武汉工程大学
课程设计（学年论文）
说明书
课题名称： 变频技术及其在空调领域的应用
专业班级： 热能与动力工程 10级建筑节能01班 学生学号： ******* 学生姓名： **** 学生成绩：
指导教师： 鄂青
课题工作时间：
武汉工程大学教务处
I
变频技术及其在空调领域中的应用
摘要：
能源问题已经成为制约全球经济和社会发展的“瓶颈
关键词：节能 变频技术 空调 应用 Frequency conversion technology and its application in the field of air conditioning
Abstract: Energy problem has become the
1、 变频技术
变频技术是一门能够将电信号的频率，按照具体电路的要求，而进行变换的应用型技术。其可以分为1、交流变频2、直流变频
1.1交流变频
1.1 .1异步电动机的转速与频率的关系
异步电动机的转子的速度 n1 可用下式表示
n1=60f/p( 1- s)式中,
f—电流频率
p—电机极对数
s—转差率
由上式可知, 只要改变异步电动机的供电频率, 电机的转速便会发生改变, 家用交流变频空调就是根据这一基本原理来运行的。
1.1.2 压缩机的定子电压与频率的关系
压缩机的定子电压 U1可用下式表示
U1≈4.44kfN1Φ
式中, k—电机绕组系数
N1—每相定子绕组匝数
Φ—每极磁通
由上式可知, 在保持 Φ 恒定的情况下, 改变频率 f 的大小时, 电机定子电压 U1 必须随之同时发生变化, 即在变频的同时也要变压。这种调节转速的方法简称为 V/F
变频控制。现在家用变频空调的控制方法基本上都是采用这种方法来实现变频调速的。
1.1.3 交流变频控制器的原理变频控制器的原理如图 2 所示,
220V/50Hz的市电经桥式整流器整流和电容滤波后得到310V 左右的直流电, 此直流被输送到功率模块( 变频模块) , 功率模块内部是由三组( 每组两支) 大功率的开关晶体管组成, 其作用是将输入模块的直流电压通过晶体管的开关作用( A+、A- 不能同时导通, B+、B- 不能同时导通, C+、C- 不能同时导通) , 给压缩机三相线圈同时通电, 且三相间电流的相位各差 120°, 使压缩机获得运转所需的电源, 压缩机为一三相交流电机。但功率驱动元件不能像类似音频功放的推挽电路输出正弦波, 开关状态只能产生矩形波的电源, 而电动机需要的是正弦波的电源, 为了解决这一矛盾, 变频电路又通过产生一串相互对称, 脉冲宽度不同的矩形波来等效正弦波, 这就是脉冲宽度调制( PWM) 方法[1] 。
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, 在进行脉宽调制时, 使脉冲序列的占空比按照正弦波的规律进行变化, 即当正弦波幅值为最大值时, 脉冲的宽度也最大, 当正弦波幅值为最小值时, 脉冲的宽度也最小( 如图3 所示) , 用此办法来等效正弦波, 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。控制频率改变的信号主要由空调器的室温感应元件提供, 室温感应元件将室内温度采集传送到主控板芯片, 经过比例与积分运算后, 将结果输出至功率模块, 通过改变开关晶体管的导通时间, 以及改变脉冲序列占空比变化的快慢来达到变频目的。
1.1.4 电子膨胀阀工作原理
家用变频空调的节流运用电子膨胀阀以控制流量, 室外机微处理器可以根据设在膨胀阀进出口、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, 随时 改 变 制 冷 剂 的 流量, 压缩机的转速与膨胀阀的开启度相对应, 供压缩机的输送量与通过阀的供液量相适应, 使其过热度不致于太大, 蒸发器的能力得到最大限度的发挥, 从而实现制冷系统的最佳控制[1]
1.2直流变频
1.2.1 直流变频概念
人们把采用无刷直流电机作为压缩机电机
