第七章　变频空调器的维修技能

第一节　变频空调器的结构组成与工作原理

一、壁挂式变频空调器内部组成 

1.壁挂式变频空调器室外机内部组成

空调器主要由压缩机、热交换器、系统管道（如截止阀、电子膨胀阀、四通阀等）、电路板、风扇及电动机等部件组成（如图7-1所示为分体式空调器室外机实物），其中压缩机是空调器制冷系统的动力核心，它可将吸入的低温、低压制冷剂蒸气通过压缩提高温度和压力，让里面的制冷剂动起来，并通过热功转换达到制冷的目的。如图7-2所示为普通壁挂式空调器室外机结构分解图（以海信KFR-26GW/08FZBp壁挂式空调为例）。

2.壁挂式变频空调器室内机内部组成

如图7-3所示为分体壁挂式空调器室内机实物组成（以海信KFR-26GW/08FZBp壁挂式空调为例），从图中可以看出，空调器的室内机主要由格栅组件、步进电动机组件、蒸发器组件、风扇电动机组件、控制器组件、连接管路和遥控器等部件构成。

二、柜式变频空调器内部组成 

1.室内机内部结构组成

柜式空调器室内机组主要由室内换热器、贯流式风扇电动机、电气控制系统等组成。室内换热器安装于机壳内回风进风栅的后部，即机壳内上部；贯流式风叶和风扇电动机装于机壳内送风栅的后部，即机壳内下部；电气控制系统装于贯流式风扇电动机的上部。如图7-4所示为柜式空调室内机分解图（以海信KFR-72LW/08FZBpH-3变频空调为例）。

2.室外机内部结构组成

柜式空调室外机组的结构与分体壁挂机基本相同（主要由电控总成、压缩机、冷凝器、轴流风扇等组成，如图7-5所示），只是体积、功率大一点。如图7-6所示为柜式空调室外机分解图（以海信KFR-72LW/08FZBpH-3变频空调为例）。

三、变频空调系统组成 

变频空调系统一般由制冷（制热）系统、通风系统和控制系统等组成。

1.变频空调制冷（热）系统

变频空调器制冷（热）系统主要由变频式压缩机、室内/室外机热交换器（冷凝器、蒸发器）、电磁换向阀（四通阀）、节流装置（节流装置分为两种，一种是膨胀阀，另一种是毛细管，一般定频空调都用毛细管，变频空调采用膨胀阀，而“工薪变频”用的是毛细管）和截止阀等部件组成（图7-7），这些部件通过管道连接形成一个封闭的系统，系统中充注着制冷剂，在电气系统的控制下由压缩机压缩制冷剂循环。

变频空调器制冷系统可分为两种，一种采用毛细管节流（以海信KFR-32GW/21MPB变频空调器为例，制冷系统如图7-8所示），它与普通空调器的制冷系统完全相同，缺点是制冷、制热量调节范围小。另一种采用电子膨胀阀节流（以海信KFR-72LW/08FZBpH-3变频空调为例，制冷系统如图7-9所示），该系统制冷量调节范围比较宽，启动性能好，利用电磁旁通阀或电子膨胀阀还可实现不停机除霜。

2.控制系统的组成

变频空调器整个控制系统由变频功率模块、电源板、室内板、开关板、室外主控板和变频压缩机等几大部分组成。室内、室外机中都有独立的电脑芯片，室内外机两块主控制板之间通过火线、零线和通信线连接（图7-10），完成供电和相互交换（即室内、室外机组的通信）来控制机组正常工作。整个系统的控制电路组成如图7-11所示。

（1）压缩机　压缩机（图7-12）是空调制冷系统的心脏，也是制冷系统中低压区（蒸发区）与高压区（冷凝区）以及低温与高温的分界线。变频空调器与普通空调器的压缩机不同，变频压缩机的转速能够随时调整变化，并与室内空调负荷的变化成比例；普通压缩机通电即可运转，而变频压缩机是靠室外电控程序驱动运转的；普通压缩机供电频率是固定的，且单相压缩机都有运转电容，而变频压缩机都是三相结构，所以无启动电容，且机械结构也不尽相同。

变频压缩机按内部结构不同可分为双转子旋转式压缩机（图7-13）与涡旋式压缩机（图7-14），按电气结构不同可分为交流变频压缩机与直流变频压缩机（图7-15）。交流变频压缩机的电动机是一般的三相异步交流电动机，直流变频压缩机的电动机是直流无刷永磁转子电动机。

