空调用之直流变频技术

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1、空調用之直流變頻技術張護繼高子胤林法正國立中央大學電機工程學系摘要隨科技進步，人們對於冷凍空調的依賴日亦廣泛。隨著我國對節能科技的重視，目前國內空調系統由原本交流變頻系統漸漸被直流變頻系統所取代，即使設備能源效率提高，但傳統方波驅動之變頻技術在能源效率之方面依然存有許多的進步空間。本文主要介紹兩種直流變頻驅動器架構，其一為由換相訊號之方波合成弦波之驅動架構，另一種為結合高頻信號注入法與參考模式法之驅動架構，以進一步提高直流變頻驅動器之能源使用效率。關鍵字：節能科技、空調系統、直流變頻。一、前言目前國內空調多數採用直流、交流變頻系統，使空調系統在不同的溫度下，皆能隨時調整至

2、適當冷凍能力，以提高其能源使用效率，其中壓縮機之直流變頻技術，目前國內產品主要採用方波驅動技術，雖然相較於定頻空調以提升3成以上之能源使用效率，但依然存在瞬間過大之啟動電流之問題。本文所提出之控制架構，主要以結合兩種無感測器轉子位置估測技術來驅動空調系統之壓縮機，使壓縮機於零轉速狀態下，也能以弦波驅動方式來啟動壓縮機，達成柔啟動之功能，並且搭配磁場導控制，期望能以較低的耗能產生更好的效能輸出，提升產品競爭力。面對全球能源危機，節能的生活方式以然成為未來商機，空調市場上以往最常見、耗電量大的定頻技術，轉為較節省、較高效能的變頻技術，每年可省下至少3成的經費成本，可見變頻技術

3、的應用與發展將是未來節能之主要趨勢[1]。本文首先對空調系統之架構與定頻、變頻控制原理做介紹，接著說明針對空調機內部壓縮機驅動器之兩種無感測器變頻控制技術，其一為應用傳統無感測電路所產生之換相訊號來合成弦波，並藉此達成弦波驅動；另一種為結合高頻信號注入法與參考模式法之轉子位置估測技術，此方式不僅不須改變固有硬體架構，並且可以應用於零轉速下以弦波驅動之方式啟動馬達，達成柔啟動之功能，以改善傳統方波驅動變頻技術之高啟動電流之缺點，並更加提高變頻器之能源使用效率。二、空調系統與定頻、變頻控制之介紹1.空調系統架構之介紹如圖1所示，空調之循環系統包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥及蒸發器

4、等元件。低溫低壓汽態冷媒經過壓縮機等熵壓縮成為高溫高壓汽態冷媒，在冷凝器中散熱凝結成高溫高壓液態後，進入膨脹裝置等熵膨脹成為低溫低壓之兩相狀態(約20%汽態80%液態)，再於蒸發器中吸熱蒸發，成為低溫低壓汽態冷媒，回到壓縮機中完成一個冷凍循環。一般冷氣即是利用蒸發器吸收環境熱量而得到所需之製冷效果。在固定運轉條件情況下，空調機製冷量與冷媒流量成正比例函數關係，即冷媒流量m=f(N)，式中N為壓縮機轉速，f為冷媒流量與壓縮機轉速之關係函數，不同結構壓縮機之關係函數便會不同，變頻空調可以經由調節壓縮機轉速以調節空調機製冷量[2]。10080冷凝器P=16.5bar60]℃40

5、膨脹閥t[壓縮機20P=2.9bar0蒸發器-20111.21.41.6.82S[kJ/kgK]圖1冷凍空調循環[2]IPM室外機PWM冷凝Drivecircuit蒸汽液體冷凝器高溫高壓高溫高壓Ta+Tb+Tc+Microchip+u壓蒸發器出口膨dsPIC30F4011Vdcv溫度+w縮脹Ta-Tb-Tc-16bit-機-閥膨脹閥出口溫度v,v,i,iababDrivecircuit蒸汽蒸發器液體低溫低壓低溫低壓室內機Protectioncircuit出風口與蒸發器入口溫度、膨脹閥兩側壓力與溫度圖2直流變頻冷氣系統架構圖室內機室外機狀態顯示溫度感測器、四通閥和軟啟動控制

6、風機驅動dsPIC30F4011dsPIC30F4011高壓直流測量風門驅動蜂鳴器驅動室外無刷直流風機控制室內溫度感光電隔離驅動IPM測器PMSM紅外線接收永磁同步馬達室內機PowerLinePowerLine室外機電源供應電源供應室內部份室外部份圖3系統架構圖圖2為直流變頻冷氣系統架構圖。一般直流變頻空調系統分室內機與之室外機兩部分，其中室內機系統主要處理一些系統邏輯狀態資訊，而室外機系統主要處理DC壓縮機的變頻驅動部分，系統架構如圖3所示。系統的基本工作過程，主要由室外機的微處理機隨時接收來自室內機的控制資訊與狀態資訊，而去控制室外的風機、四通閥和壓縮機，完成相應的控

7、制功能。同時還會將室外機的一些狀態和室外機的溫度資訊回傳給室內機。室內機根據室外機返回的參數與室內機本身的一些工作狀態和溫度資訊，再對整個空調系統進行協調與控制。2.變頻控制與定頻控制之比較在台灣電網所供給之電壓與頻率為220伏、60赫茲，由於供電頻率不能改變，因此若是只操作於固定頻率下之的空調機稱之為定頻空調。定頻空調之壓縮機轉速不會隨著溫度變化而改變，當設定溫度低於室內溫度，則壓縮機為全速啟動，反之當設定溫度高於室內溫度，則壓縮機便停止運轉。由於此操作模式藉由不斷反覆的開、關壓縮機之方式來調整室內溫度，因此容易造成室溫忽冷