变频控制器基本原理介绍控制器厂课件

变频空调电控系统

基本原理简介一、基本概念·变频：顾名思义，就是改变频率的意思。该频率指的是压缩机的运行频率（f），是直接反映压缩机的转速（n）的一个参数。f=n/60。压缩机的转速(n）：通常指的是压缩机里面的电机一分钟内所转的圈数。单位是rps。如何改变压缩机转速（也即如何使压缩机变频运行）：从电机理论可以知道，不管是同步电机还是异步电机，其转速n都有以下公式决定：

在上式中，fs表示供给压缩机的电源频率，np表示压缩机电机的极对数。

为什么要改变压缩机转速：1）快速制冷/制热对空调的变频调速提出了要求。

但定频空调是以固定的频率运行的，制冷/热能力一定2）从节约电能和提高舒适性方面均要求空调能够在不同的阶段输出不同的能力

为什么频率改变时电压也要改变？当压缩机运转在不同的频率时，电机的反电动势是不一样的；这是电压需要改变的主要原因。另外，随着频率的上升，系统的压力也更大，因此需要的转矩也更大，电流也更大。什么是压缩机转矩？

压缩机转矩就是压缩机为了克服负载的阻力产生的力矩（也叫负载力矩、负载转矩）和机械摩擦力产生的力矩

（摩擦力矩）而输出的转矩。其实它是一种力矩，但为什么叫转矩？那是因为压缩机电机的机械运动均体现为旋转，该力矩是用来维持压缩机旋转的。在其他条件不变的情况下，当压缩机的输出转矩等于负载转矩+摩擦转矩时，压缩机就能够维持在当前的转速稳定运行；当压缩机输出转矩大于负载转矩+摩擦转矩时，压缩机的转速就会上升，直到建立新的平衡；当压缩的输出转矩小于负载转矩+摩擦转矩时，压缩机的转速就会下降，直到建立新的平衡。

现在介绍一下常用的功率器件的基本特性和检测方法。1、整流桥

以上为单相整流桥。下面介绍一下三相整流桥（缺一个整流桥的图片）1）作用：将50Hz的交流市电转化成直流电的功率器件。2）分类：按照不同的电源类型分为单相整流桥和三相整流桥，分别适用于单相电源供电的变频及核三相电源供电的变频机。3）主要参数：额定电流反向耐压值正向压降

注意：一般的整流桥标称的工作电流是在整流桥温度为25度的情况下条件下的工作电流，实际工作起来以后整流桥的温度将大幅上升到70~80度，甚至90度都有可能，此时其能承受的工作电流将大大减小，因此选型时应该留有足够的裕量

具体方法如下：将万用表调到测量二极管的档位，（1）将黑表笔固定在整流桥的正极输出端[带有（+）符号的输出端子，对于没有标注“+”符号的三相整流桥则是‘4’端子]，红表笔分别接触到整流桥的交流输入端[带有“~”符号的端子]，如果正常则万用表应该显示0.4~0.7V左右，如果显示0或无穷大则表示所测试的二极管已经烧坏。

（2）将红表笔固定在整流桥的负极输出端[带有“-”符号的输出端子，对于没有标注“-”符号的三相整流桥则是‘5’端子]，黑表笔分别接触到整流桥的交流输入端[带有“~”符号的端子]，如果正常则万用表应该显示0.4~0.7V左右，如果显示0或无穷大则表示所测试的二极管已经烧坏。5）其他注意事项：整流桥由于是发热量很大的功率器件（1V*20A*4个），因此在使用时一定要将整流桥紧紧固定在散热器上，且整流桥跟散热器之间必须涂上导热性能好的硅脂，也就是常说的散热膏。否则工作一段时间后将很容易烧坏。2、智能功率模块（通常说的电源模块）下图更加简单明了：3）主要参数：

额定电流

耐压值工作频率范围

跟整流桥一样应该注意：一般的模块标称的工作电流是在模块温度为25度的情况下条件下的工作电流，实际工作起来以后模块温度将大幅上升到70~80度，甚至100度都有可能，此时其能承受的工作电流将大大减小，因此选型时应该留有足够的裕量

