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文檔簡介
1、變頻技術在家電產(chǎn)品中的應用 摘要:家電由于具有高效、節(jié)能、舒適靜噪等明顯效果,因而其性能優(yōu)勢已逐漸在消費領域彰顯出來。文章討論了變頻技術在家電產(chǎn)品中的應用情況,指出變頻家電是新一代家用電器的發(fā)展趨勢,變頻技術已成為最具發(fā)展前景的焦點技術。一、引言 通常,家用電器用得最多的是單相異步電動機,*電容或電阻來分相。電機在工作時常處于短時重復狀態(tài)(開停),如空調、冰箱等。這樣勢必帶來起動頻繁、噪聲大、電機壽命短、溫度穩(wěn)定性差以及能耗高等一系列弊端。隨著電力電子技術、微電子技術、計算機技術、傳感器技術的迅速發(fā)展
2、以及人們生活水平的不斷提高,人們對家電產(chǎn)品提出了更高的消費要求。為此廠家們無不絞盡腦汁,不斷開發(fā)出新一代更高檔的家電產(chǎn)品,以滿足和適應不同消費階層的生活追求,變頻家電就是新一代家用電器發(fā)展趨勢之一。它不但給這些家電產(chǎn)品帶來功能的增加、性能的改善,而且具有明顯的節(jié)能效果和降噪效果,同時使整機壽命較傳統(tǒng)家電有明顯提高。因此,近年來各國家電廠商都在競相開發(fā)變頻家電產(chǎn)品。變頻家電分交流變頻和直流變頻兩類。交流變頻家電是指采用三相感應電機的產(chǎn)品,而直流變頻家電是指采用三相直流無刷電機的產(chǎn)品。兩者相比,后者能較比高,尺寸也比較小,但價格卻比前者高出許多。目前,我國制造的變頻家電大多數(shù)都是交流變頻產(chǎn)品。以變
3、頻空調來說,2001年我國變頻空調的產(chǎn)量預計可達200萬臺,比去年上升7,其中交流變頻空調占總量的90以上。目前,越來越多的家電OEM開始涉足變頻家電領域。海信放棄定速空調產(chǎn)品,全線變頻;海爾、格力、科龍、春蘭、長虹相繼進入變頻空調領域。2000年4月,科龍首推變頻冰箱,改寫了被業(yè)內人士譽為“最成熟、最穩(wěn)定”的冰箱業(yè)市場格局。同年5月,小天鵝公司率先研發(fā)的直流變頻洗衣機亮相京城各大市場。至此“變頻”與家電廠結緣,成為家電業(yè)的一個嶄新的亮點,變頻技術亦成為最具有發(fā)展前景的焦點技術。二、異步電機變頻調速原理 異步電機調速有許多方法,如變極調速、變轉差率調速和變頻調速等。前兩種轉差損耗大,效率低,對
4、電機特性來說都有一定的局限性。變頻調速是通過改變定子電源變頻率來改變同步頻率實現(xiàn)電機調速的。在調速的整個過程中,從高速到低速可以保持有限的轉差率,因而具有高效、調速范圍寬(10100)和精度高等性能。節(jié)電效果在2030。變頻調速分為兩種方法:(1)交直交變頻,(2)交交變頻。前者適用于高速小容量電機,后者適用于低速大容量拖動系統(tǒng)。 從異步電機的轉速公式得知:n=60f/p·(1-s)=n2-n1式中:n為電機的轉速(r/min);n2為同步轉速(r/min);n1為轉差損失的轉速(r/min);p為磁極對數(shù);s為轉差率();f為頻率(Hz)。從上式可以看出,改變電源頻率就可以改變同步
5、轉速和電機轉速。又由異步電機的電勢公式知道,外加電壓近似地與頻率和磁通的乘積成正比。即:UEC1f式中:C1為常數(shù),因此有:EfU/f若外加電壓不變,則磁通隨頻率而改變,如頻率f下降,磁通會增加,造成磁路飽和,勵磁電流增加,功率因數(shù)下降,鐵心和線圈過熱,顯然這是不允許的。為此,要在降頻的同時還要降壓,這就要求頻率與電壓協(xié)調控制。此外,在許多場合,為了保持在調速時,電動機產(chǎn)生最大轉矩不變,亦需要維持磁通不變,這亦由頻率和電壓協(xié)調控制來實現(xiàn),故稱為可變頻率可變電壓調速(VVVF),簡稱變頻調速。三、變頻器的構成與工作原理 前已所述,異步電機的變頻調速原理主要是通過改變電源頻率來進行的。這一功能通常