（2）变频功率模块　变频功率模块又称智能电源晶体管、功率逆变器，简称IPM（Intelligent Power Moudle），呈厚膜一体封装。在变频空调器中，功率模块是主要控制部件，是室外变频电路的核心，这一部分指的是完成直流到交流的逆变过程、用于驱动变频压缩机运转的逆变桥及其外围电路。变频压缩机运转的频率高低，完全由功率模块所输出的工作电压的高低来控制，功率模块输出的电压越低，压缩机运转频率及输出功率也就越低。功率模块内部是由三组（每组两个）大功率的开关三极管组成的，其作用是将输入模块的直流电压通过三极管的开关作用，转变为驱动压缩机的三相交流电源。功率模块输入的直流电压（P、N之间）一般为260～310V，而输出的电压一般不应高于220V。如图7-16所示为新科KFR-32GWA/BP变频功率电路板实物图。如图7-17所示为新科KFR-32GWA/BP变频功率电路板内部电路结构。

一般IPM模块有4种封装形式：内置一单元IGBT的单管封装，内置两单元IGBT的双管封装，内置六单元IGBT的六管封装，内置六单元IGBT组成的三相全桥和一个泄放管的七管封装。

（3）电源板　电源板将市电通过桥式整流、滤波、稳压以后得到直流电流供给IPM模块，逆变输出频率可变的三相交流电供给变频压缩机。电源板一般由整流滤波电路、保护电路（欠压、过流等保护）、强电滤波电路等电路组成，如图7-18所示为格兰仕变频空调室外机电源板实物。

（4）室内板和室外主控板　它们是整个系统的灵魂和核心，分别采用了两块单片机，随着科学技术的发展，现在的控制器件则普遍采用了数字信号处理器（DSP）来处理各种输入的指令信号（如房间的设定温度）和反馈信号（如房间的实际温度），使控制更加准确和可靠，因此，这种变频空调，有人称为“数字变频空调”。变频空调室内机电路板实物如图7-19所示，室外机主控板实物如图7-20所示。

① 室外机控制系统主要作用是：完成变频三相电源的控制算法，得到六路PWM波形，驱动IPM中电力电子器件的通断；接收室内通信，综合分析室内环境温度、室内设定温度、室外环境温度等因素，对压缩机变频调速控制；根据系统需要，控制室外风扇、四通阀、压缩机电加热等负载；采集排气、管温、电压、电流、压缩机状态等系统参数，判断系统在允许的工作条件内是否出现异常。

变频空调器室外控制电路一般可分为三大部分：室外主控板、室外电源电路板、IPM变频模块组件（图7-21）。电源电路板完成交流电的滤波、保护、整流、功率因数调整，为变频模块提供稳定的直流电源。主控板执行温度、电流、电压、压缩机过载保护、模块保护的检测，压缩机，风机的控制，与室内机进行通信，计算六相驱动信号，控制变频模块。变频模块组件输入310V直流电压，并接受主控板的控制信号驱动，为压缩机提供运转电源。

② 室内机控制系统主要作用：接收用户发来的温度需求信息；采集环温、管温等相关信息并传至室外机；显示各种运行参数和保护状态信息。

变频空调器室内控制电路与定频空调器室内控制电路差别不大，它由电源电路、接收电路、温控电路、单片机（CPU）外围电路、显示驱动电路等组成。变频空调相对定频空调室内电控多一个通信电路，另外风扇速度检测电路中风扇电动机采用直流电动机或交流调速电动机、风扇电动机也常采用晶闸管控制。室内机电气控制框图如图7-22所示（以海信KFR-35GW/77ZBP空调器为例）。

3.变频空调通风系统

通风系统也称空气循环系统，它一般由空气过滤器、风道、风扇、出风栅和电动机等组成，它的主要作用是将室内空气吸入空调器内，经滤尘净化后，强制室内、室外热交换器进行热量交换，再将制冷或制热后的空气吹入室内，以达到房间各处均匀降温（升温）的目的。

对室内机组而言，吸入室内的空气，排除制冷或制热的空气，迫使空调的空气在房间流动，以达到设定的温度；对室外机而言，采用排风扇将冷凝器散发的热量快速排向室外，提高热交换能力。通风系统由室内侧风扇电动机、室外侧风扇电动机和过滤网等组成。空调器的风扇电动机由风扇与电动机两部分组成，空调中使用的风扇电动机是低噪声风扇电动机，它的转速是750～1300r/min。室内侧的风扇电动机分为高速、中速、低速三挡速度。

