淺談變頻技術(shù)在家用電器上的應(yīng)用

李玉平

(南陽農(nóng)業(yè)學(xué)校電子工程系，河南南陽473000)

0 引言

目前，變頻空調(diào)器、變頻電冰箱、變頻洗衣機等所采用的變頻調(diào)速技術(shù)，大致分為交流電動機變頻調(diào)速、無刷直流電動機變頻調(diào)速和開關(guān)磁阻電動機變頻調(diào)速等三種類型。

1 交流電動機變頻調(diào)速

1.1 交流電動機變頻調(diào)速多為三相電動機［1］

單相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場呈橢圓形，其對稱性、啟動性能均不如三相電動機，其電磁噪聲和體積都比同功率的三相電動機大;單相異步電動機很難在變頻電源下驅(qū)動運行，這是因為當電源頻率發(fā)生變化時，單相電動機的電容〔移相電容〕值不可能隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，使電動機不能正常運行，所以，變頻調(diào)速的電動機多為三相電動機。

1.2 交流電動機變頻調(diào)速的原理

電工學(xué)告訴我們，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速是與電源的頻率和電壓等有關(guān)，只要改變電源的頻率或電壓，就能改變電動機的轉(zhuǎn)速。要實現(xiàn)交流變頻調(diào)速，可將單相(或三相)交流電整流濾波成直流電，再把直流電接入大功率驅(qū)動模塊(IGPT)逆變成交流電，再按交流電動機繞組的運行規(guī)律去改變功率模塊的導(dǎo)通時間和相位，就能產(chǎn)生一種三相變頻電(其波形為脈沖寬度不同的矩形波)，并使模塊輸出的矩形波中的調(diào)制波按正弦規(guī)律變化(這種方式為脈沖寬度調(diào)制PWM)，也就是使驅(qū)動電動機的電流為正弦波，這就是常見的VVVF變頻電壓型變頻器。

1.3 交流電動機變頻調(diào)速的優(yōu)缺點

交流電動機變頻器性能優(yōu)良，可達到與直流變頻調(diào)速器同樣高的精度，還由于交流異步電動機的普及性和可靠性、交流變頻調(diào)速的歷史較長(以有十多年)等原因。所以交流變頻技術(shù)發(fā)展迅速，其技術(shù)和工藝日臻成熟，其主要不足之處是，交流變頻技術(shù)難度大、成本高、運行可靠性相對直流變頻也較差。

2 無刷直流電動機變頻調(diào)速［2］

無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子是由高性能磁鋼制成的，定子是用電子線路(或用霍爾傳感器)進行換向，換向電路與電子調(diào)速電路為一體，電子調(diào)速電路通常制作成三相。在變頻調(diào)速電路中進行PWM脈寬調(diào)制，通過改變脈沖波占空比(相當于改變了施加于定子繞組的平均電壓)達到改變電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，無刷直流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)性能完善優(yōu)良、運行可靠、成本相對交流變頻器低。但由于無刷直流電動機生產(chǎn)的歷史較短，其技術(shù)和工藝還有待于進一步完善，現(xiàn)只限于1 kW以下的小功率電動機，故在家用電器領(lǐng)域正好能夠發(fā)揮它的優(yōu)越性。

3 開關(guān)磁阻電動機變頻調(diào)速［3］

同無刷直流電動機一樣，開關(guān)磁阻電動機也是隨著電力電工技術(shù)、電動機制造技術(shù)、電動機控制技術(shù)以及控制理論的不斷完善，于近幾年逐步發(fā)展成熟的一種新型電動機，它為雙凸極結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，是由硅鋼片疊壓而成，其定子各極上繞有集中繞組，徑向相對的繞組串聯(lián)，即構(gòu)成一相。其運行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。采用開關(guān)磁阻電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，具有優(yōu)良的調(diào)速性能，并且兼有交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點。開關(guān)磁阻電動機本身結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單(包括其電子驅(qū)動控制系統(tǒng))，成本低，易于規(guī)模化生產(chǎn)。開關(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)矩脈動較大、噪聲較高(相對于直流無刷電動機)的缺陷，可以通過對電動機的優(yōu)化設(shè)計、工藝改進加以改善。采用開關(guān)磁阻電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的家用電器總體性能好，性價比適中。

