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1、变频技术在冰箱中的应用变频技术在冰箱中的应用介绍材料介绍材料 2007-04-032007-04-031、什么是变频、什么是变频“变频变频”在机电领域原指电源逆变器输出的电压频在机电领域原指电源逆变器输出的电压频率能够根据需要变化。率能够根据需要变化。对由逆变电源供电的感应电动机、永磁无刷电动对由逆变电源供电的感应电动机、永磁无刷电动机来讲，逆变器输出电压频率的改变，能使电机的转机来讲，逆变器输出电压频率的改变，能使电机的转速也跟着作相应的变化。速也跟着作相应的变化。在家用电器如空调、冰箱、洗衣机等中，所说的在家用电器如空调、冰箱、洗衣机等中，所说的“变频变频”可以通俗地理解为其压缩机或电机的
2、转速能够可以通俗地理解为其压缩机或电机的转速能够根据控制的需要而变化，进而提供不同的制冷量、制根据控制的需要而变化，进而提供不同的制冷量、制热量或洗涤能力。热量或洗涤能力。2、电动机的分类：、电动机的分类：电动机作为机电能量转换装置，其应用范围非常广电动机作为机电能量转换装置，其应用范围非常广泛，电动机主要分为三类：同步电动机、异步电动机和泛，电动机主要分为三类：同步电动机、异步电动机和直流电动机。直流电动机。原理：原理：定子是电磁铁，转子是与换流器连接定子是电磁铁，转子是与换流器连接的线圈。直流电流通过电刷和换流器的线圈。直流电流通过电刷和换流器的接触流进转子线圈，产生电磁场。的接触流进转子
3、线圈，产生电磁场。随着转子的旋转，转子线圈的电流方随着转子的旋转，转子线圈的电流方向不断变化，使电磁场的方向始终保向不断变化，使电磁场的方向始终保持对电子的推进。持对电子的推进。特长：通过对直流电压的调整可以方便特长：通过对直流电压的调整可以方便地调节马达的转速和力矩。地调节马达的转速和力矩。缺点：电刷和换流器的寿命较短。机械缺点：电刷和换流器的寿命较短。机械噪音和电磁噪音较大。噪音和电磁噪音较大。有刷直流电机有刷直流电机交流电机交流电机原理：将工频三相交流电导入马达的定子线圈，产生原理：将工频三相交流电导入马达的定子线圈，产生旋转磁场。因此在转子的闭环线圈里诱发感应电流。旋转磁场。因此在转子
4、的闭环线圈里诱发感应电流。感应电流产生的感应磁场与定子的旋转磁场相互作感应电流产生的感应磁场与定子的旋转磁场相互作用，推动转子旋转。用，推动转子旋转。优点：构造简单，制造成本低。优点：构造简单，制造成本低。缺点：转速控制困难。缺点：转速控制困难。同步电动机同步电动机同步电动机的转子由磁极铁心和励磁绕组等组成。同步电动机的转子由磁极铁心和励磁绕组等组成。磁极铁心由钢板冲片迭压而成，磁极上套有励磁绕组，磁极铁心由钢板冲片迭压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组由直流电源供电，这种方式一般是针对一般励磁绕组由直流电源供电，这种方式一般是针对一般大、中型同步电动机而言。小容量同步电动机转子常大、中型同步
5、电动机而言。小容量同步电动机转子常用永久磁铁励磁，其磁场可视为恒定，称为永磁同步用永久磁铁励磁，其磁场可视为恒定，称为永磁同步电动机。冰箱用变频压缩机的动力源就是转子为永磁电动机。冰箱用变频压缩机的动力源就是转子为永磁铁的永磁同步电机。铁的永磁同步电机。对于永磁同步电动机，又分为两类，其中反电动势对于永磁同步电动机，又分为两类，其中反电动势波形是矩形波的电动机，习惯上称为直流无刷电动机，波形是矩形波的电动机，习惯上称为直流无刷电动机，而反电动势是正弦波的电动机，称为正弦波永磁同步而反电动势是正弦波的电动机，称为正弦波永磁同步电动机。电动机。优点：继承了优点：继承了DC马达容易控制转速的特点。同
