直流变频空调控制方案.ppt

C2000微控制器180 直流变频空调控制方案 LSDCZJ2010 11 什么是直流变频空调 采用了直流变频压缩机的空调称为直流变频空调 如果风扇电机也采用直流变频电机 市面上有称呼为全直流变频空调 直流变频其实际表征的意义是直流调速 普通空调使用定速压缩机 不管房间环境怎么样 其状态要么是全负荷运转 要么是停机状态 很不省电 直流变频空调可以根据房间温度的高低 让压缩机运转在适当的转速下 在直流变频出现之前 有一个中间过渡产品 叫交流变频 它所用的压缩机电机为普通交流三相感应电动机 虽然也能调速 但电机效率不高 节能效果一般 市面还有一些炒作概念 叫数字直流变频空调 直流变频空调优点 快速达到制冷 制热设定的温度开始运转时 房间温度与设定温度的温差大 压缩机高速运转 以提供大的能力 故比定速空调器更快达到设定温度 舒适性好一般空调器 因为能力限制 调节室温是通过压缩机运转和停止来实现的 而变频空调器可以通过调整压缩机的运转速度来调节空调器能力 创造出室内温度变化不大的舒适环境 节省能源变频空调器在达到或接近设定温度后 压缩机保持低速运转 空调器能力变小 相对于空调器的两器较大 换热充分 空调器的能效比变高 节省能源 普通定速空调器在达到设定温度后 压缩机会停止 循环系统中的已经压缩的制冷剂压力会释放 冷热能源被白白放掉 当压缩机再运转时 又要开始新的压缩过程 浪费大量能源 但变频空调器可以调节能力大小 必要时可以降低转速 减小能力 只供应必要的能源 这样可以大大减少压缩机停止 运转的次数 节省能源 直流变频空调优点 当室外低温时能供给大的制热能力一般空调器 当室外气温低于零度时 制热能力大幅下降 而变频空调器可通过提高压缩机的转速 补偿因低气温而降低的制热能力 即使低气温也能充分发挥其能力 能适应50HZ与60HZ地区使用 并可以更好实现一台室外机带多台室内机的运转 6 空调器运行后振动和噪音小 变频式空调器在压缩机运行过程中 由于没有频繁的开停机现象 所以不会产生开关的动作声 以及压缩机启停机时发出的气流声和振动声 7 启动时对电网干扰小 由于变频空调器以低频率的方式启动 随后再逐渐提高运转频率 所以空调器在启动时电流小 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 频率范围在10 120Hz之间变化 转速在600 7200转 分之间变化 直流变频空调缺点 变频空调器的主要缺点 变频空调器的主要缺点 变频空调器低电压运行时 达不到最大制冷与制热量 压缩机高频运转时噪音较大 变频空调器的电器元件较多 检修难度大 且价格较普通空调器高 直流变频空调与传统定频空调区别 变频空调是指采用变频原理 利用二次逆变得到的可变化交流电源来调节压缩机转速 从而改变管路中制冷剂循环量 控制空调器输出能力 定速空调是指其内部压缩机电机的转速怛定不变 通过开关压缩机来调节温度 直流变频空调与传统定频空调区别 变频空调变频空调适用工作电压范围大 启动电流小 高功率运转 迅速达到设定温度 低功率维持 室温平衡 因而制冷制热迅速 省电 室温波动小 定速空调定频空调以固定功率运转 通过频繁开关机维持室内温度 因而制冷制热速度缓慢 对家庭电网冲击大 室温波动大 直流变频空调与交流变频空调区别一 交流变频产品与直流变频产品主要区别在压缩机和控制系统两部分 1 压缩机区别直流变频空调和交流变频空调采用的压缩机电机 原理上都是定子产生一个不断旋转的圆形旋转磁场 利用定子 转子电磁间磁场力相互作用产生转矩不断推动转子转动 交流变频 压缩机采用交流电机驱动原理 