變頻器的基本原理與應(yīng)用

李艷麗王國彬滕云飛

摘要：變頻器調(diào)速范圍大,靜態(tài)穩(wěn)定性好,運行效率高。變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源,以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的,是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。本文重點涉及變頻技術(shù)在建筑空調(diào)中的應(yīng)用。其中空調(diào)器的變頻技術(shù)是通過變頻器改變壓縮機的供電頻率或電壓，改變壓縮機的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，從而改變空調(diào)器制冷（熱）量的一種高效節(jié)能的技術(shù)。

關(guān)鍵詞:變頻器;工作原理; 空調(diào)器

Abstract: speed-regulate range, static stability, high efficiency. The work is inverter frequency power (frequency 50 Hz or 60 Hz) transform into various frequency of ac power source, in order to realize the motor speed operation of the equipment. Inverter is by changing the motor power frequency realize speed adjustment, it is a kind of ideal high efficiency, high performance of speed adjustment method. This paper mainly involves frequency conversion technology in the construction of the application of the air conditioning. One technique of frequency conversion air conditioner is through the inverter frequency or the change compressors power supply voltage, change of rotating speed of the compressor operation, so as to change the air conditioner refrigeration (hot) amount of a kind of high energy efficiency technology.

Keywords: inverter; Working principle; Air conditioner

中圖分類號：TN77文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：

變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代以后,電力電子器件經(jīng)歷了SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)的發(fā)展過程,器件的更新促進了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。

一、變頻與定頻

所謂的變頻空調(diào)器是與傳統(tǒng)的定頻空調(diào)器相比較而產(chǎn)生的概念。我國的電網(wǎng)電壓為220V、50Hz，在這種條件下工作的空調(diào)稱之為定頻空調(diào)器。由于供電頻率不能改變，傳統(tǒng)的定頻空調(diào)器的壓縮機轉(zhuǎn)速基本不變，依靠其不斷地開、停壓縮機來調(diào)整室內(nèi)溫度，其開、停之間容易造成室溫忽冷忽熱，并消耗較多電能。與之相比，變頻空調(diào)器通過改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，從而改變制冷（熱）量，使其對空氣調(diào)節(jié)的能力始終保持最佳狀態(tài)。變頻空調(diào)器可以根據(jù)環(huán)境溫度自動選擇制熱、制冷和除濕等運轉(zhuǎn)方式，使居室在短時間內(nèi)迅速達到所需要的溫度，并在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)下以較小的溫差波動實現(xiàn)、快速、節(jié)能和舒適控溫效果。變頻空調(diào)器的核心是變頻器，它通過對電流的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，把50Hz的固定電網(wǎng)頻率改為30—130Hz的變化頻率。同時，還使電源電壓范圍達到142—270V，徹底解決了由于電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定而造成空調(diào)器不能正常工作的難題。變頻空調(diào)器每次開始使用時，通常是讓空調(diào)以最大功率、最大風(fēng)量進行制熱或制冷，迅速接近所設(shè)定的溫度。變頻空調(diào)器通過提高壓縮機工作頻率的方式，增大了在低溫時的制熱能力，最大制熱量可達到同品牌、同級別空調(diào)器的1.5倍，低溫下仍能保持良好的制熱效果。此外，一般的分體機只有四檔風(fēng)速可供調(diào)節(jié)，而變頻空調(diào)器的室內(nèi)風(fēng)機自動運行時，轉(zhuǎn)速會隨壓縮機轉(zhuǎn)速的改變在12檔風(fēng)速范圍內(nèi)變化，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與空調(diào)器的能力配合較為合理，實現(xiàn)了低噪音的寧靜運行。當(dāng)空調(diào)高功率運轉(zhuǎn)，迅速接近所設(shè)定的溫度后，壓縮機便在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)運轉(zhuǎn)，僅以所需的功率維持設(shè)定的溫度。這樣不但溫度穩(wěn)定，而且避免了壓縮機頻繁地開開停停所造成的空調(diào)器壽命的衰減，并且耗電量大大降低，實現(xiàn)了高效節(jié)能。

二、變頻原理

變頻空調(diào)器按工作原理可以分為交流變頻和直流變頻兩種方式。自從1997年中國第一臺變頻空調(diào)器誕生，此間變頻空調(diào)器的變頻方式經(jīng)歷了從交流變頻到直流變頻的技術(shù)革新歷程。

2.1交流變頻器的工作原理

我們知道,交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式位:

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

式中

N——異步電動機的轉(zhuǎn)速;

F——異步電動機的頻率;

S——電動機轉(zhuǎn)差率;

P——電動機極對數(shù)。

由式(1)可知,轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比,只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速,當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時,電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的,是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段，壓縮機的轉(zhuǎn)速會隨頻率的變化而變化。

