1 引言
隨著變頻空調的逐漸普及，空調的季節(jié)能效比（SEER）不斷提高，并陸續(xù)淘汰了低能效空調；同時，人們對變頻空調的高舒適度也逐步有所體驗和追求，使變頻空調進一步發(fā)揮出無可比擬的優(yōu)勢。
本文對變頻空調中的壓縮機、室內外風機等調速控制技術作一簡單介紹，并對空調系統(tǒng)的變頻控制技術的進一步發(fā)展趨勢作出展望。
2 空調變頻技術現狀
在空調系統(tǒng)中，需要變轉速控制的電機主要為壓縮機、室外風機、室內風機。這些電機都是變頻空調系統(tǒng)中的主要控制對象，其變轉速控制技術現狀大致如下所述。
2.1 空調壓縮機的變轉速控制
空調壓縮機的變轉速控制技術，大致分為以下幾個階段。
⑴2005年前，交流變頻時代
主要以交流變頻調速技術為主，即壓縮機電機為普通的交流感應異步電機，其轉速為
n=60*f*(1-S)/p（1）
式中：f－－-交流電源；S－－-轉差率；p－－-極對數。
可見，感應電機的同步轉速與電源頻率成正比，如果交流電源頻率變化，就能夠改變感應電機的同步轉速，“變頻空調”也因此變頻調速技術而得名。
交流變頻空調器，通常以“交流→直流→交流”模式的變電壓變頻率（VVVF）方式控制壓縮機。VVVF的控制信號由單片式微電腦處理器（MCU）產生正弦律脈沖寬度調制（SPWM）信號，去控制1個三相逆變橋，一般選用智能功率模塊（IPM），從而產生SPWM的交流變頻電壓，經交流感應電機內的繞組電感產生正弦波電流和實現感應電機運轉。 由交流電機特性可知，當要求轉矩恒定時，加在感應電機三相線間電壓須隨頻率提高而提高，所以在VF變更頻率的同時，也通過調節(jié)脈沖寬度方式來實現VV變電壓功能。不同的壓縮機有不同的V-F曲線，所以應根據壓縮機的特性來設定V-F曲線。
交流變頻空調控制器的電路框圖，如圖21所示。
SPWM波形產生原理和IPM輸出波形的示意圖如圖2所示，是一種三相雙極性調制的SPWM波。
圖2 SPWM波形產生原理和示意圖
但是，交流感應電機的效率較低，且壓縮機的負荷特性很特殊：在每一轉中不同轉角的力矩大不一樣。因此，交流變頻空調雖然較之定頻空調可以大幅提高季節(jié)能效比，但其調速范圍窄、噪音和振動較大、電機功率因數低和能效比不如直流變轉速等不足，逐漸被直流變轉速技術所淘汰。
⑵2004年—2009年，120°方波時代
逐步推廣直流變轉速技術，即壓縮機電機改用直流無刷（BLDC）電機，并主要以120°方波驅動方式。BLDC電機剖面結構示意圖，如圖3所示。
直流電機的驅動關鍵在于同步換相。改用無刷后，一般以三相輸入、并通過IPM實現換相。直流變速的主回路與交流變頻控制電路大致相同。為滿足同步換相，一般需要知道BLDC電機的轉子位置，目前，多采用霍耳元件的磁效應實現轉子位置檢測，如圖4所示。三相IPM的換相方法，是根據轉子位置，二相先后輪流導通，轉子的磁極輪流被吸和連續(xù)轉動。因為三相中是二相輪流導通，所以又被稱為“120°方波驅動”，即其中60°是上下橋臂都截止。某一相輸出電壓的理論波形如圖5所示。
由于家用空調多采用全封閉壓縮機，壓縮機電機的電連接線必須使用密封且高壓絕緣的工藝，電連接頭越少越好。因此，改用無位置傳感器的BLDC電機，僅需要3個電連接頭。它的轉子位置檢測，采用反電勢檢測方法獲取。反電勢是指：當控制器的三相換相器沒有輸出情況下，BLDC電機的轉子在瞬間沒有外電流、僅依靠慣量轉動時，此瞬間就變?yōu)榘l(fā)電機輸出局部三相正弦電壓，該正弦相角與轉子的角度相對應。實際反電勢檢測，是在上述60°、上下橋臂都截止時段進行的。