采用交流变频压缩机 通过定子 转子之间的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 特点 相对于定频空调而言 交流变频空调具有制冷制热快速 控温精确的特点 但交流变频压缩机的运转是靠定子绕组上通过的电流和转子绕组上的感应电流形成的磁力线的相互作用实现的 因此转子绕组有电流通过 产生电能损耗 其成本比直流变频空调要低很多 直流变频 压缩机采用直流电机驱动原理 采用直流变频压缩机 压缩机定子产生旋转磁场与转子永磁磁场直接作用 实现压缩机运转 由于转子是永磁体 没有线圈 绕组 无需外部供电 也就不产生电能损耗 效率高 节能 特点 效率高与噪音低 直流变频压缩机效率比交流变频压缩机高10 30 噪音低5分贝 10分贝 交流变频与直流变频是两代产品 空调技术最领先的日本已全部为直流变频 直流变频空调与交流变频空调区别二 2 控制系统区别 交流变频交流变频压缩机采用异步控制 220V 50Hz的市电经整流滤波后得到310V左右的直流电 此直流电经过逆变后 就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源 脉宽调制 PWM 在输出电压每半个周期内 把输出电压的波形分成若干个脉冲波 由于输出电压的平均值与脉冲的占空比 脉冲的宽度除以脉冲的周期称为占空比 成正比 所以在调节频率的同时 不改变脉冲电压幅度的大小 而是改变脉冲的占空比 可以实现变频也变压的效果 这种方法称为PWM PuleWidthModulation 调制 PWM调制可以直接在逆变器中完成电压与频率的同时变化 控制电路比较简单 直流变频 直流变频压缩机属于同步控制 时刻检测压缩机转子位置 并依据压缩机转子位置进行实时调节 控制压缩机频率 压缩机采用无刷直流电机 120 或永磁同步电机 180 则变频就是直流变频 如果采用交流电机 则变频就是交流变频 另外 全直流变频是指压缩机 室内外风机均使用直流无刷电机 部分直流指只有压缩机使用直流无刷电机 直流变频空调整体框图 直流变频空调主要部件的作用1 1 温度传感器 1 室内环温热敏电阻作用 实现制冷与制热控制 根据室温与设定温度进行比较后 通过单片机控制室外电子膨胀阀开启度与压缩机运行频率 2 室内管温热敏电阻作用 通过测量室内管温过冷与过热 控制室内外风机速度或开停 制热时防冷风与除霜 限定压缩机运行频率或开停 3 室外环温热敏电阻作用 通过测量室外环境温度的高低 控制室外风机速度 降低或增高压缩机运行频率 4 室外管温热敏电阻作用 通过测量室外管温的高低 控制电子膨胀阀开启度以及压缩机运行频率 管温超过60 以上关压缩机 5 室外压缩机排气管温热敏电阻作用 当压缩机排气管温高于115 时 限定降低压缩机运行频率高于120 停压缩机 1小时内连续四次超过115 压缩机停 6 变频压缩机顶部温度保护 当压缩机顶部温度超过125 过载保护器断开给单片机提供保护信号 使压缩机停止运行 直流变频空调主要部件的作用2 2 电子膨胀阀普通空调器采用毛细管调节制冷剂的流量 它的流量调节范围较小 仅适用于小型制冷系统 对于变频空调器来说 压缩机转速变化范围宽 要求制冷剂供液量的调节范围就越宽 而且调节反应速度要快 电子膨胀阀分电磁式和电动式两类 电磁式膨胀阀的开启度取决于其电磁线圈上施加电压高低 在电磁线圈通电前 阀体内针阀处于全开位置 流量最大 随着控制电压的增加 针阀的开启度逐渐减小 流量逐渐减小 电动式膨胀阀分直动型和减速型 目前多采用直动型四相脉冲步进电机 最高工作压差为2 75MPa