摘要：在分析空调系统特性的基础上探讨了变频调速技术在空调系统中的应用,得出了变频空调的诸多优点,并介绍了当前最先进的变频空调器结构及其控制系统.通过分析可以看出变频空调系统具有节能、舒适的优势,而且控制简单、能效比高.在现代电力电子和微电子技术日益发展的今天,变频空调系统势必有着更加广阔的发展前景.
关键词：空调系统；节能；变频调速
近几年全球气候日益变暖已是不争的事实,这导致了人们对空调的需求越来越大，在能源日益紧张的今天,如何使空调系统在提高舒适性的同时又能更好的节能已经成为一个越来越重要的问题。变频调速技术引用进空调控制系统中就是解决这个问题的一种有效途径.为更好地阐述这一问题,首先需对空调这一系统的特性加以分析.
一、变频空调器的工作原理
变频空调器有交流变频和直流变频两种，他们的区别在于使用的压缩机（交流变频压缩机还是直流变频压缩机）以及因压缩机的不同而带来控制器的变化。两种变频技术各有特点，分别应用于不同的场合脚。
1.交流变频空调器的工作原理
交流变频压缩机本质上也是三相交流异步电动机，交流变频压缩机转子采用了交流感应电机转子结构，其工作原理为：定子产生旋转磁场，转子在定子旋转磁场作用下感应电流产生感应磁场，经定子磁场与转子磁场相互作用使转子旋转。交流变频压缩机旋转的基础是定子与转子的电磁感应，使压缩机旋转的同时也带来了电磁感应噪音与转子损耗等负面作用。由交流异步电动机转速公式n=60f（1-s）／p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。交流变频空调就是根据这一基本原理来运行的。针对空调风机压缩机等负载特点，现在交流变频空调器基本上都采用转速开环的交一直一交变频调速系统。将220V／50Hz的市电经整流滤波后得到310V左右的直流电。此直流电经过逆变后，就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源。
2.直流变频空调器的工作原理
直流变频压缩机转子采用稀土永磁材料等制作而成，其工作原理为：定子产生旋转磁场与转子永磁磁场直接作用，实现压缩机运转。可以通过改变送给电机的直流电压来改变电机的转速，直流变频压缩机不存在定子旋转磁场对转子的电磁感应作用，克服了交流变频压缩机的电磁噪音与转子损耗，具有比交流变频压缩机效率高与噪音低特点。直流变频空调器关键在于采用了无刷直流电机作为压缩机，其控制电路与交流变频控制电路基本一样。
二、变频空调的独特优点
针对空调控制系统的特点,再加上电力电子技术及微机控制技术的发展,变频器的应用日益广泛,因此在空调控制系统中采用变频技术也是不可避免的.这就提供了一种既能达到控制要求又能节约能源的方法.和普通空调相比,在空调控制系统中使用变频技术,具有许多优点.
1.节省电能、电压适应性好
空调压缩机开始运行时采用低频启动,能够降低启动电流、减少功率消耗，启动完成后很快在低频状态转入高频状态,在很短的时间里达到室内设定温度,然后压缩机在长时间处于低频工作范围内,机组的功率降到最小,以保持室温。总之,变频空调器采用变频控制技术调节制冷(热)能力,压缩机由于不停机而减少了频繁启停造成的能量损失。
另外,变频空调还可以根据外界环境负荷的变化相应的调节压缩机的转速来达到控制要求,这就避免了运行参数的单一化而带来能源的浪费.因此变频空调节能效果明显,比普通空调节电20%～30%.变频空调的电压适应性很强,工作电压在187～242V之间,这一点更适合在电网电压不稳定的地区使用。这是由于变频空调器采用了自动控制技术对压缩机输入电压进行自动调整,所以当电网电压偏高或偏低时机组仍能正常工作。
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2.快速制冷、舒适性好
空调机组经低频启动后很快进入高速运转,转速可达到正常转速的2～3倍,故比定速空调能更快达到设定温度。当室温接近设定温度时,机组在不停止压缩机工作状态下通过调整压缩机的转速调节室温,这样就可以创造出温度变化不大的舒适环境。
3.快速除霜、超低温制热
在低温的情况下,一般空调器室外机除霜停机需5～15分钟,在此期间室内机停止供热.而变频空调器则利用微处理器控制电子膨胀阀,除霜时电子膨胀阀全开压缩机高速运转,利用压缩机排气的温热除霜,从而实现了不间断供热快速除霜的功能.当室外气温低于0℃时,一般的空调器制热能力大幅度下降,在-12℃时出力只有额定值的35%左右,而变频空调则可根据室外温度的变化自动改变压缩机转速,在室外温度低的情况下,通过提高运转频率达到提高制热能力的效果,在-12℃时出力可达到额定值的70%左右。
4.除湿功能合理、噪声低
变频空调的除湿功能主要是除去房间空气中的含湿量而不降低温度,可根据房间的湿度要求设定湿度值.除湿时机组相当于制冷时的1/3频率运转,以较小的输入功率达到除湿效果,不仅经济合理而且还提高了舒适性。变频空调器能够使压缩机从低速到高速都稳定地运转,加之长时间的低频运转状态使室外机运转更加平稳.室内机也没有频繁启停的声音,同时风机的转速随着压缩机的工作频率可在多档范围内变化,从而实现整机的低噪声运行.
