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變頻壓縮機是指相對轉(zhuǎn)速恒定的壓縮機而言，通過一種控制方式或手段使其轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，能連續(xù)改變輸出能量的壓縮機。
傳統(tǒng)空調(diào)壓縮機依靠其不斷地“開、停”來調(diào)整室內(nèi)溫度，其一開一停之間容易造成室溫忽冷忽熱，并消耗較多電能。變頻空調(diào)則依靠空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速的快慢達
運用變頻控制技術(shù)的變頻空調(diào)，可根據(jù)環(huán)境溫度自動選擇制熱、制冷和除濕
變頻空調(diào)的核心是變頻器。變頻器是20世紀80年代問世的一種高新技術(shù)，它通過對電流的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)電動機運轉(zhuǎn)頻率的自動調(diào)節(jié)，把50Hz的固定電網(wǎng)頻率
變頻空調(diào)通過提高空調(diào)壓縮機工作頻率的方式，增大了在低溫時的制熱能力，最大制熱量可達到同類空調(diào)器的
變頻空調(diào)在每次開始啟動時，先以最大功率、最大風量進行制熱或制冷，迅
基于上述原因，變頻空調(diào)，也受到了大型賓館、商廈的青睞。由于以往大型建筑中所用的中央空調(diào)因不能隨氣溫和客流量的變化而自動調(diào)節(jié)負荷，所以耗能多、電
------------------------變頻技術(shù)在家電產(chǎn)品中的應用探討---------------------------------------
摘要：
一、引言
通常，家用電器用得最多的是單相異步電動機，靠電容或電阻來分相。電機在工作時常處于短時重復狀態(tài)（開／停），如空調(diào)、冰箱等。這樣勢必帶來起動頻繁、噪聲大、電機壽命短、溫度穩(wěn)定性差以及能耗高等一系列弊端。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們對家電產(chǎn)品提出了更高的消費要求。為此廠家們無不絞盡腦汁，不斷開發(fā)出新一代更高檔的家電產(chǎn)品，以滿足和適應不同消費階層的生活追求，變頻家電就是新一代家用電器發(fā)展趨勢之一。它不但給這些家電產(chǎn)品帶來功能的增加、性能的改善，而且具有明顯的節(jié)能效果和降噪效果，同時使整機壽命較傳統(tǒng)家電有明顯提高。因此，近年來各國家電廠商都在競相開發(fā)變頻家電產(chǎn)品。
變頻家電分交流變頻和直流變頻兩類。交流變頻家電是指采用三相感應電機的產(chǎn)品，而直流變頻家電是指采用三相直流無刷電機的產(chǎn)品。兩者相比，后者能較比高，尺寸也比較小，但價格卻比前者高出許多。目前，我國制造的變頻家電大多數(shù)都是交流變頻產(chǎn)品。以變頻空調(diào)來說，2001年我國變頻空調(diào)的產(chǎn)量預計可達200萬臺，比去年上升7％，其中交流變頻空調(diào)占總量的90％以上。目前，越來越多的家電OEM開始涉足變頻家電領域。海信放棄定速空調(diào)產(chǎn)品，全線變頻；海爾、格力、科龍、春蘭、長虹相繼進入變頻空調(diào)領域。2000年4月，科龍首推變頻冰箱，改寫了被業(yè)內(nèi)人士譽為“最成熟、最穩(wěn)定”的冰箱業(yè)市場格局。同年5月，小天鵝公司率先研發(fā)的直流變頻洗衣機亮相京城各大市場┄┄。至此“變頻”與家電廠結(jié)緣，成為家電業(yè)的一個嶄新的亮點，變頻技術(shù)亦成為最具有發(fā)展前景的焦點技術(shù)。
二、異步電機變頻調(diào)速原理
異步電機調(diào)速有許多方法，如變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速等。前兩種轉(zhuǎn)差損耗大，效率低，對電機特性來說都有一定的局限性。
變頻調(diào)速是通過改變定子電源變頻率來改變同步頻率實現(xiàn)電機調(diào)速的。在調(diào)速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效、調(diào)速范圍寬（10－100％）和精度高等性能。節(jié)電效果在20％－30％。
變頻調(diào)速分為兩種方法：（1）交－直－交變頻，（2）交－交變頻。前者適用于高速小容量電機，后者適用于低速大容量拖動系統(tǒng)。
