变频技术在日本家用电器中应用!

家电维修

1 引言
从1970年以后，日本把变频技术应用到各种家用电器中去，使它们不断更新换代，在市场上推出一代接一代的新产品，取得了良好的经济效益。采用变频技术以后，首先是提高效率，有效节能，其次是提高控制性能;同时缩小体积，减少运作噪声(也就是所谓的“静音化”)，因为家用电器直接用在家庭中，由人来操作使用，这是与其他电器不同的重要特点。
本文介绍变频技术在日本家用电器中应用概况，并着重介绍变频技术在空调，炊具和灯具中的最新进展情况，以及今后的发展趋势，作为一种参考资料贡献给有关行业的读者，如有不正确的地方，请指正。

2 变频技术在日本家用电器中的应用概况
2.1 应用发展过程
1970年日本出现了采用变频技术的感应加热式电磁灶，是第一次把变频技术应用在家用电器中。1980年又出现日光灯用电子镇流器和变频空调。80年代相继开发出高频微波炉，变频冰箱，高频电饭煲、变频洗衣机。在1990年时，变频技术应用范围已涵盖主要的家用电器。90年代又进行了改进，出现新一代变频空调、高频电子镇流器等更为节能的家用电器。预计到新世纪，变频技术在家用电器的更新换代工作中，还会继续发挥作用。

2.2 工作频率和功率范围
变频空调的功率一般为1kW左右(窗式)及以上(柜式)，工作频率为50-150Hz。变频冰箱的功率一般为100W左右，最早采用感应式电动机，工作频率为60-120Hz，现在采用无电刷电动机，工作频率为3-20kHz,变频洗衣机的功率为500W左右，最早采用感应式电动机，工作频率10-120Hz,现在采用无刷电动机，工作频率15kHz,高频电磁灶的功率为1kW-5kW,工作频率30-80kHz,高频电饭煲的功率为0.7-1.3kW,大容量的电饭煲为2-4kW,工作频率为20-50kHz。高频微波炉的功率为1kW左右，工作频率20-100kHz。高频电子镇流器的功率为10-120W,工作频率为60-120kHz。
在变频家用电器中，最先使用的开关器件是晶闸管，后来使用大功率晶体管，再后来使用绝缘栅极晶体管，现在正在开发更新的家用电器用的半导体开关器件。

2.3 应用变频技术后的效果
2.3.1 变频空调
空调采用变频技术后，使空气压缩机工作范围拓宽，断续运行，控制加热和制冷能力，降低损耗，消除温度变化产生的不快感。特别是提高运转速度后，加热能力提高，效率上升，损耗下降。最近，把空调使用的变频器从PWM控制改进成PAM控制，增加有源滤波部分，使功率因数COSφ达到0.99以上，减少高次谐波，提高了效率;同时提高开关频率，使变频器缩小体积，减轻重量;而且高速运行时输出能力增大。
2.3.2 变频冰箱
最早的变频冰箱着眼于快速冷冻，已经从市场上消失，已被新一代节能型变频冰箱代替。损耗降低32%，噪声降低约20db，缩短冷冻时间1/2以上。特别是工作频率提高后，变频装置成本也显著下降。
2.3.3 变频洗衣机
最早的变频洗衣机进行变速控制是为了增加洗净性能。现在新一代节能型变频洗衣机采用新的洗净方式，工作频率提高到15kHz，洗衣时为10-150转/分，转矩20-30牛顿米，脱水时800-1000转/分。洗衣耗能降低20%以上，噪声也显著下降。
2.3.4 高频电磁灶
电磁灶采用高频感应加热后效率大为提高，比电炒锅(55%)，煤气灶(50%)高得多，已从65%提高到85%。70年代用晶闸体，体积47.5升，重量230kg，效率65%。80年代采用大功率晶体管，90年代用绝缘栅极晶体管和ZVS软开关技术，到1997年体积6.5升，重量2.6kg,效率85%。工作频率已超出声频范围，再也听不见锅的振动噪声。
2.3.5 高频电饭煲
采用高频感应加热对电饭煲进行改造，比用电热元件火力强得多，使煲饭功能飞跃提高，升降温性能可以进行更细化更微妙的控制，效率达到85%。
2.3.6 高频微波炉
采用变频技术把电源部分高频化以后，体积大大缩小，升压变压器体积减少2/3以上，从870cm3减小到270cm3,重量减少9/10以上，从4200g减少到300g，可以放在微波炉内。同时，还可以缩短加热时间。
2.3.7 高频电子整流器
现在的高频电子整流器不但提高发光效率，节能30%(与原来铁铜式整流器相比)，而且每W电力发光增加，从铁铜式整流器的71流明/w,增加到92流明/w，改善灯具性能。同时还改善了功率因数，减少高次谐波和电磁干扰。特别是集中力量开发用元器件数量少的电路，采用片式元器件制造，可以大幅度缩小体积，降低成本，尽可能实现“节能又省钱”的目标。

