变频空调的优点.docx

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变频空调的优点

变频空调

引言

由于传统的制冷系统采用定速压缩机，因此人们对制冷系统及压缩机的研究重点一直是在名义工况和额定转速下稳态工作时的效率和其它工作特性上。

传统的制冷系统采用定转速压缩机，实行开关控制，利用压缩机上附带的鼠笼式电动机驱动压缩机，从而调节蒸发温度。

这种控制方式使蒸发温度波动较大，容易影响被冷却环境的温度。

压缩机电机在工作过程中要不断克服转子从静止到额定转速变化过程中所产生的巨大转动惯量，尤其是带着负荷启动时，启动力矩要高出运行力矩许多倍，其结果不仅要额外耗费电能，而且会加剧压缩机运动部件的磨损。

另外这种运行方式在启动过程中还会产生较大的振动、噪声以及冲击电流，引起电源电压的波动，因此应采用变频压缩机替代定转速压缩机，从而避免这种频繁的起停过程。

第一章变频空调简介

变频空调是在普通空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统。

它的基本结构和制冷原理和普通空调完全相同。

变频空调的主机是自动进行无级变速的，它可以根据房间情况自动提供所需的冷（热）量；当室内温度达到期望值后，空凋主机则以能够准确保持这一温度的恒定速度运转，实现“不停机运转”，从而保证环境温度的稳定。

下面着重介绍变频空调的优点、选购、安装及使用。

1.1变频空调概述

简单地说变频空调是在常规空调的结构上增加了一个变频器。

压缩机是空调的心脏，其转速直接影响到空调的使用效率，变频器就是用来控制和调整压缩机转速的控制系统，使之始终处于最佳的转速状态，从而提高能效比（比常规的空调节能20%～30%）。

1.2变频空调具有以下特点

①启动电流小，转速逐渐加快，启动电流是常规空调的1/7；

②没有忽冷忽热的毛病，因为变频空调是随着温度接近设定温度而逐渐降低转速，逐步达到设定温度并保持与冷量损失相平衡的低频运转，使室内温度保持稳定；

③噪声比常规空调低，因为变频空调采用的是双转子压缩机，大大降低了回旋不平衡度，使室外机的振动非常小，约为常规空调的1/2；

④制冷、制热的速度比常规空调快1～2倍。

变频空调采用电子膨胀节流技术，微处理器可以根据设置在膨胀阀进出口、压缩机吸气管等多处的温度传感器收集的信息来控制阀门的开启度，以达到快速制冷、制热的目的。

1.3三种变频压缩机的研究状况

针对变频压缩机的研究，是从往复活塞机开始的，但由于其往复运动的特点，影响到变频特性的发挥；从而转到滚动转子式压缩机、涡旋压缩机等回转式压缩机上来，大大提高了压缩机的性能。

总体说来，实验研究居多，而理论分析较少。

1.3.1往复式活塞压缩机

日本东芝公司在1980年开发了往复式变频压缩机，又在1981年开发了转子式变频压缩机，文献[1]给出这两种机器的制冷量和总效率随频率变化的实验数据，从中可以看出往复式在频率为25~75Hz时，效率高；而转子式在30~90Hz时，效率高。

并且两种机型均存在效率最高频率。

在大于此频率时效率缓慢降低，小于此频率时，效率则下降很快。

另外，Scalabrin测量一台可变速的开启式往复压缩机在不同转速下的制冷量和输入功率，他指出这台压缩机的容积效率在转速为1000rpm时最高，而等熵效率和制冷系数随转速的降低而增高[2]。

Krueger讨论了BPM电

机及变频器的设计，对转速在2000~5000rpm的冰箱和往复式压缩机进行了实验研究，得到压缩机的转速为3000~5000rpm时制冷系数最高；而文献[3]则给出了其对冰箱用往复式压缩机的性能试验和模拟计算结果，在其研究的转速范围内2000~4000rpm，制冷系数随转速的增加而降低。

