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变频空调结构及工作原理

变频空调结构及工作原理

一、变频空调原理及特点

变频空调与普通空调相比,最主要的不同点是增加了变频器(功率模块)。目前,变频空调有交流变频和直流变频。

随着变频空调的发展,其变频技术也由交流变频发展到直流变频,控制技术由脉冲宽度调制(PWM)发展为脉冲振幅调制(PAM)。

1.变频空调原理

变频空调是采用先进变频和模糊控制技术生产制造的,且制冷童可以进行自动调节的新型空调,其最大特点是节能和舒适度髙。

例如,变频空调初次运转时室内温度较高,空调会自动高速运转使室内很快达到设定温度。当达到设定温度后空调会自动低速运行,这样室内噪声就会降低,并使整个房间保持此温度,从而减少了压缩机频繁启动带来的电力浪费。

变频空调与传统空调的主要区别是:变频空调是通过变频器处理电源频率,使供给变频压缩机的电源频率根据笛要发生变化,这样压缩机转速也发生变化,从而控制压缩机排气量,使空调真正达到节能效果。此外,它还采用了电子膨胀阀替代毛细管,在电控系统主要增加了变频器和感温检测点,并采用了三相变频压缩机,变频空调运转速度始终受电控系统和变频器控制,其制冷量随压缩机转速而变化,电控系统主要由室内和室外两部分组成,控制中枢采用单片机。

2.变频空调特点

(1)启动后可快速达到设定温度。变频空调启动时频率较低,压缩机转速较慢,当压缩机启动后可利用较髙的频率使其转速增加,这样使在增大制冷量的同时缩短了室内温度不舒适的时间。

(2)室内温度变化小且稳定,普通空调是利用温控器对压缩机进行开/停控制,制冷量

57

调节是通过改变室内风机转速实现的,而压缩机转速并没有变化,因此电功率并没有降低多少,而变频空调制冷量小时,压缩机转速降低,所以电功率的消耗将大幅度下降,当室内达到设定温度后压缩机将保持这一转速,使室内温度稳定保持在设定范围内。

(3)空调运行后振动和噪声小,变频式空调在压缩机运转过程中,由于没有频繁的开/停机现象,所以不会产生幵关的动作声,以及压缩机开/停机时发出的气流声和振动声。、

(4)空调制热效果有较大增强。普通空调排气量是以制冷设计为主。对于热泵空调,如设计制冷量大,就会影响其制热能量,而变频空调可利用提髙压缩机转速,增加制热效果。

例如,当室外低于零度时,变频空调可通过提高压缩机转速使制热童增加,为防止室外机结霜时室内温度低,变频压缩机除霜时仍以高转速运转,同时除霜时还通过旁通阀将压缩机排出制冷剂的一部分直接送入室外散热器,这样使除霜时间缩短,制热能力增加。

(5)具有较强的除湿功能。变频式空调可用压缩机转速和合理循环风董除湿,达到耗电少而不会改变室温的除湿效果。

(6)启动时对电网干扰小。由于变频空调以低频率的方式启动,随后再逐渐提髙运转频率,所以空调在启动时电流小。另外,压缩机大部分时间是运转在低频率状态,这样压缩机的机械磨损减小,使用寿命延长,可靠性提高。

目前变频压缩机多采用涡旋式或双转子式,压缩机线圈为三相,频率在30Hz~130Hz变化,转速在600r/min~7200r/min之间变化。

(7)变频空调的主要缺点。变频空调低电压运行时,达不到最大制冷与制热董,压缩机高频运转时噪声较大。变频空调的电器元件较多,检修难度大,且价格较普通空调高。

二、专用部件和电路

1.变频压缩机

采用旋转式或涡旋式压缩机,又分成交流变频压缩机和直流变频压缩机。

交流变频压缩机电机,定子、转子与普通三相异步电机结构相同,电功率模块提供三相脉冲电压,控制电机旋转,改变供电频率F,也就改变了供电电压V值,从而改变了压缩机转速,即制冷量,这种方法叫F/F变频控制。

直流变频压缩机(又叫直流调速压缩机)电机,一般用四极直流无刷电机,定子与普通三相感应电机相同,转子采用四极永久磁铁。由变频模块提供直流电流形成磁场与转子磁场相互作用,产生电磁转矩,改变供电电压值和转速。

2.功率模块

1)结构及作用

功率模块又叫1PM模块或变频模块,功率逆变器、驱动单元是变频空调特有元件。功率模块内部是由三组(每组两只)大功率开关管构成,2-59和2-60,还包含驱动电路、过渡/短路/过压/欠压保护电路等,有多种型号,目的是将直流电压转换为频率或电压可调的部件。具体说,是将310V直流电压根据CPU输出的控制信号变换为相应频率的三相模拟交流电压或相应值的直流电压,送人压缩机电机,使压缩机转速控制冷(热)需要。