從異步電機的轉(zhuǎn)速公式得知：
n=60f/p·(1-s)=n
式中：
從上式可以看出，改變電源頻率就可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)速。又由異步電機的電勢公式知道，外加電壓近似地與頻率和磁通的乘積成正比。即：
U∝E≈C
式中：
φ
若外加電壓不變，則磁通
三、變頻器的構(gòu)成與工作原理
前已所述，異步電機的變頻調(diào)速原理主要是通過改變電源頻率來進行的。這一功能通常是通過變頻器來實現(xiàn)的，變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動電路、保護電路以及控制器（MCU／DSP）等部分組成。圖1給出了PWM型交－直－交變頻器的控制原理框圖。由圖可知，這是一個VVVP變頻調(diào)速系統(tǒng)。首先是將單相或三相交流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對U/f的協(xié)調(diào)控制的要求。PWM的優(yōu)點是能消除與抑制低次諧波，使負載電機在近似正弦波的交變電壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，調(diào)速范圍寬。
近年來帶驅(qū)動和保護電路的智能功率模塊（IPM）相繼面市。IPM是將三相逆變IGBT、驅(qū)動電路以及保護電路集成在一塊芯片上，它的出現(xiàn)推動了變頻家電市場的啟動和發(fā)展。新型IPM模塊甚至將開關(guān)電源也設計在模塊內(nèi)，更加
四、變頻技術(shù)在家電中的應用
?。?）變頻洗衣機
變頻波輪式洗衣機于90年代初最先由日本三菱公司推出，隨后新西蘭公司也推出了變頻攪拌式洗衣機。目前歐洲和日本正在研制變頻滾筒式洗衣機。變頻洗衣機具有三大特點：一是提高洗衣效果。由于采用直接驅(qū)動式變頻電機，其洗滌、脫水速度可調(diào)，可以針對不同衣物的質(zhì)地確定不同的洗滌脫水速度。同時，在洗滌桶和波輪低速轉(zhuǎn)動時也能產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩。采用電磁制動器，可實現(xiàn)反向高速轉(zhuǎn)動。同時可根據(jù)洗滌物的種類、數(shù)量、臟污程度，選擇水流，使衣物的洗凈率和磨損率達到最佳效果。二是節(jié)能。變頻洗衣機效率高，過去的洗衣機電機的效率僅為40％－50％，而直流變頻洗衣機的效率可達到80％以上，從而實現(xiàn)節(jié)約能源。三是噪聲低、振動小。這是因為直流變頻電機的電磁噪聲要小于單相感應電機，同時改機械傳動為直接傳動，使齒輪、皮帶、電磁噪聲還脫水振動得到有效控制。如日本夏普公司開發(fā)的ES－A80E型變頻洗衣機。其洗滌噪聲為28dB。脫水噪聲為40dB，脫水振動減少一半，與8年前該公司的ES－B55機型相比，現(xiàn)在的ES－A80E機型的耗電約為老機型的三分之一。
無錫小天鵝公司是我國最早開發(fā)變頻洗衣機的廠家。該公司去年面市的“洗衣機”，采用先進的無刷直流變頻電機進行無級調(diào)速以及PWM變頻控制技術(shù)，洗滌轉(zhuǎn)速和節(jié)拍可同時改變，速度控制靈活，可洗滌不同質(zhì)地的所有衣物，根據(jù)衣物質(zhì)地選擇不同脫水轉(zhuǎn)速，從而達到高洗凈、低磨損、免纏繞的效果。其低噪聲和高效節(jié)能表現(xiàn)在平均脫水噪聲在59dB（A）以下。比普通洗衣機下降10dB（A）。特設的靜音程序，噪聲在55dB（A）以下。直流變頻電機壽命比傳統(tǒng)的感應電機延長200％，而能耗降低50％。
?。?）變頻空調(diào)
變頻空調(diào)是空調(diào)發(fā)展的大趨勢，與普通空調(diào)相比，變頻空調(diào)在舒適性、靜音、恒溫以及高效運轉(zhuǎn)、延長使用壽命等方面有顯著優(yōu)勢。當提高頻率時，壓縮機便高速旋轉(zhuǎn)，輸出功率增大。反之，降低頻率時，壓縮機的輸出功率減少。因此，變頻空調(diào)可根據(jù)不同的室內(nèi)環(huán)境狀況，以最合適的輸出功率進行運轉(zhuǎn)。而傳統(tǒng)的定速機種，則依靠其不斷地“開、?！眮碚{(diào)整室內(nèi)濕度，其一開一停之間容易造成室溫或冷或熱，并消耗較多能量。變頻空調(diào)則依靠壓縮機轉(zhuǎn)速的快慢達到控制室溫的目的，因而室溫波動小，電能消耗少，其舒適度大大提高。而運用變頻控制技術(shù)的變頻空調(diào)，可根據(jù)環(huán)境溫度自動選擇制熱、制冷和除濕運轉(zhuǎn)方式，使居室在短時間內(nèi)迅速達到所需要的溫度并在低轉(zhuǎn)速、低能耗下以較小的溫差波動，實現(xiàn)快速、節(jié)能和舒適的控溫效果。