6、时取消马达容易控制转速的特点。同时取消了电刷，实现了高可靠性和低噪声。高效率，高转矩。了电刷，实现了高可靠性和低噪声。高效率，高转矩。缺点：制造成本高。缺点：制造成本高。压缩机的结构和性能对比压缩机的结构和性能对比内部结构内部结构C-BV(変頻）C-BE(交流流電源）179.6179.6179.6179.6誘導電動機誘導電動機電動機電動機178.4178.4196.4196.4189.4189.4178.4178.4电动机结构：电动机结构：電動機電動機電動機電動機( ( ( (交流交流交流交流電源電源電源電源) ) ) )50/60Hz,250/60Hz,250/60Hz,250/60Hz,2
7、極極極極V V V V電動機電動機電動機電動機(DC(DC(DC(DC変頻変頻変頻変頻) ) ) )3030303072Hz,472Hz,472Hz,472Hz,4極極極極 最大効率最大効率 90%90%最大効率最大効率 95%95%内蔵内蔵内蔵内蔵永久磁石永久磁石永久磁石永久磁石3、变频驱动的基本电原理框图、变频驱动的基本电原理框图如下图所示，变频就是先将电网的工频交流电整流成直流，如下图所示，变频就是先将电网的工频交流电整流成直流，再将此直流转换成特定频率的交流。通过控制器的控制，再将此直流转换成特定频率的交流。通过控制器的控制，改变改变U、V、W三相输出信号，可以任意改变交流的频率，三相
8、输出信号，可以任意改变交流的频率，实现变频调速。实现变频调速。4、直流变频驱动的工作原理、直流变频驱动的工作原理所控制的电动机为直流无刷电动机，用变频交流电通过所控制的电动机为直流无刷电动机，用变频交流电通过定子线圈产生旋转磁场，推动永磁电动机的转子旋转。定子线圈产生旋转磁场，推动永磁电动机的转子旋转。定子线圈通过的电流为矩形波。定子线圈通过的电流为矩形波。直流变频驱动采用定子线圈两两通电方式直流变频驱动采用定子线圈两两通电方式在三相定子线圈上施加的电压在三相定子线圈上施加的电压随着控制信号的顺序随着控制信号的顺序换相，定子绕组在信换相，定子绕组在信号控制下，一相一相号控制下，一相一相依次通电
9、，实现各相依次通电，实现各相绕组电流的换向，定绕组电流的换向，定子线圈形成一个驱动子线圈形成一个驱动转子旋转的定子磁场。转子旋转的定子磁场。但在换相时定子绕组但在换相时定子绕组形成的旋转磁场是跳形成的旋转磁场是跳跃式的，每相线圈每跃式的，每相线圈每次通电次通电120120度，每旋转度，每旋转一周，由六种组合状一周，由六种组合状态，每次旋转六十度。态，每次旋转六十度。 要准确控制变频电机的运行，需要完成两项工作要准确控制变频电机的运行，需要完成两项工作:A、需要调节加在输出端的电压，以输出合适的力矩，需要调节加在输出端的电压，以输出合适的力矩，调节电机的转速。调节电机的转速。B、要准确检测到转子
10、的位置，根据转子位置，确定正、要准确检测到转子的位置，根据转子位置，确定正确的换向时间。确的换向时间。5、如何调节电机的转速、如何调节电机的转速直流电机运行的两个基本方程：直流电机运行的两个基本方程：A、电压平衡方程：、电压平衡方程：电动机一旦在电动转矩的作用下转动以后，旋转的转子磁场就要切电动机一旦在电动转矩的作用下转动以后，旋转的转子磁场就要切割定子绕组，在各相绕组上感生出电动势。割定子绕组，在各相绕组上感生出电动势。Em=Zd*L*Bm*r*n其中其中Zd为每相绕组的有效导体数；为每相绕组的有效导体数；L为绕组中导线的有效长度，即磁钢长度；为绕组中导线的有效长度，即磁钢长度；r为电动机中
