浅谈变频技术与变频空调(论文)

-1-浅析变频技术与变频空调摘要:本文介绍了变频器的基本工作原理,结合变频空调器的技术现状，从交流变频空调器,直流变频空调器两个方面的变频基本原理对变频调速系统进行了探讨。关键词:变频器；变频空调器，变频调速系统,变频压缩机。引言：近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被生产生活所使用。在众多家用电器中，空调器是一个耗电大户，空调器的节能是每个消费者都十分关心的问题。变频空调器由于具有“很好的节能效果”，虽然其价格要比普通空调器（即定速空调器）高，还是赢得了许多消费者的青睐。如何选择性能好的变频器应用到节能控制中，是我们专业技术人员共同追求的目标。下面结合作者的实际经验谈谈变频器的工作原理和控制方式以及变频空调器的控制结构原理。一、变频技术介绍：⒈变频器的基本概念：变频技术是应交流电动机无级调速的需要而产生的。变频器是通过对电力半导体器件(如IGBT)等的通断控制，将电压和频率固定不变的交流电工频电源，变换为电压和频率可变的交流电的电能控制装置，为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换-2-为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。对于交—直—交型的变频器来说，为了产生可变的电压和频率。首先要把工频(50Hz或60Hz)的交流电源，变换为直流电(DC)再转换成各种频率(0Hz～50Hz、0Hz～60Hz及0Hz～400Hz)的交流电，最终实现对电机的调速运行。⒉变频器的结构：变频器通常包括：整流电路、中间直流电路、平波电路、控制电路、驱动电路、逆变电路等几大部分，其中控制电路完成对主电路的控制。整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。⑴交—直部分：①整流:由三相整流桥组成，将电源的三相交流电全波整流成直流电。在电源的线电压为380V(AC)的情况下，三相全波整流后直流电压为513V，峰值直流电压为537V。②滤波:滤波电路由若干个电容器并联成一组再由两个或两个以上的电容器组串联而成，使直流电压保持平稳。③限流电阻:减少冲击电流,保护三相整流桥的二极管。⑵直—交部分：①逆变:电路主要包括逆变模块和驱动电路。㈠逆变模块与逆变桥：常见的低压变频器通常由IGBT①(逆变管)组成逆变桥,根据驱动电路的驱动信号，把整流所得的直流电再逆变成频率可调的交流电,这是变频器实现变频的具体执行环节,也是变频器的核心部分。㈡驱动电路：-3-驱动电路作为逆变电路的一部分,对变频器的三相输出有着巨大的影响。驱动电路一般有:分立插脚式元件驱动电路、光耦驱动电路、后膜驱动电路、专用集成驱动电路。其中光耦驱动电路是现代变频器设计时广泛采用的一种驱动电路。②续流二极管:逆变桥中每只逆变管旁都有一只续流二极管,其主要作用是为无功电流返回直流电源时提供“通道”,也为在同一桥臂的两个逆变管交替导通和截止的换相过程中提供“通道”。③制动：包括制动电阻和制动控制单元。㈠制动电阻:电动机在工作频率急速下降时,被拖动系统的动能要反馈到变频器的直流回路中,使直流电压不断上升,可能达到危险地步。因此必须将再生到直流回路的能量消耗。制动电阻就是用来消耗再生能源的。㈡制动单元:由GTR②或IGBT及其驱动电路构成开关作用,为再生能源流经制动电阻提供通路.⑶变频器控制回路的构成：现在在用的变频器其本上用16位,32位单片机或DSP为控制核心来实现全数字化控制的。对变频器的输出和频率的调节提供控制信号的电路称为主控电路。主控电路主要有:频率；电压的运算控制；主电路的电压、电流检测及电动的速度检测电路等构成。其中，运算控制电路一方面接受检测信号,另一方面又发出控制信号到驱动电路,并由驱动电路驱动逆变器来实现对电动机的调速控制。-4-⒊交—直—交变频器的控制方式：目前变频器对电动机的控制方式大体可分为U/f恒定控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制，非线性控制。