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变频调速原理及在家电中的应用

哈尔滨工业大学深圳研究生院 白清利

变频调速技术的发展回顾
随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，变频调速技术已被广泛的应用到电机控制领域。功率器件的更新换代促使了电力变换技术的不断发展。从20世纪60年代后期开始，电力电子器件经历了从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的转变过程。与此同时，变频调速控制技术也发生了由VVVF变频、矢量控制变频到直接转矩控制变频的转变过程。
20世纪70年代，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速的研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。欧、美、日等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此，人们又研究出矢量控制变频调速。

矢量控制变频调速的实现方法为：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1。其中Im1相当于直流电动机的励磁电流 ；It1相当于与转矩成正比的电枢电流。然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制方法的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算 ；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。

变频调速基本原理

三相异步电动机的转速公式为:

n = n1 (1-s)=60f(1-s)/p (1)

式中:
n — 电机的转速，r/min
n1 — 同步转速，r/min
p — 磁极对数
s — 转差率，%
f — 频率，Hz

由转速公式（1）可知, 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽(10%～100%)和精度高等性能，节电效果20%～30%。
实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即：

U∝E=C1fΦ （2）

式（2）中，C1为常数，因此有：

Φ∝E/f≈U/f （3）

若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速(VVVF)，简称变频调速。

从结构上看，静止变频调速装置可分为交-直-交变频、交-交变频两种方式。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。只要设法改变三相交流电动机的供电频率f, 就可以十分方便地改变电机的转速n, 比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。特别是近二十多年来,静态电力变频调速器突飞猛进的发展,使得三相交流电机变频调速成为当前电机调速的主流。

变频器的构成

异步电机的变频调速是通过变频器实现的。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器(MCU/DSP)等部分组成。图1给出了PWM型交-直-交变频器的控制原理框图。

PWM型交-直-交变频器原理框图
由图1可知，这是一个VVVF变频调速系统。首先是将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后形成幅值基本稳定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f的协调控制的要求。PWM的优点是能消除与抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，调速范围宽。近年来，带驱动和保护电路的各种智能功率模块(IPM)也相继应用在变频系统中。IPM模块是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上，它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快便可以组成并运行系统，从而大大加快了新产品的开发周期。

变频调速技术在家电中的应用

通常，家用电器用得最多的是单相异步电动机，靠电容或电阻分相。电机在工作时常处于短时重复状态(开/停)，如空调、冰箱等。这样势必带来起动频繁、噪声大、电机寿命短、温度稳定性差以及能耗高等一系列弊端。 变频技术的发展促进了家用电器的变频化，变频家用电器具有省电节能、舒适、寿命长、安全可靠、静音化等优点。20世纪70年代，在欧美等发达国家率先将变频技术应用到空调、微波炉、电冰箱、洗衣机等家电产品中，从而给家电产业带来了一场新的革命。

首先是空调，空调器应用变频技术后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果相对于异步电动机变频又提高了约10%-15%。为进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM+PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持U/f为一定 ；当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWM控制时有较大幅度的提高。

其次是电冰箱，由于它处于全天工作，功耗及噪声问题严重。采用变频制冷后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机起动引起的噪声，节能效果更加明显。目前，日本中高档冰箱中95%以上采用了变频技术，欧美等发达国家也在大力推广普及变频冰箱。但在国内市场，由于技术和成本原因使变频冰箱迟迟无法大批量生产和在市场推广。海尔在1998年开发出国内第一台变频冰箱后，经过几年的不懈努力，依靠整合全球化资源，与日本三洋株式会社合作，在中国投产建立了最新一代的三相直流变频压缩机工厂，由此改写了国内企业进口变频压缩机的历史，也使变频冰箱可低成本大批量生产，使变频冰箱更加贴近于寻常百姓。2004年，一款208L的变频冰箱日耗电只有0.29度，上市几个月便占据了全国3500元以上高档冰箱最畅销前5个型号中的2个席位，得到广大用户的一致认可。

变频洗衣机变频波轮式洗衣机于20世纪90年代初最先由日本三菱公司推出，随后新西兰公司也推出了变频搅拌式洗衣机。目前欧洲和日本研制的变频滚筒式洗衣机也已经大量进入市场。变频洗衣机具有三大特点：一是提高了洗涤效果。由于采用直接驱动式变频电机，其洗涤、脱水速度可调，可以针对不同衣物的质地确定不同的洗涤脱水速度。同时，在洗涤桶和波轮低速转动时也能产生大转矩。采用电磁制动器，可实现反向高速转动，同时可根据洗涤物的种类、数量、脏污程度，选择水流，使衣物的洗净率和磨损率达到最佳效果。二是节能。变频洗衣机效率高，过去的洗衣机电机的效率仅为40%～50%，而直流变频洗衣机的效率可达到80%以上，从而实现节约能源。三是噪声低、振动小。这是因为直流变频电机的电磁噪声要小于单相感应电机，同时改机械传动为直接传动，使齿轮、皮带、电磁噪声及脱水振动得到有效控制。如日本夏普公司开发的ES-A80E型变频洗衣机，其洗涤噪声仅为28dB，脱水噪声为40dB，脱水振动减少一半，与8年前该公司的ES-B55机型（耗电260Wh）相比，现在的ES-A80E机型(耗电85Wh)的耗电约为老机型的1/3。无锡小天鹅公司是我国最早开发变频洗衣机的厂家。该公司生产的“变频王”洗衣机，采用先进的无刷直流变频电机进行变频调速控制，洗涤转速和节拍可同时改变，速度控制灵活，可洗涤从丝绸到牛仔不同质地的所有衣物，根据衣物质地选择不同脱水转速，从而达到高洗净、低磨损、免缠绕的效果。其低噪声和高效节能表现在平均脱水噪声在59dB(A)以下，比普通洗衣机下降10dB(A)。特设的静声程序，噪声在55dB(A)以下。直流变频电机寿命比传统的感应电机延长200%，而能耗降低50%。

另外，变频技术也被应用到电磁炉、电饭煲等其他家电以及照明系统中，成为家电业的一个崭新的亮点。目前，我国制造的变频家电大多数都是交流变频产品。如变频空调，2004年度中国空调市场总结报告显示， 2004年变频空调产品的总销量达到了195万台左右，总体市场占有率达到了7.93%，比去年微幅上升了近1.6个百分点。有业内人士预计，今年变频空调的市场占有率将达到20%。

变频技术正在给形形色色的家电带来新的革命，并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。另外，变频技术应用中带来的谐波、电磁干扰和电源系统功率因数下降等问题也必将得到逐步解决。