6、是通過變頻器來實現(xiàn)的,變頻器一般由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器(MCUDSP)等部分組成。圖1給出了PWM型交直交變頻器的控制原理框圖。由圖可知,這是一個VVVP變頻調速系統(tǒng)。首先是將單相或三相交流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上,利用逆變器功率元件的通斷控制,使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里,通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值;通過改變調制周期控制其輸出頻率,從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制,而滿足變頻調速對U/f的協(xié)調控制的要求。PWM的優(yōu)點是能消除與抑制低次諧波,使負載電機在近似正弦波的交變電壓下運行,轉矩脈沖
7、小,調速范圍寬。近年來帶驅動和保護電路的智能功率模塊(IPM)相繼面市。IPM是將三相逆變IGBT、驅動電路以及保護電路集成在一塊芯片上,它的出現(xiàn)推動了變頻家電市場的啟動和發(fā)展。新型IPM模塊甚至將>四、變頻技術在家電中的應用 (1)變頻洗衣機變頻波輪式洗衣機于90年代初最先由日本三菱公司推出,隨后新西蘭公司也推出了變頻攪拌式洗衣機。目前歐洲和日本正在研制變頻滾筒式洗衣機。變頻洗衣機具有三大特點:一是提高洗衣效果。由于采用直接驅動式變頻電機,其洗滌、脫水速度可調,可以針對不同衣物的質地確定不同的洗滌脫水速度。同時,在洗滌桶和波輪低速轉動時也能產(chǎn)生大轉矩。采用電磁制動器,可實現(xiàn)反向高速轉動
8、。同時可根據(jù)洗滌物的種類、數(shù)量、臟污程度,選擇水流,使衣物的洗凈率和磨損率達到最佳效果。二是節(jié)能。變頻洗衣機效率高,過去的洗衣機電機的效率僅為4050,而直流變頻洗衣機的效率可達到80以上,從而實現(xiàn)節(jié)約能源。三是噪聲低、振動小。這是因為直流變頻電機的電磁噪聲要小于單相感應電機,同時改機械傳動為直接傳動,使齒輪、皮帶、電磁噪聲還脫水振動得到有效控制。如日本夏普公司開發(fā)的ESA80E型變頻洗衣機。其洗滌噪聲為28dB。脫水噪聲為40dB,脫水振動減少一半,與8年前該公司的ESB55機型相比,現(xiàn)在的ESA80E機型的耗電約為老機型的三分之一。無錫小天鵝公司是我國最早開發(fā)變頻洗衣機的廠家。該公司去年面
9、市的“洗衣機”,采用先進的無刷直流變頻電機進行無級調速以及PWM變頻控制技術,洗滌轉速和節(jié)拍可同時改變,速度控制靈活,可洗滌不同質地的所有衣物,根據(jù)衣物質地選擇不同脫水轉速,從而達到高洗凈、低磨損、免纏繞的效果。其低噪聲和高效節(jié)能表現(xiàn)在平均脫水噪聲在59dB(A)以下。比普通洗衣機下降10dB(A)。特設的靜音程序,噪聲在55dB(A)以下。直流變頻電機壽命比傳統(tǒng)的感應電機延長200,而能耗降低50。(2)變頻空調變頻空調是空調發(fā)展的大趨勢,與普通空調相比,變頻空調在舒適性、靜音、恒溫以及高效運轉、延長使用壽命等方面有顯著優(yōu)勢。當提高頻率時,壓縮機便高速旋轉,輸出功率增大。反之,降低頻率時,壓
10、縮機的輸出功率減少。因此,變頻空調可根據(jù)不同的室內環(huán)境狀況,以最合適的輸出功率進行運轉。而傳統(tǒng)的定速機種,則依*其不斷地“開、停”來調整室內濕度,其一開一停之間容易造成室溫或冷或熱,并消耗較多能量。變頻空調則依*壓縮機轉速的快慢達到控制室溫的目的,因而室溫波動小,電能消耗少,其舒適度大大提高。而運用變頻控制技術的變頻空調,可根據(jù)環(huán)境溫度自動選擇制熱、制冷和除濕運轉方式,使居室在短時間內迅速達到所需要的溫度并在低轉速、低能耗下以較小的溫差波動,實現(xiàn)快速、節(jié)能和舒適的控溫效果。據(jù)了解,日本作為變頻空調的強國,從80年代初就開始將VVVF變頻調速技術用于壓縮機電機的控制,目前,變頻空調已占其市場的9
