变频原理介绍与变频驱动.docx

变频空调器的原理及特点
在科学技术发展日新月异的今天，空调器也与其他高科技产品一样，以加速度的趋势发展。电动机变频调速技术的发展与应用，更为变频空调器的发展注入了新的活力。
1964年，德国的A·Schonung等提出脉宽调制变频技术（PulseWidthModulation）。这种调速控制技术的核心部件是逆变器——将直流电变为频率可调的交流电的装置。随着电子技术、微电子技术、单片机控制技术的发展，逆变器的功率、功能日益强大，性价比越来越高。三洋公司从1974年开始生产变频空调器，目前三洋公司在日本本土生产的空调器中，变频空调器的产量约占80％。在一些发达国家里，变频空调在家庭中的普及率已达60％。国外变频空调品牌主要有日本三洋、松下、日立、大金、夏普等。国产变频空调主要有海信、海尔、美的、格力等品牌。由于变频空调器的复杂性,在学习变频空调器的维修知识以前,我们先来了解变频空调器的工作原理及特点,在后面的文章中重点讲述变频空调器的电路、系统特点和维修方法。
一、变频空调的工作原理
交流变频空调的基本原理：
在叙述变频空调器的工作原理前，让我们先熟悉一下异步电动机调速运行原理：异步电动机的定子绕组流过电流产生旋转磁场，在转子绕组内感应出电动势，因而产生感应电流。此电流与定子旋转磁场之间相互作用，便产生电磁力。一般说来，P极的异步电动机在三相交流电的一个周期内旋转2／P转，所以表示旋转磁场转速的同步速度N0与极数P、电源频率f的关系可用下式表示：
N0=120/P×f（r／min）
但异步电动机要产生转矩，同步速度N0与转子速度N1必须有差别，其速度差与同步速度的比值S称为“转差率”，所以转子速度N1，可用下式表示：
N1＝120／p×f（1一S）（r／min）
由上式可知，改变电动机的供电频率f，就可以改变电动机的转子转速N1。异步电动机在运行时，产生的感应电动势E1为：
E1=4.44kfN1Φ
式中，k—电机绕组系数；
N1—每相定子绕组匝数
Φ—每极磁通
由于定子阻抗上的压降很小，可以忽略，这样，我们便可以得到：
U1≈E1=4.44kfN1Φ(U1为压缩机定子电压)
即：Φ=（1/4.44kfN1）×（U1/f）
由上式可知，磁通Φ与U1/f成正比。对于磁通Φ，我们通常是希望其保持在接近饱和值，如果进一步增大磁通Φ，将使电机的铁心饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。而磁通Φ的减小，则铁心未得到充分的利用，使得输出转矩下降。这样，由上式可知，要保持Φ恒定，即要保持U1/f恒定，改变频率f的大小时，电机定子电压U1必须随之同时发生变化，即在变频的同时也要变压。这种调节转速的方法我们称为VVVF（VairbleVoltageVaribeFrequency)，简称为V/F变频控制。现在变频空调的控制方法基本上都是采用这种方法来实现变频调速的。图1为变频空调器的V-f曲线图，V-f曲线图由变频压缩机性能来决定。

图1变频空调器某变频压机的V-f曲线图
实现V/f变频控制的方法
在讲了上述异步电动机的调速原理后，这里重点讲述变频空调器是怎样实现V/f变频控制的，即在逆变器中广泛采用的PWM（脉宽调制）技术。异步电动机用的逆变器驱动时的方框图如图2所示：

图2异步电动机用逆变器驱动方框图
图2中，整流器将交流变为直流，平滑回路将此脉动直流平滑后，由逆变器将它变换为频率可调的交流电。如图3（a）所示，把一个正弦波分成N等分（图中N＝12），然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积，都用一个与此面积相等高的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的

图3与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波
中点重合（如上图），这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的正半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。图3(b)的一系列脉冲波形就是所期望的逆变器PWM(PuleWidthModulation)波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电。也就是说，这种交一直一交变频器中的变频器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。如逆变器各开关器件都是在理想状态下工作，驱动相应开关器件的信号也应是与图3(b)形状相似的一系列脉冲波形。由于PWM调制输出的电压波形和电流波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分，这样就使得输入到电机的能量不能得以充分选用，增加了损耗。为了使输出的波形接近于正弦波，提出了正弦波脉宽调制（SPWM）。
所谓SPWM调制，简单地来说，就是在进行脉宽调制时，使脉冲序列的占空比按照正弦波的规律进行变化，即，当正弦波幅值为最大值时，脉冲的宽度也最大，当正弦波幅值为最小值时，脉冲的宽度也最小（如