空調電源電壓和頻率對輸入功率的影響分析

2019-07-17 07:52張銥

日用電器 2019年6期

張銥

（珠海格力電器股份有限公司珠海 519070）

引言

由于國際上不同國家的供電方式不同，電源設計不同，用電習慣也不同，在電源的電壓和頻率上存在明顯差異。家用電器的部分產(chǎn)品在開發(fā)時需要同時考慮出口到不同國家，因此在開發(fā)設計時會將家用電器設計成為多種電壓和雙頻率，部分空調機型就是采用多種規(guī)格電源參數(shù)的供電設計。

在進行電氣安全的測試時，雙頻率50 Hz和60 Hz都需要測試，首先需要通過測試數(shù)據(jù)來評估雙頻率對電氣安全的影響，評估是否需要同時測試兩種頻率，如果兩種頻率的測試結果差異很大，就需要對兩個頻率分別進行測試，否則只需測試更惡劣的頻率，電壓也是同樣原則。

1 輸入功率

輸入功率是指器具所吸收的功率，它是評估家用電器產(chǎn)品是否合格的一個重要因素。對于家用電器設備而言，輸入功率等于輸入電壓與輸入電流的乘積。例如電動機的輸入功率定義為：電動機兩端電壓乘以流過電動機的電流，是指電動機實際消耗的功率。輸入電流是對器具所消耗功率在其中一個因子即電流上的體現(xiàn)。

器具在安裝時要根據(jù)具體家電運行時的電流值來選取不同電源線線徑，以銅線為例，不同線徑所承受的電流值不同，如表1所示。

空調所需使用的電源線線徑需要根據(jù)額定電壓下的輸入功率（輸入電流）來選擇，因此需要準確評估輸入功率。輸入功率偏差過大，不僅是對消費者的一種誤導，嚴重的話，更有可能造成電擊、火災等危險，嚴重威脅消費者的生命和財產(chǎn)安全。

對于空調來說，兩大主要用電部件壓縮機和電機，輸入功率主要是由壓縮機和電機來決定的。而空調又分為定頻空調和變頻空調兩種，不管是定頻空調還是變頻空調，壓縮機和電機的啟動都是以高電壓啟動，即壓縮機或電機在啟動的時候，壓縮機和電機的輸入功率是最大值。

2 壓縮機對輸入功率的影響分析

對于定頻空調來說，壓縮機頻率都是一定的，一般為交流壓縮機。而變頻空調的壓縮機一般為直流壓縮機，雙頻率變頻空調的內外電機都是直流電機，而單頻率變頻空調內電機為交流電機，外電機為直流電機。

壓縮機的輸入功率對空調整機功率起著決定性作用，壓縮機輸入功率的改變是通過改變壓縮機轉速（頻率）來改變單位時間內壓縮機的排量，從而實現(xiàn)空調、熱泵系統(tǒng)工況的變化，壓縮機的輸入功率不僅會受壓縮機轉速（頻率）增加的影響，也受蒸發(fā)溫度的影響，在一定的條件和范圍內，輸入功率隨著頻率的增加呈線性增加。

2.1 定頻壓縮機

由于定頻空調的壓縮機是定頻的，一般為交流壓縮機，需要通過壓縮機電容來啟動和運轉，并且電網(wǎng)直接和壓縮機相連，開機時以高電壓運行，啟動電流較大，即此時輸入功率最大，當室內溫度達到設定溫度，壓縮機就停止運行，此時輸入功率為零。因此供電電源的電壓和頻率的波動會直接影響空調整機的輸入功率。

2.2 變頻壓縮機

對變頻空調來說通常使用的電源和頻率為: 208 V/60 Hz、230 V/60 Hz、230 V/50 Hz，壓縮機一般為三相直流變頻壓縮機，其IPM模塊電路原理分析為：系統(tǒng)輸入電壓為220 V（AC）（寬交流電壓范圍為208～240 V），整流濾波后的直流電壓最大值為311 V（直流范圍為260 ～350 V），供給給壓縮機的IPM模塊，然后通過外機的CPU產(chǎn)生PWM信號，送入到IPM模塊內部的驅動IGBT芯片，經(jīng)過PWM控制六路驅動逆變成電壓和頻率可調的三相交流電源，每兩相交流電的電壓一般在40～180 V（電壓值一般在220 V以下），通過U、V、W三相與壓縮機相連，通過改變逆變電路6路驅動的PWM輸出的脈寬來改變壓縮機的端電壓，改變PWM脈寬周期來改變壓縮機端電壓的頻率，根據(jù)室內環(huán)境溫度的變化來改變PWM的輸出，從而達到控制壓縮機的轉速（頻率）的目的，進而改變壓縮機的輸入功率，調節(jié)空調整機的制冷量和制熱量。

2.3 小結

綜上所述，得出結論如下：

1）交流電壓經(jīng)過整流濾波后成為直流電壓，因此輸入電源的頻率對壓縮機調節(jié)電壓和頻率沒有影響；交流電經(jīng)過整流濾波后的最大直流電壓進入IPM模塊轉化為交流電，因此輸入電源的電壓對壓縮機的輸入功率幾乎沒有影響。

