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1、变频调速速原理及及在家电电中的应应用哈尔滨工工业大学学深圳研研究生院院 白清清利变频调速速技术的的发展回回顾随着电力力电子技技术、微微电子技技术及控控制理论论的发展展，变频频调速技技术已被被广泛的的应用到到电机控控制领域域。功率率器件的的更新换换代促使使了电力力变换技技术的不不断发展展。从220世纪纪60年年代后期期开始，电电力电子子器件经经历了从从SCRR(晶闸闸管)、GGTO(门极可可关断晶晶闸管)到今天天的IGGBT(绝缘栅栅双极型型晶体管管)、HHVIGGBT(耐高压压绝缘栅栅双极型型晶闸管管)的转转变过程程。与此此同时，变变频调速速控制技技术也发发生了由由VVVVF变频频、矢量量控制
2、变变频到直直接转矩矩控制变变频的转转变过程程。20世纪纪70年年代，脉脉宽调制制变压变变频(PPWM-VVVVF)调调速的研研究引起起了人们们的高度度重视。220世纪纪80年年代，作作为变频频技术核核心的PPWM模模式优化化问题吸吸引着人人们的浓浓厚兴趣趣，并得得出诸多多优化模模式，其其中以鞍鞍形波PPWM模模式效果果最佳。欧欧、美、日日等发达达国家的的VVVVF变频频器已投投入市场场并广泛泛应用。VVVVFF变频器器的控制制相对简简单，机机械特性性硬度也也较好，能能够满足足一般传传动的平平滑调速速要求，已已在产业业的各个个领域得得到广泛泛应用。但但是，这这种控制制方式在在低频时时，由于于输出
3、电电压较小小，受定定子电阻阻压降的的影响比比较显著著，故造造成输出出最大转转矩减小小。另外外，其机机械特性性终究没没有直流流电动机机硬，动动态转矩矩能力和和静态调调速性能能都还不不尽如人人意，因因此，人人们又研研究出矢矢量控制制变频调调速。矢量控制制变频调调速的实实现方法法为：将将异步电电动机在在三相坐坐标系下下的定子子交流电电流Iaa、Ibb、Icc通过三三相二二相变换换，等效效成两相相静止坐坐标系下下的交流流电流IIa1、IIb1，再再通过按按转子磁磁场定向向旋转变变换，等等效成同同步旋转转坐标系系下的直直流电流流Im11、Itt1。其其中Imm1相当当于直流流电动机机的励磁磁电流 ；It
4、t1相当当于与转转矩成正正比的电电枢电流流。然后后模仿直直流电动动机的控控制方法法，求得得直流电电动机的的控制量量，经过过相应的的坐标反反变换，实实现对异异步电动动机的控控制。矢矢量控制制方法的的提出具具有划时时代的意意义。然然而在实实际应用用中，由由于转子子磁链难难以准确确观测，系系统特性性受电动动机参数数的影响响较大，且且在等效效直流电电动机控控制过程程中所用用矢量旋旋转变换换较复杂杂，使得得实际的的控制效效果难以以达到理理想分析析的结果果。 19855年，德德国鲁尔尔大学的的DePPenbbrocck教授授首次提提出了直直接转矩矩控制变变频技术术。该技技术在很很大程度度上解决决了上述述矢
5、量控控制方法法的不足足，并以以新颖的的控制思思想、简简洁明了了的系统统结构、优优良的动动静态性性能得到到了迅速速发展。目目前，该该技术已已成功地地应用在在电力机机车牵引引的大功功率交流流传动上上。直接接转矩控控制直接接在定子子坐标系系下分析析交流电电动机的的数学模模型，控控制电动动机的磁磁链和转转矩。它它不需要要将交流流电动机机化成等等效直流流电动机机，因而而省去了了矢量旋旋转变换换中的许许多复杂杂计算 ；它不不需要模模仿直流流电动机机的控制制，也不不需要为为解耦而而简化交交流电动动机的数数学模型型。 VVVFF变频、矢矢量控制制变频、直直接转矩矩控制变变频都是是交-直直-交变变频中的的一种。