四、变频空调器工作过程 

变频空调器电气原理框图如图7-23所示，室内部分接收遥控器送来的控制信息，并根据室内空气温度、热交换器温度以及室外机送来的状态信息，经过模糊推理，向室外机送出控制信息。室外机根据室内机送来的控制信息，产生SPWM波形，驱动压缩机在相应的频率上运转。在运转控制过程中，随着室外温度的不同、压缩机排气温度的变化以及发热器件温度的变化自动调整运行频率，使压缩机始终处于最佳的运行状态。同时室外机还不断地检测电流、电压的变化，检测短路、过电压、欠压等故障的发生，及时采取保护措施，以保障控制系统的良好运行。

五、变频空调的原理 

变频空调在定频空调的原理基础上，换装了变频压缩机，加装了变频控制器等一系列配套部件。变频控制器通过改变变频压缩机的供电频率，可调节变频压缩机的转速，即：将220V、50Hz的单相交流电转变成为三相变频交流电20～120Hz、40～180V，供给压缩机，通过频率变化来调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢变化控制输出功率的大小，达到控制室温的目的（图7-24）。变频空调不用像定频压缩机那样停了再开、开了再停。

六、变频空调的控制原理 

变频家用空调器的控制原理是：微电脑随时收集室内环境的有关信息与内部的设定值进行比较，经运算处理后输出控制信号，其具体控制原理框图如图7-25所示。室内、室外机的两个单元中都有以微处理器为核心的控制电路，两个控制电路仅用两根电力线和两根信号线（也有用一根信号线另一根用零线代替）进行传输，相互交换信号并控制机组的正常工作。变频家用空调器的微处理器随时收集室内环境的有关信息与内部的设定值进行比较，经运算处理后输出控制信号。

七、变频空调制冷（热）系统的原理 

工作时空调器根据空调房间的需要，自动控制变频器输出频率较高的交流电，使电动机的转速加快，压缩机的制冷量加大，达到快速制冷或制热的目的；相反，当房间的制冷或制热量较小时，压缩机以正常速度或较低速度运转。在压缩机工作过程中，微电脑系统控制变压压缩机的同时，控制电子膨胀阀的开启度，保持适当的制冷剂流量，从而直接改变蒸发器中制冷剂的流量使其状态发生改变，压缩机的转速与膨胀阀的开启度相对应，压缩机的排气量与膨胀阀的供液量相对应，使过热度不至于太大，使蒸发器的能力得到最大限度的发挥，从而使制冷系统实现最高效率的控制。

制冷工作过程（图7-26）：空调器工作时，制冷系统内制冷剂的低压蒸气被压缩机吸入并压缩为高压蒸气后排至冷凝器；同时室外侧风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压高温的制冷剂蒸气凝结为高压液体；高压液体经过过滤器、节流装置（节流装置大多采用电子膨胀阀，而放弃了原有单一的毛细管）降压降温流入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量；同时内侧风扇使室内空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的气体送向室内；如此室内外空气不断循环流动，达到降低温度的目的。

变频式空调系统多以热泵型为主，其热制过程是：利用制冷系统的压缩冷凝器来加热室内空气；空调器在制冷工作时，低压制冷剂液体在蒸发器内蒸发吸热而高温高压制冷剂在冷凝器内放热冷凝；热泵制热通过电磁换向，将制冷系统的吸排气管位置对换；原来制冷工作蒸发器的室内盘管变成制热时的冷凝器，这样制冷系统在室外吸热向室内放热，实现制热的目的。

八、交流变频空调器工作原理 

交流变频空调器的原理（图7-27）是把工频交流电转换为变频交流电，即：将AC 220V/50Hz工频交流电先转换为310V直流电源，为变频器提供工作电压，然后再将直流电“逆变”成脉动的交流电，并把它送到脉冲功率放大器中进行放大，再去驱动压缩机电动机运转，使压缩机电动机的转速随电源频率的变化作相应的变化，从而调节制冷（热）量。

空调器功率模块（称为逆变器更为贴切，又称为变频模块，主要作用是将直流电转换成“可调的脉动交流电”）输出的是可变的交流电源[市电交流→直流（约310V）→可变交流]，功率模块的作用是将直流电转换成任意频率的有效值相当于三相交流电的交流电压信号，并且采用了交流压缩机。同时模块受微处理器送来的控制信号的控制，输出频率可调的交变电源，使压缩机电动机的转速随电源频率的变化作相应的变化来控制压缩机的排量，从而调节制冷量或制热量。

