变频空调器的核心是变频压缩机,变频压缩机的核心是变频电动机,在变频电源下运行的电动机简称变频电动机。变频电动机为三相电动机,它克服了单相异步电动机的一些不足。单相异步电动机的旋转磁场是椭圆形的,对称性不如三相电动机,且起动性能差、电磁噪声大,体积也比三相电动机大。实际上,变频电源已很难驱动单相电动机运行,因为当频率发生变化时,单相电动机的电容(称为移相电容)值不可能发生相应的变化,使电动机有效运行。
压缩机驱动电动机采用的交流异步电动机的转速与旋转磁场同步转速存在一个转差,同步转速变化时,转差也有变化,这对精确控制压缩机的转速不利。然而异步电动机结构简单和价格低廉,是目前市场上大部分变频空调器所采用的,这种空调器称为交流变频空调器。
变频技术发展至今虽然只有短短20多年历史,但变频技术在空调器中的应用使得空调器在控制方面如虎添翼。1978在松下电器技术展上,变频空调器的雏形首次亮相。1981年东芝在世界上首次成功地将变频器应用于热泵空调中。从此,揭开了空调发展的新纪元。
目前在家用空调中应用广泛且技术比较成熟的是交流异步电动机调速形式。采用脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)技术的交流电动机调速系统,在性能上已经接近直流调速系统,在产品价格和稳定性方面,交流电动机具有明显的优势,因而交流电动机调速系统仍然是当今变频压缩机驱动电动机的主流。而交流变频调速技术的核心是PWM控制技术。PWM控制技术的发展经历了一个不断创新不断完善的过程。目前得到应用的方案不下十种,且仍有新的方案不断被提出。
在日本和美国等发达国家,变频技术应用于空调系统的研究已经有很长时间,技术应用水平相对比较成熟。特别是近年来,随着各种性能优良的新型电力半导体器件如IGBT(In-sulate Gate Bipolar Transistor)、有驱动电路和各种保护电路的智能型功率模块IPM(Intel-ligent Power Module)的推广应用和变频空调专用CPU超大规模集成电路的问世,以及建立在电机统一理论的人工智能模糊变频控制算法等控制方案的出现,使变频技术应用于家 用空调得到极大的发展。尤其在日本,由于其国内资源比较缺乏,大部分能源需要进口,从而对于节能和有效利用能源提出了很高的要求,大大刺激了变频技术的发展,最大程度地利 用了变频的节能效用。由于其起步早、发展快,从元件生产到技术基础都比较完善,具有较高的水平。
在我国,1996年开始日本夏普、东芝、松下、日立等公司相继在中国市场推出变频空调器,引发了更高技术的竞争,国内对变频空调器消费的要求也越来越高,国内房间空调业面临严峻的考验。于是国内众多厂家为在空调市场上抢占先机纷纷开发自己的变频产品。2007年7 000多万台的空调器总产量中变频空调器占了5%左右的份额,一些大的空调器厂商都有自己的家用变频空调器产品。
国内对于变频控制器的自主设计开发是近几年才开始的,然而从设计变频器到设计变 频控制器还有一定距离,因为变频调速技术只是变频控制器的一个方面,只能解决频率变化 的问题,而频率、风速等主要参数如何控制,如何与主机最佳匹配以最大限度提高空调器性能都是变频空调控制器需要解决的主要问题。
目前,国家高度重视节能工作,变频调速节能技术已列入重点组织实施的资源节约综合 利用技术改造示范工程之一。在“十一五”期间及今后的发展中,我国的变频器技术及变频器行业一定会有长足的进步。