變頻技術(shù)在冰箱中的應(yīng)用

1、變頻技術(shù)在冰箱中的應(yīng)用第1頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二1、什么是變頻 “變頻”在機(jī)電領(lǐng)域原指電源逆變器輸出的電壓頻率能夠根據(jù)需要變化。 對(duì)由逆變電源供電的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無刷電動(dòng)機(jī)來講，逆變器輸出電壓頻率的改變，能使電機(jī)的轉(zhuǎn)速也跟著作相應(yīng)的變化。 在家用電器如空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等中，所說的“變頻”可以通俗地理解為其壓縮機(jī)或電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)控制的需要而變化，進(jìn)而提供不同的制冷量、制熱量或洗滌能力。 第2頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二2、電動(dòng)機(jī)的分類： 電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍非常廣泛，電動(dòng)機(jī)主要分為三類：同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)

2、和直流電動(dòng)機(jī)。第3頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二原理： 定子是電磁鐵，轉(zhuǎn)子是與換流器連接的線圈。直流電流通過電刷和換流器的接觸流進(jìn)轉(zhuǎn)子線圈，產(chǎn)生電磁場(chǎng)。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子線圈的電流方向不斷變化，使電磁場(chǎng)的方向始終保持對(duì)電子的推進(jìn)。特長(zhǎng)：通過對(duì)直流電壓的調(diào)整可以方便地調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和力矩。缺點(diǎn)：電刷和換流器的壽命較短。機(jī)械噪音和電磁噪音較大。有刷直流電機(jī)第4頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二交流電機(jī)原理：將工頻三相交流電導(dǎo)入馬達(dá)的定子線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。因此在轉(zhuǎn)子的閉環(huán)線圈里誘發(fā)感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋

3、轉(zhuǎn)。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造成本低。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速控制困難。第5頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二同步電動(dòng)機(jī) 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由磁極鐵心和勵(lì)磁繞組等組成。磁極鐵心由鋼板沖片迭壓而成，磁極上套有勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組由直流電源供電，這種方式一般是針對(duì)一般大、中型同步電動(dòng)機(jī)而言。小容量同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子常用永久磁鐵勵(lì)磁，其磁場(chǎng)可視為恒定，稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)。冰箱用變頻壓縮機(jī)的動(dòng)力源就是轉(zhuǎn)子為永磁鐵的永磁同步電機(jī)。第6頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二 對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，又分為兩類，其中反電動(dòng)勢(shì)波形是矩形波的電動(dòng)機(jī)，習(xí)慣上稱為直流無刷電動(dòng)機(jī)，而反電動(dòng)勢(shì)是正弦波的電動(dòng)機(jī)，

4、稱為正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)。 優(yōu)點(diǎn)：繼承了DC馬達(dá)容易控制轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)。同時(shí)取消了電刷，實(shí)現(xiàn)了高可靠性和低噪聲。高效率，高轉(zhuǎn)矩。 缺點(diǎn)：制造成本高。 第7頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)比內(nèi)部結(jié)構(gòu)C-BV(変頻）C-BE(交流電源）179.6179.6誘導(dǎo)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)178.4196.4189.4178.4第8頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)：電動(dòng)機(jī)(交流電源)50/60Hz , 2 極V電動(dòng)機(jī)(DC 変頻)3072Hz , 4 極 最大効率 90 %最大効率 95 %內(nèi)蔵永久磁石第9頁，共26頁，2022年，5月20日

5、，5點(diǎn)57分，星期二3、變頻驅(qū)動(dòng)的基本電原理框圖 如下圖所示，變頻就是先將電網(wǎng)的工頻交流電整流成直流，再將此直流轉(zhuǎn)換成特定頻率的交流。通過控制器的控制，改變U、V、W三相輸出信號(hào)，可以任意改變交流的頻率，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。第10頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二4、直流變頻驅(qū)動(dòng)的工作原理所控制的電動(dòng)機(jī)為直流無刷電動(dòng)機(jī)，用變頻交流電通過定子線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，推動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。定子線圈通過的電流為矩形波。第11頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二直流變頻驅(qū)動(dòng)采用定子線圈兩兩通電方式第12頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二在三相定子

6、線圈上施加的電壓隨著控制信號(hào)的順序換相，定子繞組在信號(hào)控制下，一相一相依次通電，實(shí)現(xiàn)各相繞組電流的換向，定子線圈形成一個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)。但在換相時(shí)定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是跳躍式的，每相線圈每次通電120度，每旋轉(zhuǎn)一周，由六種組合狀態(tài)，每次旋轉(zhuǎn)六十度。 第13頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二要準(zhǔn)確控制變頻電機(jī)的運(yùn)行，需要完成兩項(xiàng)工作: A、 需要調(diào)節(jié)加在輸出端的電壓，以輸出合適的力矩，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 B、要準(zhǔn)確檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，確定正確的換向時(shí)間。 第14頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二5、如何調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速直流電機(jī)運(yùn)行的兩

7、個(gè)基本方程：A、電壓平衡方程：電動(dòng)機(jī)一旦在電動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)以后，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就要切割定子繞組，在各相繞組上感生出電動(dòng)勢(shì)。 Em=Zd*L*Bm*r*n 其中 Zd為每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)；L為繞組中導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度，即磁鋼長(zhǎng)度；r為電動(dòng)機(jī)中氣隙的半徑；Bm為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度 N為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 則：直流無刷電機(jī)的電壓平衡方程為： U=Em+IR其中I為電樞繞組電流R為電樞繞組電阻。第15頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二B、轉(zhuǎn)矩平衡方程 在穩(wěn)態(tài)情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程為： Tem=T2+T0 其中：Tem 為電磁轉(zhuǎn)矩 Tem= Zd*L*Bm*r*I T2 電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械