MCU依據該位置信號及時進行三相逆變橋的準確換相。由于壓縮機每一轉角的負荷變化甚大，如圖6所示，在知道轉子位置情況下，MCU就可通過壓縮機的實際負荷特性，在某些負荷較大的轉角區(qū)間特意加大PWM的脈沖寬度，從而可以在此轉角區(qū)增加轉矩。這種人為補償轉矩的方法稱為“轉矩補償”，從而大幅改善壓縮機的低轉速驅動性能和減小振動。
120°方波驅動BLDC電機的恒轉速控制，是通過速度閉環(huán)方式實現，即通過反電勢轉子位置檢測信號獲取轉速脈沖信號，MCU根據該脈沖轉速信號與設定轉速比較，并調節(jié)PWM的脈沖寬度，使實際轉速接近設定轉速。這種大環(huán)路閉環(huán)的被動控制方式，容易引起轉速波動。
120°方波驅動BLDC壓縮機的方式不足之處是：二相輪流通電驅動影響效率和轉矩穩(wěn)定，轉矩補償由軟件人員人為控制、轉速僅與電壓（脈寬控制）和負荷有關，會導致轉速在PID調節(jié)不當時的波動。
⑶2008年以后，180°正弦波時代
逐步推廣和普及180°正弦波驅動BLDC壓縮機的技術，特別是近幾年高能效變頻空調的標準實施，交流變頻和120°方波驅動壓縮機的方式幾乎全部被淘汰了。
180°正弦波的稱謂，是相對于上述120°方波而言。事實上，它是一種矢量控制方式，根據壓縮機電機的輸出電流采樣和電流變化趨勢，來自動推斷BLDC電機的轉子位置和負荷大小，從而可以在任何轉角下自動調節(jié)不同負荷下的轉矩。在任何時刻，三相定子繞組上都有電流和同時對轉子產生吸力或推力，因此，180°正弦波能夠克服上述120°方波驅動方式的不足，使壓縮機的電機效率最高、運轉最平衡、噪音和振動較小。
根據DC電壓采樣和電流采樣數據進行處理的直流矢量算法，示意圖和矢量控制框圖如圖7所示，矢量控制及電壓波形見圖8。
圖8 矢量控制(a)和電壓波形示意圖(b)
180°正弦波直流變頻不僅三相通電和正弦波轉矩連續(xù)平穩(wěn)，而且是電壓電流雙閉環(huán)控制模式。因此，其效率高、振動小、反應快、自動調節(jié)能力強，控制特性明顯優(yōu)于120°方波。特別是轉速控制變成了主動控制，轉速穩(wěn)定性能大幅提高。
值得一提的是，雖然矢量控制的轉矩能夠自動調節(jié)和適應，但當負荷的相角轉矩變化過大時，仍可以人為增加相角的轉矩實現過補償或稱主動補償。通過合理的參數調節(jié)，可以實現壓縮機在很低轉速下的平穩(wěn)運行。而這一點對于變頻空調的舒適性控制至關重要，目前，絕大多數空調公司的變頻空調都已選用了這種180°正弦波控制方式。
2.2空調室外風機的轉速控制與穩(wěn)速技術
在室內溫度接近設定溫度或環(huán)境溫度不是很高時，變頻壓縮機多半以低轉速運轉。這時電功率是很低的，如果此時的室外風機仍使用單速風機，往往風機的功耗與壓縮機相當、甚至超越壓縮機的功耗，從而嚴重影響所需的SEER指標。同時，如果一個樓群中的所有空調外風機都以最高轉速運轉，環(huán)境噪音也是不容小覷的。因此，除非低檔定頻空調，一般季節(jié)能效比（SEER）較高的變頻空調，都毫無例外地選用變轉速室外風機。
