变频调速的基本原理

变频调速的基本原理1．电机调速的类型通常，家用电器用得最多的是单相异步电动机，靠电容或电阻来分相。电机在工作时常处于短时重复状态（开／停），如空调、冰箱等。这样势必带来起动频繁、噪声大、电机寿命短、温度稳定性差以及能耗高等一系列弊端。变频调速技术的应用不但给这些家电产品带来功能的增加、性能的改善，而且具有明显的节能效果和降噪效果，同时使整机寿命较传统家电有明显提高。异步电机调速有许多方法，如变极调速、变转差率调速和变频调速等。前两种转差损耗大，效率低，对电机特性来说都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源的频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而具有高效、调速范围宽（10～100％）和精度高等性能，节电效果可达到20～30％。变频调速有两种方法：一是交－直－交变频，适用于高速小容量电机；二是交－交变频。适用于低速大容量拖动系统。变频空调器按照其室内风扇电机、室外风机及压缩机的类型，可分为3A和3D变频空调器。对于室内、室外风机和变频压缩机均为交流（AC）形式的变频空调器，一般称之为3A变频空调器；而对于室内、室外风机和变频压缩机均为三相直流无刷电机（DCBLM）形式的变频空调器，一般称之为3D变频空调器。后者价位远高于前者，仅物料成本就高于同功率的3A变频空调器近300元，而且开发难度较大，空调系统和控制器的配合复杂度较高。2．变频调速的原理异步电机的转速n可以表示为式中，n2为同步转速，Δn1为转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。3．变频技术的发展方向（1）交流变频向直流变频方向转化直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电机始终处于最佳运行状态。它摒弃了交流变频技术的交流－直流－交流－变转速方式交流电机的循环工作方式，采用先进的交流－直流－变转速方式数字电机的控制技术，无逆变环节，因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控制，平稳安静高效地运转。同时，避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点，噪声更加低。（2）控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制）方向发展采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r/min。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右，这样大大提高了快速制冷和制热能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。（3）功率器件向高集成智能功率模块发展虽然单个功率器件的效率越来越高，控制简化，但电的复杂性给生产和测试带来不便。智能功率模块（IPM）是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决，因而易于使用，可靠性高。以变频空调为例，我国的变频空调几乎100％采用IPM方式。近年来带驱动和保护电路的智能功率模块（IPM）相继面市。IPM是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上。它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快可以组成运行系统。