC电机的示意图。定子线圈的绕制方法如下图所示，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，并始终确保与转子N极相对的定子绕组导体中的电流流向相同，例如：而与转子s极相对的定子绕组导体中的电流流向另一个方向，例如(参见图5右侧的电机截面示意图)。具体地，当转子处于图5所示的位置时，三极管a和c导通。从图2可以看出，此时，只有u和w线圈，即线圈a和c，具有在a、c中流动的电流，也就是说，产生了在图中所示的定子横截面上的导体中流动的电流。我们把马达分成左上180和右下180两半。在左上180，导体A和C的磁场按照右螺旋规律叠加，在定子和转子之间产生垂直向上的方向磁场，而导体C和C的磁场叠加，产生水平向右的磁场。叠加磁场 Z1的方向如图所示。刚好垂直于转子磁场 D1，会产生逆时针句子的电磁转矩，推动转子逆时针旋转。右下180的原理是一样的。右螺旋法则：握住导体

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%。