还有学者对往复式变频压缩机的热力性能进行了仿真研究，计算了压缩机内各部位的换热量和压力损失。

1.3.2滚动转子式压缩机

在1984年，日本东芝公司的Sakurai和美国普渡大学的Hamilton建立了简单的滚动转子式压缩机的摩擦损失模型[4]，并选取不同的边界摩擦系数和制冷剂在油中的溶解度计算了不同的转速下的摩擦功耗。

其结果与实验值相比较，偏差较大。

文献[5]叙述了日立公司1983年批量生产的变频转子压缩机在结构和材料上的改进。

文献[6]研究了单缸和双缸转子压缩机的转速波动，讨论了电流频率减小时，压缩机性能降低的原因。

文献[7]采用低密度和铝合金制作的滑片和转子以降低高转速时滑睡瑟转子间的接触力和转子轴承承载。

文献[8]简单分析了适当降低滑片的质量和厚度可以提高变频转子压缩机的效率，并给出了气缸、转子和滑处的温度及应力分布的有限元分析结果。

Liu和Soedel分析了变频转子压缩机的吸气和排气气流脉动[9，10]和吸气管气缸间的传热及压缩机的温度分布[11]，讨论了影响变频转子压缩机容积效率和气缸压缩过程

效率的因素，给出了他们用计算机模拟计算出的在不同转速下的容积效率和压缩过程效率，从实验数据和文献[1]的实验可以看出，其计算的容积效率随转速的增大而很快的增大。

1.3.3涡旋式压缩机

涡旋式压缩机的原理早在1886年意大利的专利文献[12]论及到了，1905年法国工程师Creux正式提出涡旋式压缩机原理及结构，并申请美国专利[13]。

涡旋式压缩机是一种新型的容积式压缩机，具有结构紧凑、

效率高、可靠性强、噪声低等特点，尤其是用于变频控制运行。

但由于没有数控加工技术和缺乏对轴向力平衡问题的妥善解决方法，因而长期未能完成其实用化。

进入70年代，美国A.D.L公司完成富有成效的研究，首先解决了涡旋盘端部磨损补偿的密封技术。

并在此基础上与瑞士合作开发了多种工质的涡旋式压缩机样机。

涡旋式压缩机的真正规模生产始于日本。

1981年日本三电（SANDEN）公司开始生产用于汽车空调的涡旋式压缩机，1983年日立公司开始生产2~5Hp用于房间空调的涡旋式压缩机。

此外，在美国，自Copeland公司1987年建立涡旋式压缩机生产线推出其产品后，Carrier、Trane、Tecumseh等公司也分别设厂生产高质量的涡旋式压缩机。