耐压值也是模块选型时的一个非常重要的参数，它指的是模块P（+），N（-）间所能承受的最高电压。同时由于其工作时有很大的干扰，干扰电压也很高，因此实际工作时加在P（+）和N（-）间的直流电压一般不要太高，应留有100~200V的余量。当所选的模块的耐压值比实际的工作电压小时，就会很容易就击穿烧毁。一般来讲，用在单相220V电源的变频机的模块耐压一般为600V；用在三相380V电源的变频机的模块耐压一般为1200V。当然耐压越高越好，但是应该考虑性价比，不能无限制增大。还有一种可能就是模块里面的六个IGBT的控制电路有问题，导致三相电压输出不平衡，压缩机工作异常。但是该异常在不带电工作的情况下用万用表是检测不出来，只有设法让它运转起来测量三相的输出电压，看两两之间是否平衡（在保证其他控制板正常的情况下）5）其他注意事项：智能功率模块由于是发热量很大的功率器件，因此在使用时一定要将其紧紧固定在外加的散热器上，且模块跟散热器之间必须涂上导热性能好的硅脂，也就是常说的散热膏。否则工作一段时间后将很容易由于长期高温导致热疲劳损坏。

曾经有一个售后反馈说换上去的模块运行1~2个月就烧坏，已经换了好一个了。对这情况我第一个反应就是更换模块后没有涂散热膏，导致模块长期工作在高温情况下，导致热疲劳损坏。但是当我问到有没有涂散热膏时售后维修人员口口声声跟我说涂了，而且涂得很厚。那这样就没道理了?后来我到现场拆开模块一看，里面干巴巴的，只是很少一点上次拆模块留在散热器上的。对此问题我们应该引起高度重视！同时散热膏的质量必须过关，否则过一段时间干掉了不但没有导热的效果，反而对散热更加不利了！！！

对涂敷散热膏也有很大的讲究，既要能有足够的分量使模块跟散热器充分接触，又不能太多，否则太多了也会影响散热。

对发热的功率器件如整流桥、模块等为什么要加散热膏在器件跟散热器之间？

对这个问题认识的不深入也是导致大家进入“只要打紧了就不用涂散热膏都可以”这一误区的很重要的原因。功率器件普遍都存在发热厉害的特点，都需要外加散热器，外加的散热器表面和功率器件的表面看上去很光滑

实际上在一定倍数的显微镜下看，能看到其表面是凹凸不平的，因此当两者拧紧在一起的时候，从表面上看两者很紧密地接触在了一起，其实由于表面的凹凸不平的原因，里面存在着大量的空气，而空气又是热的不良导体，因此功率器件工作时产生的热量就不能够很好地散出去，导致热量的积聚，温度的上升。如果在器件和散热器之间增加导热性能良好的硅脂（散热膏），就能够填平的凹凸不平的表面，使里面不含空气，紧密地结合在一起，从而实现良好的散热！3、大容量、高压电解电容（增加图片）

1）作用：储能滤波。也就是将整流桥出来的幅值变化的直流电变为幅值不变的直流电。

2）分类：就电解电容来看，可以按照里面材料分不同的种类，在我们变频空调里面使用的一般是铝电解电容。就铝电解电容来看，一般按照电压进行分类，分成高压电解电容和低压电解电容。行业里面标准的电压等级一般有：16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、160V、200V、250V、350V、400V、450V。低电压的电解电容大量用在弱点控制板上，目前用在变频高压部分的一般都是450V的。3）主要参数：容量、耐压值。容量的影响主要体现在滤波效果上，在相同的条件下，容量越大，滤波效果就越好，电容上面的纹波电压就越小，越有利于后面的器件的工作。其他条件相同的情况下，压缩机功率越大，所需要的电解电容容量也应该越大。如果容量用得过小，就有可能使后面的负载不能正常工作，或者工作在极限、不安全的状态。容量要求满足不了时，我们可以通过并联的方式来提高总的电容容量，并联后电容容量为所有电容容量的总和。注意并联的电解电容要求应该是同一个厂家同一个型号。

耐压值也是电解电容选型的一个很重要的指标。一般情况下单相220V的机器选用450V的电解电容，三相380V的机器选用两个400V或450V的电解电容串联使用。电容串联后容量减小，耐压提高。串联的两个电容要求型号和生产厂家最好一致，且要有均压电阻