在这里具体介绍一下U/f恒定控制方式。⑴U/f=Φ③的正弦脉宽调制（SPWM）的控制方式：①U/f恒定控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因素不下降。这种调节转速的方法我们称为VVVF控制，因为是控制电压与频率之比，简称为U/f控制。②变频空调器是通过对PWM（Plue-WidthModulation,脉宽调制）的技术在逆变器中的运用，实现v/f变频控制。由于PWM输出的电压波形和电流波形都是非正弦波，具有很多高次谐波成分，这样使的电动机的能量不能充分选用，增加了损耗。为了使输出的波形接近与正弦，提出了正弦脉宽调制（SPWM）。整流逆变滤波电压采样控制电源驱动电路电流采样键盘主控电路限流电阻。CRSTUVW制动外接输入外接输出-5-③所谓SPWM，简单的说，就是在进行脉宽调制时，使脉冲序列的占空比按照正弦波的规律进行，即当正弦波幅值为最大时，脉冲的宽度也最大，当正弦波幅值为最小时，脉冲的宽度也最小。这样，输出的电动机的脉冲序列就可以使得负载中的电流高次谐波成分大为减少，从而提高了电动机的效率。SPWM波形的特点概括起来就是“等幅不等宽，两头窄中间宽”。⑵电压空间矢量（SVPWM）控制方式：它是以三相波形整体生成效果为前提，一逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边行逼近圆的方式进行控制的。⑶转差频率控制：它是施加与电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。需要检测出电机转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机的速度与转差频率之和做为变频器的给定频率。⑷矢量控制方式：矢量控制，也称磁场定向控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。⑤直接转矩控制：直接转矩控制不是通过控制电流。磁链等量间接控制转矩，而是直接把转矩作为被控量来控制。通过引入定子磁链观察器估算出同步速度信息，实现无速度传感器直接转矩控制。上述的VVVF④变频，矢量控制变频，直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的控制方式。其共同缺点是输入功率因素低，谐波电流大，直流电路需要大的蓄能电容，再生能源不能反馈回电网，只能通过制动单元消耗掉。二、在前面讲述了变频器的基本结构以及控制方式后，接下来结合变频技术，详细分析变频空调器的工作原理。⒈交流变频空调器的基本原理：-6-变频控制器的原理框图如图（B）所示，它主要由以下部件组成：整流器，滤波器，功率逆变器。变频器中的电脑控制系统，对各取样点传来的信号进行分析处理，并经内部波形产生新的控制信号，再经驱动放大去控制变频开关，产生相应频率的模拟三相交流电压，供给压缩机。⑴整流滤波原理：整流器是将交流电源转换为直流电的装置，采用硅整流器件桥式连接，整流器结构分为单相和三相输入。一般变频空调器电功率在2KW以多采用单相电源输入，当电功率在2KW以时，多采用三相电源输入。单相和三相整流电路的不同之处只是在电流中多增加了2个整流二极管。滤波电路的作用是输出直流电压平滑且得到提高，常采用大容量交流电源220/50HZ直流电310v左右变频交流电40-180v20-120hz变频压缩机～-7-电容器，电容量一般在1500-3000μf之间。⑵功率逆变器原理：在变频空调器中，功率逆变器又称为变频模块。如图B所示，变频空调器上通常采用6个IGBT构成上下桥式驱动电路。以功率晶体管为开关器件的交-直-交电路中，控制线路使每只功率晶体管导通180度，且同一桥臂上两只晶体管一只导通时，另一只必须关断。相邻两相的元件导通相位差为120度，在任意360度内都有三只功率管导通以接通三相负载。当控制信号输出时，A+,A-,B+,B-,C+,C-各功率管分别导通，从而输出频率变化的三相交流电使压缩机运转。