空調(diào)變頻技術(shù)原理及應(yīng)用

空調(diào)變頻技術(shù)原理及應(yīng)用在科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異的今天，空調(diào)器也與其他高科技產(chǎn)品一樣，以加速度的趨勢(shì)發(fā)展。電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，更為空調(diào)器的發(fā)展注入了新的活力。1964年，德國(guó)人提出脈寬調(diào)制變頻技術(shù)。這種調(diào)速控制技術(shù)的核心部件逆變器——將直流電變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電的裝置。隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，逆變器的功率、功能日益強(qiáng)大，性價(jià)比越來(lái)越高。三洋公司從1974年開始生產(chǎn)變頻空調(diào)器，目前三洋公司在日本本土生產(chǎn)的空調(diào)器中，變頻空調(diào)器的產(chǎn)量約占80％。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家里，變頻空調(diào)在家庭中的普及率已達(dá)60%。國(guó)外變頻空調(diào)品牌主要有日本三洋、松下、日立、大金、夏普等。國(guó)產(chǎn)變頻空調(diào)主要有海信、海爾等品牌。變頻器工作原理在學(xué)習(xí)變頻器工作原理前，先熟悉一下異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行的工作原理：異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組流過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，因而產(chǎn)生感應(yīng)電流．該電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間相互作用，便產(chǎn)生電磁力。一般說(shuō)來(lái)，p對(duì)磁極的異步電動(dòng)機(jī)在三相交流電的一個(gè)周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)1／p轉(zhuǎn)，所以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n1的同步速度與校對(duì)數(shù)p，電流頻率f1的關(guān)系為但異步電動(dòng)機(jī)要產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，同步速度nl與轉(zhuǎn)子逮度n2必須有差別，速度差(nl—n2：)與同步速度n1的比值稱為“轉(zhuǎn)差率”，用s表示，即所以轉(zhuǎn)子速度n2可用公式表示，即由公式可知．改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率fl就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)n2，可以采用逆變器來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率。在異步電動(dòng)機(jī)中，定子繞組的電動(dòng)勢(shì)為如果忽略定子阻抗壓降則上公式說(shuō)明，若端電壓u不變，則隨著電動(dòng)機(jī)供電頻率f的升高，氣隙磁通將減小，從電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可知?dú)庀洞磐ǖ臏p小將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩M下降,使電動(dòng)機(jī)的利用率惡化。同時(shí)電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)，造成電動(dòng)機(jī)損壞。端電壓u不變時(shí),隨著f1的減小，氣隙磁通將增加，這會(huì)使磁路飽和，激磁電流上升，導(dǎo)致缺損急劇增加。因此，調(diào)速時(shí)為了維持電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩M不變，需要保持氣隙磁通恒定，這樣就要求在改變電動(dòng)機(jī)供電頻率f1的同時(shí)改變定子電壓U，根據(jù)電壓u和頻率f1的不同比例關(guān)系，可以有不同的變頻調(diào)速方式。(1)保持u／f＝常數(shù)的比例控制方式；(2)保持Mm＝常數(shù)的恒磁通控制方式;(3)保持Pd=常數(shù)的恒功率控制方式；(4)恒電流控制方式。變頻器是將電網(wǎng)供電的工頻交流電，變換為適用于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速用的電壓可變、頻率可變的交流電的變流裝置。變頻器應(yīng)用于空調(diào)器上,較多采用交流一直流一交流的變換方式,如圖所示為變頻器工作框圖。交流一直流一交流變頻器工作原理如下圖所示，該變頻器由一組可控整流器和4個(gè)開關(guān)元件組成?？煽卣餮b置把交流電變?yōu)榉悼勺兊闹绷麟姡_關(guān)元件1、3和2、4交替導(dǎo)通對(duì)負(fù)載電阻供電，使負(fù)載得到交流輸出電壓“U0”?！癠0”的幅值由可控整流裝置的控制角決定，“U0”的頻率由開關(guān)元件切換的頻率來(lái)確定，不受電源頻率的限制。二、變頻器基本結(jié)構(gòu)交流一直流一交流變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖交流一直流一交流變頻器基本結(jié)構(gòu)1.