2)模块工作原理

(1)交流功率模块工作原理,2-61。

发基基斧发基发基发基

射极极极射极射极射极

极极极极

wvU

2-59模块外形及引脚

N(〇H

2-60内部结构

2-6丨交流功率模块工作原理

模块内由6个大功率开关管构成上、下桥式驱动电路,开关管的导通与截止由各自基极引人控制信号决定,控制信号来自CPU,在CPU的运行程序中设定,它所输出的控制信号使每只开关管在每个周期中导通180°,且同一桥壁上两只开关中一只导通时,另一只必须关断。相邻的开关导通相位差为120弋,这样,-在任意一个周期内都有三只开关导通,接在相负载上。当控制信号输入时,A+、A-、B+、B-、C+、C-各开关顺序分别导通,从而输出频率变化的三相交流电,使压缩机运转。

(2)直流功率模块工作原理,2-62。

控制电路部分

2-62直流模块丁作原理

直流310V给模块供电。模块内部6只大功率开关管基极输入来自控制板的控制信号,控制三组大功率开关管每次只有两组导通输出直流电给压缩机三相电机,通电顺序为1^-VW-WU-UV。当在直流变频压缩机定子绕组UV二相通人直流电时,由于转子中永久磁铁之磁通的交链,而在剩余的W线圈上产生感应信号,作为直流电机转子的位置检测信号,然后配合转子磁铁的位置,逐次改变直流电机定子线圈通电相,使其继续转动。输人功率开关管在控制信号强度不同时,提供给压缩机的电压不同,可改变转速。

(3)PWM和PAM控制方式。

PWM控制方式:在脉冲幅度不变情况下,改变脉冲宽度,使送入压缩机的电机的线圈电压变化,以改变转速。线圈电压变化范围为30V~260V,转速变化范围为200r/min~_r/min。

PAW控制方式:保证脉冲宽率不变情况下,通过改变脉冲的幅度,使送人压缩机的线圈电压按正位波变化,改变转速。线圈电压变化范围为30V~360V,压缩机转速变化范围为700r/min~9000r/mino

3.电子膨胀阀

电子膨胀阀用来代替毛细管(用于小中型制冷系统)或热力膨胀阀(用于大中型制冷设备)起节流降压作用,属于新型产品,用于变频空调、模糊控制空调及中央空调中。

电子膨胀阀的结构由步进电机和针形阀组成,2-63

三、交流变频空调工作原理

采用交流变频压缩机(三相)。其变频器是把市电(交流220V)转变成直流,并送到功率模块(晶体管开关管组合)。同时,功率模块受CPU送来的控制信号控制,输出频率可变的电源(近似于正弦波),使压缩机电机的转速随电源频率变化而作相应改变,从而控制压缩机的排气量,调节制冷量和制热量。

1.制冷(热)系统及通风系统

与普通空调相同。

2.电气系统结构及工作原理

以长虹KFR-28GW/BP变频空调为例。控制电路由室内机和室外机两部分组成,其控制电路接线分别2-64和2-65。室内机控制采用47C840专用芯片,风机采用带有霍耳元件速度反馈的高效塑封电机,送风精度高。室外机控制采用MB84850芯片,压缩机采用涡流可靠高效的三相交流变频压缩机(频率范围30Hz~120Hz),整机性能高于国内同类机型。该机还采用了先进的压缩机电压补偿技术,空调能在低电压下(160V)正常启动运行,功率模块采用三菱公司的智能功率模块(1PM),使控制电路更可靠。

60

电脑板

脉冲线性朦胀W

传感器

2-64室内机控制电路接线

室内机纗子板

-it-

黄红&棕:

il

CZ501(白

1)接线

2)室内机微型计算机控制电路分析

室内机微型计算机控制电路主要分电源电路、晶体振荡电路、室内风机控制电路、通信电路、温度传感器电路、过零检测电路、步进电机、蜂鸣器驱动电路等。室内机微型计算机控制电路原理2-66(见书末插页)。

4/黄-

磁环

变压器

SIG

CZ201

{红}

CZ202

m)

107CT501CT503

CT502

CT104

J7T

NHi

:O

CZ502

(白)

CZ202

(黄)

到蒸发器

黑白

棕棕

1

3

1

3

B501CZ101(白)

室内机控制板

CZ502

(白)

CZ402

(白)

(

CZ205

(红)

1

2

1

2

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

CT105CTI06

CZ501

(G)

1

3

5

7

9

1

3

5

7

9

风扇电机

CT102

CZ203

(黑)