三、在制冷主机上应用变频技术实现能量调节的探讨
在应用压缩式电制冷的空调系统中，制冷饥主电动。机的能耗最大，其功率占系统总功率的50％一56％，挖掘其节能潜力显得意义更为重大。在现有的空调用制冷机组中．都设有能量调节机构．能量调节方式困制冷机类型的不同而异，活塞式压缩机是通过调整压缩机的工作缸数来调节输出冷量；螺杆式压缩机是通过调整机体上的滑阎位置从而改变其有效压缩容积从而调节其输出冷量；离心式压缩机则是用旋转导流叶片+改变导流叶片的角度+从而改变吸气口气流的方向来调整制冷机的制冷能力。尤其是螺杆式和离心式制冷机组都已经实现了较大范围的制冷量无级调节，但是我们分析这几种方式的调节．其调节的结果只是减小了低冷负荷时的制冷机轴功率，并没有改变原有主电机的容量，从而形成了低冷负荷时主电机大马拉小车的现象。可以说这种调节方式只解决了输出冷量的调节问题．并没有解决好输入能量的调节问题，如果能够对主电机实行变频调速控制，通过主电机的速度变化来调节制玲机的输出输入能量。将是一种很好的解决方案。由于活塞式制冷机和螺杆式制冷机的理论排汽量与转速成正比，轴功率与转速成正比，并从它们的工作原理可知，转速的变化只影响冷媒的循环量，不影响冷媒的状态参数的变化，也就是说，无论是高转速运行还是低转速运行，压缩机出口的冷媒状态参数是一样的，制冷量只与排汽量有关，这两种制冷机完全可以通过改变转速来实现能量调节+使用变频技术不存在任何技术上的问题。变频调速即实现了冷水机组能量的无级调节，又解决了部分负荷时电机大马拉小车的问题，还可以省去原来较为复杂的能量调节机构，从而收到更完美的节能效果。对于离心式玲水机组而言，由于它属于透平式压缩机械，冷媒由高速旋转的叶轮加速获得动能和压力能形成高速气流，流经扩压腔速度降低压力升高，冷媒被压缩，这与前两种制冷机不同，其制冷量与转速平方成正比，当转速由100％降低到80％时．制冷量减小了60％．轴功率也减小了60％．并当转速降低时，冷媒的出口压力也随着降低。由于离心式玲水机组的特殊性，变频技术的应用还须更加深入的研究探讨，更有待于产品制造商技术上进一步开发。
四、结论
通过上述分析可看出变频控制技术在空调系统使用后,能够使系统具有节能、高效、舒适的优势,而且控制简单、能效比高.随着现代电力电子技术和微电子控制技术更加紧密的结合,变频技术在空调系统中的应用会更加深入.当然,伴随着变频技术的深入应用,在空调器的信息化、智能化等方面还会有许多工作有待研究.
参考文献
[1]何耀东.中央空调实用技术.冶金工业出版社,2006.
[2]李良仁.变频调速技术与应用.电子工业出版社,2004.
[2]何超主编.交流变频调速技术.北京：北京航空航天出版社,2006.
论文作者:唐劲添
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：压缩机论文; 转速论文; 空调器论文; 转子论文; 制冷机论文; 技术论文; 空调论文; 《电力设备》2018年第20期论文;