在实际应运中，多采用IPM（IntelligentPowerModule）模块加上周围的电路组成。IPM是一种智能的功率模块，它将IGBT连同其驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内，简化设计，提高了整个系统的可靠性。现在变频空调常用的IPM模块有日本的三菱和三洋IPM系列等。⒉直流变频器的原理：直流变频空调采用了无刷直流电机作为压缩机，其控制电路与交流变频控制器基本一样。直流变频控制器原理框图如图（C）所示。⑴直流变频空调的基本原理：采用无刷直流电动机作为压缩机的空调器称为“直流变频空调”从概念上来说是不确切的，因为我们都知道直流是没有频率的，也谈不上变频，但这已经成为习惯，对于采用无刷直流压缩机的空调器就称之为直流变频空调。①无刷直流电动机：无刷直流电动机与普通的交流电动机或有刷电动机的最大区别在于其转子是由稀土材料制成的永久磁钢，定子采用整距集中绕线，简单的说，就是把普通直流电动机由永久磁铁组成的定子变成转子，把普通直流电动机需要换向器和电刷提供电源的线圈绕组转子变成定子。这样，就可以省掉普通直流电动机所必须的电刷，而且其调速性能与普通的直流电动机相似，所以把这种电动机称为无刷直流电动机。无刷直流电动机既克服了传统的直流电动机的一些缺陷，如电磁干扰大，噪声大，火花，可靠性差，寿命短，又具有交流电动机所不具有-8-的一些优点，如运行效率高，调速性能好，无涡流损失。所以，直流变频空调相对于变频空调而言，具有更大的节能优势。②转子位置检测：由于无刷直流电动机在运行时，必须实时检测出永久转子的位置，从而进行相应的驱动控制，以驱动电动机换相，才能保证电动机平稳运行。无刷直流电动机的位置检测通常有两种方法：一是利用电动机内部的位置传感器（通常为霍尔元件）提供的信号；二是检测出无刷直流电动机相电压，利用相电压的采样信号进行运算后得出。在无刷直流电动机中总有两相线圈通电，一相不通电，一般无法对通电线圈测出感应电压，因此通常以剩余的一相作为转子位置检测信号用于捕捉感应电压，通过专门设计电子回路转换，反过来给定子线圈施加方波电压。由于后一种省掉了位置传感器，所以直流变频空调压缩机都采用后一种方法进行电动机换相。⑵直流变频空调与交流变频空调的区别：交流变频空调器是将工频市电220V转换为310V直流电源，并把它送到功率模块。同时模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可变的电源电压（合成波形近似正弦波），使压缩机电动机的转速随电源的频率变化而变化，从而可控制压缩机的排量，快速的调节制冷和制热量。直流变频空调同样把共频市电220V转换为直流电源，并送到功率模块。变频模块每次导通两个三极管（A+，A-不能同时导通，B+，B-不能同时导通，C+，C-不能同时导通），给两线圈通以直流电，同时模块受微电脑的控制，输出电压可变的直流电源（这里没有逆变过程），并将直流电源送至压缩机的直流电动机，控制压缩机的排量。从图（C）中可以看出，直流变频相比交流变频多一位置检测电路，使的直流变频的控制更精确。-9-⑶变频压缩机:变频空调的核心部分是变频压缩机,变频压缩机按内部结构不同,可分为双转子旋转式压缩机与涡旋式压缩机。按电气结构不不同,可分为交流变频压缩机与直流变频压缩机。①交流压缩机的核心是变频电动机。变频电动机为三相电动机,它克服了单相异步电动机的一些不足,单相异步电动机的旋转磁场是椭圆的,对称性不如三相电动机,且启动性能差、电磁噪声大、体积也比三相电动机大。交流变频压缩机电动机定子与转子同普通三相交流电动机内部结构相同,但输入的为三相脉冲电压。②直流变频压缩机：直流变频压缩机(应称为直流调速压缩机),由于空调制冷系统不允许产生火花,所以直流变频压缩机电动机采用了三相四极无刷电动～通电转换位置检测电路-10-机(其原理同前面讲的无刷直流电动机相同),该电动机定子结构与普通三相感应电动机相同,但转子结构截然不同,其转子采用四极永久磁铁。值得注意的是，国外针对变频空调器重新设计了压缩机，把电机从传统的单相电容电机改进为三相交