6、其其共同缺缺点是输输入功率率因数低低，谐波波电流大大，直流流回路需需要大的的储能电电容，再再生能量量又不能能反馈回回电网，即即不能进进行四象象限运行行。为此此，矩阵阵式交-交变频频应运而而生。由由于矩阵阵式交-交变频频省去了了中间直直流环节节，从而而省去了了体积大大、价格格贵的电电解电容容。它能能实现功功率因数数为l，输输入电流流为正弦弦且能四四象限运运行，系系统的功功率密度度大。该该技术目目前虽尚尚未成熟熟，但仍仍吸引着着众多的的学者深深入研究究。 变频调速速基本原原理三相异步步电动机机的转速速公式为为: n = n1 (1-s)=60ff(1-s)/p (1) 式中: n 电机的的转速，r
7、r/miin n1 同步步转速，rr/miin p 磁极对对数 s 转差率率，% f 频率，HHz 由转速公公式（11）可知知, 我我们可以以通过改改变极对对数、转转差率和和频率的的方法实实现对异异步电机机的调速速。前两两种方法法转差损损耗大，效效率低，对对电机特特性都有有一定的的局限性性。变频频调速是是通过改改变定子子电源频频率来改改变同步步频率实实现电机机调速的的。在调调速的整整个过程程中，从从高速到到低速可可以保持持有限的的转差率率，因而而具有高高效、调调速范围围宽(110%1000%)和和精度高高等性能能，节电电效果220%30%。 实际上仅仅仅改变变电动机机的频率率并不能能获得良良好
8、的变变频特性性。因为为由异步步电机的的电势公公式可知知，外加加电压近近似与频频率和磁磁通乘积积成正比比，即： UE=C1ff （22） 式（2）中中，C11为常数数，因此此有： E/fUU/f （3） 若外加电电压不变变，则磁磁通随随频率而而改变，如如频率ff下降，磁磁通会会增加，造造成磁路路过饱和和，励磁磁电流增增加，功功率因数数下降，铁铁心和线线圈过热热，显然然这是不不允许的的。为此此，要在在降频的的同时还还要降压压，这就就要求频频率与电电压协调调控制。此此外，在在许多场场合，为为了保持持在调速速时，电电机产生生最大转转矩不变变，需要要维持磁磁通不变变，这可可由频率率和电压压协调控控制来实
9、实现，故故称为可可变频率率可变电电压调速速(VVVVF)，简称称变频调调速。 从结构上上看，静静止变频频调速装装置可分分为交-直-交交变频、交交-交变变频两种种方式。前前者适用用于高速速小容量量电机，后后者适用用于低速速大容量量拖动系系统。只只要设法法改变三三相交流流电动机机的供电电频率ff, 就就可以十十分方便便地改变变电机的的转速nn, 比比改变极极对数pp和转差差率s两两个参数数简单得得多。特特别是近近二十多多年来,静态电电力变频频调速器器突飞猛猛进的发发展,使使得三相相交流电电机变频频调速成成为当前前电机调调速的主主流。 变频器的的构成 异步电机机的变频频调速是是通过变变频器实实现的。
10、变变频器一一般由整整流器、滤滤波器、驱驱动电路路、保护护电路以以及控制制器(MMCU/DSPP)等部部分组成成。图11给出了了PWMM型交-直-交交变频器器的控制制原理框框图。 PWM型型交-直直-交变变频器原原理框图图由图1可可知，这这是一个个VVVVF变频频调速系系统。首首先是将将单相或或三相交交流电源源通过整整流器并并经电容容滤波后后形成幅幅值基本本稳定的的直流电电压加在在逆变器器上，利利用逆变变器功率率元件的的通断控控制，使使逆变器器输出端端获得一一定形状状的矩形形脉冲波波形。在在这里，通通过改变变矩形脉脉冲的宽宽度控制制其电压压幅值；通过改改变调制制周期控控制其输输出频率率，从而而在
