淺析變頻技術(shù)與變頻空調(diào)

1、PAGE PAGE - 9 -淺析變頻技術(shù)與變頻空調(diào)摘要 : 本文介紹了變頻器的基本工作原理,結(jié)合變頻空調(diào)器的技術(shù)現(xiàn)狀，從交流變頻空調(diào)器,直流變頻空調(diào)器兩個(gè)方面的變頻基本原理對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了探討。 關(guān)鍵詞 : 變頻器；變頻空調(diào)器，變頻調(diào)速系統(tǒng),變頻壓縮機(jī)。引言： 近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的改進(jìn)及功率半導(dǎo)體器件價(jià)格的降低，變頻調(diào)速越來(lái)越被生產(chǎn)生活所使用。在眾多家用電器中，空調(diào)器是一個(gè)耗電大戶(hù)，空調(diào)器的節(jié)能是每個(gè)消費(fèi)者都十分關(guān)心的問(wèn)題。變頻空調(diào)器由于具有“很好的節(jié)能效果”，雖然其價(jià)格要比普通空調(diào)器（即定速空調(diào)器）高，還是贏得了許多消費(fèi)者的青睞。如何選

2、擇性能好的變頻器應(yīng)用到節(jié)能控制中，是我們專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員共同追求的目標(biāo)。下面結(jié)合作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)談?wù)勛冾l器的工作原理和控制方式以及變頻空調(diào)器的控制結(jié)構(gòu)原理。 = 1 * CHINESENUM3 一 、 變頻技術(shù)介紹： = 1 * GB1 變頻器的基本概念 ：變頻技術(shù)是應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而產(chǎn)生的。變頻器是通過(guò)對(duì)電力半導(dǎo)體器件(如IGBT)等的通斷控制，將電壓和頻率固定不變的交流電工頻電源，變換為電壓和頻率可變的交流電的電能控制裝置，為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC），我們把實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的裝置稱(chēng)為“變

3、頻器”（inverter）。 對(duì)于交直交型的變頻器來(lái)說(shuō)，為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率。 首先要把工頻 (50Hz或60Hz)的交流電源，變換為直流電(DC)再轉(zhuǎn)換成各種頻率(0Hz 50Hz、0Hz 60Hz 及 0Hz 400Hz )的交流電，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。 = 2 * GB1 變頻器的結(jié)構(gòu)： 變頻器通常包括：整流電路、中間直流電路、平波電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路等幾大部分，其中控制電路完成對(duì)主電路的控制。整流電路將交流電變換成直流電 ，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。 = 1 * GB2 交直部分： = 1 * GB3 整流:由三相整

4、流橋組成，將電源的三相交流電全波整流成直流電 。在電源的線電壓為380V(AC)的情況下，三相全波整流后直流電壓為513V，峰值直流電壓為537V。 = 2 * GB3 濾波:濾波電路由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組再由兩個(gè)或兩個(gè)以上的電容器組串聯(lián)而成，使直流電壓保持平穩(wěn)。 = 3 * GB3 限流電阻: 減少?zèng)_擊電流,保護(hù)三相整流橋的二極管。 = 2 * GB2 直交部分： = 1 * GB3 逆變: 電路主要包括逆變模塊和驅(qū)動(dòng)電路。 = 1 * GB4 逆變模塊與逆變橋： 常見(jiàn)的低壓變頻器通常由IGBT = 1 * GB3 (逆變管)組成逆變橋,根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，把整流所得的直流電再逆變成頻

5、率可調(diào)的交流電,這是變頻器實(shí)現(xiàn)變頻的具體執(zhí)行環(huán)節(jié),也是變頻器的核心部分。 = 2 * GB4 驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路作為逆變電路的一部分,對(duì)變頻器的三相輸出有著巨大的影響。驅(qū)動(dòng)電路一般有:分立插腳式元件驅(qū)動(dòng)電路、光耦驅(qū)動(dòng)電路、后膜驅(qū)動(dòng)電路、專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)電路。其中光耦驅(qū)動(dòng)電路是現(xiàn)代變頻器設(shè)計(jì)時(shí)廣泛采用的一種驅(qū)動(dòng)電路。 = 2 * GB3 續(xù)流二極管: 逆變橋中每只逆變管旁都有一只續(xù)流二極管,其主要作用是為無(wú)功電流返回直流電源時(shí)提供“通道”,也為在同一橋臂的兩個(gè)逆變管交替導(dǎo)通和截止的換相過(guò)程中提供“通道”。 = 3 * GB3 制動(dòng)：包括制動(dòng)電阻和制動(dòng)控制單元。 = 1 * GB4 制動(dòng)電阻:電動(dòng)機(jī)在