室外風機的調速技術大致以下幾大類：抽頭式交流感應調速風機、雙向可控硅相控調速風機、帶霍耳傳感器方波BLDC風機、無位置傳感器BLDC風機等。
⑴抽頭式交流感應調速風機
這種風機是在普通電容式單相交流感應異步電機基礎上，通過定子主繞組的抽頭變更主繞組匝數和電感量，從而控制電機的輸入電流和輸出轉矩，實現轉速調節(jié)。
當抽頭處于主繞組匝數較少、電感量較小的H位置時，輸入電流較大，電機輸出轉矩比較接近同步轉速，此時為“高風區(qū)”；當抽頭處于主繞組匝數較多的L位置，主繞組電感量增加較多使輸入電流減小，其輸出轉矩也隨之減小，此時轉差率S增大，轉速n減小，為“低風區(qū)”；如抽頭處于上述二者之間的M位置，為“中風區(qū)”，有的空調只設二個風速區(qū)，沒有該“中風區(qū)”M的抽頭位置。抽頭式調速風機示意圖見圖9。
這類抽頭式風機一般通過繼電器的切換來實現。
抽頭式風機的轉差率S由電機電流/轉矩的大小和負荷大小決定，也就是說，抽頭式調速風機的轉速只能是分檔調節(jié)，當輸入電網電壓波動而發(fā)生較大變化時，控制器MCU需要根據冷凝器溫度采樣，對高、低風之間進行切換。例如，當輸入電壓很低時，原設置處于“中風”檔，但MCU檢測到冷凝器溫度較高時，就應該將控制切換至“高風”檔。
抽頭式風機雖然控制簡單便宜，但轉差率S越大，其效率越低。所以，盡管低功率時轉速較低，但風機的耗電功率仍不容小覷。所以，僅適用于低價位低能效空調上。
⑵帶霍耳位置傳感器的內置120°方波BLDC風機技術
這種BLDC風機的結構原理如前圖3所示，逆變換相控制電路如圖4所示。不同之處，因室外風機的風葉較大，轉速不高，所以，電機的極對數較多。
內置換相功率器件的風機，其最大優(yōu)點是霍耳器件可直接貼裝在驅動換相板上，轉子位置檢測精確，內置換相與電機一體化。不僅干擾少、連線少，而且可精確輸出轉速信號、控制方便，很受空調控制器設計者歡迎。
內置式BLDC風機控制相對比較簡單，一般需要提供DC電源Vm，電壓在DC300V±100V之間；還需提供15V工作電壓Vcc、調速電壓Vsp，它們共用一個Com端（DC-）。如前所述，為實現BLDC風機的穩(wěn)速，此類風機還有一個轉速信號，一般為12個脈沖/轉。這樣，通過1個5芯線連接至控制器上。
控制方式是速度閉環(huán)方式，一般轉速輸出信號由內置霍耳器件實現，一般為12個脈沖/轉。MCU根據設定轉速與實際反饋轉速進行比較，通過輸出PWM或調節(jié)Vsp實現速度閉環(huán)。BLDC風機的成本雖然較高，但當風機轉速很低時，耗電功率可低至幾W，所以特別適用于高SEER能效機型上。內置式風機還需要考慮內置功率器件的發(fā)熱，一般風機功率不超過100W情況下使用較多。
⑶無位置傳感器的外置BLDC風機技術
當風機功率超過100W時，內置的三相逆變換相功率器件（IGBT或MOSFET）的發(fā)熱量不易散發(fā)，有可能導致內置的功率器件溫度過高而損壞。此時，除非有特別的散熱設計，一般情況下應該優(yōu)先考慮外置式逆變換相控制器來驅動BLDC風機。
簡單的外置式，仍采用霍耳位置傳感器和120°方波驅動BLDC風機技術，其不足是霍耳傳感器的連接線數較多，一般需要3根霍耳位置傳感器連線、1根轉速信號線和2根5V正負電源線，再加上3根BLDC粗連線，至少在10線以上；當空調上控制器與BLDC風機距離較遠時，很容易在傳感器信號線上產生干擾信號，使BLDC控制受擾，又從安全隔離角度考慮，3根BLDC粗連線最好與速度位置信號線分路/隔離輸出，這也是此法并未能大量推廣之處。
