變頻空調(diào)器的特有器件主要是變頻壓縮機、智能功率模塊和電子膨脹閥3種。

變頻壓縮機

變頻壓縮機是變頻空調(diào)器的核心部件，按機械結(jié)構(gòu)的不同，可分為渦旋式壓縮機和雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式壓縮機兩種;按電氣結(jié)構(gòu)，可分為交流變頻壓縮機和直流供電變頻壓縮機兩種。關(guān)于渦旋式壓縮機和雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式壓縮機的工作原理在《空調(diào)器維修從入門到精通(第2版)》一書中已作介紹，下面介紹它們的電氣性能。

1.交流變頻壓縮機

交流變頻壓縮機電機和普通柜式空調(diào)器采用的三相交流電機的構(gòu)成基本相同，不同的是它的輸入電壓是脈沖電壓。

2.直流變頻壓縮機

直流變頻空調(diào)器的壓縮機采用的是直流變頻壓縮機。直流變頻壓縮機電機采用了三相四極直流無刷電機，該電機定子結(jié)構(gòu)與普通三相異步電機相同，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)則截然不同，其轉(zhuǎn)子采用四極永久磁鐵。

(1)工作原理

正常運行時變頻模塊向直流電機定子側(cè)提供直流電流形成磁場，該磁場和轉(zhuǎn)子磁鐵相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。因為轉(zhuǎn)子不需二次電流，所以損耗小，功率因數(shù)高，但由于轉(zhuǎn)子采用了永久磁鐵，所以成本比交流變頻壓縮機高。由于無刷電機有互為120°的三個繞組U、V、W (國內(nèi)習慣用 A、B、C 表示)，所以為了使每個繞組都有電流流過，功率放大器采用了三相半橋式放大器，如圖1-3所示。

圖1-3 三相導通星形三相六狀態(tài)直流電動機原理圖

提示

圖1-3中，功率管VT1、VT3、VT5是高端放大器(也稱為上橋臂)，功率管VT2、VT4、VT6是低端放大器(也稱為下橋臂)。自20世紀60年代末開始，功率管從使用晶閘管(SCR)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、雙極型功率晶體管(BJT)、金屬氧化物場效應管(MOSFET)、靜電感應晶體管(SIT)、靜電感應晶閘管(SITH)、MOS 控制晶體管(MGT)、MOS 控制晶閘管(MCT)逐漸發(fā)展到現(xiàn)在使用的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管(HVIGBT)。

當VT1、VT4導通時，VCC(300V電壓)通過VT1、繞組U和V、VT4構(gòu)成回路，導通電流從繞組U流過繞組V，流過繞組U、V的電流使它們產(chǎn)生磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);當VT1、VT6導通時，VCC通過VT1、繞組U和W、VT6構(gòu)成回路，導通電流從繞組U流過繞組W，流過繞組U、W的電流使它們產(chǎn)生磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);當VT3、VT6導通時，VCC通過VT3、繞組V和W、VT6構(gòu)成回路，導通電流從繞組V流過繞組W，流過繞組V、W的電流使它們產(chǎn)生磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);當VT3、VT2導通時，VCC通過VT3、繞組V和U、VT2構(gòu)成回路，導通電流從繞組V流過繞組U，流過繞組V、U的電流使它們產(chǎn)生磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);當VT5、VT2導通時，VCC通過VT5、繞組W和U、VT2構(gòu)成回路，導通電流從繞組W流過繞組 U，流過繞組 W、U 的電流使它們產(chǎn)生磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn);VT5、VT4 導通時，VCC通過VT5、繞組W和V、VT4構(gòu)成回路，流過繞組W、V的電流使它們產(chǎn)生磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

注意

一個半橋的兩個功率管(如VT1、VT2)不能同時導通，否則會導致電源短路。

(2)電子換向(相)

為了保證直流無刷電機的平穩(wěn)運行，需要對轉(zhuǎn)子的磁極位置進行精確檢測，并用電子開關(guān)(功率管)切換不同繞組的供電方式以獲得持續(xù)向前的動力。早期，位置檢測是在電機內(nèi)部設置霍爾元件型位置傳感器，利用它產(chǎn)生的相位信號來實現(xiàn)的。近年來，位置檢測是通過檢測直流無刷電機中未通電繞組產(chǎn)生的感應電壓來實現(xiàn)的。因為這種檢測方法取消了位置傳感器，所以不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且提高了電機使用壽命。因此，變頻空調(diào)器的壓縮機電機幾乎都采用后一種方法進行換向(相)。

(3)無級調(diào)速

由于使用直流電源，電機的速度得依靠調(diào)節(jié)加在電機兩端的電壓來調(diào)整，較簡單的辦法是使用 PWM 脈沖來調(diào)節(jié)加到電機兩端的電壓。PWM 脈沖的占空比達到最大時，加到電機兩端的電壓最大，電機轉(zhuǎn)速最高，而PWM脈沖的占空比由CPU輸出的調(diào)速信號控制。CPU輸出的調(diào)速信號又受溫度調(diào)節(jié)信號和溫度傳感器產(chǎn)生的溫度檢測信號的控制。

