变频器的基本原理与应用

李艳丽王国彬滕云飞

摘要：变频器调速范围大,静态稳定性好,运行效率高。变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。本文重点涉及变频技术在建筑空调中的应用。其中空调器的变频技术是通过变频器改变压缩机的供电频率或电压，改变压缩机的运转转速，从而改变空调器制冷（热）量的一种高效节能的技术。

关键词:变频器;工作原理; 空调器

Abstract: speed-regulate range, static stability, high efficiency. The work is inverter frequency power (frequency 50 Hz or 60 Hz) transform into various frequency of ac power source, in order to realize the motor speed operation of the equipment. Inverter is by changing the motor power frequency realize speed adjustment, it is a kind of ideal high efficiency, high performance of speed adjustment method. This paper mainly involves frequency conversion technology in the construction of the application of the air conditioning. One technique of frequency conversion air conditioner is through the inverter frequency or the change compressors power supply voltage, change of rotating speed of the compressor operation, so as to change the air conditioner refrigeration (hot) amount of a kind of high energy efficiency technology.

Keywords: inverter; Working principle; Air conditioner

中图分类号：TN77文献标识码：A 文章编号：

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后,电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程,器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。

一、变频与定频

所谓的变频空调器是与传统的定频空调器相比较而产生的概念。我国的电网电压为220V、50Hz，在这种条件下工作的空调称之为定频空调器。由于供电频率不能改变，传统的定频空调器的压缩机转速基本不变，依靠其不断地开、停压缩机来调整室内温度，其开、停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。与之相比，变频空调器通过改变压缩机的转速，从而改变制冷（热）量，使其对空气调节的能力始终保持最佳状态。变频空调器可以根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿等运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度，并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动实现、快速、节能和舒适控温效果。变频空调器的核心是变频器，它通过对电流的转换来实现电动机转速的自动调节，把50Hz的固定电网频率改为30—130Hz的变化频率。同时，还使电源电压范围达到142—270V，彻底解决了由于电网电压的不稳定而造成空调器不能正常工作的难题。变频空调器每次开始使用时，通常是让空调以最大功率、最大风量进行制热或制冷，迅速接近所设定的温度。变频空调器通过提高压缩机工作频率的方式，增大了在低温时的制热能力，最大制热量可达到同品牌、同级别空调器的1.5倍，低温下仍能保持良好的制热效果。此外，一般的分体机只有四档风速可供调节，而变频空调器的室内风机自动运行时，转速会随压缩机转速的改变在12档风速范围内变化，风机的转速与空调器的能力配合较为合理，实现了低噪音的宁静运行。当空调高功率运转，迅速接近所设定的温度后，压缩机便在低转速、低能耗状态运转，仅以所需的功率维持设定的温度。这样不但温度稳定，而且避免了压缩机频繁地开开停停所造成的空调器寿命的衰减，并且耗电量大大降低，实现了高效节能。

二、变频原理

变频空调器按工作原理可以分为交流变频和直流变频两种方式。自从1997年中国第一台变频空调器诞生，此间变频空调器的变频方式经历了从交流变频到直流变频的技术革新历程。

2.1交流变频器的工作原理

我们知道,交流电动机的同步转速表达式位:

n=60f(1-s)/p(1)

式中

N——异步电动机的转速;

F——异步电动机的频率;

S——电动机转差率;

P——电动机极对数。

由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0～50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段，压缩机的转速会随频率的变化而变化。

交流变频原理是把220V、50HZ工频交流电转换为310V直流电源，并把它送到逆变器（大功率晶体管开关组合），又称功率模块，为其提供工作电压；同时根据室温和设定温度的温差，通过微处理器运算，产生一个控制信号（PWM脉冲信号），也送入逆变器；然后由三相逆变器将直流电转变为频率可调的三相交流电（合成波形近似正弦波），驱动变频压缩机运转，使压缩机电机的转速随电源频率的变化做相应地变化，从而调节制冷（热）量。

2.1.2交流变频器的结构与原理

（1）PWM控制，又称电压、频率比例调制方式。在调节频率的同时，不改变脉冲电压幅度的大小，而是改变脉冲的占空比，可以实现变频也变压的效果。这种方法称为PWM调制，PWM调制可以直接在逆变器中完成电压与频率的同时变化，控制电路比较简单。

（2）逆变器。这一部分指的是完成直流到交流的逆变过程，用于驱动变频压缩机运转的三相逆变器。变频空调通常采用6个绝缘栅极晶体管构成大功率晶体管开关组合，又称功率模块。6个晶体管的状态决定了电机绕组中电流的方向，而开关动作的快慢决定了通入电机绕组中电流的频率；开关脉冲依次控制它们通断，切换一次后，电机就转动一周；如果每秒钟切换100次，则电机的转速就是100r/s。在实际应用中，多采用变频模块加上外围的电路（如开关电源电路）组成。

2.2直流变频

2.2.1直流变频原理

我们把采用无刷直流电机作为压缩机电机的空调器称为“直流变频空调”，这样称呼从概念上来说是不确切的，因为直流变频空调器的变频方式与交流变频一样，也采用的是交—直—交方式，供给压缩机的电压还是交流电，但人们已经习惯将采用无刷直流电机的变频空调器称为直流变频空调器。直流变频空调器关键在于采用了无刷直流电机作为压缩机电动机。直流变频空调器分为两类：一类是只有压缩机电机采用无刷直流电机；另一类是不只压缩机，室内风机、室外风机都采用了无刷直流电机，这就是全直流变频空调器。所以，直流变频空调器相对与交流变频空调器而言，具有更大的节能优势。

直流电机转速公式n=U/Cφ

上式中：n为电机的转速（r/min）；C为电极常数，与电机构造有关；U为定子输入电压（V）；φ为磁极磁通。

从上式可以看出，直流变频空调器通过改变压缩机的供电电压，从而改变压缩机的转速，进而改变制冷（热）量。直流变频空调器控制原理与交流变频空调器基本一样，所不同的是交流变频技术调节的是频率，而直流变频技术调节的是电压。

2.2.2直流变频器的结构与原理

直流与交流变频主电路差别不大，变频模块之前电路完全相同；不同之处在于交流变频压缩机无反馈控制信号，而直流变频压缩机有三相转速反馈控制信号。

三、变频技术发展方向

目前变频控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制）方向发展。采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r/min。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右，这样大大提高了快速制冷和制热能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面PAM也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。

参考文献：

［1］参考文献：《变频器世界》

［2］张少利，何应俊.制冷设备原理与维修实训.北京：人民邮电出版社，2008.10.

［3］胡国喜.制冷设备维修技术基本功.北京：人民邮电出版社，2010.3.