變流器變流器的作用是把交流電整流為直流電。在變頻技術(shù)中，整流器可采用硅整流元件構(gòu)成不可控整流器，也可采用晶閘管元件構(gòu)成可控整流器。2.平滑回路平滑回路用來(lái)緩沖直流環(huán)節(jié)和負(fù)載之間的無(wú)功能量。3.逆變器逆變器的作用是把直流電逆變?yōu)轭l率、電壓可調(diào)的交流電。在近代交流調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器使用的功率元件有普通的晶閘管(ＳTR)、控制極可關(guān)斷的晶鬧管(GTＯ)、大功率晶體管(GTR)和功率場(chǎng)效應(yīng)管(P—MOＳFET)。4.控制回路控制回路是根據(jù)變頻調(diào)速的不同控制方式產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制變流器及逆變器中各功率元件的工作狀態(tài)，使逆變器輸出預(yù)定頻率和預(yù)定電壓。控制器有兩種控制方式，一種是以各種集成電路構(gòu)成的模擬控制方式；另一種是以單片機(jī)、微處理器構(gòu)成的數(shù)字控制方式。在對(duì)逆變器的控制中，廣泛采用PＷM(脈寬調(diào)制技術(shù))技術(shù)。由控制線路按一定的規(guī)律控制開關(guān)元件的通斷，從而在逆變器的輸出端獲得一系列等幅而不等寬的矩形脈沖波形．來(lái)近似等效正弦電壓波形。圖3所示為與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波，其原理是，把一個(gè)正弦波分成N等分，如圖(a)所示(圖中N＝12)，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖在橫坐標(biāo)的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合，如圖(b)所示，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的正半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來(lái)等效。圖b所示的一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出的PＷM波形。當(dāng)逆變器中各功率開關(guān)都在理想狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)的信號(hào)也應(yīng)力圖(b)所示形狀的一系列脈沖波形。從理論上，可以嚴(yán)格地計(jì)算出各段矩形脈沖的寬度，作為控制逆變器開關(guān)導(dǎo)通的依據(jù)，這可以由數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中引入了“調(diào)制”這一概念,以所期望的波形(正弦波)作為調(diào)制波，以等腰三角波形作為載波，由于等腰三角波形是上下寬度線性變化的波形，任何一種平滑的曲線與三角波相交時(shí)，都會(huì)得到一組等幅的，脈沖寬度正比于該函數(shù)值的矩形脈沖。當(dāng)用正弦波和三角波相交時(shí)，便可得到幅值為Um而寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖。圖所示為單極脈寬調(diào)制方法與波形。與正弦等效的等幅矩形脈沖序列波單極脈寬調(diào)制方法與波形如圖A所示為PＷM變頻器主電路,圖中VT1—VT6是逆變器的6個(gè)功率開關(guān)器件，各有一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)連接，逆變器由單相整流器提供的直流電壓Us供電。比較器輸出Uda的“正”或“零”兩種電平分別對(duì)應(yīng)功率開關(guān)器件ＶT1的通、斷兩種狀態(tài)。由于VT1在正半周期內(nèi)反復(fù)通斷，在逆變器的輸出端可獲得重現(xiàn)Uda形狀的PＷM相電壓UA＝f（t），脈沖的幅度為Us／2，脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。與此同時(shí)，必須有B相或c相的負(fù)半周出現(xiàn)導(dǎo)通。UB或Uc脈沖的幅度為—Us/2。由此可知其他兩相只是相位上分別相差１20。三相PＷM逆變器工作在雙極式控制方式時(shí)，輸出基波電壓的大小和頻率也是通過(guò)改變正弦參考信號(hào)的幅度和頻率而改變的，只是功率開關(guān)器件通斷的情況不一樣。因圖B所示為PMW變頻器控制電路框圖。由參考信號(hào)振蕩器提供一組對(duì)稱的正弦參考電壓信導(dǎo)UraUrb、Urc，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率。因此該頻率應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)，參考信號(hào)的幅度也可在一定范圍內(nèi)變化，以決定鉆出電壓的大小。三角波載波信號(hào)ul分別與每相參考電壓比較后．給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生PＷM脈沖序列波UdaUdbUdc，作為逆變據(jù)功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。圖A圖B控制方式可以是單極式，也可以是雙極式。采用單極式控制時(shí)在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)每相只有一個(gè)開關(guān)器件開通或關(guān)斷。單極式脈寬調(diào)制波形如圖所示。將變頻技術(shù)應(yīng)用于房間空調(diào)器，可以降低能耗，同時(shí)提高使用空調(diào)器的舒適性，特別是對(duì)于熱泵式空調(diào)