1

2

1

2

交流电容洛

CZ204(白}

1

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1

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PN

U

1

VW

_LJL

室内温度传感器

盘管温度传感器

JOOMn一

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rs

111

38

7.4011

电容器

lc(T丨机

#

r

压缩机温控制

盘管温度传感器

室外温度传感器

开关板

2-65室外机控制电路接线

(1)电源电路。电源电路是为室内机空调电气控制系统提供所需的工作电源。电路中,主要为主芯片、驱动电路、继电器、蜂鸣器、晶闸管等器件提供电源。工作电源在电路中扮演着重要的角色,一旦电源出现故障,空调室内机无电源显示,控制电路无法工作,所以电源电路是维修人员掌握的重点。

交流电源220V经变压器变压输出交流13V电压,VD101、VD102、VD103、VD104整流后输出直流+12V电压供继电器等元器件的工作电压,直流+12V电压还经7805三端稳压器输出直流+5V电压,作为主芯片供电电压。

(2)晶体振荡器电路。晶体振荡器电路为主芯片提供一个基准的时钟序列,以保证系统正常准确地工作,主芯片(47C840)32脚、31脚接晶体振荡器,其工作频率为6MHZ

(3)室内风机控制电路。室内风机控制电路控制室内风机的转速。室内风机采用晶闸管平滑调速,芯片在一个过零信号周期内通过控制23脚为低电平的时间,即通过控制晶闸管导通角来改变加在风机电机绕组的交流电压的有效值来改变风机转速。室内风机的“运转状态”通过风机转速的反馈而输人芯片34脚,通过检测风机工作状况,以准确地控制室内风速。

(4)通信电路。通信电路的主要作用是使室内、外控制板互通信息,以便使室内、外机控制板协同工作。

(5)温度信号采集电路。室内机有两个温度传感器,它是用来检测室内温度和盘管温度的,并给主芯片提供一个模拟信号,让其根据提供的温度数据进行温度调节,以便给用户一个舒服的感觉。在此电路中,经R341、R342(4.7W1)分压取样,提取随温度变化的电压信号值供芯片检测用。电路上的电感U〇2、L203是为了防止电压瞬间跳变而引起芯片的误判断。

(6)过零检测电路。过零检测电路的主要作用是检测室内供电电压是否异常。若过零检测信号有故障,可能会引起室内风机不工作或室外压缩机不工作。

(7)蜂鸣器驱动电路3主芯片的36脚为蜂鸣器的外接口,当输出高电平时,经反向器IC401的9脚与BUZ回路接通,鸣叫响应。

(8)步进电机。此电路主芯片通过反向驱动器IC401驱动步进电机工作。此电路的关键是反向驱动器IC401,如果反向驱动器某一脚出现故障,均可导致其后级所带负载不能正常工作。

3)室外机微型计算机控制电路分析

室外机控制板主要功能是芯片通过接收各功能电路输人信号,根据预设的控制模式进行综合判断,以控制各路输出做出相应反应,主要控制电路有芯片及辅助电路、通信电路、电源监视电路、温度信号采集电路,功率模块驱动电路、继电器驱动电路、压缩机驱动电路。

室外机微型计算机控制电路2-67(见书末插页)。

(1)主芯片及辅助电路。

①晶体振荡电路。主芯片的30脚、31脚是晶体振荡器外接端口,其元件由C303、C304组成,其作用是为主芯片提供时钟频率使其工作,C303、C304用于微调晶体振荡器振荡频率。

②复位电路。复位电路是为主芯片的上电复位(将CPU内程序初始化,重新开始执行CPU内程序)及监视电源而设的。主要作用是:上电延时复位,防止因电流的波动造成主芯片的频繁复位。具体延时的大小由电容C302决定。

复位电路实时监测主芯片工作过程中的工作电源(+5V)。一旦工作电压低于4.6V,复位电路中的IC302的输出端(1脚)便输出低电平,使主芯片停止工作,待再次上电时重新复位。工作原理:电源电压IC32第2脚与其内部电平值作比较。当电源电压小于4.6V时,1脚电位被强行拉低,当电源电压大于4.6V时,电源给电容C302充电从而使1脚电位逐渐上62

升,在主芯片对应脚产生一上升沿触发主芯片复位、工作。

③E2PROM电路DE2PROM内记录着系统运行时的一些状态参数,如压缩机的V/F曲线。其在2脚时钟线SCK作用下,通过4脚SO输出数据,3脚SI读人数据。

(2)通信电路。通信电路的主要作用是使室内、室外控制板互通信息,以便使室内、外机协同工作。

交流220V经前级滤波整流后,在A点形成约140V直流电,作为室内、外机串行通信信号的载波信号。其工作原理是:室内控制板向室外控制板发送信号时,室外控制板芯片10脚为低电平,光耦合器始终导通,室内芯片通过光耦合器IC201发送信号,这时室内IC201与PC402同步,而IC201也与IC202同步,以表明室外芯片已接收到室内发送的信号。同理,当室外芯片通过PC400发送信号时,室内光耦合器始终导通,这时,室内IC202及室外PC402和PC400同步。