3.典型故障與檢測

(1)典型故障

壓縮機異常后產(chǎn)生的典型故障：一是壓縮機不運轉(zhuǎn)，顯示壓縮機過流/過熱故障代碼;二是壓縮機不運轉(zhuǎn)，顯示智能功率模塊(IPM)異常故障代碼;三是壓縮機不運轉(zhuǎn)，顯示負載電流大故障代碼;四是噪聲大;五是產(chǎn)生制冷效果差。

(2)故障檢測

變頻壓縮機的檢測和普通空調(diào)器采用的壓縮機檢測方法基本相同，但在測量壓縮機電機繞組阻值時需要注意它的3個繞組的阻值是完全相同的。

智能功率模塊(IPM)

IPM 是英文 Intelligent Power Module 的縮寫，譯為智能功率模塊。典型 IPM 以 IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)為功率管，結(jié)合驅(qū)動電路、保護電路等構(gòu)成，如圖1-4(a)所示。當然，不同型號的IPM，其內(nèi)部具有的功能會有所不同。圖1-4(b)是 80DC01SPDU 模塊的實物圖，該模塊上不僅有功率管及其驅(qū)動電路，而且還設置了低壓電源電路，不僅可以滿足IPM模塊驅(qū)動電路供電需要，而且通過連接器為室外機電路板提供12V和5V直流工作電壓。

圖1-4 典型的IPM

1.IPM的特點

變頻空調(diào)器采用的IPM一般具有以下特點。

① 集成度高。IPM作為功率集成電路產(chǎn)品，使用表面貼裝技術(shù)將三相橋臂的6個IGBT型功率管及其控制電路、保護電路集成在一個模塊內(nèi)，具有體積小、功能多、可靠性高、價格便宜等優(yōu)點。

② 保護功能完善。目前，變頻空調(diào)器采用的IPM都具有過流(OC)保護、短路(SC)保護、驅(qū)動電路供電欠壓(UV)保護、過熱(OH)保護功能。過熱保護功能是為了防止IGBT、續(xù)流二極管過熱損壞。

③ 內(nèi)含故障保護信號輸出(ALM)電路。ALM電路是向外部輸出故障報警的一種功能電路，當IPM過熱、下橋臂過流以及驅(qū)動電路的供電欠壓保護電路動作時，通過向室外微處理器輸出異常信號，使室外微處理器能及時停止系統(tǒng)，實現(xiàn)保護，以免故障擴大。

2.IPM的主要參數(shù)

為了保證 IPM 長期安全、可靠地工作，選擇和使用 IPM 時，應當根據(jù)系統(tǒng)實際情況選擇參數(shù)正確的IPM。

(1)IGBT的最大耐壓值VCES

最大耐壓值應按略大于直流電壓的2倍選擇，如直流電壓為300V，則要求IPM的IGBT耐壓值為600V以上。

(2)IGBT的額定電流值IC及集電極(c極)峰值電流IcP

IcP應根據(jù)電機的峰值電流而定，而電機的峰值電流與電機的額定功率、效率、線電壓以及功率因數(shù)有關(guān)。

(3)IGBT的開關(guān)頻率fPWM

盡可能選擇開關(guān)頻率高一些的IGBT。

(4)IPM的最小死區(qū)時間tdead

激勵信號的死區(qū)時間不能小于模塊的最小死區(qū)時間tdead。

除了上述主要參數(shù)以外，還有其他一些參數(shù)也需要考慮，如IGBT的最大結(jié)溫tj等。為了確保IGBT能夠長時間正常工作，必須通過散熱片或風扇為IPM散熱。

3.IPM輸出電壓的調(diào)整方式

近年來，為了進一步提高變頻模塊的工作效率，變頻空調(diào)器逐步從單純的PWM控制改為PWM+PAM混合控制方式，即較低速時采用PWM控制，保持電壓/頻率(V/f)為一定值;當轉(zhuǎn)速大于一定值后，將調(diào)制度固定在最大值附近，通過改變直流斬波器的導通占空比的大小，提高變頻模塊的輸入直流電壓值，從而保持變頻模塊輸出電壓和轉(zhuǎn)速成比例，這一區(qū)域稱為 PAM 區(qū)。采用混合控制方式后，變頻模塊的輸入功率因數(shù)、電機效率、裝置綜合效率都比單獨采用PWM技術(shù)的空調(diào)器有較大幅度的提高。

4.典型故障與檢測

(1)典型故障

IPM異常后產(chǎn)生的主要典型故障：一是壓縮機不運轉(zhuǎn)，顯示IPM異常故障代碼;二是壓縮機不運轉(zhuǎn)，顯示負載電流大故障代碼;三是壓縮機不運轉(zhuǎn)，顯示無電路或無負載的故障代碼。

提示

有的IPM還產(chǎn)生12V等電壓，所以此類模塊損壞后，會導致室外機CPU電路因沒有供電而不工作，從而會產(chǎn)生空調(diào)器不工作故障，并且顯示通信異常故障代碼。

