浅谈变频技术在数字家用电器产品中的应用
摘要:文章总结了变频技术原理,讨论了变频技术在家用电器产品中的应用情况,强调了将变频技术应用于家用电器可达到节能的目的。
关键词:变频技术 家用电器 应用 节能
中图分类号:TM921 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)03(a)-0047-01
变频技术自20世纪80年代后,已广泛地应用于我国国民经济的各行各业,家电行业也不列外。不管是在空调、电冰箱、洗衣机还是小家电产品都大量应用了变频技术。家用电器产品应用变频技术的优点有三:第一是高效、节能,可以提高生产效率,实现生产自动化;第二是给家电产品带来功能的增加、性能的改善;第三是整机寿命较传统家电有明显提高。目前变频家电已成为新一代家用电器发展趋势之一,变频技术已成为最具发展前景的焦点技术。
1 变频技术原理
所谓变频就是利用大功率电子器件(如巨型晶体管GTR、绝缘栅双极型功率晶体管IGBT)将380V、50H的市电变换为用户所要求的交流电源或其他电源。常见的变频技术有交-交变频技术和交-直-交变频技术。
电工学告诉我们,交流异步电动机的转速与电源的频率和电压等有关,交流电动机的异步转速表达式:n＝60f(1－s)/p,式中n为异步电动机的转速;f为异步电动机的频率;s为电动机转差率;p为电动机极对数。只要改变电源的频率或电压,就能改变电动机的转速。
1.1 交-交变频技术
交-交变频是直接将工频电源转变成所需频率的交流电。它由两组反向并联的变流器组成,如果令正组变流器和反组变流器轮流地导通,则在负载上就获得交变的输出电压。输出电压的幅值可以通过改变变流器的控制角加以调节,频率则由正、反两组变流器轮流导通的切换频率所决定。
交-交变频流过电机的电流近似于三相正弦,附加损耗小,脉动转矩小;当电源频率为50Hz时,最大输出频率不超过20Hz,电机最高转速小于600r/mim(对应4极电机),它只能在工频以下调速,调速范围窄;主回路较复杂,所用器件多(桥式线路需36个晶闸管)。交-交变频一般只用于低转速、大容量的调速系统,例如轧钢机,球磨机、水泥回转窑等。
1.2 交-直-交变频技术
交-直-交变频技术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。其原理是:首先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。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,来满足变频调速对U/f协调控制的要求,它在家用电器领域应用非常广泛。其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,转矩脉动小,调速范围宽。
近年来,带驱动和保护电路的各种智能功率模块(IPM)也相继应用在变频系统中。IPM模块是将三相逆变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。
2 变频技术在家电中的应用
2.1 变频技术在空调上的应用
空调器应用变频技术后,扩大了压缩机的工作范围,不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制,达到节能降耗,从而使室内温差波动很小,人体舒适度大大提高。近年来,新一代的变频空调因为具有节能效果明显的特点而受到市场的关注。如日本三菱推出的PMV,富士通的AS28TPR,东芝的RAV-46HT等变频系列和未采用变频调速技术的空调相比可以节能20%以上。采用模糊控制的变频空调已成为当今发展的主流。空调器的模糊控制就是快速感知房间的各主要参数,通过传感器获得室温变化、室内外温度、湿度、房间情况等大量数据,将这些实测数据与大量经验数据相比较,应用模糊理论使变频压缩机、电子膨胀阀和风机及风门这些执行机构作出相应的快速调节。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,是空调发展的大趋势。
2.2 变频技术在电冰箱上的应用
传统电冰箱,由于它处于全天间歇工作,功耗及噪声问题严重。变频冰箱是在原普通冰箱基础上,采用了专用变频压缩机和驱动器,增加了变频控制系统,利用模糊控制原理使压缩机始终处在最佳低速运行状态。根据冰箱内的温度传感器测得各室温度值,得出相应的温度变化率,应用模糊神经推理确定箱内食品的温度,进而控制变频压缩机的转速、风扇和风门的开闭,达到最佳的运行状态和最佳的保鲜效果。可以彻底消除因压缩机起动引起的噪声,节能效果更加明显。
2.3 变频技术在洗衣机上的应用
变频洗衣机应用了数字变频技术和模糊控制理论,采用无级调速系统、高精密度轴承和直流无刷变频电机,在运行中实现了无级变速,能够针对不同衣物材质确定不同的洗涤、脱水速度,大大提高了衣物的洗净率,降低了对织物的机械磨损。
变频洗衣机将机械传动机构改为直接驱动方式,大大减少了机械传动的噪音。可使洗衣机运行中的噪音降低10分贝以上。变频洗衣机电机工作效率则由普通洗衣机的40％～50％提高到80％以上,大大节省了能源。与传统产品相比,它具有全能洗、节能洗、静音洗等特点。
2.4 变频技术在微波炉上的应用
变频微波炉是以变频器代替了传统的微波炉内变压器,变频器通过变频电路可以将50Hz的电源频率任意地转换成2000Hz～4500Hz的高频率,通过改变频率来得到不同的输出功率,解决了传统微波炉通过对恒定输出功率反复开／关进行火力调控而使食物加热不均匀的弊端,实现了真正意义上的均匀火力调控,经烹饪的食物不仅口感好,而且营养保存更多。
3 结语
随着科学的发展,变频技术正在给形形色色的家电带来新的革命,并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。变频技术的日新月异,其中应用最广的变频器正向着数控化、高频化、数显化、高集成化、高可靠性、低成本的方向发展。它将更广泛地应用到各个领域,给人民生产、生活带来更高的效益。
参考文献
[1]赵先美.日本家用电冰箱最新发展动态[J].制冷,1998(2):17～21.
[2]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M]．北京:电子工业出版社,1999．
[3]原魁.变频器基础应用[M]．北京:冶金工业出版社,2007.