空调用变频电源若干问题探讨

摘要：概述国内空调变频电源的研制状况，分析空调变频电源的使用条件，介绍新型的适用部件——集成功率级。

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.

关键词：空调变频电源集成功率级

Keywords:Frequency conversion air conditioner， Integrated power level

1引言

　　80年代初期，日本东芝公司最先将交流调速技术应用于空调器中。至1997年，其占有率已达到日本家用空调的70％以上。变频空调所具有的舒适、节能等优点是普通空调难以做到的。国内对变频空调的研究始于90年代初期，许多高校、厂、所一度都投入了大量人力物力进行研制，但基本上没有达到目标。直到96年下半年，以巨资引进生产线生产的变频空调产品才进入市场，打破了国内变频空调研制开发的徘徊局面。在此后的短短一年多时间内，就陆续有多家厂商推出同类产品，逐渐形成了变频空调开发生产的热点。

　　考查国内变频空调研制过程，有几点是值得注意的：

　　（1）变频空调不等于普通空调加变频电源。变频空调本身是一种机电一体化产品，除了变频电源外，还要求有适合于变频调速的压缩机电机。国内研制变频空调初期，由于压缩机来源的限制，多数着眼于现有单相电容电机或两相电机。采用单相电机（电容或电阻分相），变频电源结构为单相输入单相输出（单入单出），虽然不改动现有压缩机，减少了投资，但由于电机磁场在原理上不是圆形，并且频率变化时电机容抗也随之变化，开关损耗大、系统效率低、运行性能和节能效果并不理想。

　　采用两相电机，变频电源为单入双出，严格90°分相，去掉了电容或电阻，电机只需重新绕线即可。由于两相绕组相同、工艺简单、成本增加不多，并能保证圆形磁场。但这种方法电压损失严重、铁心利用率低、效率不高。尽管有若干采用此方法的报导[1，2],但其实用价值并不大。

　　在理论上和实践上比较成熟的变频结构是单入三出形式。由变频电源将单相交流电分成三相交流电驱动三相异步电机，具有调速平滑、技术相对成熟、控制方法多样、电机运行特性好、效率较高等优点。

　　（2）变频空调的技术问题不仅仅是变频调速问题。例如，由于压缩机改变转速引起的流量问题。在变频条件下，普通空调所采用的毛细管节流元件已不适用。

　　（3）空调变频电源与一般的通用变频器相比有自身的特殊使用条件[3]。对于这种特殊性认识不足，沿用通用变频器的研制思想来开发空调变频电源，必然难以具有实用价值。

　　目前，变频空调作为新一代空调产品在国内正渐成气候，预计到2000年左右将形成高潮。与之配套的变频电源，除了引进生产之外，国内的开发生产亦已上轨道[4]。优化控制策略，精选功能组件，是空调变频电源研制的进一步发展方向。

2空调变频电源的使用条件

　　空调变频电源在设计上应着重考虑以下几点：

　　（1）体积。变频电源在空调中仅仅是一个功能部件，这决定了对它体积上的严格要求。这种要求与电力电子器件的发展方向是一致的。以智能功率模块（IPW）为例。由于减少了漏电感的板状配线与大电流电路板以及高性能的冷却系统等，不仅大大提高了逆变器性能，而且在十几年间，0.75kW逆变器的体积减小到不到原来的10％。

　　（2）电压调节。目前国内居民用电存在着电压波动较大的问题。如果在设计上对变频电源的电压调节能力考虑不周，在实用中就会出现转矩波动，严重影响整机性能。电压调节的实现主要靠PWM方法完成。

　　（3）低频段性能。尽管空调变频电源的调速比不大，但因其大部分时间工作在低频保温段，因而对其低频段的PWM特性要求较高，特别是功率开关的互锁时间应尽量小，该时间对低频性能影响较大。

　　（4）可靠性。变频电源长年连续室外工作，其可靠性要求是不言而喻的。

此外，在开关损耗、反馈信号接口和成本等方面，也有一些特殊要求。有一些问题属于控制级的，要在软件和控制电路上做工作；有一些属于功率级的，则要在模块、部件的选用上做工作。

3集成功率级

　　智能功率模块（IPM）仅仅是解决了逆变桥和驱动电路的集成问题，作为变频电源应用，需另配整流桥，不仅使系统体积增大，而且整流桥与IPM之间的杂散电感很难克服，在应用上带来不便。

　　国际整流器公司（IR）近年推出的集成功率级（IntegratedPowerStage，注册名POWIRTRAIN），为交流电机驱动提供了全套的功率转换方案，从它的规格指标看，很适合作空调变频电源的功率级。集成功率级包括两个相互配合的部分，一个是功率模块，包括单相或三相整流桥和三相逆变桥；另一个是驱动板，包括高压驱动器和板上电源等；具备过流、过热和接地等保护功能，并给出电压和电流反馈信号、控制电路接口等。功率模块直接插接在驱动板上，包含滤波电容在内的整套系统尺寸（以0.75kW产品为例）仅有71mm×71mm×57mm，其精巧程度由此可见。系统经过专门的优化，使用它可以将开发人员的主要精力投入到策略的研究上来。

　　作为在空调变频电源应用的实例，将其参数列于下面（以用于0.75kW电机的POWIRTRAINIRPT1059为例）。

输入电压单相220V,50Hz～60Hz

输出电压0～230V

电机功率1HP(150％过载1min)

过流保护值30A±10％

接地保护值36A±10％

过热保护值100℃±5％

互锁时间典型值为0.8μs

IGBT短路能力10μs，16A

上升时间tr典型值为42ns(在16A，Udc=480V)

下降时间tf最大值为120ns(在16A，Udc=480V)