空調(diào)用變頻電源若干問(wèn)題探討

摘要：概述國(guó)內(nèi)空調(diào)變頻電源的研制狀況，分析空調(diào)變頻電源的使用條件，介紹新型的適用部件——集成功率級(jí)。

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(guān)鍵詞：空調(diào)變頻電源集成功率級(jí)

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(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年，其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70％以上。變頻空調(diào)所具有的舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)是普通空調(diào)難以做到的。國(guó)內(nèi)對(duì)變頻空調(diào)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(jìn)行研制，但基本上沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)。直到96年下半年，以巨資引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)的變頻空調(diào)產(chǎn)品才進(jìn)入市場(chǎng)，打破了國(guó)內(nèi)變頻空調(diào)研制開(kāi)發(fā)的徘徊局面。在此后的短短一年多時(shí)間內(nèi)，就陸續(xù)有多家廠商推出同類(lèi)產(chǎn)品，逐漸形成了變頻空調(diào)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的熱點(diǎn)。

　　考查國(guó)內(nèi)變頻空調(diào)研制過(guò)程，有幾點(diǎn)是值得注意的：

　?。?）變頻空調(diào)不等于普通空調(diào)加變頻電源。變頻空調(diào)本身是一種機(jī)電一體化產(chǎn)品，除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。國(guó)內(nèi)研制變頻空調(diào)初期，由于壓縮機(jī)來(lái)源的限制，多數(shù)著眼于現(xiàn)有單相電容電機(jī)或兩相電機(jī)。采用單相電機(jī)（電容或電阻分相），變頻電源結(jié)構(gòu)為單相輸入單相輸出（單入單出），雖然不改動(dòng)現(xiàn)有壓縮機(jī)，減少了投資，但由于電機(jī)磁場(chǎng)在原理上不是圓形，并且頻率變化時(shí)電機(jī)容抗也隨之變化，開(kāi)關(guān)損耗大、系統(tǒng)效率低、運(yùn)行性能和節(jié)能效果并不理想。

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

　　在理論上和實(shí)踐上比較成熟的變頻結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)，具有調(diào)速平滑、技術(shù)相對(duì)成熟、控制方法多樣、電機(jī)運(yùn)行特性好、效率較高等優(yōu)點(diǎn)。

　?。?）變頻空調(diào)的技術(shù)問(wèn)題不僅僅是變頻調(diào)速問(wèn)題。例如，由于壓縮機(jī)改變轉(zhuǎn)速引起的流量問(wèn)題。在變頻條件下，普通空調(diào)所采用的毛細(xì)管節(jié)流元件已不適用。

　　（3）空調(diào)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(duì)于這種特殊性認(rèn)識(shí)不足，沿用通用變頻器的研制思想來(lái)開(kāi)發(fā)空調(diào)變頻電源，必然難以具有實(shí)用價(jià)值。

　　目前，變頻空調(diào)作為新一代空調(diào)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)正漸成氣候，預(yù)計(jì)到2000年左右將形成高潮。與之配套的變頻電源，除了引進(jìn)生產(chǎn)之外，國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)亦已上軌道[4]。優(yōu)化控制策略，精選功能組件，是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。

2空調(diào)變頻電源的使用條件

　　空調(diào)變頻電源在設(shè)計(jì)上應(yīng)著重考慮以下幾點(diǎn)：

　?。?）體積。變頻電源在空調(diào)中僅僅是一個(gè)功能部件，這決定了對(duì)它體積上的嚴(yán)格要求。這種要求與電力電子器件的發(fā)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(tǒng)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(lái)的10％。

　　（2）電壓調(diào)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)居民用電存在著電壓波動(dòng)較大的問(wèn)題。如果在設(shè)計(jì)上對(duì)變頻電源的電壓調(diào)節(jié)能力考慮不周，在實(shí)用中就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，嚴(yán)重影響整機(jī)性能。電壓調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)主要靠PWM方法完成。

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

　?。?）可靠性。變頻電源長(zhǎng)年連續(xù)室外工作，其可靠性要求是不言而喻的。

此外，在開(kāi)關(guān)損耗、反饋信號(hào)接口和成本等方面，也有一些特殊要求。有一些問(wèn)題屬于控制級(jí)的，要在軟件和控制電路上做工作；有一些屬于功率級(jí)的，則要在模塊、部件的選用上做工作。

3集成功率級(jí)

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

　　國(guó)際整流器公司（IR）近年推出的集成功率級(jí)（IntegratedPowerStage，注冊(cè)名POWIRTRAIN），為交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供了全套的功率轉(zhuǎn)換方案，從它的規(guī)格指標(biāo)看，很適合作空調(diào)變頻電源的功率級(jí)。集成功率級(jí)包括兩個(gè)相互配合的部分，一個(gè)是功率模塊，包括單相或三相整流橋和三相逆變橋；另一個(gè)是驅(qū)動(dòng)板，包括高壓驅(qū)動(dòng)器和板上電源等；具備過(guò)流、過(guò)熱和接地等保護(hù)功能，并給出電壓和電流反饋信號(hào)、控制電路接口等。功率模塊直接插接在驅(qū)動(dòng)板上，包含濾波電容在內(nèi)的整套系統(tǒng)尺寸（以0.75kW產(chǎn)品為例）僅有71mm×71mm×57mm，其精巧程度由此可見(jiàn)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，使用它可以將開(kāi)發(fā)人員的主要精力投入到策略的研究上來(lái)。

　　作為在空調(diào)變頻電源應(yīng)用的實(shí)例，將其參數(shù)列于下面（以用于0.75kW電機(jī)的POWIRTRAINIRPT1059為例）。

輸入電壓?jiǎn)蜗?20V,50Hz～60Hz

輸出電壓0～230V

電機(jī)功率1HP(150％過(guò)載1min)

過(guò)流保護(hù)值30A±10％

接地保護(hù)值36A±10％

過(guò)熱保護(hù)值100℃±5％

互鎖時(shí)間典型值為0.8μs

IGBT短路能力10μs，16A

上升時(shí)間tr典型值為42ns(在16A，Udc=480V)

下降時(shí)間tf最大值為120ns(在16A，Udc=480V)