的家用空调器称为“直流变频空调”, 从概念上来说是不确切的, 因为直流电是没有频率的, 所以也就谈不上变频, 但人们已经形成了习惯, 对于采用无刷直流压缩机的家用空调器就称之为直流变频空调, 严格地讲, 这种家用空调应该称作“直流变转速空调器。”
1.2.2 直流变频控制器的原理
家用直流变频空调其关键在于采用了无刷直流电机作为压缩机电机, 并且比交流变频多 一位置检测电路, 其控制电路与交流变频控制器相类似( 如图 4 所示) 。
直流变频控制器的功率模块( 变频模块) 每次只导通二个晶体管 ( A+、A- 不能同时导通,B+、B- 不能同时导通, C+、C- 不能同时导通) ,所加在压缩机电机两相线圈上的电压波形不是交流电动机的正弦波, 而是矩形波( 即每个脉冲的占空比相等, 如图 5 所示) , 通以直流电, 驱动压缩机运转。
1.2.3 直流无刷压缩机电机工作原理
家用直流变频空调所用的无刷压缩机电机, 即线圈是定子, 永久磁铁是转子, 可以通过
晶体
管的开关作用改变线圈中电流的方向, 实现无刷换向。电动机的转速是靠 PWM改变输出电压来实现控制的, 输出电压与转速成正比。由于无刷直流电机在运行时, 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, 以驱动电机换相, 才能保证电机平稳地运行。在无刷直流电动机中总有两相线圈通电, 一相不通电, 通常用不通电的一相作为转子位置检测信号用线, 因为磁铁转动, 线圈里产生感应电压, 由于此电压的相位和磁铁的位置有一定关系, 可测出转子的位置, 通过专门设计的电子回路转换, 反过来控制定子线圈的换相。但感应电压只在电动机运转时产生, 在起动时处于停止状态, 不能检测到转子的位置, 这时需要强制性输出驱动波形, 从电动机开始运转到某种程度, 可以靠感应电压测出转子位置时, 再切换为边输出波形边测出位置的驱动方式。
2、变频技术在空调领域中的应用
变频技术在空调领域的各个方面都有应用。比如变频技术在中央空调水循环中的应用，变频技术在压缩机上的应用，变频技术在电机上的应用等。其在家用空调系统和车辆空调系统也有广泛的应用。
2.1变频技术在中央空调水循环中的应用
2.1.1中央空调系统简介
中央空调系统由冷冻主机、冷却水塔、冷冻泵、冷却泵及用户风机等系统组成。工作原理：制冷压缩机组通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中，冷冻循环水系统通过冷冻水泵将常温水泵入蒸发器盘管中与冷媒进行间接热交换，这样原来的常温水就变成了低温冷冻水，冷冻水被送到各风机风口的冷却盘管中吸收盘管周围的空气热量，产生的低温空气由盘管风机吹送到各个房间，从而达到降温的目的。冷媒在蒸发器中被充分压缩并伴随热量吸收过程完成后，再被送到冷凝器中去恢复常压状态，以便冷媒在冷凝 器中释放热量，其释放的热量正是通过循环冷却水系统的冷却水带走。冷却循环水系统将常温水通过冷却水泵泵入冷凝器热交换盘管后，再将已变热的冷却水送到冷却塔上，由冷却塔对其进行自然冷却或通过冷却塔风机对其进行喷淋式强迫风冷，与大气之间进行充分热交换，使冷却水变回常温，以便再循环使用。
2.1.2 中央空调的变频节能原理
中央空调系统按负载类型可分为两大类：1)变转矩负载：如冷却水系统、冷冻水系统、冷却塔风机系统等风机、水泵类负载；2)恒转矩负载：如主制冷压缩机系统。不同的转矩类型具有完全不同的转矩功率关系特性，我们知道风机、水泵类变转矩负载特性满足流体动力学关系理论，即以下数学关系成立：Nl／N20CQl／Q2，Hl／H2。c(N1／N2)2，Px／P20c(N1／N2)30其中，N，H，Q，P分别为转速、流量、扬程、轴功率。由上式可知，若转速下降到额定转速的70％，那么扬程将下降到额定值的50％，同时，轴输出功率下降到额定值的35％。管网的阻尼随扬程的降低而减小。在满足系统基本扬程需求的情形下，若系统的流量需求减少到额定流量的50％时，在变频控制方式下，其对应输出功率仅约为额定功率的13％。这就为实施变频节能技术改造提供了数学理论上的可行性保障空间。由上述流体传输设备水泵、风机的工作原理可知：水泵、风机的流量(风量)与其转速成iF比；水泵、风机的压力(扬程)与其转速的平方成正比，而水泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的轴功率与其转速的三次方成正比(即与电源频率的i次方成正比)。根据上述原理可知：改变水泵、风机的转速就可改变水泵、风机的功率。例如：将供电频率由50比降为45 Hz，则P45／P50=453／503=0．729，即
