空調用變頻電源若干問題探討

A Few Problems Discussion on Frequency Conversion Air

摘要：概述國內空調變頻電源的研制狀況，分析空調變頻電源的使用條件，介紹新型的適用部件——集成功率級。

Abstract: This paper briefly describe preparation conditions of (frequency conversion air conditioner)PS in China,analyzes operationing conditions of (frequency conversion air conditioner)PS and introduces new－ type practicable part— integrated power level.

關鍵詞：空調變頻電源集成功率級

Keywords:Frequency conversion air conditioner， Integrated power level

1引言

　　80年代初期，日本東芝公司最先將交流調速技術應用于空調器中。至1997年，其占有率已達到日本家用空調的70％以上。變頻空調所具有的舒適、節能等優點是普通空調難以做到的。國內對變頻空調的研究始于90年代初期，許多高校、廠、所一度都投入了大量人力物力進行研制，但基本上沒有達到目標。直到96年下半年，以巨資引進生產線生產的變頻空調產品才進入市場，打破了國內變頻空調研制開發的徘徊局面。在此后的短短一年多時間內，就陸續有多家廠商推出同類產品，逐漸形成了變頻空調開發生產的熱點。

　　考查國內變頻空調研制過程，有幾點是值得注意的：

　　（1）變頻空調不等于普通空調加變頻電源。變頻空調本身是一種機電一體化產品，除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。國內研制變頻空調初期，由于壓縮機來源的限制，多數著眼于現有單相電容電機或兩相電機。采用單相電機（電容或電阻分相），變頻電源結構為單相輸入單相輸出（單入單出），雖然不改動現有壓縮機，減少了投資，但由于電機磁場在原理上不是圓形，并且頻率變化時電機容抗也隨之變化，開關損耗大、系統效率低、運行性能和節能效果并不理想。

　　采用兩相電機，變頻電源為單入雙出，嚴格90°分相，去掉了電容或電阻，電機只需重新繞線即可。由于兩相繞組相同、工藝簡單、成本增加不多，并能保證圓形磁場。但這種方法電壓損失嚴重、鐵心利用率低、效率不高。盡管有若干采用此方法的報導[1，2],但其實用價值并不大。

　　在理論上和實踐上比較成熟的變頻結構是單入三出形式。由變頻電源將單相交流電分成三相交流電驅動三相異步電機，具有調速平滑、技術相對成熟、控制方法多樣、電機運行特性好、效率較高等優點。

　　（2）變頻空調的技術問題不僅僅是變頻調速問題。例如，由于壓縮機改變轉速引起的流量問題。在變頻條件下，普通空調所采用的毛細管節流元件已不適用。

　　（3）空調變頻電源與一般的通用變頻器相比有自身的特殊使用條件[3]。對于這種特殊性認識不足，沿用通用變頻器的研制思想來開發空調變頻電源，必然難以具有實用價值。

　　目前，變頻空調作為新一代空調產品在國內正漸成氣候，預計到2000年左右將形成高潮。與之配套的變頻電源，除了引進生產之外，國內的開發生產亦已上軌道[4]。優化控制策略，精選功能組件，是空調變頻電源研制的進一步發展方向。

2空調變頻電源的使用條件

　　空調變頻電源在設計上應著重考慮以下幾點：

　　（1）體積。變頻電源在空調中僅僅是一個功能部件，這決定了對它體積上的嚴格要求。這種要求與電力電子器件的發展方向是一致的。以智能功率模塊（IPW）為例。由于減少了漏電感的板狀配線與大電流電路板以及高性能的冷卻系統等，不僅大大提高了逆變器性能，而且在十幾年間，0.75kW逆變器的體積減小到不到原來的10％。

　　（2）電壓調節。目前國內居民用電存在著電壓波動較大的問題。如果在設計上對變頻電源的電壓調節能力考慮不周，在實用中就會出現轉矩波動，嚴重影響整機性能。電壓調節的實現主要靠PWM方法完成。

　　（3）低頻段性能。盡管空調變頻電源的調速比不大，但因其大部分時間工作在低頻保溫段，因而對其低頻段的PWM特性要求較高，特別是功率開關的互鎖時間應盡量小，該時間對低頻性能影響較大。

　　（4）可靠性。變頻電源長年連續室外工作，其可靠性要求是不言而喻的。

此外，在開關損耗、反饋信號接口和成本等方面，也有一些特殊要求。有一些問題屬于控制級的，要在軟件和控制電路上做工作；有一些屬于功率級的，則要在模塊、部件的選用上做工作。

3集成功率級

　　智能功率模塊（IPM）僅僅是解決了逆變橋和驅動電路的集成問題，作為變頻電源應用，需另配整流橋，不僅使系統體積增大，而且整流橋與IPM之間的雜散電感很難克服，在應用上帶來不便。

　　國際整流器公司（IR）近年推出的集成功率級（IntegratedPowerStage，注冊名POWIRTRAIN），為交流電機驅動提供了全套的功率轉換方案，從它的規格指標看，很適合作空調變頻電源的功率級。集成功率級包括兩個相互配合的部分，一個是功率模塊，包括單相或三相整流橋和三相逆變橋；另一個是驅動板，包括高壓驅動器和板上電源等；具備過流、過熱和接地等保護功能，并給出電壓和電流反饋信號、控制電路接口等。功率模塊直接插接在驅動板上，包含濾波電容在內的整套系統尺寸（以0.75kW產品為例）僅有71mm×71mm×57mm，其精巧程度由此可見。系統經過專門的優化，使用它可以將開發人員的主要精力投入到策略的研究上來。

　　作為在空調變頻電源應用的實例，將其參數列于下面（以用于0.75kW電機的POWIRTRAINIRPT1059為例）。

輸入電壓單相220V,50Hz～60Hz

輸出電壓0～230V

電機功率1HP(150％過載1min)

過流保護值30A±10％

接地保護值36A±10％

過熱保護值100℃±5％

互鎖時間典型值為0.8μs

IGBT短路能力10μs，16A

上升時間tr典型值為42ns(在16A，Udc=480V)

下降時間tf最大值為120ns(在16A，Udc=480V)

參考文獻

1黃布毅等．變頻式智能空調器設計方案初探．家用電器科技，1996;（2）

2李家明等．新型變頻空調器的研究和試驗．制冷，1993;（2）

3宋浩等．嵌入式變頻器的波形生成法及系統實現．電力電子技術，1996;（3）

4吳忠智等．國內外變頻器技術市場．中國電工技術學會電力電子學會第六次全國學術會議論文集，1997.6哈爾濱