第二节 变频空调器工作概述

一、变频空调器的控制原理

变频空调器的控制原理是：微电脑随时收集室内环境的有关信息与内部的设定值进行比较，经运算处理后输出控制信号。其具体控制原理框图如图3-3所示。

图3-3 变频空调器控制系统原理框图

室内、外机的两个单元中都有以微处理器为核心的控制电路，两个控制电路仅用两根电力线和两根信号线（也有的用一根信号线，另一根用零线代替）进行传输，相互交换信号并控制机组的正常工作。变频家用空调器的微处理器随时收集室内环境的有关信息与内部的设定值进行比较，经运算处理后输出控制信号。

二、变频空调器的工作过程

变频空调器工作原理框图如图3-4所示。其工作过程是：室内部分接收遥控器送来的控制信息，并根据室内空气温度、热交换器温度以及室外机送来的状态信息，经过模糊推理，向室外机送出控制信息。室外机根据室内机送来的控制信息，产生SPWM波形，驱动压缩机在相应的频率上运转。在运转控制过程中，变频器随着室外温度的不同、压缩机排气温度的变化以及发热器件温度的变化自动调整运行频率，使压缩机始终处于最佳的运行状态。同时室外机还不断地检测电流、电压的变化，检测短路、过电压、欠电压等故障的发生，及时采取保护措施，以保障控制系统的良好运行。

图3-4 变频空调器工作原理框图

三、交流变频空调器的工作原理

交流变频空调器的工作原理（见图3-5）是把工频交流电转换为变频交流电，即将AC220V/50Hz工频交流电先转换为310V直流电源，为变频器提供工作电压，然后再将直流电逆变成脉动的交流电，并把它送到脉冲功率放大器中进行放大，再去驱动压缩机电动机运转，使压缩机电动机的转速随电源频率的变化做相应的变化，从而调节制冷（热）量。

空调器功率模块（称为逆变器更为贴切，又称为变频模块，主要作用是将直流电转换成可调的脉动交流电）输出的是可变的交流电源，即市电交流→直流（约310V）→可变交流。功率模块的作用是将直流电转换成任意频率的有效值相当于三相交流电的交流电压信号，并且采用了交流压缩机。同时模块受微处理器送来的控制信号的控制，输出频率可调的交变电源，使压缩机的转速随电源频率的变化做相应的变化来控制压缩机的排量，从而调节制冷量或制热量。

交流变频空调器的工作是压缩机的转速跟随电源频率的变化而做相应的改变，从而控制压缩机的排量，调节制冷量或制热量。

交流变频空调器的室内机电路与普通空调器基本相同，仅增加与室外机通信的电路，通过信号线按一定的通信规则与室外机实现通信，信号线通过的一般为+24V或+12V电信号。

室外机电路一般分为三部分：室外主控板、室外电源电路板及变频模块组件。电源电路板完成交流电的滤波、保护、整流，功率因数的调整，为变频模块提供稳定的直流电源。变频模块组件输入直流电压，并接受主控板的控制信号的驱动，为压缩机提供运转电源。图3-6为交流变频空调器电路组成示意图。

图3-5 交流变频空调器的工作原理框图

图3-6 交流变频空调器电路组成示意图

图3-6 交流变频空调器电路组成示意图（续）

交流变频空调器的工作原理框图可参考图3-1。

【附注】交流变频空调器所用的大多是三相电动机，单相电动机比较少。交流变频调速由于电动机本身特性的问题，调速范围比较小，性能不够理想。

四、直流变频空调器的工作原理

直流变频空调器的工作原理（见图3-7）是把AC220V工频交流电经EMI电路后经整流电路转换为310V直流电源，送到变频模块（功率模块），模块（主要作用是将直流电移相调压，以推动直流电动机）受微处理器（CPU）送来的控制信号的控制，输出受控的直流电源，送至压缩机的直流电动机，通过功率模块输出受控的直流电来控制转速，从而控制压缩机的排量来进行功率的调整。由于压缩机中有制冷剂，容易因起火花而爆炸，而有刷电动机容易产生火花，所以在直流变频空调器中大多采用无刷直流电动机。

图3-7 直流变频空调器工作原理框图

直流变频空调器是由交流变频演变而来的，内部采用直流驱动，用改变直流电压的方法来调节压缩机的转速，简单的说就是“变转速”。压缩机使用了直流无刷电动机，转子采用永磁转子，不存在反复磁化转子的弊端，因此使空调器更省电、噪声更小。