而变频涡旋压缩机已应用于柜式空调器上，节能效果明显，制冷系数提高20%左右，成为目前涡旋压缩机的一个研究热点。

1.4变频调速技术的发展及现状

变频调速技术适应于节能降耗和舒适性的要求，目前已应用于新一代的空调器上，在90年代初进入国内空调市场，其核心是：

逆变器、微控制器、PWM波的生成和变频压缩机的电机。

1.4.1逆变器

变频空调的核心部件是变频器，其主要电路采用交-直-交电压型方式。

交-直过程一般采用单相二级管不可控直接整流，直-交过程一般采用6管三相逆变器，另有一个辅助电源，一个逆变器控制器和相应的驱动电路。

早期的变频器采用分立元件构成，整流器采用单相倍压整流电路，逆变器由6只分立的功率晶体管（GTR）构成。

这种电路复杂，可靠性差。

目前大部分厂家采用的逆变桥由6个绝缘栅极晶体管（IGBT）组成，其综合了MOSFET和GTR的优点，开关频率高、驱动功率小。

随着智能功率模块（IPM）技术的发展应用，IPM正在逐步取代普通IGBT模块。

由于IPM内部既有IGBT的棚极驱动和保护逻辑，又有过流、过（欠）压、短路和过热探测以及保护电路，提高了变频器的可靠性和可维护性。

另外，IPM的体积与普通IGBT模块不相上下，价格也比较接近，因此目前应用较为广泛。

比较成功的产品如：

日本三菱电机公司所生产的PM20CSJ060型以及日本新电元公司生产的TM系列IPM模块等。

功率因素校正（PFC）环节和逆变桥集成是新一代的空调器逆变电源技术。

PFC技术的应用不但可以极大改善电网的工作环境，减少输电线的损耗，而且在变频工作时可以减小输入端电感和输出端电容器，减小模块体积。

因此PFC环节和IPM逆变桥集成一体化是家用空调器发展的必然。

1.4.2微控制器

微电子技术的发展使变频调速的实现手段发生了根本的变化，从早期的模拟控制技术发展数字控制技术。

目前国外一些跨国公司的微控制器产品占据着主要的市场，如：

Motorola公司的MC68HC08MP16、Intel公司的80C196MC、三菱公司的M37705等。

这些公司的产品性能价格比较高、功能强大，如带有A/D转换器、PWM波形发生器、LED/LCD驱动等，且一般都有OTP产品以及功耗低可长期稳定的工作。

微控制器目前主要由单片机向DSP（信号处理器）过渡。

以目前应用比较广泛的TI公司的TMS320C240为例，其具有：

50Ns的指令周期，544字的RAM，16K的EEPROM，12个PWM通道，三个16位计数器，两个10位A/D转换，WATCHDOG，串行通讯口，串行外围接口等，采用DSP，可使控制电路简单，而且控制功能强大。

1.4.3PWM波的生成

在家用空调器中，目前国内大部分厂家采用常规的SPWM方法，在国外，在部分厂家以采用磁通跟踪型SPWM生成方法，该方法以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹—理想磁通圆，即用空间电压矢量的方法决定逆变器的开关状态，以形成PWM波形，该方法电压利用率高，低频谐波转矩小，频率变化范围宽、运行稳定，具有比较好的控制性能。

近期出现的PAM控制（Pulse

AmplitudeModulation）不采用载波频率进行整流，而直接改变电压，减少了整流所需的能耗，提高了变频器的工作效率，满足了节电和降低高次谐波的要求，使供暖能力得到提高。

1.4.4变频压缩机的电机

变频压缩机电机主要分为交流异步电动机和直流无刷电动机两种。

目前国内一些大的压缩机生产厂家如：

万宝、松下、上海日立、东芝万家乐等已有能力生产变频压缩机（包括交流机和直流机），交流电动机成本低，制造工艺简单，但其节能效果较差。

直流无刷电机拖动由无刷电机本身，转子位置传感器和电子换向开关组成。

转子磁极为永磁体，电枢绕组采用自控式换流，定子旋转磁场与转子磁极同步旋转，通常采用按转子磁场定向的定子电流矢量变换控制，既有普通直流电机良好的调速性能和启动性能，又从根本上消除了换向火花、无线电干扰的弊端，具有寿命长、可靠性高和噪声低，控制方便等优点。

以1998年三菱电机公司开发的适用于空调压缩机的节能高效直流无刷电机为例，其具

有：

转子上安装了8块V字型永久磁体。

磁体为埋入式，转子不会在不锈钢外壳中因涡流因而产生损耗；采用了新的压缩机电机驱动方式，效率比普通的无刷电机高，但是这种压缩机电机的价格较高。

开关磁阻电动机（SRM）是80年代新推出的变速传动系统，由磁阻电动机和控制器组成，是新一代机电一体化产品。

该电机结构十分简单，但是比普通磁阻电动机多了转子位置检测器（一般为光电检测），总体上比较流异步电动机简单、坚固和便宜，又因为绕组电流是直流脉冲，只需整流，无需逆变，所以控制电路简单。