l2V 垂直放置 流动方向可逆 焊接时阀体温度不能高于120 当脉冲电压按一定顺序作用到电机线圈上 电机正反转 以带动针阀上升或下降 调节电子膨胀阀的流量 直流变频空调主要部件的作用3 3 变频压缩机变频压缩机按内部机械结构不同 可分为双转子旋转式压缩机与涡旋式压缩机 按电器结构不同 可分为交流变频压缩机与直流变频压缩机 1 交流变频压缩机交流变频压缩机电机定子与转子同普通三相交流电动机内部结构相同 但输入的为三相脉冲式电压 2 直流变频压缩机 应称为直流调速压缩机 由于空调器制冷系统内部不允许产生火花 所以直流变频压缩机电机采用了三相四极直流无刷电机 该电机定子结构与普通三相感应电机相同 但转子结构则截然不同 其转子采用四极永久磁铁 直流变频空调主要部件的作用4 4 变频驱动模块IPM 又称功率逆变器 内部由T1 T6六个功率晶体管组成 它将输入的直流电逆变为频率与电压可调的交流电 变频模块内部六个功率晶体管导通 必须遵循一定规律 即在一个周期360度内 由控制线路使每个晶体管导通180度 且同一桥臂上的两个晶体管一个导通时 另一个必须关断 相邻两相的元件导通相位差为120度 在任意60度内都有三个晶体管导通以接通三相负载 当空调器生产厂家不同时 变频模块内部也略有不同 即增加了主控板直流稳压电路 模块保护电路等 直流变频空调主要部件的作用5 5 功率因数校正单元PFC是降低或消除电源谐波电流的电路 分有源和无源PFC 可以起到电源的提高功率因数和谐波电流的作用 同时有源PFC电路可以起到提高和稳定直流电压的作用 这点对于高效压机是必须是的 在电源由交流整流为直流的过程中 因为整流的过程是非线性的 因此导致交流供电电路谐波电流大 功率因数低 满足不了国家的CCC认证规定中对谐波电流的要求 功率因数也比普通的低60 左右 但PFC电路的加入 会引入额外的能耗的增加 但合理的于高效压机配合使用 整机的效率还可以大大提升的 PFC单元 直流变频驱动技术原理 主要的直流变频技术方波 120度 控制原理正弦波 180度 控制原理方波控制与正弦波控制的对比 直流变频技术主要有两种 一种是方波直流变频技术 也就是120 变频技术 另一种是正弦波直流变频技术 也就是180 变频技术 两种直流变频技术适用于不同的压缩机电机 一般来说 反电势为方波的压缩机电机就适合用方波直流变频技术来驱动 而反电势为正弦波的压缩机电机就适合用正弦波直流变频技术来驱动 总的来说 正弦波直流变频技术的控制精度更高 可以使压缩机电机的运转效率更高 因此采用正弦波技术的变频空调在同样条件下可以得到更高的能效比 但是这种技术的运算量很大 对控制芯片的要求比较高 方波变频控制的控制原理 检测电机不导通电流相的反电动势过零点 延迟30度导通该相 并以此为依据 对其他相进行换相控制 方波变频每次只有两相导通 每相导通120度 压缩机定子产生的磁势每60度变化一次 转矩波动大 正弦波变频控制的控制原理 正弦波变频的变频模块采用SVPWM调制方法 三相导通 每相导通180度 压缩机定子产生的磁势是连续的正弦磁势 转矩波动小 但控制复杂 算法核心 转子磁通估计 正弦波与方波控制的对比 变频空调室外机直流变频电控单元PICCOLO软硬件设计方案 嵌入式研发中心 硬件设计方案 硬件方案整体框图 UART 硬件方案整体框图 主动PFC整流板 180度直流变频驱动板 开关电源板 PFC部分框图 1200WCCM平均电流模式PFC 储祝君李明宇负责 开关电源部分框图 10W隔离型3路输出开关电源控制部分供电 李明宇负责 AUX变频驱动板实物 正面背面 AUX变频驱动尺寸