P45=0．729P50(P为电机轴功率)；将供电频率由50 Hz降为40 Hz，则P40／P50=403／503= 0．512，即P柏=0．512P50(P为电机轴功率)。由以上内容可以看出，用变频器进行流量(风量)控制时，可节约大量电能。
2.2变频技术在压缩机上的应用
压缩机是制冷系统中的重要组成部分，其性能的优劣对整个空调系统有着极大的影响。
变频压缩机的工作原理
自上世纪80年代以来,各种新技术蓬勃发展,变频技术就是其中的一朵奇葩。目前,变频技术已应用在各行各业,变频空调已开始走进广大老百姓的家。在变频空调中,特别在家用变频空调中,变频技术主要应用在压缩机上。就是在中央空调系统中,制冷(热)机组能耗占整个空调系统能耗的65%一70%,其它水泵、风机为30%上下,因此要节省整个空调系统的能耗,大力减少热泵机组的能耗也是减少空调能耗一个重要方面和主要方向。由公式n=60f(1-s)/p加可知,要改变压缩机转速n(与压缩机功率成正比)可以改变供电频率f、极对数p、转差率、来实现。实践表明:通过改变供电频率来改变电动机转速的变频调速方法,效率最高。在传统压缩机上加装变频器后,变频器将输人的单相交流电整流成直流电,在单片机的控制下,直流电逆变成三相交流电源。继而加载到压缩机电机上,完成对空调器的变频调节。采用变频技术的压缩机(变频压缩机)能根据室内冷(热)负荷的不同,动态地调节压缩机功率,实现空调器大功率启动,迅速地达到室内舒适空气状态点,然后用小功率运行来维持房间空气状态点。其工作原理图如图1
。
2.3变频技术在电机上的应用
众所周知泵是由电机带动的，而一个空调系统中往往含有几个甚至十几个泵，在电机上的改进可以达到很好的节能效果。
拖动系统是由电动机、变速机构和泵组成，其调速是通过变速机构或改变电动机转速来实现的。变速机构只能实现定速或微调速，其控制范围小，精度差。对电机进行调速控制成为首选。根据异步电动机转速方程式： 因而，
n=60F/P*(1 - S) 式中：
F 为电源频率
P 为磁极对数
S 为转差率
只要改变电动机的电源频率F ，就可以改变电动机转速。变频器可以方便的通过对工艺控制过程中的压力、流量等信号进行比对，输出相应的频率，改变电机的运行转速从而实现工艺的过程自动控制。
2.4变频技术家用空调系统应用
变频空调有以下特点
2.4.1 适应负荷的能力强
普通家用空调的制冷能力随着室外温度的上升而下降, 而家用变频空调通过压缩机转速的变化, 可以实现制冷量随室外温度的上升而上升, 下降而下降, 这样就实现了制冷量与房间热负荷的自动匹配, 改善了舒适性, 也节省了电力。
2.4.2 温 度 调节方法较佳
以制冷状态为例, 普通家用空调的温度调节方法: 达到设定温度压机停 , 室内温度高于设定温度 1℃, 压缩机重新开启。家用变频空调的温度调节方法: 室温每降低 0.5℃, 运转频率就降低一档, 相反, 室温每升高 0.5℃, 运转频率就升高一档, 即室温越高, 运转频率越大, 以便空调快速制冷, 室温越接近设定温度, 运转频率就越小, 提供的制冷量也越小, 以维持室温在设定温度附近, 温度波动小, 人体没有忽冷忽热的感觉。
2.4.3 启动电流小
普通家用空调以定频启动, 启动电流大于额定电流。家用变频空调低频启动,启动电流很小, 减少对 压 缩 机 的 启 动 冲击。
2.4.4 高效节能
