变频技术在家电产品中的应用

变频技术在家电产品中的应用

家电由于具有高效、节能、舒适静噪等明显效果，因而其性能优势已逐渐在消费领域彰显出来。文章讨论了变频技术在家电产品中的应用情况，指出变频家电是新一代家用电器的发展趋势，变频技术已成为最具发展前景的焦点技术。

一、引言

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。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。为此厂家们无不绞尽脑汁，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。它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。因此，近年来各国家电厂商都在竞相开发变频家电产品。

变频家电分交流变频和直流变频两类。交流变频家电是指采用三相感应电机的产品，而直流变频家电是指采用三相直流无刷电机的产品。两者相比，后者能较比高，尺寸也比较小，但价格却比前者高出许多。目前，我国制造的变频家电大多数都是交流变频产品。以变频空调来说，2001年我国变频空调的产量预计可达200万台，比去年上升7％，其中交流变频空调占总量的90％以上。目前，越来越多的家电OEM开始涉足变频家电领域。海信放弃定速空调产品，全线变频；海尔、格力、科龙、春兰、长虹相继进入变频空调领域。2000年4月，科龙首推变频冰箱，改写了被业内人士誉为“最成熟、最稳定”的冰箱业市场格局。同年5月，小天鹅公司率先研发的直流变频洗衣机亮相京城各大市场┄┄。至此“变频”与家电厂结缘，成为家电业的一个崭新的亮点，变频技术亦成为最具有发展前景的焦点技术。

二、异步电机变频调速原理

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变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。节电效果在20％－30％。

变频调速分为两种方法：（1）交－直－交变频，（2）交－交变频。前者适用于高速小容量电机，后者适用于低速大容量拖动系统。

从异步电机的转速公式得知：

n=60f/p·(1-s)=n 2 -Δn 1

式中： n为电机的转速（r/min）；n 2 为同步转速（r/min）；Δn 1 为转差损失的转速（r/min）；p为磁极对数；s为转差率（％）；f为频率（Hz）。

从上式可以看出，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。又由异步电机的电势公式知道，外加电压近似地与频率和磁通的乘积成正比。即：

U∝E≈C 1 f φ

式中： C 1 为常数，因此有：

φ∝ E／f≈U/f

若外加电压不变，则磁通φ随频率而改变，如频率f下降，磁通φ会增加，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。

三、变频器的构成与工作原理

前已所述，异步电机的变频调速原理主要是通过改变电源频率来进行的。这一功能通常是通过变频器来实现的，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。图1给出了PWM型交－直－交变频器的控制原理框图。由图可知，这是一个VVVP变频调速系统。首先是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的协调控制的要求。PWM的优点是能消除与抑制低次谐波，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。

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。

四、变频技术在家电中的应用

（1）变频洗衣机

变频波轮式洗衣机于90年代初最先由日本三菱公司推出，随后新西兰公司也推出了变

频搅拌式洗衣机。目前欧洲和日本正在研制变频滚筒式洗衣机。变频洗衣机具有三大特点：一是提高洗衣效果。由于采用直接驱动式变频电机，其洗涤、脱水速度可调，可以针对不同衣物的质地确定不同的洗涤脱水速度。同时，在洗涤桶和波轮低速转动时也能产生大转矩。采用电磁制动器，可实现反向高速转动。同时可根据洗涤物的种类、数量、脏污程度，选择水流，使衣物的洗净率和磨损率达到最佳效果。二是节能。变频洗衣机效率高，过去的洗衣机电机的效率仅为40％－50％，而直流变频洗衣机的效率可达到80％以上，从而实现节约能源。三是噪声低、振动小。这是因为直流变频电机的电磁噪声要小于单相感应电机，同时改机械传动为直接传动，使齿轮、皮带、电磁噪声还脱水振动得到有效控制。如日本夏普公司开发的ES－A80E型变频洗衣机。其洗涤噪声为28dB。脱水噪声为40dB，脱水振动减少一半，与8年前该公司的ES－B55机型相比，现在的ES－A80E机型的耗电约为老机型的三分之一。

无锡小天鹅公司是我国最早开发变频洗衣机的厂家。该公司去年面市的“洗衣机”，采用先进的无刷直流变频电机进行无级调速以及PWM变频控制技术，洗涤转速和节拍可同时改变，速度控制灵活，可洗涤不同质地的所有衣物，根据衣物质地选择不同脱水转速，从而达到高洗净、低磨损、免缠绕的效果。其低噪声和高效节能表现在平均脱水噪声在59dB（A）以下。比普通洗衣机下降10dB（A）。特设的静音程序，噪声在55dB（A）以下。直流变频电机寿命比传统的感应电机延长200％，而能耗降低50％。

（2）变频空调

变频空调是空调发展的大趋势，与普通空调相比，变频空调在舒适性、静音、恒温以及高效运转、延长使用寿命等方面有显著优势。当提高频率时，压缩机便高速旋转，输出功率增大。反之，降低频率时，压缩机的输出功率减少。因此，变频空调可根据不同的室内环境状况，以最合适的输出功率进行运转。而传统的定速机种，则依靠其不断地“开、停”来调整室内湿度，其一开一停之间容易造成室温或冷或热，并消耗较多能量。变频空调则依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，因而室温波动小，电能消耗少，其舒适度大大提高。而运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度并在低转速、低能耗下以较小的温差波动，实现快速、节能和舒适的控温效果。

据了解，日本作为变频空调的强国，从80年代初就开始将VVVF变频调速技术用于压缩机电机的控制，目前，变频空调已占其市场的90％左右。与此同时，变频空调在我国发展相当快，仅仅不到8年时间，就达到与日本先进水平同步。如我国的海尔集团从1993年开始生产变频空调，从最初的单转子变频压缩机技术发展到今天的运用直流变频加PAM技术，将我国的变频技术带到了一个更高的发展层次，带动了我国变频技术的全面提升。目前，海尔变频空调已经有了8个系列968种产品，是目前我国变频空调规模最大的生产基地。

（3）变频冰箱

变频冰箱主要是通过变频技术来调节压缩机的转速，它通过提取冰箱各间室温度与设定温度的差值，作为连续控制信号输入到变频器中，从而实现自动改变输出交流电频率的目的。这样，在维持冰箱于设定温度稳定运转过程中，压缩机基本维持着连续的低速运转，与传统依靠通断调节的定速机种相比，可明显延长压缩机的使用寿命，从而达到节能、省电的目的，