11、气隙的半径；为电动机中气隙的半径；Bm为气隙磁感应强度为气隙磁感应强度N为电动机转速为电动机转速则：直流无刷电机的电压平衡方程为：则：直流无刷电机的电压平衡方程为：U=Em+IR其中其中I为电枢绕组电流为电枢绕组电流R为电枢绕组电阻。为电枢绕组电阻。B、转矩平衡方程、转矩平衡方程在稳态情况下，电动机转矩平衡方程为：在稳态情况下，电动机转矩平衡方程为：Tem=T2+T0其中：其中：Tem为电磁转矩为电磁转矩Tem=Zd*L*Bm*r*IT2电动机轴上的机械负载转矩电动机轴上的机械负载转矩T0由于电动机铁心涡流、磁滞损耗和机械损耗等而产由于电动机铁心涡流、磁滞损耗和机械损耗等而产生的转矩。生的转矩
12、。由两个基本方程可知，电机的转速由外加电压确定。由两个基本方程可知，电机的转速由外加电压确定。通过在控制信号中加入通过在控制信号中加入PWM信号，通过调节功率器信号，通过调节功率器件的开、关时间比例（占空比）来调节有效电压，进而件的开、关时间比例（占空比）来调节有效电压，进而实现转速调节。实现转速调节。根据信号输出构成的不同，可分为四种输出根据信号输出构成的不同，可分为四种输出PWM的方的方法：上相法：上相PWM，下相，下相PWM，前相，前相PWM，后相，后相PWM。6、直流驱动的位置检测技术、直流驱动的位置检测技术为了驱动和控制永磁电机的运行，调节转速，首为了驱动和控制永磁电机的运行，调节转
13、速，首先必须测定转子的位置，然后确定准确的换相信号，先必须测定转子的位置，然后确定准确的换相信号，才能使电流信号的转换与转子的实际位置相匹配，控才能使电流信号的转换与转子的实际位置相匹配，控制转子的平稳运行。制转子的平稳运行。对于有位置传感器的永磁电机而言，可以通过位对于有位置传感器的永磁电机而言，可以通过位置传感器的检测信号，准确检测转子的位置，从而可置传感器的检测信号，准确检测转子的位置，从而可以判定电流信号的换相时间，切换供电电压。以判定电流信号的换相时间，切换供电电压。对于冰箱用变频压缩机，电动机封闭于压缩机内，对于冰箱用变频压缩机，电动机封闭于压缩机内，由于工作时温度变化较大等原因，
14、一般不安装位置传由于工作时温度变化较大等原因，一般不安装位置传感器，无法直接获得转子的位置信号。因此对于此类感器，无法直接获得转子的位置信号。因此对于此类永磁电机，如何准确的确定转子的位置并实现准确的永磁电机，如何准确的确定转子的位置并实现准确的电流换相，就显得尤为重要。电流换相，就显得尤为重要。对于矩形波驱动的直流电动机而言，可以通过检对于矩形波驱动的直流电动机而言，可以通过检测三相绕组的反电动势来判断转子的位置。该控制方测三相绕组的反电动势来判断转子的位置。该控制方式的具体控制如下图所示，其定子供电电压为三相对式的具体控制如下图所示，其定子供电电压为三相对称延迟称延迟120电角度的矩形波，
15、三相定子在任何时候只有电角度的矩形波，三相定子在任何时候只有两相施加驱动电压，而另外一相悬空。在没有位置传两相施加驱动电压，而另外一相悬空。在没有位置传感器的情况下，通过检测各悬空相绕组的的反电动势，感器的情况下，通过检测各悬空相绕组的的反电动势，确定这一相绕组反电动势的过零点，就可以间接确定确定这一相绕组反电动势的过零点，就可以间接确定转子的实际位置，并提供相应的转子的实际位置，并提供相应的PWM换相信号，控制换相信号，控制定子绕组产生与转子位置相适应的定子磁场。因此这定子绕组产生与转子位置相适应的定子磁场。因此这种控制方法的关键是保证如何准确的检测到反电动势种控制方法的关键是保证如何准确的