目前有关SRM的理论尚不够完善，低速时，转矩有些脉动，噪声和震动较大，转速的稳态精度不够高等，有待今后进一步研究解决。

值得注意的是，国外针对变频空调器重新设计了压缩机，把电机从传统的单相电容电机改进为三相交流电机，以具有良好的调速性能。

为了适应国内目前大量生产和使用的传统压缩机的变频调速。

有必要开发出单相电容电机的变频器。

1.4.5变频空调的现状

随着我国对节能产品呼声的日益高涨，引入中国近10年而始终未能被普遍接受的变频空调，在今年可谓是迎来了久违的推广高潮。

主推变频空调的厂家们亦是应时而变，大幅下调价格并加强推广力度是其一变；与此同时，在变频空调市场份额逐渐增大的前提下，空调厂家试图开始在此领域精耕细作，调整产品结构便是其二变，近日新科空调宣布旗下变频空调全部转产直流变频空调就是厂家求变的具体表现。

为了紧跟变频空调市场的细微变化并对该市场有一个全面的了解，本节将就变频空调展开讨论。

首先澄清变频空调领域的真假之争。

真变频无以“正身”

自20世纪90时代中期变频空调引入我国以来，有关变频空调的“真假之争”就一直甚嚣尘上，这与其相对低迷的市场占有率之间形成鲜明的对比。

厂家抑或是业内专家习惯于将变频空调未被普及的现状归结于厂家之间的相互拆台及消费者对变频空调的信心不足，这两点无疑是变频空调难以普及的关键原因，但潜藏在这两点背后还有一个颇为关键的原因却很少被提及，那就是——变频空调标准的缺失。

业内人士认为，这

才是变频空调市场混乱的真正原因，也是假变频空调得以滋生的温床。

据北京工业大学环境与能源工程学院制冷学科部高级工程师李红旗博士介绍，变频空调标准的缺失主要体现在两个方面：

其一，在我国国家标准评价体系中，对纳入其中的产品均有着准确的定义和相应的技术规范、测试方法、测试条件说明，但变频空调至今尚未有产品标准。

也就是说，究竟什么样的空调才是变频以及变频空调器如何测试与评价等没有任何规范。

其二，受产品标准的影响，在正在起草中的空调器能效标准中，同样只有关于定速空调的能效标准，而没有关于变频空调的能效标准，因为能效标准是建立在产品标准基础上的。

可以看出，变频空调在我国虽然已经有近10年的历史，但始终缺乏一个统一的规范，变频空调市场也因此相对比较混乱，各厂家自行其是。

近日有消息称，正在上报中的国家空调器产品标准（GB7725）中已经纳入了变频空调的内容，记者从李红旗博士那儿也得到了证实。

不过，变频空调器的能效标准仍需开展相关的技术研究工作，一时尚无法推出。

李红旗表示，按产品类型分类确定能效标准的指标并不十分合适，也不利变频空调的发展。

他进一步解释道，在空调能效标准中目前仅规定了定速空调的能效标准，这是不利于其发展的一个方面；另一方面，即使将来加入变频空调的能效标准，但是标准中定速空调与变频空调能效指标的分类制订也使得两者不具备可比性，变频空调的节能优势体现

不出来。

假变频高招迭出

标准的缺失，在无法给真变频以“合法身份”的同时，却给了假变频肆意横行的自由空间。

在变频空调引入中国的早期，某些厂家甚至将仅仅加了一个几十元变频电源的空调称之为“变频空调”。

前几年空调厂家发起的“砸变频”行为虽然带有某些偏激因素，但是也可以说明变频空调领域真伪难辨的事实。

这一年来，随着变频空调推广范围的不断扩大，尤其是国内变频压缩机技术的不断成熟及其价格的日益走低，变频空调市场基本已不再出现用变频电源冒充变频空调的低级作假现象，而是出现了更加隐蔽、更高级别的作假现象。

据市场调查，目前变频空调市场的产品问题主要有三类：

第一，没有技术研发和生产变频空调能力的厂家，采用东拼西凑的办法，从不同的上游生产厂家那里购买到变频压缩机、变频控制器等零部件，然后将其组装成所谓的“变频空调”；第二，空调厂家利用变频空调自身技术的