普通家用空调开/ 关方法控制, 压缩机开关频繁, 耗电多, 家用变频空调自动以低频维持室温基本恒定, 避免压缩机频繁开启, 比常规空调省电 30%左右。但家用变频空调的节能不是绝对的, 还涉及到制冷量与热负荷相匹配的问题, 如果热负荷过大, 压缩机长时间处于高频运转状态, 家用变频空调比普通家用空调更耗电。所以, 家用变频空调省电的前提是正确的选择容量。
2.4.5电压适应范围宽
普通家用空调在电压低于 180V 左右时,压缩机就不能启动, 而家用变频空调在电压很低时, 降频启动, 最低启动电压可达 150V, 运行电压在 160～250V 的范围内。
2.4.6超低温制热效果好
普通家用空调压缩机转速恒定, 在环境温度 0℃时, 实际上没有什么制热效果; 家用变频空调低温下以高频运转, 制热量是常规空调的3、4 倍, 在室外温度为 - 10～- 15℃时, 仍能正常工作。
2.4.7 制冷制热速度快
普通家用空调压缩机只有一种转速, 不可能实现满负荷时的强劲运转; 家用变频空调在人多时、刚开机时或室内外温差较大时, 可实现高频强劲运转, 要使室内温度改变 10℃, 仅需常规空调的 1/3 时间, 约为 3～5min。
2.4.8 较好的除湿功能
普通家用空调除湿时定时开 / 关室内风机, 除湿时有冷感, 家用变频空调低频运转, 只除湿不降温, 又不会改变除湿效果。
2.4.9 运转噪声低
普通家用空调的室内机一般只有 3 档风速调节, 而家用变频空调的室内风扇电机, 会随压缩机的工作频率在 12 档风速范围变化, 因而实现了低噪声的运行。
2.4.10 除霜性能好
空调在冬季制热时, 室外换热器上由于温度较低造成结霜, 影响吸热效果。
普通家用空调一般采用逆循环办法来除霜, 导致室温下降。而家用变频空调采用不间断供暖的方式来除霜,它一般采用电子膨胀阀作为节流元件, 除霜时,电子膨胀阀全开, 压缩机为使供热量增加而以最大频率运转, 排气的热量先向室内供热, 室内风机间歇式运转, 可向室内吹出近 40℃的暖风, 余下的热量输送到室外, 这时室外风机完全停止运转, 余热将换热器翅片上的霜融化
2.5 变频技术车辆空调系统的应用
通过列车空调制冷系统和通风系统的变频机理空调机组的变频式能量调节可以解决，从南到北，从白天到夜晚，空调在不同的冷(热)负荷下工作，且大部分时间都在低于设计负荷的工况下运行，但通风机始终在满负荷运转，造成能量的浪费等多种车辆上的问题
列车空调制冷系统和通风系统的变频机理空调机组的变频式能量调节是指用改变压缩机电动机供电频率的方法，改变电动机转速，使压缩机产冷量与热负荷的变化达到最佳匹配。国内各种压缩机中匹配的均为感应式电动机，其转速表达式为：
n= 60f(1一s)／p 式中：．
f__电动机电源频率(Hz)
s一电动机滑差率
p一电动机的极对数(对)
n一电动机转速(r／min)
由此可见，只要改变供电频率，就能改变电
相比较家用空调器或大型中央空调机组而言，单元式列车空调机组安装于车顶，其运行环境随着列车奔驰于大江南北而不断的变化着，并且在不停的运动着。压缩机作为空调系统的“心脏”，其运行环境相当恶劣。采用变频空调系统后，将对压缩机的运行、维护、保养有很大的收益。① 节能。压缩机的连续运行比频繁的启停运行耗能小，从而
减小了发电车柴油机组的燃油量，节约了能量。② 启动电流小。一般电动机的启动电流是额定电流的5～7倍，对电网的冲击较大，采用变频调节时，实现了“软启动”，启动电流小，对电网的干扰小。③延长使用寿命。变频后压缩机的大部分时间都在低于额定转速下连续运行，避免了频繁的启动和停机，大大减少了压缩机和电动机的机械冲击和电冲击，减少磨损，提高了运行可靠性，延长了寿命。
结束语
变频技术是一门很有前景的应用技术其在多个领域发挥了极大地作用，为现代社会的能源问题做出了巨大的贡献。其在空调领域更有极大的表现，现今社会不论是民居、厂房、办公场所等都用到了各类空调系统，而变频技术在空调领域的应用使空调系统更节能，相应的使世界减少了不少能耗。随着其自身的发展和在各方面的应用，相信将给我们带来更多的惊喜。
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