6、工作頻率急速下降時(shí),被拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能要反饋到變頻器的直流回路中,使直流電壓不斷上升,可能達(dá)到危險(xiǎn)地步。因此必須將再生到直流回路的能量消耗。制動(dòng)電阻就是用來(lái)消耗再生能源的。 = 2 * GB4 制動(dòng)單元: 由GTR = 2 * GB3 或IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成開(kāi)關(guān)作用,為再生能源流經(jīng)制動(dòng)電阻提供通路. = 3 * GB2 變頻器控制回路的構(gòu)成：現(xiàn)在在用的變頻器其本上用16位,32位單片機(jī)或DSP為控制核心來(lái)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制的。對(duì)變頻器的輸出和頻率的調(diào)節(jié)提供控制信號(hào)的電路稱(chēng)為主控電路。主控電路主要有:頻率；電壓的運(yùn)算控制；主電路的電壓、電流檢測(cè)及電動(dòng)的速度檢測(cè)電路等構(gòu)成。其中，運(yùn)算控制電路一方面

7、接受檢測(cè)信號(hào),另一方面又發(fā)出控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路,并由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。整流逆變?yōu)V波電壓采樣控制電源驅(qū)動(dòng)電路電流采樣鍵盤(pán)主控電路限流電阻。CRSTUVW制動(dòng)外接輸入外接輸出 = 3 * GB1 交直交變頻器的控制方式：目前變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制方式大體可分為U/f恒定控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，非線性控制。在這里具體介紹一下U/f恒定控制方式。 = 1 * GB2 U/f= = 3 * GB3 的正弦脈寬調(diào)制（SPWM ）的控制方式： = 1 * GB3 U/f恒定控制是在改變電動(dòng)機(jī)電源頻率的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)電源的電壓，使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍

8、內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的效率，功率因素不下降。這種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法我們稱(chēng)為VVVF控制，因?yàn)槭强刂齐妷号c頻率之比，簡(jiǎn)稱(chēng)為U/f控制。 = 2 * GB3 變頻空調(diào)器是通過(guò)對(duì)PWM（Plue-Width Modulation,脈寬調(diào)制）的技術(shù)在逆變器中的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)v/f變頻控制。由于PWM輸出的電壓波形和電流波形都是非正弦波，具有很多高次諧波成分，這樣使的電動(dòng)機(jī)的能量不能充分選用，增加了損耗。為了使輸出的波形接近與正弦，提出了正弦脈寬調(diào)制（SPWM）。 = 3 * GB3 所謂SPWM，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖序列的占空比按照正弦波的規(guī)律進(jìn)行，即當(dāng)正弦波幅值為最大時(shí)，脈沖的寬度也最大，當(dāng)正弦波幅

9、值為最小時(shí)，脈沖的寬度也最小。這樣，輸出的電動(dòng)機(jī)的脈沖序列就可以使得負(fù)載中的電流高次諧波成分大為減少，從而提高了電動(dòng)機(jī)的效率。SPWM波形的特點(diǎn)概括起來(lái)就是“等幅不等寬，兩頭窄中間寬”。 = 2 * GB2 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式： 它是以三相波形整體生成效果為前提，一逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以?xún)?nèi)切多邊行逼近圓的方式進(jìn)行控制的。 = 3 * GB2 轉(zhuǎn)差頻率控制： 它是施加與電動(dòng)機(jī)的交流電源頻率與電動(dòng)機(jī)速度的差頻率。轉(zhuǎn)差頻率控制就是通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩和電流。需要檢測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動(dòng)機(jī)的速

10、度與轉(zhuǎn)差頻率之和做為變頻器的給定頻率。 = 4 * GB2 矢量控制方式：矢量控制，也稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。 = 5 * GB3 直接轉(zhuǎn)矩控制：直接轉(zhuǎn)矩控制不是通過(guò)控制電流。磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是直接把轉(zhuǎn)矩作為被控量來(lái)控制。通過(guò)引入定子磁鏈觀察器估算出同步速度信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。 上述的VVVF = 4 * GB3 變頻，矢量控制變頻，直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交-直-交 變頻中的控制方式。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因素低，諧波電流大，直流電路需要大的蓄能電容，再生能源不能反饋回電網(wǎng)，只能通過(guò)制動(dòng)單元消耗掉。 = 2