两个相同的电容串联后容量为原来的一半，三个串联则为原来容量的1/3。如果电压不符合实际的使用需求，则导致电解电容容易损坏。

4）电解电容的检测：电解电容的故障一般表现为漏液、电解液干涸、鼓涨开裂等、外观破损、端子松脱等。因此首先检查其外观是否完好（包括端子不能变形、不能鼓起、外皮不能破损等）以及在表面是否有漏液的痕迹，否则一律不准使用。另外用万用表电容档测量其容量，并比照其标称容量，一般允许±20%的误差，否则就有漏液的嫌疑或里面端子破损的可能，应该更换。

5）电解电容使用时其他注意事项（1）由于电解电容的端子跟里面是铆接在一起的，在受力的情况下完全由可能使电容内部的铆接产生松脱或不良的现象，因此严禁使电容的接线或焊接端子受力过大！接线时应该特别控制力矩。（2）铝电解电容的铝制外壳在其通电时是带电的，因此不能与地有接触。因此其外面黑色的塑料如有破损的现象则不能使用，安装时也应该注意不要划破或划伤电解电容的表皮，否则容易引起设备故障或安全问题。（3）由于铝电解电容存在的固有特性，在不通电的状态下的存放时间不能超过一年，否则其通电后的故障率将直线上升，而且存放时间越长，出现故障的概率也越大。将存放了一年或半年的电解电容进行通电以后再保留一段时间后再放电，可以延长存储时间。但应该注意通电时不能直接接上去充电，应该对充电电流进行限制，最好限制在1A以下进行慢慢充电。（4）电解电容是有极性的电容，正负极不能接反，否则将在短时间内就烧毁破裂。4、电感器1）作用：提高功率因数，降低峰值电流以上是未加电感器时的电流电压波形，这种状态的电流波形会导致功率因数低、谐波电流大，会污染电网。国家在这一方面有严格的标准限制。同时谐波大会导致我们空调的器件、接插件、电源线等发热增加等问题。2）分类：按照工作频率分类，主要分为高频电感器和工频电感器，分别适用于不同的工作频率中。如果错用的话将导致电感发热厉害、还有可能导致后续的器件不能正常工作甚至烧毁。3）主要参数：工作频率、额定工作电流、电感量工作频率一般有50-120Hz，20KHz-50KHz等。一般来讲工作频率高的电感器其电感量均比较低，一般在几百微亨（uH）到1毫亨（mH）左右，用非晶材料做成。工作频率低的电感器（如50Hz的工频电感器）起电感量一般比较大，在5mH到20mH或更高均有可能。不同频率的电感器不能混用！！额定工作电流：指的是电感器工作的最大工作电流，实际的工作电流不能超过该额定电流，否则会导致发热厉害，长期温度较高，使电感器的绝缘性能受影响，引起安全问题。电感量也是电感器的一个主要的参数，是进行谐波抑制，提升功率因数的一个主要的参数。必须与所在的系统吻合，不能高也不能低。

5、扼流圈扼流圈主要起滤波作用，防止我们的空调干扰别的用电器，也防止电网上的干扰信号干扰我们空调的正常运行。在结构上来讲就是一组或两组或三组线圈绕在一个磁性材料上，只要线圈没有断或两路线圈之间没有短路均是正常的。三、变频空调控制器1、滤波器滤波器一般由扼流圈和电容构成基本原理图如下（三相电源的则在同一个磁芯上多增加2组线圈）：滤波器的测试要点：滤波器对应的输入输出端的电压应该一致2、整流滤波电路具体如下：三相的机器也一样，只是将整流桥更换成三相的整流桥即可。

测试要点：电解电容两端的电压为直流电压，在不开机的情况下幅值为交流电压的1.414倍。如单相220V交流输入的情况下，直流电压为220×1.414=311V；三相380V交流输入情况下，直流电压为380×1.414=537V；当机器开起来以后使用工频电感的机器电压会有一些下降