11、0左右。與此同時,變頻空調在我國發(fā)展相當快,僅僅不到8年時間,就達到與日本先進水平同步。如我國的海爾集團從1993年開始生產(chǎn)變頻空調,從最初的單轉子變頻壓縮機技術發(fā)展到今天的運用直流變頻加PAM技術,將我國的變頻技術帶到了一個更高的發(fā)展層次,帶動了我國變頻技術的全面提升。目前,海爾變頻空調已經(jīng)有了8個系列968種產(chǎn)品,是目前我國變頻空調規(guī)模最大的生產(chǎn)基地。(3)變頻冰箱變頻冰箱主要是通過變頻技術來調節(jié)壓縮機的轉速,它通過提取冰箱各間室溫度與設定溫度的差值,作為連續(xù)控制信號輸入到變頻器中,從而實現(xiàn)自動改變輸出交流電頻率的目的。這樣,在維持冰箱于設定溫度穩(wěn)定運轉過程中,壓縮機基本維持著連續(xù)的低速運
12、轉,與傳統(tǒng)依*通斷調節(jié)的定速機種相比,可明顯延長壓縮機的使用壽命,從而達到節(jié)能、省電的目的,使冰箱處于最佳效率狀態(tài)下運行。如東芝公司生產(chǎn)的GR356M12變頻冰箱,采用PWM變頻器,整個系統(tǒng)在工頻電源起動之后,通過變頻器快速運轉,然后進行工頻電源運轉或者變頻器運轉。壓縮機由3個傳感器和過載繼電器保護;可以防止過流,還可以防止溫度異常或連續(xù)變頻運轉引起的工質蒸發(fā)不充分而產(chǎn)生的低效率液體壓縮現(xiàn)象。美國Danfoss公司開發(fā)的TLV型可調速壓縮機,其內置的電機控制裝置可將壓縮機的轉速從4500r/min降到2000r/min,節(jié)能40,并可降5dB(A)。(4)變頻微波爐變頻微波爐代表了世界微波爐的
13、發(fā)展方面,具有很高的技術含量。變頻微波爐是以變頻器代替了傳統(tǒng)的微波爐內變壓器,變頻器通過變頻電路可以將50Hz的電源頻率任意地轉換成20004500Hz的高頻率,通過改變頻率來得到不同的輸出功率,解決了傳統(tǒng)微波爐通過對恒定輸出功率反復開關進行火力調控而使食物加熱不均勻的弊端,實現(xiàn)了真正意義上的均勻火力調控,經(jīng)烹飪的食物不僅口感好,而且營養(yǎng)保存更多。除此以外,與傳統(tǒng)微波爐相比,變頻微波爐還具有機身輕巧、噪聲小、烹飪速度快、用電省等優(yōu)點。如日本松下新近推出的NNV691JFS微波爐,由于采用了變頻電源系統(tǒng),烹飪時間縮短了近50,同樣由于變頻技術的采用,縮小了變壓器的體積,使機身重量減輕了30,而有
14、效空間增大了20以上。此外,變頻技術在自動真空吸塵器、剃須刀、電飯鍋、電磁灶、彩電等家電產(chǎn)品也獲得了重要的應用。五、變頻技術的發(fā)展方向 (1)交流變頻向直流變頻方向轉化直流變頻是以數(shù)字轉換電路代替交流變頻中的交流轉換電路,使負載電機始終處于最佳運行狀態(tài)。它摒棄了交流變頻技術的交流直流交流變轉速方式交流電機的循環(huán)工作方式,采用先進的交流直流變轉速方式數(shù)字電機的控制技術,無逆變環(huán)節(jié),因而減少電流在工作中轉變次數(shù),使電能轉化效率大大提高,能夠實現(xiàn)精確控制,平穩(wěn)安靜高效地運轉。同時,避免了交流變頻電機電磁噪聲較大的缺點,噪聲更加低。(2)控制技術由PWM(脈寬調制)向PAM(脈幅調制)方向發(fā)展采用PWM控制方式的電機轉速受到上限轉速的限制。如對壓縮機來講,一般不超過7000r/min。而采用PAM控制方式的壓縮機轉速可提高1.5倍左右,這樣大大提高了快速制冷和
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