8、負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T0 由于電動(dòng)機(jī)鐵心渦流、磁滯損耗和機(jī)械損耗等而產(chǎn) 生的轉(zhuǎn)矩。 第16頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二由兩個(gè)基本方程可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由外加電壓確定。 通過在控制信號(hào)中加入PWM信號(hào)，通過調(diào)節(jié)功率器件的開、關(guān)時(shí)間比例（占空比）來調(diào)節(jié)有效電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。 根據(jù)信號(hào)輸出構(gòu)成的不同，可分為四種輸出PWM的方法：上相PWM，下相PWM，前相PWM，后相PWM。第17頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二6、直流驅(qū)動(dòng)的位置檢測(cè)技術(shù) 為了驅(qū)動(dòng)和控制永磁電機(jī)的運(yùn)行，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，首先必須測(cè)定轉(zhuǎn)子的位置，然后確定準(zhǔn)確的換相信號(hào)，才能使電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)子的

9、實(shí)際位置相匹配，控制轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運(yùn)行。 對(duì)于有位置傳感器的永磁電機(jī)而言，可以通過位置傳感器的檢測(cè)信號(hào)，準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，從而可以判定電流信號(hào)的換相時(shí)間，切換供電電壓。 對(duì)于冰箱用變頻壓縮機(jī)，電動(dòng)機(jī)封閉于壓縮機(jī)內(nèi)，由于工作時(shí)溫度變化較大等原因，一般不安裝位置傳感器，無法直接獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。因此對(duì)于此類永磁電機(jī)，如何準(zhǔn)確的確定轉(zhuǎn)子的位置并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流換相，就顯得尤為重要。 第18頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二 對(duì)于矩形波驅(qū)動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)而言，可以通過檢測(cè)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)來判斷轉(zhuǎn)子的位置。該控制方式的具體控制如下圖所示，其定子供電電壓為三相對(duì)稱延遲120電角度的矩形

10、波，三相定子在任何時(shí)候只有兩相施加驅(qū)動(dòng)電壓，而另外一相懸空。在沒有位置傳感器的情況下，通過檢測(cè)各懸空相繞組的的反電動(dòng)勢(shì)，確定這一相繞組反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，就可以間接確定轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，并提供相應(yīng)的PWM換相信號(hào)，控制定子繞組產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)的定子磁場(chǎng)。因此這種控制方法的關(guān)鍵是保證如何準(zhǔn)確的檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。第19頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)方法第20頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的硬件電路第21頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二8 矢量變頻控制技術(shù)的基本原理矢量控制技術(shù)是變頻壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)

11、方式之一，是一種性能更有優(yōu)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)方式。這種控制方式采用的電流是正弦波，電流的大小和方向都是不斷變化的，可以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置實(shí)時(shí)改變控制電流，使電流產(chǎn)生的作用力隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而實(shí)時(shí)變化，從而可以對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更準(zhǔn)確的控制。第22頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二下圖中左圖是直流控制方式的電流方向示意圖，右圖為矢量控制方式的示意圖。 電流的方向和大小直接決定了控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的力的方向和大小。直流控制方式方向變化不連續(xù)，每周期變化6次,每次60度. 而矢量控制方式可以通過對(duì)電流的精確控制可以實(shí)現(xiàn)方向的近似連續(xù)變化，進(jìn)行更精確的控制.第23頁，共26頁，2022年，5月2

12、0日，5點(diǎn)57分，星期二如前所示,直流變頻控制方式是一種相對(duì)較為簡(jiǎn)單的控制方式,其驅(qū)動(dòng)電流是矩形波方式，由于這種驅(qū)動(dòng)方式各相驅(qū)動(dòng)電流的不連續(xù)跳變，造成驅(qū)動(dòng)力方向跳變，這樣就存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),存在一定的效率損失, 造成壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音相對(duì)較高.而正弦波通電（矢量驅(qū)動(dòng)）和矩形波驅(qū)動(dòng)相比較而言，力矩一直沿切線方向,完全用于做功,使驅(qū)動(dòng)力矩更加平穩(wěn),電機(jī)的效率更高，噪音也更小.但是控制起來卻要復(fù)雜的多，需要復(fù)雜的高速運(yùn)算單元，因此，一般情況下，使用的為矩形波驅(qū)動(dòng)方式。但是，為了節(jié)省能源，降低噪聲，抑制振動(dòng)，矢量控制方式則具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著高速運(yùn)算單元的價(jià)格在不斷下降,可以認(rèn)為今后正弦波驅(qū)動(dòng)將成為變頻驅(qū)動(dòng)的一個(gè)發(fā)展方向.第24頁，共26頁，2022年，5月20日，5點(diǎn)57分，星期二控制過程的實(shí)現(xiàn)方式上，直流控制采用的是定子兩兩通電的驅(qū)動(dòng)方式，可以檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，每個(gè)旋轉(zhuǎn)電子周期內(nèi)，控制電流只發(fā)生六次變化，控制過程相對(duì)