交流变频空调器的工作是压缩机的转速跟随电源频率的变化而作相应的改变，从而控制压缩机的排量，调节制冷量或制热量。

交流变频空调器室内机电路与普通空调器基本相同，仅增加与室外机通信的电路，通过信号线按一定的通信规则与室外机实现通信，信号线通过的一般为+24V或+12V电信号。

室外机电路一般分为三部分：室外主控板、室外电源电路板及逆变模块组件。电源电路板完成交流电的滤波、保护、整流、功率因数的调整，为变频模块提供稳定的直流电源。变频模块组件输入直流电压，并接受主控板的控制信号的驱动，为压缩机提供运转电源。如图7-28所示为交流变频空调器电路组成示意图。

如图7-29所示为交流变频空调器的工作原理框图。

交流变频空调器的工作过程是：室内部分接收遥控器送来的控制信息，并根据室内空气温度、热交换器温度以及室外机送来的状态信息，经过模糊推理，向室外机送出控制信息。室外机根据室内机送来的控制信息，产生SPWM波形，逆变器（在变频的同时也变压，故又称为U/f调频）驱动压缩机在相应的频率和电压上运转。在运转控制过程中，随着室外温度的不同、压缩机排气温度的变化以及发热器件温度的变化自动调整运行频率，使压缩机始终处于最佳的运行状态。同时室外机还不断地检测电流、电压的变化，检测短路、过电压、欠压等故障的发生，及时采取保护措施，以保障控制系统的良好运行。

九、直流变频空调器工作原理 

直流变频空调器的原理（图7-30）是把AC 220V工频交流电经EMI电路后经整流电路转换为310V直流电源，送到变频模块（功率模块），模块受微处理器（CPU）送来的控制信号的控制，模块（主要作用是用来将直流电移相调压，以推动直流电动机）输出受控的直流电源，送至压缩机的直流电动机，通过功率模块输出受控的直流电来控制转速，从而控制压缩机的排量来进行功率的调整。由于压缩机中有氟利昂气体，容易引起火花而爆炸，而有刷电动机容易产生火花，所以在直流变频空调器中大多采用无刷直流电动机。

直流变频空调器由交流变频演变而来，内部采用直流驱动，用改变直流电压的方法来调节压缩机的转速，简单地说就是“变转速”。压缩机使用了直流无刷电动机，转子采用永磁转子，不存在反复磁化转子的弊端，因此使空调更省电、噪声更小。

直流变频空调器的室外机电路一般也分为三部分：室外主控板、室外电源电路板、直流变频模块及其组件（图7-31）。电源电路板完成交流电的滤波、保护、整流、功率因数调整，为变频模块提供稳定的直流电源。变频模块组件输入310V直流电压，并受主控板的控制信号驱动，为压缩机提供运转电源。

如图7-32所示为直流变频空调器电气电路参考图，室内部分接收遥控器送来的控制信号，并根据室内空气温度、热交换器温度以及室外机送来的状态信息，经过模糊推理，向室外机送出控制信息。室外机根据室内机送来的控制信息，经过直流变频模块产生相应的直流电压，驱动直流压缩机产生相应的转速。在运转控制过程中，随着室外温度的不同、压缩机排气温度的变化以及发热器件温度的变化自动调整运行转速，使压缩机始终处于最佳的运行状态。同时室外机还不断地检测电流、电压的变化，检测短路、过电压和欠压等故障的发生情况，及时采取保护措施，以保障控制系统的良好运行。

与交流压缩机不同，直流变频压缩机还要进行换相。直流压缩机电动机每旋转60°/120°便更换导通的绕组，使60°/120°电角度换相，其差别是因绕组排列而不同的，绕组的形式决定换相的间隔。霍尔元器件是实现换相的触发器，它的位置是由绕组的排列位置与相数决定的。对于有霍尔传感器的电动机，60°换相和120°换相只是电角度，对于四极电动机来说，对应的空间角度则分别为30°和60°。

下面以采用无刷直流电动机（如图7-33所示为压缩机无刷电动机实物图）的直流变频空调器为例，介绍其压缩机是怎样进行电动机换相的。

由于无刷直流电动机在运行时，必须实时检测出永磁转子的位置，从而进行相应的驱动控制，以驱动电动机换相，才能保证电动机平稳地运行。实现无刷直流电动机位置检测的方法主要有两种：一是利用电动机内部的位置传感器提供信号；二是检测出无刷直流电动机相电压，利用相电压的采样信号进行运算后得出。由于后一种方法省掉了位置传感器，所以直流变频空调器压缩机大多采用后一种方法进行电动机的换相。

在无刷直流电动机中总有两相线圈通电，一相不通电。一般无法对通电线圈测出感应电压，因此通常以剩余的一相作为转子位置检测信号用线，检测到感应电压，通过专门设计的电子回路转换，反过来给定子线圈施加方波电压，从而实现压缩机电动机的换相。