11、逆变变器上同同时进行行输出电电压和频频率的控控制，而而满足变变频调速速对U/f的协协调控制制的要求求。PWWM的优优点是能能消除与与抑制低低次谐波波，使负负载电机机在近似似正弦波波的交变变电压下下运行，转转矩脉动动小，调调速范围围宽。近近年来，带带驱动和和保护电电路的各各种智能能功率模模块(IIPM)也相继继应用在在变频系系统中。IIPM模模块是将将三相逆逆变IGGBT、驱驱动电路路以及保保护电路路集成在在一块芯芯片上，它它的出现现推动了了变频家家电市场场的启动动和发展展。新型型IPMM模块甚甚至将开开关电源源也设计计在模块块内，更更加方便便用户使使用，用用户只需需要了解解接口电电路和定定义，
12、很很快便可可以组成成并运行行系统，从从而大大大加快了了新产品品的开发发周期。 变频调速速技术在在家电中中的应用用 通常，家家用电器器用得最最多的是是单相异异步电动动机，靠靠电容或或电阻分分相。电电机在工工作时常常处于短短时重复复状态(开/停停)，如如空调、冰冰箱等。这这样势必必带来起起动频繁繁、噪声声大、电电机寿命命短、温温度稳定定性差以以及能耗耗高等一一系列弊弊端。 变频技技术的发发展促进进了家用用电器的的变频化化，变频频家用电电器具有有省电节节能、舒舒适、寿寿命长、安安全可靠靠、静音音化等优优点。220世纪纪70年年代，在在欧美等等发达国国家率先先将变频频技术应应用到空空调、微微波炉、电电
13、冰箱、洗洗衣机等等家电产产品中，从从而给家家电产业业带来了了一场新新的革命命。 首先是空空调，空空调器应应用变频频技术后后，扩大大了压缩缩机的工工作范围围，不需需要压缩缩机在断断续状态态下运行行就可实实现冷、暖暖控制，达达到降低低电力消消耗，消消除由于于温度变变动而引引起的不不适感。近近年来，新新式的空空调器已已采用无无刷直流流电动机机实现变变频调速速，其节节能效果果相对于于异步电电动机变变频又提提高了约约10%-155%。为为进一步步提高装装置的效效能，近近年来，日日本的空空调器又又逐步从从单纯的的PWMM控制改改为PWWM+PPAM混混合控制制方式。即即较低速速时采用用PWMM控制，保保持
14、U/f为一一定 ；当转速速大于一一定值时时，将调调制度固固定在最最大值附附近，通通过改变变直流斩斩波器的的导通占占空比，提提高逆变变器输入入直流电电压值，从从而保持持变频器器输出电电压和转转速成比比例，这这一区域域称为PPAM区区。采用用混合控控制方式式后，变变频器的的输入功功率因数数、电机机效率、装装置综合合效率都都比单独独PWMM控制时时有较大大幅度的的提高。 其次是电电冰箱，由由于它处处于全天天工作，功功耗及噪噪声问题题严重。采采用变频频制冷后后，压缩缩机始终终处在低低速运行行状态，可可以彻底底消除因因压缩机机起动引引起的噪噪声，节节能效果果更加明明显。目目前，日日本中高高档冰箱箱中95
15、5%以上上采用了了变频技技术，欧欧美等发发达国家家也在大大力推广广普及变变频冰箱箱。但在在国内市市场，由由于技术术和成本本原因使使变频冰冰箱迟迟迟无法大大批量生生产和在在市场推推广。海海尔在119988年开发发出国内内第一台台变频冰冰箱后，经经过几年年的不懈懈努力，依依靠整合合全球化化资源，与与日本三三洋株式式会社合合作，在在中国投投产建立立了最新新一代的的三相直直流变频频压缩机机工厂，由由此改写写了国内内企业进进口变频频压缩机机的历史史，也使使变频冰冰箱可低低成本大大批量生生产，使使变频冰冰箱更加加贴近于于寻常百百姓。220044年，一一款2008L的的变频冰冰箱日耗耗电只有有0.229度，