(2)故障檢測

IPM檢測的主要方法有直觀檢查法、電壓測量法、電阻測量法和代換法4種。若采用示波器測量它的輸出端信號波形效果會更好。因IPM最常見的故障現(xiàn)象是功率管損壞，下面以80DC01SPDU模塊為例介紹功率管的檢測方法，測量方法與步驟如圖1-5所示。

首先，將數(shù)字萬用表置于二極管擋(PN結(jié)壓降測量擋)，測量300V供電端子與地間的正向?qū)▔航禐?.403V，反向?qū)▔航禐闊o窮大(顯示的數(shù)字為1)，如圖1-5(a)所示。

然后，將數(shù)字萬用表置于二極管擋，測量U、V、W 3個輸出端子與300V供電端子P+間的正向?qū)▔航禐?.448V，反向?qū)▔航禐闊o窮大(顯示的數(shù)字為1)，如圖1-5(b)所示。

接下來，將數(shù)字萬用表置于二極管擋，測量 U、V、W 3 個輸出端子與接地端子 P?間的正向?qū)▔航禐?.448V，反向?qū)▔航禐闊o窮大(顯示的數(shù)字為1)，如圖1-5(c)所示。

若以上測量的導通壓降為0或過小，說明功率管擊穿或漏電;若正、反向都為無窮大，說明功率管開路或內(nèi)部線路開路。

圖1-5 IPM 模塊的檢測

電子膨脹閥

1.構(gòu)成與工作原理

電子膨脹閥主要由步進電機和針形閥組成。針形閥由閥桿、閥針和節(jié)流孔組成。電子膨脹閥的內(nèi)部構(gòu)成和實物外形如圖1-6所示。步進電機運轉(zhuǎn)后改變針形閥開啟度，使制冷劑流量根據(jù)空調(diào)器工作狀態(tài)自動調(diào)節(jié)，提高了蒸發(fā)器的工作效率，保證空調(diào)器實現(xiàn)最佳的制冷效果。

圖1-6 電子膨脹閥的構(gòu)成與實物圖

圖1-7所示是電子膨脹閥的自動控制電路。傳感器(負溫度系數(shù)熱敏電阻)對蒸發(fā)器出口管溫度進行檢測，產(chǎn)生的檢測信號被微處理器(單片機)識別后，輸出相應序列的運轉(zhuǎn)指令，通過驅(qū)動電路放大后，為電子膨脹閥上步進電機的定子線圈供電，使線圈產(chǎn)生磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。而電機轉(zhuǎn)速由微處理器輸出脈沖頻率來決定，頻率越高轉(zhuǎn)速越快。當蒸發(fā)器出口管的溫度升高，被傳感器檢測后提供給微處理器，微處理器控制電機反轉(zhuǎn)，帶動閥桿和閥針向上移動，節(jié)流孔增大，制冷劑的流量按比例增加;當蒸發(fā)器出口管的溫度降低，被傳感器檢測后提供給微處理器，微處理器控制電機正轉(zhuǎn)，帶動閥桿和閥針向下移動，節(jié)流孔變小，制冷劑的流量按比例減小。這樣，根據(jù)空調(diào)器制冷(熱)效果來調(diào)節(jié)制冷劑的流量，進而調(diào)節(jié)冷凝器和蒸發(fā)器壓差比，提高了蒸發(fā)器的工作效率，實現(xiàn)制冷(熱)最佳效果的自動控制。

2.常見故障與檢測

(1)常見故障

電子膨脹閥異常后引起制冷劑泄漏或堵塞，造成不制冷或制冷效果差的故障。

(2)故障原因及檢測

檢修電子膨脹閥異常引起制冷效果差的故障時，先檢查傳感器是否正常，若不正常，維修或更換即可;若正常，再檢修膨脹閥。此時，聽膨脹閥能否發(fā)出“咔咔”的聲音，若能，說明膨脹閥的閥芯被雜物卡住，清理雜物或更換膨脹閥即可;若沒有“咔咔”聲，用萬用表電阻擋測電子膨脹閥驅(qū)動電機的線圈阻值，判斷線圈是否正常，比如，海爾 KFR-25GW× 2/BFP變頻空調(diào)器的電子膨脹閥的紅-橙、紅-白、棕-藍、棕-黃線間的阻值為56?，而橙-白、藍-黃線間的阻值為 112?，若阻值異常，則說明電機的線圈異常，需要更換膨脹閥電機或膨脹閥。若電機線圈的阻值正常，則檢查驅(qū)動電路和微處理器電路。當然，也可以通過測量膨脹閥驅(qū)動電機的供電電壓來確認故障部位，若電壓正常，需要更換膨脹閥電機或膨脹閥;若電壓不正常，檢查驅(qū)動電路和微處理器電路。

圖1-7 電子膨脹閥的自動控制電路

提示

電子膨脹閥進氣口的過濾網(wǎng)臟或雜物過多引起堵塞時，可用酒精將它清洗干凈后繼續(xù)使用。