11、 * CHINESENUM3 二、 在前面講述了變頻器的基本結(jié)構(gòu)以及控制方式后，接下來(lái)結(jié)合變頻技術(shù)，詳細(xì)分析變頻空調(diào)器的工作原理。 = 1 * GB1 交流變頻空調(diào)器的基本原理：變頻控制器的原理框圖如圖（B）所示，它主要由以下部件組成：整流器，濾波器，功率逆變器。變頻器中的電腦控制系統(tǒng)，對(duì)各取樣點(diǎn)傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析處理，并經(jīng)內(nèi)部波形產(chǎn)生新的控制信號(hào)，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大去控制變頻開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的模擬三相交流電壓，供給壓縮機(jī)。交流電源220/50HZ直流電310v左右變頻交流電40-180v 20-120hz變頻壓縮機(jī) = 1 * GB2 整流濾波原理：整流器是將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電的裝置，采用硅整

12、流器件橋式連接，整流器結(jié)構(gòu)分為單相和三相輸入。一般變頻空調(diào)器電功率在2KW以多采用單相電源輸入，當(dāng)電功率在2KW以時(shí)，多采用三相電源輸入。單相和三相整流電路的不同之處只是在電流中多增加了2個(gè)整流二極管。濾波電路的作用是輸出直流電壓平滑且得到提高，常采用大容量電容器，電容量一般在1500-3000f之間。 = 2 * GB2 功率逆變器原理：在變頻空調(diào)器中，功率逆變器又稱(chēng)為變頻模塊。如圖B所示，變頻空調(diào)器上通常采用6個(gè)IGBT構(gòu)成上下橋式驅(qū)動(dòng)電路。以功率晶體管為開(kāi)關(guān)器件的交-直-交電路中，控制線路使每只功率晶體管導(dǎo)通180度，且同一橋臂上兩只晶體管一只導(dǎo)通時(shí)，另一只必須關(guān)斷。相鄰兩相的元件導(dǎo)通相

13、位差為120度，在任意360度內(nèi)都有三只功率管導(dǎo)通以接通三相負(fù)載。當(dāng)控制信號(hào)輸出時(shí)，A+,A-,B+,B-,C+,C-各功率管分別導(dǎo)通，從而輸出頻率變化的三相交流電使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)際應(yīng)運(yùn)中，多采用IPM（Intelligent Power Module）模塊加上周?chē)碾娐方M成。IPM是一種智能的功率模塊，它將IGBT連同其驅(qū)動(dòng)電路和多種保護(hù)電路封裝在同一模塊內(nèi)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)在變頻空調(diào)常用的IPM模塊有日本的三菱和三洋IPM系列等。 = 2 * GB1 直流變頻器的原理：直流變頻空調(diào)采用了無(wú)刷直流電機(jī)作為壓縮機(jī)，其控制電路與交流變頻控制器基本一樣。直流變頻控制器原理框圖

14、如圖（C）所示。 = 1 * GB2 直流變頻空調(diào)的基本原理： 采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為壓縮機(jī)的空調(diào)器稱(chēng)為“直流變頻空調(diào)”從概念上來(lái)說(shuō)是不確切的，因?yàn)槲覀兌贾乐绷魇菦](méi)有頻率的，也談不上變頻，但這已經(jīng)成為習(xí)慣，對(duì)于采用無(wú)刷直流壓縮機(jī)的空調(diào)器就稱(chēng)之為直流變頻空調(diào)。 = 1 * GB3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與普通的交流電動(dòng)機(jī)或有刷電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別在于其轉(zhuǎn)子是由稀土材料制成的永久磁鋼，定子采用整距集中繞線，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是把普通直流電動(dòng)機(jī)由永久磁鐵組成的定子變成轉(zhuǎn)子，把普通直流電動(dòng)機(jī)需要換向器和電刷提供電源的線圈繞組轉(zhuǎn)子變成定子。這樣，就可以省掉普通直流電動(dòng)機(jī)所必須的電刷，而且其調(diào)速性能與普通