16、检测到反电动势过零点。过零点。反电动势的检测方法反电动势的检测方法反电动势检测的硬件电路反电动势检测的硬件电路8矢量变频控制技术的基本原理矢量变频控制技术的基本原理矢矢量量控控制制技技术术是是变变频频压压缩缩机机的的驱驱动动方方式式之之一一，是是一一种种性性能能更更有有优优势势的的驱驱动动方方式式。这这种种控控制制方方式式采采用用的的电电流流是是正正弦弦波波，电电流流的的大大小小和和方方向向都都是是不不断断变变化化的的，可可以以根根据据转转子子位位置置实实时时改改变变控控制制电电流流，使使电电流流产产生生的的作作用用力力随随转转子子的的旋旋转转而而实实时变化，从而可以对压缩机的运行状态进行更准
17、确的控制。时变化，从而可以对压缩机的运行状态进行更准确的控制。下下图图中中左左图图是是直直流流控控制制方方式式的的电电流流方方向向示示意意图图，右右图图为为矢矢量量控控制制方方式式的的示示意意图图。 电电流流的的方方向向和和大大小小直直接接决决定定了了控控制制压压缩缩机机转转子子旋旋转转的的力力的的方方向向和和大大小小。直直流流控控制制方方式式方方向向变变化化不不连连续续，每每周周期期变变化化6次次,每每次次60度度.而而矢矢量量控控制制方方式式可可以以通通过过对对电电流流的的精精确控制可以实现方向的近似连续变化，进行更精确的控制确控制可以实现方向的近似连续变化，进行更精确的控制.如前所示如前
18、所示, ,直流变频控制方式是一种相对较为简单的控制方直流变频控制方式是一种相对较为简单的控制方式式, ,其驱动电流是矩形波方式，由于这种驱动方式各相驱动其驱动电流是矩形波方式，由于这种驱动方式各相驱动电流的不连续跳变，造成驱动力方向跳变，这样就存在转电流的不连续跳变，造成驱动力方向跳变，这样就存在转矩脉动矩脉动, ,存在一定的效率损失存在一定的效率损失, , 造成压缩机运行时造成压缩机运行时噪音相对噪音相对较高较高.而而正弦波通电（矢量驱动）和矩形波驱动相比较而言，力正弦波通电（矢量驱动）和矩形波驱动相比较而言，力矩一直沿切线方向矩一直沿切线方向, ,完全用于做功完全用于做功, ,使驱动力矩更
19、加平稳使驱动力矩更加平稳, ,电电机的效率更高，噪音也更小机的效率更高，噪音也更小. .但是控制起来却要复杂的多，但是控制起来却要复杂的多，需要复杂的高速运算单元，因此，一般情况下，使用的为需要复杂的高速运算单元，因此，一般情况下，使用的为矩形波驱动方式。但是，为了节省能源，降低噪声，抑制矩形波驱动方式。但是，为了节省能源，降低噪声，抑制振动，矢量控制方式则具有更明显的优势。随着高速运算振动，矢量控制方式则具有更明显的优势。随着高速运算单元的价格在不断下降单元的价格在不断下降, ,可以认为今后正弦波驱动将成为变可以认为今后正弦波驱动将成为变频驱动的一个发展方向频驱动的一个发展方向. .控控制制
20、过过程程的的实实现现方方式式上上，直直流流控控制制采采用用的的是是定定子子两两两两通通电电的的驱驱动动方方式式，可可以以检检测测转转子子位位置置，每每个个旋旋转转电电子子周周期期内内，控控制制电电流流只只发发生生六六次次变变化化，控控制制过过程程相相对对简简单单，控控制制可可以以用用专专用用单单片片机机（MCU）实实现现；矢矢量量控控制制方方式式采采用用三三相相正正弦弦波波电电流流驱驱动动方方式式，无无法法直直接接检检测测转转子子位位置置，而而且且控控制制电电流流的的大大小小和和方方向向连连续续变变化化，算算法法复复杂杂，运运算算量量大大，控控制制过过程程要要进进行行快快速速的的数数据据采采集集和和计计算算，需需要要用用专专用用数数字字处处理理芯芯片片（ DSP） 并并 增增 加加 相相 应应 的的 控控 制制 和和 反反 馈馈 电电 路路 来来 实实 现现 。谢谢谢谢!