3 变频空调的最新进展
变频空调的最新进展是采用PAM(脉冲幅值调制)控制型调速代替PWM(脉冲宽度调速)控制型调速，两种控制型式的电路方框图和控制特性如图1。PWM控制型通过控制逆变器的脉冲宽度，来改变输出给电动机的电压大小调速，改变空调的送风量。PAM控制型前半段也是通过PWM控制输出给电动机的电压大小调速，改变空调的送风量。后半段PWM的占空比不变，在保持空调的送风量最大的条件下，通过控制升压电路的电压(150V-350V),改变逆变器的脉冲幅值，从而改变输出电压大小，对电动机调速，使其高速运转，提高空调对房间加温和冷却的能力，增加空调的使用效率。
PAM控制型比PWM型的功率因数cosφ提高10%以上，这主要是升压部分作为有源滤波器一直在工作，在电动机1000转/分时，PWM控制型cosφ为0.76，PAM控制型cosφ为0.96.在电动机4000转/分时，PWM控制型cosφ为0.85，PAM控制型cosφ为0.99，电动机8000转/分时，PAM控制型cosφ为0.995，这样，在同样的输入功率下，可以增加输出负荷，或者在同样的输出负荷下，可以减少输入功率。
同时，由于PAM控制型比PWM控制型脉动分量小，降低了电动机的铁损，使空调的综合效率提高，在电动机为1000转/分时，PWM控制型的综合效率为66%，PAM控制型的综合效率为71%，在电动机4000转/分时，PWM控制型的综合效率为83%，PAM控制型的综合效率为86%，一直保持到电动机8000转/分。
PAM控制型逆变器采用绝缘栅极晶体管IGBT代替场效应管MOSFET，还可以进一步降低损耗。以电动机功率2kW，直流电压300V，开关频率25kHz的逆变器为例，采用IGBT代替MOSFET，导通阻抗损耗从60W变为18W，导通损耗从10W变为18W，关断损耗从5W变为22W，快速二极管FRD损耗都为5W,合计:采用MOSTET总损耗90W，采用IGBT总损耗73W。
为了防止电磁干扰和抑制噪声，对PAM控制型电路采用的方法和措施见图2，对作为有源滤波器的升压都分采用功率模块，缩短配线和分布电容和电感。在它驱动部分，加阻容吸收电路，降低 di/dt和dv/dt，晶闸管开关的触变部分接上吸收电容。输入首先经过共模滤波器(L为1.5mH,c为0.01μF),再经过π形滤波器，衰减电流脉动和电压时变，防上对电源的电磁干扰。输出接上滤波电容及配线电感共同抑制升压部分输出电压突跳。逆变器的输入和输出都套环形磁芯，抑制干扰。有时逆变器输出再接三个滤波电抗器(可由非晶合金，铁氧体，磁粉芯，硅钢组成)，进一步降低脉动分量，减少电动机运行时的噪声，零线与地之间接电容以便抑制漏电容。为了防止辐射干扰，必须采用屏蔽外壳将电路保护起来。采取这些措施以后，就可以基本清除PAM控制型变频空调的电磁干扰和脉动，实现“静音化”。

4 高频加热炊具的最新进展
高频加热炊具的最新进展是开发出高频加热(IH)型电饭煲。用感应加热代替热元件加热，发热量比原来增大。升降温不但可以采用切断和打开部分加热元件的办法控制，还可以改变输入电压和加热线圈的频率来控制。其主要电路是从高频感应加热电磁灶发展而来的。家用感应加热电饭煲仍采用单晶体管电路(见图3a),输入电压支流100V，有六个加热线圈:两个底座线圈，功率0.7-1.3kW。加滤波电感和电容后，输入功率因数cosφ可达0.99。单晶体管电路逆变采用部分谐振ZVS软开关技术。总的加热效率从使用热元件的55%左右提高到85%，饭店和食堂用的大型感应加热电饭煲采用半桥式两晶体管电路(见图3b),输入电压交流220V，功率2-4kW，可煮2-4升米饭。逆变电路采用部分谐振ZVS软开关技术。总的加热效率可以达到85%-90%，感应加热频率可在20kHz-50kHz之间，主开关器件采用绝缘栅极晶体管IGBT。为了防止对电源的电磁干扰，都接有共模滤波器。这种感应加热电饭煲，国内已有厂家试制，但是要注意的是单晶体管电路中，开关器件承受的电压或电流冲击强度高，必须采用有效措施进行保护。

5 高频电子镇流器的最新进展
电子镇流器的开发在日本已有近20年历史，从90年代以来，采用措施防止高次谐波的电路又有新的发展，图4a是采用充电泵的有源滤波电路，图4b是采用充电泵和降压斩波的有源滤波电路，都是最近开发出的电路。附加元器件少，而且可有效抑制高次谐波，三次谐波4%(基波为100%)，五次谐波1.6%,七次谐波1.3%，九次谐和波0.93%。输入功率因数cosφ可达0.98。

6 几点感想和意见
(1) 正如有的专家指出那样，家用电器正在成为大功率半导体器件的第三或第四大用户，成为电力电子技术和电源技术应用的一大领域。日本采用变频技术的家用电器的品种越来越多，就是一个例证。
(2) 我国从事变频技术的开发研究人员，应当从市场为导向，把更多的目光转向家用电器应用领域，一定会发现许多新的课题。例如:研究家用电器使用的逆变器特点，用低损耗的软开关办法改善主电路，用相应的控制方法提高性能等等。
(3) 遗憾的是，我国大型家用电器制造厂家，和日本松下、东芝、日立、三洋等公司不一样，没有自己的半导体器件制造和应用研究开发和生产单位，基本上是引进国外成熟的变频家用电器技术，这样，必然与国外产品有一定差距，也就必然形不成有自己知识产权的变频家用电器产品。希望采取必要的措施，例如产学研合作形式，进行变频家用电器研究开发和生产工作。

参 考 文 献
(1) 藤原义博:“家电制品与逆变器技术”日刊《DHM》1999年86卷第9期22-24页。
(2) 石井诚:“空调与逆变器技术”日刊《DHM》1999年86卷第9期25-40页。