15、的直流電動(dòng)機(jī)相似，所以把這種電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既克服了傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)的一些缺陷，如電磁干擾大，噪聲大，火花，可靠性差，壽命短，又具有交流電動(dòng)機(jī)所不具有的一些優(yōu)點(diǎn)，如運(yùn)行效率高，調(diào)速性能好，無(wú)渦流損失。所以，直流變頻空調(diào)相對(duì)于變頻空調(diào)而言，具有更大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。 = 2 * GB3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)：由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)出永久轉(zhuǎn)子的位置，從而進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)換相，才能保證電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置檢測(cè)通常有兩種方法：一是利用電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的位置傳感器（通常為霍爾元件）提供的信號(hào)；二是檢測(cè)出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相電壓，利用相電壓的采樣信號(hào)進(jìn)行運(yùn)

16、算后得出。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中總有兩相線圈通電，一相不通電，一般無(wú)法對(duì)通電線圈測(cè)出感應(yīng)電壓，因此通常以剩余的一相作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)用于捕捉感應(yīng)電壓，通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)電子回路轉(zhuǎn)換，反過(guò)來(lái)給定子線圈施加方波電壓。由于后一種省掉了位置傳感器，所以直流變頻空調(diào)壓縮機(jī)都采用后一種方法進(jìn)行電動(dòng)機(jī)換相。 = 2 * GB2 直流變頻空調(diào)與交流變頻空調(diào)的區(qū)別：交流變頻空調(diào)器是將工頻市電220V轉(zhuǎn)換為310V直流電源，并把它送到功率模塊。同時(shí)模塊受微電腦送來(lái)的控制信號(hào)控制，輸出頻率可變的電源電壓（合成波形近似正弦波），使壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電源的頻率變化而變化，從而可控制壓縮機(jī)的排量，快速的調(diào)節(jié)制冷和制熱量。直流變

17、頻空調(diào)同樣把共頻市電220V轉(zhuǎn)換為直流電源，并送到功率模塊。變頻模塊每次導(dǎo)通兩個(gè)三極管（A+，A-不能同時(shí)導(dǎo)通，B+，B-不能同時(shí)導(dǎo)通，C+，C-不能同時(shí)導(dǎo)通），給兩線圈通以直流電，同時(shí)模塊受微電腦的控制，輸出電壓可變的直流電源（這里沒(méi)有逆變過(guò)程），并將直流電源送至壓縮機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)，控制壓縮機(jī)的排量。從圖（C）中可以看出，直流變頻相比交流變頻多一位置檢測(cè)電路，使的直流變頻的控制更精確。通電轉(zhuǎn)換位置檢測(cè)電路 = 3 * GB2 變頻壓縮機(jī):變頻空調(diào)的核心部分是變頻壓縮機(jī),變頻壓縮機(jī)按內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同,可分為雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)與渦旋式壓縮機(jī)。按電氣結(jié)構(gòu)不不同,可分為交流變頻壓縮機(jī)與直流變頻壓縮機(jī)。

18、= 1 * GB3 交流壓縮機(jī)的核心是變頻電動(dòng)機(jī)。變頻電動(dòng)機(jī)為三相電動(dòng)機(jī),它克服了單相異步電動(dòng)機(jī)的一些不足,單相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是橢圓的,對(duì)稱(chēng)性不如三相電動(dòng)機(jī),且啟動(dòng)性能差、電磁噪聲大、體積也比三相電動(dòng)機(jī)大。交流變頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子同普通三相交流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同,但輸入的為三相脈沖電壓。 = 2 * GB3 直流變頻壓縮機(jī)：直流變頻壓縮機(jī)(應(yīng)稱(chēng)為直流調(diào)速壓縮機(jī)),由于空調(diào)制冷系統(tǒng)不允許產(chǎn)生火花,所以直流變頻壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)采用了三相四極無(wú)刷電動(dòng)機(jī)(其原理同前面講的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相同),該電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)與普通三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同,但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)截然不同,其轉(zhuǎn)子采用四極永久磁鐵。值得注意的是，國(guó)外針對(duì)變頻空調(diào)器重新設(shè)計(jì)了壓縮機(jī)，把電機(jī)從傳統(tǒng)的單相電容電機(jī)改進(jìn)為三相交流電機(jī)，以具有良好的調(diào)速性能。為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)目前大量生產(chǎn)和使用的傳統(tǒng)