直流变频空调器的室外机电路一般也分为三部分：室外主控板、室外电源电路板及直流变频模块及其组件（见图3-8）。电源电路板完成交流电的滤波、保护、整流，功率因数调整，为变频模块提供稳定的直流电源。变频模块组件输入310V直流电压，并接受主控板的控制信号驱动，为压缩机提供运转电源。

图3-8 直流变频模块及其组件

图3-9为直流变频空调器电气电路参考图。

与交流压缩机不同，直流变频压缩机还要进行换相。直流压缩机电动机每旋转60°/120°便更换导通的绕组，即60°/120°电角度换相，其差别是因绕组排列而不同的，绕组的形式决定换相的间隔。霍尔元器件是实现换相的触发器，它的位置是由绕组的排列位置与相数决定的。对于有霍尔传感器的电动机，60°换相和120°换相只是指电角度，对于四极电动机来说，对应的空间角度则分别为30°和60°。

下面以采用无刷直流电动机（图3-10为压缩机无刷电动机实物）的直流变频空调器为例，介绍其压缩机是怎样进行电动机换相的。

无刷直流电动机在运行时，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，以驱动电动机换相，才能保证电动机平稳地运行。实现无刷直流电动机位置检测的方法主要有两种：一是利用电动机内部的位置传感器提供信号；二是检测出无刷直流电动机的相电压，利用相电压的采样信号进行运算后得出。由于后一种方法省掉了位置传感器，所以直流变频空调器压缩机大多采用后一种方法进行电动机的换相。

图3-9 直流变频空调器电气电路参考图

图3-10 压缩机无刷电动机实物图

在无刷直流电动机中总有两相绕组通电，一相不通电。一般无法测出通电绕组的感应电压，因此通常以剩余的一相作为转子位置检测信号用线，检测到感应电压，通过专门设计的电子回路转换，反过来控制给定子绕组施加方波电压，从而实现压缩机电动机的换相。

【附注】直流变频空调器中的直流电动机调速性能比交流电动机要好。所以，直流变频空调器比交流变频空调器的调节性能要好一些，调节范围也要宽很多。而且有些高档的变频空调器采用双转子压缩机，室外机的噪声会大大降低。

五、变频空调器通信电路的工作过程

变频空调器的通信电路主要由室内机和室外机的通信信号输入电路、输出电路、电源电路、通信电路等构成。变频空调器的通信电路大多使用单独的电源供电，电源采用220V的交流电，通过整流、分压、稳压、滤波后得到24V或12V的直流电压作为通信电路的电源。变频空调器室内外信号通常采用串行通信方式，其信息传输量较大，而不像一般空调器通信电路采用直流和交流电压传输控制信号。

变频空调器室内、室外机之间相互传送的通信信息产生于室内、室外机的控制芯片。由于空调器室内机与室外机的距离比较远，如果直接用此信号进行室内、室外机的信号传输，很难保证信号传输的可靠度，因此，在变频空调器中，通信电路一般都采用单独的电源供电，供电电压多数使用24V，电路与室内、室外机间的接口电路采用光耦合器进行耦合（见图3-11），使通信电路与室内、室外机电路在电源上完全隔离开，形成独立的回路。

图3-11 变频空调器通信电路的典型结构

通信电路中传递的信号分两种：一种是序列脉冲信号，另一种是数字编码信号。通信电路正常工作时，序列脉冲信号可以将室内、室外的各种信息向对方传送，而在每一个脉冲中，都会包含着一系列的二进制编码信息，一组二进制编码由十六位二进制数据组成，序列脉冲是一组间隔为5ms的方波脉冲，不同的空调器，其编码有所不同。

变频空调器通信电路的通信原则是：从室内机发送信号到室外机是在收到室外机状态信号并处理完之后进行的，室外机同样等收到室内机发送信号并处理完之后进行，通信以室内机为主。正常情况下，室内机发送完之后等待接收，若一定时间内仍未接收到信号，则再次发送当前的命令；若1～2min（直流变频为1min、交流变频为2min）内未收到对方的应答，或判断为应答错误，并出错报警，室外机和室内机控制电路就会根据故障信息内容采取相应的保护措施。

【附注】有些空调器的通信电路所使用的电源是采用220V分压整流得到的24V电压，有些空调器采用变压器变压、整流后为通信电路提供12V的直流电压，但通信电路大同小异，信号传输原理基本一致。另外，空调器的室内机N线与S线之间接错了容易烧毁室内机的光耦合器，因此，室内机与室外机的N线、S线接法必须一致，否则空调器通信电路不能正常工作。