3、主板主板在功能模式的控制上起主要作用，主要功能有（1）与内机控制器通信；（2）通过感温包检测外环境温度、外管温、排气温度等温度，通过电流互感器检测机器运行电流；（3）根据在（2）中检测到的室外的参数和从内机通信过来的设定温度和内环境温度的关系控制压缩机的运行频率；（4）通过检测外机的故障及时停机，保护空调系统的正常运行；（5）通过与驱动板通信控制驱动板。

以上各功能的实现方法：（1）与内机控制器通信在硬件上通过一根通信线和电源的零线配合通信，这两根线不能接错，也不能跟火险接错，否则不单通信不上，还有可能烧坏控制器。在通信的内容上，外机将通过通信获取内机的环境温度、内机的管温、内机的设定温度、内机的运行模式（制冷/制热/送风/除湿）等。这些参数都将参与决定压缩机的运行频率。大概原理如下：

内环境温度、设定温度：外机通过比较内环境温度（15K)与设定温度后按照一定的规律来决定运行频率，在其他条件相同的情况下，相差越大，频率就越高；反之亦然。

内机管温：外机通过获取到的内机管温(20K）进行频率控制。在正常情况下内机管温不参与决定频率的，但当制冷（制热）时内机的管温低于（高于）某一个设定值的时候，就会使压缩机的频率在原来运行的基础上下降若干赫兹运行；降频运行一段时间后如果管温仍然低于（高于）该温度值，则频率继续下降若干赫兹运行；如此反复知道内机的管温上升或压缩机到最低的频率。当内机管温低于某个设定的更低的温度值得时候，则立即停压缩机。

内机运行模式：外机根据内机的运行模式来决定自己的运行模式，决定是否切换四通阀、是否化霜等！

（2）通过感温包检测外环境温度（15K）、外管温（20K）、排气温度（50K）等温度，通过电流互感器检测机器运行电流；外环境温度：主要结合外管温进行化霜时刻的控制。同时在制冷（制热）时，如果环境温度较低（较高），在其他条件相同的情况下也会适当降低运行频率。外管温：外管温有两个作用，第一个是前面提到的跟外环境温度结合控制化霜时刻。另外在制冷时进行过负荷保护，如果在制冷时外管温过高，则会将在原来运行频率的基础上将频率下降若干赫兹运行，维持若干时间后如果仍然高于某个设定的温度值，则继续下降若干赫兹运行，直到温度下降或运行频率已经是压缩机的最低频率。如果管温高于某个设定的更高的值，则立即停压缩机。在维修后一定要将管温感温包插入到相应的铜管里面去检测管温，并将弹簧卡扣卡好，否则将可能无法进行降频而出现压缩机过载频繁停机或损坏机器。（3）排气温度：排气温度主要用来控制压缩机的频率和对压缩机进行及时保护。在其他情况不变的情况下，当排气温度高于某个设定的值时，压缩机将降频运行直到排气温度下降到合理的温度或最低频率值。如果排气温度高于某个更高的设定值时，立即停机。在维修后一定要将排气温度感温包插入到相应的铜管里面去检测温度，并将弹簧卡扣卡好，否则将可能无法进行降频而出现压缩机过载频繁停机或损坏机器。（4）机器运行电流：在特殊情况下当机器运行电流超过某个设定的电流值时，将降频运行，直到电流值达到合格范围为止。当电流高于某个更改的值时，立即停机保护。5）与驱动板通信：主控板将综合各种信息计算出来的压缩机运行频率发送给驱动板，驱动板按照主板给的频率运行，并将实际运行的频率返回给主板。综上所述，主板是整个控制系统的核心，起总的调度的作用，既要综合内机信息，又要考虑外机等信息，从而控制压缩机的运行频率。但是从技术难度来讲，她又不是最难的，驱动板才是最难得部分。4、驱动板驱动板所做的工作比较简单，就是按照主板发送过来的目标频率，驱动智能功率模块驱动压缩机运行，并且检测功率模块和压缩机运行是否正常。一般来讲驱动板上还会有一块芯片。但是，由于驱动板上安装了变频系统最关键的智能功率模块，因此其设计的难度也最大，对运行条件的要求也最苛刻。可以说把这一块做好了整个变频空调就做好了50%了。具体驱动板的构成如下：

上图中绿色的表示的是U、V、V对N-的电压波形，仔细看绿色波形是一个个幅值相等宽度不等的脉冲波。