特点过分追求利润最大化，如1匹变频压缩机在高速运转下可以达到1.5匹变频压缩机的制冷量，有些空调厂家便将1匹的变频压缩机用于1.5匹的变频空调，价格自然也相应抬高；第三，变频空调的制冷量是一个范围，有些厂家就用该范围内的较高值来标示其额定制冷量，而空调又是根据制冷量来定价格的，由此厂家获得了较高的利润。

第二和第三种现象虽然卖的也是变频空调，但已经严重影响了变频空调在人们心目中的节能特点，因为这种“小马拉大车”的做法不可能达到变频空调应有的节能效果，变频空调的节能优势更是无从体现。

交、直流变频之争

近日在新科提出其变频空调全面转产直流变频空调之后，有关交流变频和直流变频的争议便又重新被提起。

业内曾经有人认为，直流变频空调才是真正的变频空调，交流变频空调则不是。

针对这一争议，李红旗博士表示，如果仅从技术角度来说，“交流”才可以“变频”，“直流”只可以“调速”，但无论是直流调速技术还是交流变频技术最终都可以达到“根据用户负载调节制冷量”的功能，因此两者均具备同样的功能，差异表现在调节的实现手段及节能效果上。

很明显，严格意义上讲“直流变频”的提法是不科学的，但社会上已经沿用了这种说法。

据了解，直流变频空调与交流变频空调的区别在于使用何种压缩机

（交流变频压缩机还是直流变频压缩机）以及因压缩机的不同而带来控制器的变化。

交流变频压缩机本质上仍是三相交流异步电动机，通过定、转子之间磁场的相互作用使转子旋转。

但其特别的设计使得可以在较大范围内通过改变电源的频率和电压来改变电机的转速，因此称之为交流变频。

消费者认知最重要

李红旗认为，变频压缩机本身就比普通定速压缩机的价格贵，控制器也存在较大的价格差异，因此无论哪类变频空调其价格都要高于普通定速空调。

变频空调本身就是一种高端产品，但价格的差异可通过变频产品使用过程中因节能而带来的电费节省得到补偿，总体上对消费者还是有利的。

因此，从这一角度出发，直流变频空调比交流变频空调更有使用价值。

不过，业内另一种声音却这样认为：

尚未走出普及期的我国变频空调，一旦再加高价格，刚刚被煽动起来的“变频消费热情”是否因此被重新冻结？

到目前为止，还没有出现跟进新科转产直流变频空调行为的厂家。

1.5变频空调的选购、安装及使用

由于变频空调器是采用由电脑控制的变频器与变频压缩机组成的高技术产品，用户在选购、安装和使用时应注意以下几点：

①在选购时，根据房间面积来确定所选变频空调器匹数的大小（一般一匹变频空调器可用于14平方米左右的房间），尽量避免在超面积情况下使用；

②在安装、维修过程中，当需添加制冷剂时，应先将空调器设定在试行方式下运行或通过调节设定温度的方式使变频压缩机工作于50HZ状态下，然后按量加入制冷剂；

③变频空调的室外机有微电脑控制的变频器，其印刷电路板在高温及潮湿的环境中较易损坏，因此其室外机应安装在干燥通风处，避免日光曝晒和雨淋。

如发生开机后室外机自动停机现象，应立即停机进行修理以免故障扩大；

④在日常使用中不要将温度设置过低，以避免空调器长期处于高速运行状态。

最好设置在自动运行方式，这样既能快速制冷又能节电。

第二章变频空调性能

2.1变频空调的优点

①节能：

由于变频空调通过内装变频器，随时调节空调机心脏——压缩机的运转速度，从而做到合理使用能源；

②噪音低：

由于变频空调运转平衡，震动减小，噪音也随之降低；

③温控精度高：

它可以通过改变压缩机的转速来控制空调机的制冷（热）量。

其制冷（热）量有一个变化幅度，如36GW变频的制冷量变化为360－400W，制热量变化为300－6800W，因此室内温度控制可精确到±1℃，使人体感到很舒适；

④调温速度快：

当室温和凋定温度相差较大时，变频空调一开机，即以最大的功率工作，使室温迅速上升或下降到调定温度，制冷（热）效果明显；

⑤电压要求低：

变频空调对电压的适应性较强，有的变频空调甚至可在150－240V电压下启动；

⑥环境温度要求低：

变频空调对环境温度的适应性准强，在的甚至可在一15t的环境温度下启动；

⑦一拖二智能控温：