據(jù)了解，日本作為變頻空調(diào)的強國，從80年代初就開始將VVVF變頻調(diào)速技術(shù)用于壓縮機電機的控制，目前，變頻空調(diào)已占其市場的90％左右。與此同時，變頻空調(diào)在我國發(fā)展相當快，僅僅不到8年時間，就達到與日本先進水平同步。如我國的海爾集團從1993年開始生產(chǎn)變頻空調(diào)，從最初的單轉(zhuǎn)子變頻壓縮機技術(shù)發(fā)展到今天的運用直流變頻加PAM技術(shù)，將我國的變頻技術(shù)帶到了一個更高的發(fā)展層次，帶動了我國變頻技術(shù)的全面提升。目前，海爾變頻空調(diào)已經(jīng)有了8個系列968種產(chǎn)品，是目前我國變頻空調(diào)規(guī)模最大的生產(chǎn)基地。
?。?）變頻冰箱
變頻冰箱主要是通過變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速，它通過提取冰箱各間室溫度與設定溫度的差值，作為連續(xù)控制信號輸入到變頻器中，從而實現(xiàn)自動改變輸出交流電頻率的目的。這樣，在維持冰箱于設定溫度穩(wěn)定運轉(zhuǎn)過程中，壓縮機基本維持著連續(xù)的低速運轉(zhuǎn)，與傳統(tǒng)依靠通斷調(diào)節(jié)的定速機種相比，可明顯延長壓縮機的使用壽命，從而達到節(jié)能、省電的目的，使冰箱處于最佳效率狀態(tài)下運行。如東芝公司生產(chǎn)的GR－356M12變頻冰箱，采用PWM變頻器，整個系統(tǒng)在工頻電源起動之后，通過變頻器快速運轉(zhuǎn)，然后進行工頻電源運轉(zhuǎn)或者變頻器運轉(zhuǎn)。壓縮機由3個傳感器和過載繼電器保護；可以防止過流，還可以防止溫度異?；蜻B續(xù)變頻運轉(zhuǎn)引起的工質(zhì)蒸發(fā)不充分而產(chǎn)生的低效率液體壓縮現(xiàn)象。美國Danfoss公司開發(fā)的TLV型可調(diào)速壓縮機，其內(nèi)置的電機控制裝置可將壓縮機的轉(zhuǎn)速從4500r/min降到2000r/min，節(jié)能40％，并可降5dB(A)。
?。?）變頻微波爐
變頻微波爐代表了世界微波爐的發(fā)展方面，具有很高的技術(shù)含量。變頻微波爐是以變頻器代替了傳統(tǒng)的微波爐內(nèi)變壓器，變頻器通過變頻電路可以將50Hz的電源頻率任意地轉(zhuǎn)換成2000－4500Hz的高頻率，通過改變頻率來得到不同的輸出功率，解決了傳統(tǒng)微波爐通過對恒定輸出功率反復開／關(guān)進行火力調(diào)控而使食物加熱不均勻的弊端，實現(xiàn)了真正意義上的均勻火力調(diào)控，經(jīng)烹飪的食物不僅口感好，而且營養(yǎng)保存更多。除此以外，與傳統(tǒng)微波爐相比，變頻微波爐還具有機身輕巧、噪聲小、烹飪速度快、用電省等優(yōu)點。如日本松下新近推出的NN－V691JFS微波爐，由于采用了變頻電源系統(tǒng)，烹飪時間縮短了近50％，同樣由于變頻技術(shù)的采用，縮小了變壓器的體積，使機身重量減輕了30％，而有效空間增大了20％以上。
此外，變頻技術(shù)在自動真空吸塵器、剃須刀、電飯鍋、電磁灶、彩電等家電產(chǎn)品也獲得了重要的應用。
五、變頻技術(shù)的發(fā)展方向
?。?）交流變頻向直流變頻方向轉(zhuǎn)化
直流變頻是以數(shù)字轉(zhuǎn)換電路代替交流變頻中的交流轉(zhuǎn)換電路，使負載電機始終處于最佳運行狀態(tài)。它摒棄了交流變頻技術(shù)的交流－直流－交流－變轉(zhuǎn)速方式交流電機的循環(huán)工作方式，采用先進的交流－直流－變轉(zhuǎn)速方式數(shù)字電機的控制技術(shù)，無逆變環(huán)節(jié)，因而減少電流在工作中轉(zhuǎn)變次數(shù)，使電能轉(zhuǎn)化效率大大提高，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，平穩(wěn)安靜高效地運轉(zhuǎn)。同時，避免了交流變頻電機電磁噪聲較大的缺點，噪聲更加低。
?。?）控制技術(shù)由PWM（脈寬調(diào)制）向PAM（脈幅調(diào)制)方向發(fā)展
