第二节 变频空调器的节电原理、工作原理和分类

一、变频空调器的节电原理和工作原理

1．节电原理

最普通的交流变频空调器和典型的定频空调器相比，只是压缩机的运行方式不同，定频空调器压缩机供电由市电直接提供，电压为交流220V，频率为50Hz，理论转速为3000r/min，运行时由于阻力等原因，实际转速约为2950r/min，因此制冷量也是固定不变的。

变频空调器压缩机的供电由模块提供，模块输出模拟三相交流电，其频率可以在15～120Hz之间变化，电压可以在30～220V之间变化，因而压缩机转速可以在1500～9000r/min的范围内变化。

压缩机转速升高时，制冷量随之加大，制冷效果变好，制冷模式下房间温度迅速下降，相对应此时空调器耗电量也随之上升；当房间内温度下降到设定温度附近时，电控系统控制压缩机转速降低，制冷量下降，维持房间温度，相对应的此时耗电量也随之下降，从而达到节电的目的。

2．工作原理

图1-17为变频空调器工作原理框图，图1-18为其实物图。

室内机主板CPU接收遥控器发送的设定模式和设定温度信号，与室内环温传感器温度相比较，如达到开机条件，则控制室内机主板主控继电器触点闭合，向室外机供电；室内机主板CPU同时根据室内管温传感器温度信号，结合内置的运行程序计算出压缩机的目标运行频率，通过通信电路传送至室外机主板CPU，室外机主板CPU再根据室外环温传感器、室外管温传感器、压缩机排气传感器、市电电压等信号，综合室内机主板CPU传送的信息，得出压缩机的实际运行频率，输出控制信号至IPM（智能功率模块）。

IPM是将直流300V转换为频率和电压均可调的三相变频装置，内含6个大功率IGBT（开关管），构成三相上下桥式驱动电路，室外机主板CPU输出的控制信号使每只IGBT导通180°，且同一桥臂的两只IGBT中的一只导通时，另一只必须关断，否则会造成直流300V直接短路。并且相邻两相的IGBT导通相位差为120°，在任意360°内都有3个IGBT导通以接通三相负载。在IGBT导通与截止的过程中，输出的三相模拟交流电中带有可以变化的频率，且在一个周期内，如IGBT导通时间长而截止时间短，则输出的三相交流电的电压相对应就会升高，从而达到频率和电压均可调的目的。

IPM输出的三相模拟交流电，加在压缩机的三相感应电动机上，压缩机运行，系统工作在制冷或制热模式。如果室内温度与设定温度的差值较大，室内机主板CPU处理后送至室外机主板CPU，输出控制信号使IPM内部的IGBT导通时间长而截止时间短，从而输出频率和电压均相对较高的三相模拟交流电并加至压缩机，压缩机转速加快，单位制冷量也随之加大，达到快速制冷的目的；反之，当房间温度与设定温度的差值变小时，室外机主板CPU输出的控制信号，使得IPM输出较低的频率和电压，压缩机转速变慢，降低制冷量。

二、变频空调器的分类

变频空调器根据压缩机工作原理和室内外风机的供电状况可分为3种类型，即交流变频空调器、直流变频空调器、全直流变频空调器。

1．交流变频空调器

交流变频空调器见图1-19，是最早的变频空调器，也是目前市场上保有量最大的类型，现在通常已经进入维修期或淘汰期。

室内风机和室外风机与普通定频空调器上的相同，均为交流异步电机，由市电交流220V直接起动运行。只是压缩机转速可以变化，供电为IPM提供的模拟三相交流电。

制冷剂通常使用和普通定频空调器相同的R22，一般使用常见的毛细管作为节流部件。

2．直流变频空调器

将普通直流电机由永磁铁组成的定子变为转子，将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，这样省掉普通直流电机所必需的电刷，称为无刷直流电机。

使用无刷直流电机作为压缩机的空调器称为直流变频空调器，其在交流变频空调器基础上发展而来，整机的控制原理和交流变频空调器基本相同（模块输出供电，用万用表测量时实际为交流电压），只是在室外机电路板上增加了位置检测电路，其同时是目前销售量最大的变频空调器机型。

直流变频空调器见图1-20，室内风机和室外风机与普通定频空调器上的相同，均为交流异步电机，由市电交流220V直接起动运行。

制冷剂早期机型使用R22，目前生产的机型多使用新型环保的R410A制冷剂，节流部件同样使用常见且价格低廉但性能稳定的毛细管。

3．全直流变频空调器

全直流变频空调器见图1-21，属于目前高档空调器，在直流变频空调器基础上发展而来，与之相比最主要的区别是，室内风机和室外风机均使用直流无刷电机，供电为直流300V电压，而不是交流220V，同时压缩机也使用无刷直流电机。

制冷剂通常使用新型环保的R410A，节流部件也大多使用毛细管，只有少数品牌的机型使用电子膨胀阀，或电子膨胀阀和毛细管相结合的方式。

三、交流和直流变频空调器的区别

1．相同之处

1）制冷系统：定频空调器、交流变频空调器、直流变频空调器的工作原理和实物基本相同，区别是压缩机的工作原理和内部结构不同。

2）电控系统：交流变频空调器和直流变频空调器的控制原理、单元电路、硬件实物基本相同，区别是室外机主控CPU对模块的控制原理不同[即脉冲宽度调制（PWM）方式或脉冲幅度调制（PAM）方式，但控制程序内置在室外机CPU或存储器之中，实物看不到。

3）模块输出电压（此处指用万用表实测电压）：交流变频空调器的IPM输出频率和电压均可调的模拟三相交流电，频率和电压越高，压缩机转速就越快。直流变频空调器的IPM同样输出频率和电压均可调的模拟三相交流电，频率和电压越高，压缩机转速就越快。

2．整机不同之处

1）压缩机：交流变频空调器使用三相感应电机，直流变频空调器使用无刷直流电机，两者的内部结构不同。

2）位置检测电路：直流变频空调器设有位置检测电路，交流变频空调器则没有。

3．交流变频和直流变频空调器模块的不同之处

在实际应用中，同一个型号的模块既能驱动交流变频空调器的压缩机，也能驱动直流变频空调器的压缩机，所不同的是由模块组成的控制电路板不同。驱动交流变频压缩机的模块板通过改动程序（即修改CPU或存储器的内部数据），即可驱动直流变频压缩机。模块板硬件方面有以下几种区别。

（1）模块板增加位置检测电路

仙童FSBB15CH60模块在海信KFR-28GW/39MBP交流变频空调器中，见图1-22，驱动交流变频压缩机。

海信KFR-33GW/25MZBP直流变频空调器中，见图1-23，基板上增加位置检测电路，驱动直流变频压缩机。

（2）模块板双CPU控制电路

三洋STK621-031（041）模块在海信KFR-26GW/18BP交流变频空调器中，见图1-24，驱动交流变频压缩机。

海信KFR-32GW/27ZBP中，见图1-25，模块板使用双CPU设计，其中1个CPU的作用是和室内机通信、采集温度信号并驱动继电器等，另外1个CPU专门控制模块，驱动直流变频压缩机。

（3）双主板双CPU设计电路

目前常用的一种设计形式为，设有室外机主板和模块板，见图1-26和图1-27，每块电路板上均设计有CPU，室外机主板为主控CPU，作用是采集温度信号和驱动继电器等，模块板为模块驱动CPU，专门用于驱动IPM或变频模块和PFC模块。