因此，目前最新的技術是與壓縮機一樣，也采用無位置傳感器BLDC電機，并采用180°正弦波直流矢量控制方式，此法前已細述，技術原理不再贅述。
BLDC風機與壓縮機的不同之處，在于風葉的轉動慣量較壓縮機大得多，且必須考慮在逆風時的啟動問題。即逆風時，風葉在逆向轉動，此時如不能對它進行制動和轉子的初始定位，就很難實現同步啟動。這也是無位置傳感器BLDC風機控制的一大難處。
2.3空調室內風機的轉速控制與穩(wěn)速技術
室內風機的轉速控制技術優(yōu)劣直接關系房間空氣調節(jié)器的能效比和舒適度。
從成本和技術復雜度綜合考慮，目前應用最廣泛的是雙向可控硅相控調速AC風機技術。對于功率較小的掛壁機，為進一步提高能效，高端機型也逐步采用帶霍耳位置傳感器的內置120°方波BLDC風機技術。對于功率較大的室內風機，如頂出風機、天花機、仿風管機、柜機等，其控制方式與室外風機相似，低檔機多采用抽頭交流感應風機，中高端機選用BLDC風機，不再贅述。
下面重點介紹最常見的雙向可控硅相控調速方式。
⑴雙向可控硅相控調速AC風機技術
由上述可知，交流感應電機的變頻調速技術復雜、成本較高。因此，對于小功率房間空調器室內風機的無級調速，一般選用結構簡單、成本更低的雙向可控硅相控調速技術。
交流感應電機的轉速方程與前面式（1）一樣。除了調節(jié)頻率來改變轉速外，還可以通過轉差率S的變化來實現調速。當然，調節(jié)S的調速方式其效率很低，功率因數很低，僅適用于小功率室內風機的高速。
雙向可控硅相控調速的基本原理，其實就是通過可控硅的導通角調節(jié)來改變工頻電壓的占空比（類似于PWM的脈沖寬度），使流過感應電機的電流發(fā)生變化，實現異步電機的轉差率S的變化。
與所有相控技術一樣，這種相控調速方式也有一個工頻AC電壓的過零信號，該過零信號發(fā)至室內控制器的MCU中斷口；同時，風機的轉速脈沖信號也發(fā)至MCU。起動初期，MCU先給出一個初始導通角，雙向可控硅在起始導通角時導通，先輸出一個初始占空比電壓，待風機運轉穩(wěn)定后的實際轉速與設定轉速進行比較，根據差值對雙向可控硅的導通角進行PID調節(jié)，直至實際轉速與設定轉速一致。
雙向可控硅交流調壓調速式的風機，因為帶有速度反饋信號FG，又常被稱為PG風機。
PG風機因為效率較低，一般只適用于功率較小的1HP—1.5HP掛壁機空調室內機。不僅在變頻空調中廣泛使用，而且在定頻掛壁空調中也已率先廣泛使用。
⑵其他室內風機控制技術
空調室內風機，視不同類型和功率大小，多數與室外風機相似。除小功率的掛壁機多選用可控硅相控調壓調速式PG風機外，如功率稍大的立式機、天花機、頂出風機、仿風管機等，以前多數采用抽頭式交流風機進行調速。近年來，一些高端機型剛開始分別使用帶霍耳位置傳感器的120°方波驅動的BLDC風機和180°正弦波直流矢量控制的BLDC風機。
這3種控制方式與室外風機完全相同，不再贅述。所不同之處是風葉不同，室外機的風葉多數選用風量大的軸流風葉；而室內風機多選用風壓大、噪音小的離心或貫流風葉，其相對轉速也較低些。
作者簡介
李善根（1949-），男，浙江寧波人，高級工程師，杭州先途電子公司/三花控制器研發(fā)中心首席工程師，研究方向：變頻空調控制器技術。