4 變頻技術(shù)在家用電器上的應(yīng)用

采用變頻調(diào)速技術(shù)控制家用電器的電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，具有常規(guī)控制所沒有的許多特點。

4.1 變頻技術(shù)在洗衣機上的應(yīng)用

變頻洗衣機比模糊型(智能型)洗衣機的功能更具有人性化，其各項技術(shù)參數(shù)的選擇空間更大，使采用常規(guī)控制所不能實現(xiàn)的洗衣程序成為可能(如水位與水流、轉(zhuǎn)速/節(jié)拍/時間的優(yōu)化組合等)。實現(xiàn)了多種洗滌方式:如全能洗、無級變速，其洗滌轉(zhuǎn)速可在30 r/min～180 r/min之間連續(xù)調(diào)節(jié)，其脫水轉(zhuǎn)速可在300 r/min～800 r/min之間任意調(diào)節(jié);節(jié)能洗:由于采用了直流變頻電動機，其效率高達90%(普通型交流電動機僅為40% ～50%)。變頻洗衣機設(shè)有多擋水位(如小天鵝變頻洗衣機設(shè)有10擋水位，而普通全自動洗衣機一般只有2～3擋水位)，用水多少可通過洗衣機的模糊測試精確調(diào)節(jié)(也可人為進行調(diào)節(jié))，做到了真正意義上的“精打細算”。在洗滌過程中，水位(水量)可根據(jù)不同洗滌過程自動調(diào)節(jié)，可最大限度地節(jié)水;靜音洗滌:洗衣機的噪聲國際規(guī)定<75 dB，而變頻洗衣機脫水噪聲最大僅為60 dB，其靜音洗滌/脫水程序的平均噪聲則更低。

變頻洗衣機的電動機采用直流變頻，其突出優(yōu)點在于效率高、噪聲低、控制精確，是家用電器驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的趨勢。

4.2 變頻技術(shù)在空調(diào)上的應(yīng)用

變頻空調(diào)是在空調(diào)器上增加了變頻器。變頻空調(diào)器中的單片機隨時將室內(nèi)環(huán)境的有關(guān)信息與其內(nèi)部所設(shè)定值進行比較，經(jīng)運算處理后輸出控制信號。交流變頻空調(diào)器的工作原理是把50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，再把它送到功率模塊，模塊同時還受到來自單片機的信號控制，輸出頻率可調(diào)的電壓(矩形波)，使壓縮機電動機的轉(zhuǎn)速隨電源頻率的變化而變化，從而控制壓縮機的排量，調(diào)節(jié)了制冷量或制熱量，也使空調(diào)器更省電，噪聲更低。

變頻器能連續(xù)無級控制壓縮機電動機的轉(zhuǎn)速，而壓縮電動機的轉(zhuǎn)速是根據(jù)室內(nèi)空調(diào)負荷而變化的，當室內(nèi)需要快速降溫或升溫、室內(nèi)空調(diào)負荷加大時，壓縮機就加速運轉(zhuǎn)，制冷量或制熱量就成比例增加，當達到所設(shè)定溫度時，隨即處于低速運轉(zhuǎn)以維持室溫基本穩(wěn)定。

變頻空調(diào)器的節(jié)流是運用電子膨脹閥控制流量的方式，以使變頻壓縮機的優(yōu)越性得以充分發(fā)揮。

變頻空調(diào)器將取代傳統(tǒng)的定轉(zhuǎn)速空調(diào)器，變頻技術(shù)從PWM(脈沖寬度調(diào)制)向PAM(脈沖幅度調(diào)制)方向轉(zhuǎn)化，這是空調(diào)器技術(shù)發(fā)展的趨勢。

5 結(jié)束語

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，不斷開發(fā)出新一代更高檔的家電產(chǎn)品，以滿足和適應(yīng)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。變頻家電不僅具有明顯的節(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，近年來各廠商都在競相開發(fā)變頻家電產(chǎn)品。

［1］原魁.變頻器基礎(chǔ)應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］王占奎.交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1995.

［3］宋書中.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.