16、上上市几个个月便占占据了全全国35500元元以上高高档冰箱箱最畅销销前5个个型号中中的2个个席位，得得到广大大用户的的一致认认可。 变频洗衣衣机变频频波轮式式洗衣机机于200世纪990年代代初最先先由日本本三菱公公司推出出，随后后新西兰兰公司也也推出了了变频搅搅拌式洗洗衣机。目目前欧洲洲和日本本研制的的变频滚滚筒式洗洗衣机也也已经大大量进入入市场。变变频洗衣衣机具有有三大特特点：一一是提高高了洗涤涤效果。由由于采用用直接驱驱动式变变频电机机，其洗洗涤、脱脱水速度度可调，可可以针对对不同衣衣物的质质地确定定不同的的洗涤脱脱水速度度。同时时，在洗洗涤桶和和波轮低低速转动动时也能能产生大大转矩。采采
17、用电磁磁制动器器，可实实现反向向高速转转动，同同时可根根据洗涤涤物的种种类、数数量、脏脏污程度度，选择择水流，使使衣物的的洗净率率和磨损损率达到到最佳效效果。二二是节能能。变频频洗衣机机效率高高，过去去的洗衣衣机电机机的效率率仅为440%50%，而直直流变频频洗衣机机的效率率可达到到80%以上，从从而实现现节约能能源。三三是噪声声低、振振动小。这这是因为为直流变变频电机机的电磁磁噪声要要小于单单相感应应电机，同同时改机机械传动动为直接接传动，使使齿轮、皮皮带、电电磁噪声声及脱水水振动得得到有效效控制。如如日本夏夏普公司司开发的的ES-A800E型变变频洗衣衣机，其其洗涤噪噪声仅为为28ddB，
18、脱脱水噪声声为400dB，脱脱水振动动减少一一半，与与8年前前该公司司的ESS-B555机型型（耗电电2600Wh）相相比，现现在的EES-AA80EE机型(耗电885Whh)的耗耗电约为为老机型型的1/3。无无锡小天天鹅公司司是我国国最早开开发变频频洗衣机机的厂家家。该公公司生产产的“变变频王”洗洗衣机，采采用先进进的无刷刷直流变变频电机机进行变变频调速速控制，洗洗涤转速速和节拍拍可同时时改变，速速度控制制灵活，可可洗涤从从丝绸到到牛仔不不同质地地的所有有衣物，根根据衣物物质地选选择不同同脱水转转速，从从而达到到高洗净净、低磨磨损、免免缠绕的的效果。其其低噪声声和高效效节能表表现在平平均脱水
19、水噪声在在59ddB(AA)以下下，比普普通洗衣衣机下降降10ddB(AA)。特特设的静静声程序序，噪声声在555dB(A)以以下。直直流变频频电机寿寿命比传传统的感感应电机机延长2200%，而能能耗降低低50%。 另外，变变频技术术也被应应用到电电磁炉、电电饭煲等等其他家家电以及及照明系系统中，成成为家电电业的一一个崭新新的亮点点。目前前，我国国制造的的变频家家电大多多数都是是交流变变频产品品。如变变频空调调，20004年年度中国国空调市市场总结结报告显显示， 20004年变变频空调调产品的的总销量量达到了了1955万台左左右，总总体市场场占有率率达到了了7.993%，比比去年微微幅上升升了近11.6个个百分点点。有业业内人士士预计，今今年变频频空调的的市场占占有率将将达到220%。 变频技术术正在给给形形色色色的家家电带来来新的革革命，并并将给用用户带来来更大的的福音。今今后变频频技术还还将随着着电力电电子器件件、新型型电力变变换拓扑扑电路、滤滤波及屏屏蔽技术术的进步步而发展展。另外外，变频频技术应应用中带带来的谐谐波、电电磁干扰扰和电源源系统功功率因数数下降等等问题也也必将得得到逐步步解决。