它可智能地辨别房间大小并分配冷（热）量，

使大小不同的房间保持同样的温度。

2.2变频空调的工作原理

2.2.1交流变频空调器的工作原理

变频技术是通过变频器改变电源频率，从而改变压缩机的转速的一种技术.通过变频器先进行交流到直流的变换，再通过变频器进行直流到交流的变换，从而控制交流电机的转速。

而对变频器的控制是通过传感器将室内温度信息传递给微电脑，输出一定频率变化的波形，控制变频器的频率。

当室内急速降温或急速升温时，室内空调负荷加大，压缩机转速加快，制冷量按比例增加，相反，当室内空调负荷减少时，压缩机正常运转或减速。

2.2.2直流变频空调器的工作原理

把50Hz工频交流电源转换为直流电源，并送至功率模块主电路，功率模块也同样受微电脑控制，所不同的是模块所输出的是电压可变的直流电源，压缩机使用的是直流电机，所以直流变频空调器也可以称为全直流变速空调器。

直流变频空调器没有逆变环节，在这方面比交流变频更加省电。

工作原理图如下:

第三章变频空调应用及发展前景

3.1变频空调的发展前景

所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。

众所周知，我国的电网电压为220伏、50赫兹，在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。

由于供电频率不能改变，传统的定频空调的压缩机转速基本不变，依靠不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其一开一关之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。

而与之相比的“变频空调”变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、电能消耗少，其舒适度得到较大提高。

运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要温度，并在低转速、低能消耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。

供电频率高，压缩机转速快，空调器制冷（热）量就大；而当电频率较低时，空调器冷（热）就小，这就是所谓”定频”的原理。

变频空调的核心是它的变频器，变频技术是20世纪80年代问世的高新技术，它通过对电流的转换来实现电动机运转频率的自动调节，把50Hz的固定电网频率改为30至130Hz的变化频率，使空调完成了一个新革命；同时，还使电源电压范围达到142V至270V，彻底解决了由于电源电压不稳造成空调机不能正常工作的难题。

变频每次开始使用时，通常是让空调以最大功率、最大风速量进行制冷或制热，迅速接近所设定的温度。

由于变频空调通过提高压缩机工作频率的方式增大了在低温时的制热能力，最大制热量可达到同品牌同级别空调器的1.5倍，低温下仍能保持良好的制冷效果。

此外，一般的分体机只有四风速可供调节，而变频空调的室内风机自动运行时，转速会随压缩机的工作频率在12档风速范围内变化，由于风机的转速与空调器的能力配合较为合理，实现了低噪音的宁静运行。

在空调高功率运转时，迅速接近所设定的温度。

这样不但温度稳定，还避免了压缩机频繁地开开停停所造成的对压缩机寿命的衰减，而且耗电量大大下降，实现了高效节能。

“变频空调”采用了比较先进的技术，启动时电压较小，可在低电压和低温条件下启动，这对于某些地区由于电压不稳或冬天室外温度较低而空调难以启动的情况，有一定的改善作用。

由于实现了压缩机的无级变速，它也可以适应更大面积的制热要求。

不过，“变频空调”的价位通常较“定频空调”高出几百元。

根据目前的变频技术的发展主要表现在以下两个方面：

（1）机的驱动方式——从交流变频到直流调速；

（2）制技术——VVVF变频技术，PWM脉宽调速控制技术，矢量控制技术。

变频技术的优点：

（1）或制热速度快

（2）较好的舒适性。

（3）变频空调启动时对电路没有大、的电流冲击。