(3)温度信号采集电路。温度信号采集电路通过将热敏电阻在不同温度下对应的不同阻值转化为不同的电压信号,传至IC301芯片对应脚,以检测室外压缩机工作的各种温度状态,为主芯片控制提供信号数据。温度信号采集电路有室外环境温度、盘管温度、压缩机排气温度以及压缩机过热保护信号等。

(4)电源监视电路。

①过电流检测电路。过电流检测电路的主要作用是检测室外压缩机的供电电流,当压缩机电流过大时进行保护,以防止因电流过大而损坏压缩机。

主芯片的10脚电压大于3.8V时,实时过电流保护,压缩机再次启动时,须3分钟保护。应注意的是:当检测电路开路时,使电流为零,电路不进行故障判断。

②过、欠电压保护电路。该电路主要作用是检测电源电压情况。长虹KFR-28GW/BP的正常工作电压范围是丨60V~242V,报替电压范围为126V~263V,当电压低于126V时欠电压保护,当电压高于260V过电压保护,这时,停止压缩机工作,并在室内显示过、欠电压故障D

交流220V电压经电阻R504、电压互感器BT202降压,全波整流,RC滤波取得直流电压。最后,在采样电阻上得到电压信号送人主芯片I7脚。电路上的VD206〜VD209的作用是将交流电变为直流电,VD2I0的作用是钳位使a点电压低于5.7V,起到保护主芯片的作用,C205将直流电滤波,R222作为采样电阻,电容CP2的作用是滤除高频噪声干扰。

③瞬时断电保护电路。瞬时断电保护电路的主要作用是检测室外机提供的交流电源是否正常,针对于各种原因造成的瞬时掉电,立即采取保护措施,以防止再次来电后,压缩机频繁起停,对压缩机造成损坏。

交流220V经电阻R509限流、二极管VD505半波整流、C504滤波得到50HZ的脉动直流电进入光耦合器PC401,使TLP521得到脉动触发,这时b点也得到50Hz脉动信号,经C209整形滤波,在主芯片23脚得到脉冲信号,以判断是否发生了瞬时断电。

(5)继电器驱动电路。该电路由电阻R305~R311,反向器IC401,风机控制继电器RL501、RL502、KL503,四通电磁换向阀控制继电器RL504组成。

继电器驱动电路的主要作用是:按照主芯片的控制信号驱动室外风机和四通电磁换向阀等的工作,用以调节室外风机的风速及制冷、制热的切换。

(6)压缩机驱动电路。压缩机驱动电路是指从主芯片的4脚~5脚引出至功率模块IPM的控制电路。它的主要作用是通过主芯片发给IPM控制命令,采用PWM控制方式,改变各路控制脉冲占空比,调节三相互换,从而使压缩机实现变频。

nVDD

•D-2—J

TLP52I-IGRl.5kA).125WR7

a-

I.I25W

I.Sk^jisw

R9

15kA).l:

^_RIO

Rll

I5kA).I

(7)功率模块驱动电路。变频空调一个最重要的特点就是改变电源的频率来对电机进行调速。长虹KFR-28GW/BP空调采用的是PM20CTM〇6〇功率模块,它的作用是将滤波后的直流电变成频率可变的三相交流电功率模块驱动控制电路,2-68。

2-68功率模块控制电路

4)故障代码意义

(1)室内机故障代码意义见表2-2。

•表2-2室内机故障代码表

序号

高效

运行

定时

电源

故障内容

说明

1

室内温度传感器

传感器CZ202插座虚焊或接触不良

2

热交换器温度传感器

传感器CZ201插座虚焊或接触不良

3

蒸发器冻结

蒸发器温度过低或风机不转

4

制热过载

保护制热时温度过商,超过681

5

通信故障

通信失误时报此故障,通信线是否可邾

6

瞬间停电

瞬间有停电现象,可重新启动

7

过电流

室内机电流过大保护

(2)室外机故障代码意义见表2-3。

表2-3室外机故障代码表

序号

高效

运行

定时

电源

故障内容

说明

1

环境温度传感器

环境温度传感器CZ202插座接触不良

2

热交换器温度传感器

热交换器温度传感器CZ203插座接触不良

3

0

G

压缩机过热

压缩机温度过高保护,制冷剂过少不足

4

过电流

电压异常波动引起

5

电压异常

电压过低和过高时报聱

6

瞬间停电

当供电波中缺少交流波时

7

制冷过载

外机气温处于过低和过髙时报替

8

正在除霜

除霜过程中

9

功率模块保护

使用时产生过载过热短路保护,停机后3min启动

10

E2PROM故障

E2PR0M1C303上有虚焊或插接不良

电气系统结构和工作原理 直流变频空调工作原理

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