浅谈变频技术在家用电器上的应用

李玉平

(南阳农业学校电子工程系，河南南阳473000)

0 引言

目前，变频空调器、变频电冰箱、变频洗衣机等所采用的变频调速技术，大致分为交流电动机变频调速、无刷直流电动机变频调速和开关磁阻电动机变频调速等三种类型。

1 交流电动机变频调速

1.1 交流电动机变频调速多为三相电动机［1］

单相异步电动机旋转磁场呈椭圆形，其对称性、启动性能均不如三相电动机，其电磁噪声和体积都比同功率的三相电动机大;单相异步电动机很难在变频电源下驱动运行，这是因为当电源频率发生变化时，单相电动机的电容〔移相电容〕值不可能随之发生相应的变化，使电动机不能正常运行，所以，变频调速的电动机多为三相电动机。

1.2 交流电动机变频调速的原理

电工学告诉我们，交流异步电动机的转速是与电源的频率和电压等有关，只要改变电源的频率或电压，就能改变电动机的转速。要实现交流变频调速，可将单相(或三相)交流电整流滤波成直流电，再把直流电接入大功率驱动模块(IGPT)逆变成交流电，再按交流电动机绕组的运行规律去改变功率模块的导通时间和相位，就能产生一种三相变频电(其波形为脉冲宽度不同的矩形波)，并使模块输出的矩形波中的调制波按正弦规律变化(这种方式为脉冲宽度调制PWM)，也就是使驱动电动机的电流为正弦波，这就是常见的VVVF变频电压型变频器。

1.3 交流电动机变频调速的优缺点

交流电动机变频器性能优良，可达到与直流变频调速器同样高的精度，还由于交流异步电动机的普及性和可靠性、交流变频调速的历史较长(以有十多年)等原因。所以交流变频技术发展迅速，其技术和工艺日臻成熟，其主要不足之处是，交流变频技术难度大、成本高、运行可靠性相对直流变频也较差。

2 无刷直流电动机变频调速［2］

无刷直流电动机的转子是由高性能磁钢制成的，定子是用电子线路(或用霍尔传感器)进行换向，换向电路与电子调速电路为一体，电子调速电路通常制作成三相。在变频调速电路中进行PWM脉宽调制，通过改变脉冲波占空比(相当于改变了施加于定子绕组的平均电压)达到改变电动机的转矩和转速的目的，无刷直流电动机变频调速系统性能完善优良、运行可靠、成本相对交流变频器低。但由于无刷直流电动机生产的历史较短，其技术和工艺还有待于进一步完善，现只限于1 kW以下的小功率电动机，故在家用电器领域正好能够发挥它的优越性。

3 开关磁阻电动机变频调速［3］

同无刷直流电动机一样，开关磁阻电动机也是随着电力电工技术、电动机制造技术、电动机控制技术以及控制理论的不断完善，于近几年逐步发展成熟的一种新型电动机，它为双凸极结构，其转子既无绕组也无永磁体，是由硅钢片叠压而成，其定子各极上绕有集中绕组，径向相对的绕组串联，即构成一相。其运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。采用开关磁阻电动机的变频调速系统，具有优良的调速性能，并且兼有交流电动机变频调速系统和直流电动机变频调速系统的优点。开关磁阻电动机本身结构和制造工艺简单(包括其电子驱动控制系统)，成本低，易于规模化生产。开关磁阻电动机的转矩脉动较大、噪声较高(相对于直流无刷电动机)的缺陷，可以通过对电动机的优化设计、工艺改进加以改善。采用开关磁阻电动机变频调速系统的家用电器总体性能好，性价比适中。

4 变频技术在家用电器上的应用

采用变频调速技术控制家用电器的电动机转矩和转速，具有常规控制所没有的许多特点。

4.1 变频技术在洗衣机上的应用

变频洗衣机比模糊型(智能型)洗衣机的功能更具有人性化，其各项技术参数的选择空间更大，使采用常规控制所不能实现的洗衣程序成为可能(如水位与水流、转速/节拍/时间的优化组合等)。实现了多种洗涤方式:如全能洗、无级变速，其洗涤转速可在30 r/min～180 r/min之间连续调节，其脱水转速可在300 r/min～800 r/min之间任意调节;节能洗:由于采用了直流变频电动机，其效率高达90%(普通型交流电动机仅为40% ～50%)。变频洗衣机设有多挡水位(如小天鹅变频洗衣机设有10挡水位，而普通全自动洗衣机一般只有2～3挡水位)，用水多少可通过洗衣机的模糊测试精确调节(也可人为进行调节)，做到了真正意义上的“精打细算”。在洗涤过程中，水位(水量)可根据不同洗涤过程自动调节，可最大限度地节水;静音洗涤:洗衣机的噪声国际规定<75 dB，而变频洗衣机脱水噪声最大仅为60 dB，其静音洗涤/脱水程序的平均噪声则更低。

变频洗衣机的电动机采用直流变频，其突出优点在于效率高、噪声低、控制精确，是家用电器驱动技术发展的趋势。

4.2 变频技术在空调上的应用

变频空调是在空调器上增加了变频器。变频空调器中的单片机随时将室内环境的有关信息与其内部所设定值进行比较，经运算处理后输出控制信号。交流变频空调器的工作原理是把50 Hz的交流电转换为直流电源，再把它送到功率模块，模块同时还受到来自单片机的信号控制，输出频率可调的电压(矩形波)，使压缩机电动机的转速随电源频率的变化而变化，从而控制压缩机的排量，调节了制冷量或制热量，也使空调器更省电，噪声更低。

变频器能连续无级控制压缩机电动机的转速，而压缩电动机的转速是根据室内空调负荷而变化的，当室内需要快速降温或升温、室内空调负荷加大时，压缩机就加速运转，制冷量或制热量就成比例增加，当达到所设定温度时，随即处于低速运转以维持室温基本稳定。

变频空调器的节流是运用电子膨胀阀控制流量的方式，以使变频压缩机的优越性得以充分发挥。

变频空调器将取代传统的定转速空调器，变频技术从PWM(脉冲宽度调制)向PAM(脉冲幅度调制)方向转化，这是空调器技术发展的趋势。

5 结束语

随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术、传感器技术的迅速发展以及人们生活水平的不断提高，人们对家电产品提出了更高的消费要求，为此，不断开发出新一代更高档的家电产品，以满足和适应不同消费阶层的生活追求，变频家电就是新一代家用电器发展趋势之一。变频家电不仅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。因此，近年来各厂商都在竞相开发变频家电产品。

［1］原魁.变频器基础应用［M］.北京:冶金工业出版社，2007.

［2］王占奎.交流变频调速技术应用［M］.北京:科学出版社，1995.

［3］宋书中.交流调速系统［M］.北京:机械工业出版社，2000.