采用PWM控制方式的電機轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)速的限制。如對壓縮機來講，一般不超過7000r/min。而采用PAM控制方式的壓縮機轉(zhuǎn)速可提高1.5倍左右，這樣大大提高了快速制冷和制熱能力。同時，由于PAM在調(diào)整電壓時具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面也有著PWM無法比擬的優(yōu)越性，可抑制高次諧波的生成，減小對電網(wǎng)的污染。
?。?）功率器件向高集成智能功率模塊發(fā)展
雖然單個功率器件的效率越來越高，控制簡化，但電的復雜性給生產(chǎn)和測試帶來不便。智能功率模塊（IPM）是將功率器件的配置、散熱乃至驅(qū)動問題在模塊中解決，因而易于使用，可靠性高。以變頻空調(diào)為例，我國的變頻空調(diào)幾乎100％采用IPM方式。
------------------------------變頻器基本電路圖----------------------------------------------------
目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交—直—交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，其主回路圖（見圖1.1），它是變頻器的核心電路，由整流回路（交—直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直—交變換）組成，當然還包括有限流電路、制動電路、控制電路等組成部分。
1）整流電路
如圖1.2所示，通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當電源電壓為三相380V時，整流器件的最大反向電壓一般為1200—1600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。
2）濾波電路
逆變器的負載屬感性負載的異步電動機，無論異步電動機處于電動或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動機之間，總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進行濾波的作用。
通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因為電解電容器容量有較大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會嚴重制約變頻器的壽命。
3）逆變電路
逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。
最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個功率開關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關(guān)器件的導通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。
通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護電路及驅(qū)動電路。如三菱公司生產(chǎn)的IPMPM50RSA120，富士公司生產(chǎn)的7MBP50RA060，西門子公司生產(chǎn)的BSM50GD120等，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測保護功能。模塊的典型開關(guān)頻率為20KHz，保護功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時輸出故障信號燈。
逆變電路中都設置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當頻率下降時，異步電動機的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動機的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當位于同一橋臂上的兩個開關(guān)，同時處于開通狀態(tài)時將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實際的通用變頻器中還設有緩沖電路等各種相應的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時，對換流器件進行保護。
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