2）對于變頻空調來說，剛開機時是以高電壓運行，即此時輸入功率最大，當室內的溫度達到設定溫度，壓縮機就會降頻，輸入功率也會相應降低。

3 電機對輸入功率的影響分析

3.1 直流電機

表1 銅線不同線徑承受最大電流值

對于變頻空調來說，電機一般為直流電機，內部具有將直流電轉化為交流電的逆變器和轉速檢測電路，可以根據(jù)輸入的模擬電壓來控制電機的轉速，直流電壓接入后，經(jīng)過PWM控制驅動逆變成電壓可變的交流電源，然后與電機連接，通過改變逆變電路驅動的PWM輸出的脈寬來改變電機的端電壓。

通過對直流電機的分析市電經(jīng)整流模塊轉化為直流電壓，此時電源頻率對電機沒有影響，內部再將直流電轉化為交流電，而此時的頻率是根據(jù)環(huán)境溫度來調節(jié)PWM脈寬周期，從而控制轉速，相應的輸入功率也會有相應的變化，可知電源頻率對直流電機沒有直接影響。

3.2 交流電機

對于定頻空調來說電源頻率都為單頻率，并且電機一般為交流電機，除非是帶有風機驅動板電機為直流電機，因此不同的頻率會直接影響到交流電機的轉速，交流電機的轉速n 與頻率f 的關系為:

式中P 為電機的磁極對數(shù)。對應于不同的磁極對數(shù)P= 1、2、3，其同步轉速n = 3 000、1 500、1 000，可知轉速與頻率成正比，轉速的變化可能嚴重地影響到設備的正常運轉。

電機轉矩M和頻率f之間的關系為：

M：電機轉矩，C：轉矩常數(shù)，U：電源電壓，s：轉差率，

R*X：折算到定子線圈圈數(shù)后的轉子電阻、電抗，Ke：電機繞組分布系數(shù)。

由上述公式可知，轉矩與電源頻率近似成反比。當50 Hz電機用于60 Hz時，雖然轉矩減至原來的5/6倍，但同時轉速增至原來的6/5倍，輸出幾乎不變，實際上，電源頻率從50 Hz提高到60 Hz時轉差率要稍大些，才能使電機輸出保持不變。

假設電機的輸出功率一定，那么當器具在工作電壓降低的時候，工作電流增大。理論上來說，當頻率下降時，電壓下降，那么電流就會增加。但是，只要我們保證電機在低速狀態(tài)，轉矩相同，此時改變頻率，降低電壓，工作電流就不會有太大改變，這樣就可以實現(xiàn)總功率的降低，節(jié)能省電。

3.3 小結

1）對于電機本身而言，假設磁極對數(shù)P不變，如果頻率變小，則轉速下降，風量減少，將嚴重影響到電機散熱，甚至可能導致設備燒毀；如果頻率變大，則轉速過高，轉子的離心力變大，很容易損壞轉子。

2）對于50 Hz頻率電機用于60 Hz電源頻率時最大轉矩與額定轉矩之比值要降低20 %左右，除特殊情形外，對電機的使用尚無妨礙，但起動轉矩減少20 % ，電機的輸出可維持不變，需注意其安全使用將電源頻率60 Hz電機用于50 Hz的電源頻率。

3）僅全直流變頻空調可能出現(xiàn)雙頻率，如果是交流電機，那么電機的電壓、頻率要和電源的電壓、頻率保持一致，不能設計為雙頻率，否則電機可能被燒毀。雙頻率對輸入功率的影響無法評估。

4.實測數(shù)據(jù)分析

取2臺商用空調樣機（型號A1、A2）分別在制冷和制熱模式下進行輸入功率測試如圖1所示。

具體測試數(shù)據(jù)如下：

型號A1：

相同頻率，不同電壓時如圖2所示。

相同電壓，不同頻率時如圖3所示。

型號A2：

相同頻率，不同電壓時如圖4所示。

相同電壓，不同頻率時如圖5所示。

通過以上數(shù)據(jù)分析可得：相同電壓、不同頻率的情況下，輸入功率和電流相差不大。相同頻率、不同電壓的情況下，電壓較低時輸入功率和電流比電壓高時稍大，電流的偏差較輸入功率的偏差更加明顯偏大。因此在相同頻率、電壓較低時，當輸入功率相差不大的前提下，可以從電流方面進行評估，電壓208～230 V時，測試低電壓是更惡劣的情況。

圖1 兩臺空調在兩種模式下的功率測試

images/BZ_28_272_1770_1192_1829.png制冷電壓 207.9 229.3電流 17.7 15.9功率 3 655.8 3 633.6制熱電壓 207.5 229.5電流 13.7 12.3功率 2 825.6 2 812.8

圖2 型號A1空調測試數(shù)據(jù)①

images/BZ_28_1287_1765_2208_1824.png制冷電壓 229.3 229.5電流 15.9 15.9功率 3 640.6 3 648.7制熱電壓 229.5 230.1電流 12.3 12.4功率 2 812.8 2 833.3

圖3 型號A1空調測試數(shù)據(jù)②

5 結論

通過以上理論分析和實際測試數(shù)據(jù)，綜合分析可以得知：當空調被設計為雙頻率和雙電壓時，要分不同情況對電氣安全輸入功率測試進行評估?？傮w來說，可以大致認為：相同頻率、電壓較低時的輸入功率和電流更惡劣，空調的輸入功率測試應使用低電壓進行評估。在輸入功率相差不大的情況下，應該從電流方面進行評估。電壓相同，頻率不同的情況下，低頻率和高頻率下進行的測試數(shù)據(jù)相近，空調的輸入功率測試應綜合評估。