交流變頻原理是把220V、50HZ工頻交流電轉(zhuǎn)換為310V直流電源，并把它送到逆變器（大功率晶體管開關(guān)組合），又稱功率模塊，為其提供工作電壓；同時根據(jù)室溫和設(shè)定溫度的溫差，通過微處理器運算，產(chǎn)生一個控制信號（PWM脈沖信號），也送入逆變器；然后由三相逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電（合成波形近似正弦波），驅(qū)動變頻壓縮機運轉(zhuǎn)，使壓縮機電機的轉(zhuǎn)速隨電源頻率的變化做相應(yīng)地變化，從而調(diào)節(jié)制冷（熱）量。

2.1.2交流變頻器的結(jié)構(gòu)與原理

（1）PWM控制，又稱電壓、頻率比例調(diào)制方式。在調(diào)節(jié)頻率的同時，不改變脈沖電壓幅度的大小，而是改變脈沖的占空比，可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果。這種方法稱為PWM調(diào)制，PWM調(diào)制可以直接在逆變器中完成電壓與頻率的同時變化，控制電路比較簡單。

（2）逆變器。這一部分指的是完成直流到交流的逆變過程，用于驅(qū)動變頻壓縮機運轉(zhuǎn)的三相逆變器。變頻空調(diào)通常采用6個絕緣柵極晶體管構(gòu)成大功率晶體管開關(guān)組合，又稱功率模塊。6個晶體管的狀態(tài)決定了電機繞組中電流的方向，而開關(guān)動作的快慢決定了通入電機繞組中電流的頻率；開關(guān)脈沖依次控制它們通斷，切換一次后，電機就轉(zhuǎn)動一周；如果每秒鐘切換100次，則電機的轉(zhuǎn)速就是100r/s。在實際應(yīng)用中，多采用變頻模塊加上外圍的電路（如開關(guān)電源電路）組成。

2.2直流變頻

2.2.1直流變頻原理

我們把采用無刷直流電機作為壓縮機電機的空調(diào)器稱為“直流變頻空調(diào)”，這樣稱呼從概念上來說是不確切的，因為直流變頻空調(diào)器的變頻方式與交流變頻一樣，也采用的是交—直—交方式，供給壓縮機的電壓還是交流電，但人們已經(jīng)習(xí)慣將采用無刷直流電機的變頻空調(diào)器稱為直流變頻空調(diào)器。直流變頻空調(diào)器關(guān)鍵在于采用了無刷直流電機作為壓縮機電動機。直流變頻空調(diào)器分為兩類：一類是只有壓縮機電機采用無刷直流電機；另一類是不只壓縮機，室內(nèi)風(fēng)機、室外風(fēng)機都采用了無刷直流電機，這就是全直流變頻空調(diào)器。所以，直流變頻空調(diào)器相對與交流變頻空調(diào)器而言，具有更大的節(jié)能優(yōu)勢。

直流電機轉(zhuǎn)速公式n=U/Cφ

上式中：n為電機的轉(zhuǎn)速（r/min）；C為電極常數(shù)，與電機構(gòu)造有關(guān)；U為定子輸入電壓（V）；φ為磁極磁通。

從上式可以看出，直流變頻空調(diào)器通過改變壓縮機的供電電壓，從而改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，進而改變制冷（熱）量。直流變頻空調(diào)器控制原理與交流變頻空調(diào)器基本一樣，所不同的是交流變頻技術(shù)調(diào)節(jié)的是頻率，而直流變頻技術(shù)調(diào)節(jié)的是電壓。

2.2.2直流變頻器的結(jié)構(gòu)與原理

直流與交流變頻主電路差別不大，變頻模塊之前電路完全相同；不同之處在于交流變頻壓縮機無反饋控制信號，而直流變頻壓縮機有三相轉(zhuǎn)速反饋控制信號。

三、變頻技術(shù)發(fā)展方向

目前變頻控制技術(shù)由PWM（脈寬調(diào)制）向PAM（脈幅調(diào)制）方向發(fā)展。采用PWM控制方式的電機轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)速的限制。如對壓縮機來講，一般不超過7000r/min。而采用PAM控制方式的壓縮機轉(zhuǎn)速可提高1.5倍左右，這樣大大提高了快速制冷和制熱能力。同時，由于PAM在調(diào)整電壓時具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面PAM也有著PWM無法比擬的優(yōu)越性，可抑制高次諧波的生成，減小對電網(wǎng)的污染。

參考文獻：

［1］參考文獻：《變頻器世界》

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［3］胡國喜.制冷設(shè)備維修技術(shù)基本功.北京：人民郵電出版社，2010.3.