1.引言

随着全球气候日益变暖,人们对空调的需求越来越大,如何使空调系统在提高舒适性的同时又达到节能的目的已经成为一个越来越重要的问题。变频调速技术引用进空调控制系统中就是解决这个问题的一种途径, 这样不仅提高了空调房间的舒适程度、减少了噪声,而且最重要一点就是能够达到节能的目的。

2.空调控制系统的特点

空调系统中的控制对象多属于热工对象, 从控制的角度分析具有以下特点:

(1) 多干扰性

例如:通过窗户进入的太阳辐射热是时间的函数,也受气象条件的影响;室外空气温度通过围护结构对室温产生的影响;为了换气所采用的新风,其温度变化对室温有直接的影响;此外室内人员的变动, 照明、机电设备的启停, 电加热器电源电压的波动以及热水加热器热水压力、温度的变化, 均随着建筑的构造、用途的不同而异, 更与空调本身有关。如果不采用变频调速技术,那唯一的方法就是利用最大的耗能来换取理想的控制状态,这就会带来干扰变动时控制的不理想以及能源浪费的问题。

(2) 多工况性

空调系统中对空气的处理过程具有很强的季节性,一年中,至少要分为冬季, 过渡季和夏季。另外在同一天中, 夜晚和白天的空气工况也不完全相同, 因此空调对空气的处理过程也具有多变性。多工况性的特点就决定了空调的运行不能设定在某一不变的参数,而这就要求空调的控制系统必须要灵活的动作来适应变化的工况。

3.变频调速技术在空调器中的使用

针对空调控制系统的特点, 再加上电力电子技术及微机控制技术的发展,变频器的应用日益广泛,因此在空调控制系统中采用变频技术也是不可避免的。这就给我们提供了一种既能达到控制要求又能节约能源的方法。

空调交流变频控制器主要由直流变换电路、滤波电路、变频电路、控制电路构成。其基本组成如图1所示。

图1 空调变频控制器的基本组成

在空调控制系统中使用变频技术, 与普通空调相比具有如下优点:

(1) 节能省电、电压适应性强

变频空调器采用模糊控制技术调节制冷(热) 能力, 压缩机由于不停机而减少频繁启停造成的损失。同时压缩机刚启动时,采用低频启动,一般在20 - 30HZ之间,从而降低了启动电流, 减少了功率消耗, 然后很快在低频状态转入高频状态,在很短的时间里达到室内设定温度,然后压缩机在长时间处于低频工作范围内,机组的功率降到最小,以保持室温。另外变频空调还可以根据外界环境负荷的变化相应的调节压缩机的转速来达到控制要求, 这就避免了运行参数的单一化而带来能源的浪费。因此变频空调节能效果明显,比普通空调节电20 % - 30 %。

变频空调的电压适应性很强,工作电压在187 - 242V 之间,这一点更适合在电网电压不稳定的地区使用。这是由于变频空调器采用自动控制技术对压缩机输入电压进行自动调整, 所以当电网电压偏高或偏低时机组仍能正常工作。

(2) 制冷快速、舒适性好

变频空调器开始运转时,机组经低频低速启动, 然后很快进入高速运转, 转速可达到正常转速的2- 3 倍, 故比定速空调能更快达到设定温度。当室温接近设定温度时,机组在不停止压缩机工作状态下,通过调整压缩机的转速调节室温,这样就可以创造出温度变化不大的舒适环境。

(3) 超低温制热、快速除霜

一般空调器, 当室外气温低于0 ℃时,制热能力大幅度下降, 在- 12 ℃时出力只有额定值的35 % 左右。但变频空调则可根据室外温度的变化自动改变压缩机转速, 在室外温度低的情况下, 通过提高运转频率, 达到提高制热能力的效果,在- 12 ℃时出力可达到额定值的70 % 左右。

在低温的情况下,一般空调器室外机除霜停机需5 - 15 分钟,在此期间室内机停止供热。而变频空调器则利用微处理器控制电子膨胀阀,除霜时,电子膨胀阀全开,压缩机高速运转,利用压缩机排气的温热除霜,从而实现不间断供热快速除霜。

(4) 噪声低,除湿功能合理

变频空调器采用变频双转子压缩机和变频直流电机,使压缩机从低速到高速都能平衡地运转,加之长时间的低频运转状态使室外机运转更加平稳。室内机也没有频繁启停的声音, 同时风机的转速随着压缩机的工作频率可在多档范围内变化,从而实现整机的低噪声运行。

变频空调的除湿功能, 主要是除去房间空气中的含湿量而不降低温度,可根据房间的湿度要求设定湿度值。除湿时机组相当于制冷时的1/ 3 频率运转,以较小的输入功率达到除湿效果,不仅经济合理而且还提高了舒适性。

4.变频空调器及其控制系统

变频空调主要指的是对空调系统中室外的压缩机而言的,其功率从1 —5hp 不等,因主机功率大, 这样变频后效果显著。对室内排风扇, 由于功率≤30 —40W, 只进行人工调风量, 但近年来也有双变频机型或全变频机型对排风扇或所有电机进行变频控制。

变频空调器的类型主要由变频方式和主要零部件压缩机、节流机构、室内风扇电机、室外风扇电机来决定的。因此,不同的变频方式和零部件也就组成了不同类型的变频空调器, 这种组合可以多达十几种。在这众多的组合中基本上可以分为三种类型。

第一类变频空调器采用交流变频, 制冷剂流量调节方式采用毛细管,压缩机采用单转子交流变频压缩机。这种空调器基本能体现变频空调器各种优点,而且可靠性好,缺点是节能效果较低,噪声和震动也较大。

第二类变频空调器同样也是采用交流变频, 不同的是压缩机采用双转子交流变频压缩机, 制冷剂流量调节方式采用电子膨胀阀。此类空调器变频范围更宽, 噪声和震动有所降低, 节能效果明显。

第三类是直流变频空调器, 采用直流变频压缩机和直流风扇电机, 调节方式是电子膨胀阀。此类空调器节能效果更高, 噪声和震动达到了最低的水平,同时还没有交流变频的电磁干扰,是当前最先进的变频空调器。

以下就直流变频分体式空调器的结构及控制系统作个简要的介绍。分体式空调器的控制器分为室外和室内两大部份。

室内机主要完成红外线遥控接收, 并根据设定进行运行状态的切换, 调节室内风速及压缩机运行状态, 使其达到设定要求。收到信号后, 根据要求由模糊算法得到目前最佳的工作状态,并通过串行通信与室外机交换信息,实现对压缩机运行状态的控制,其基本电路框图见图2。

图2 室内机基本电路图

室外机主要是根据室内机的信息, 进行压缩机的变频控制及风速调节,同时在制热时还要完成除霜等功能。其基本电路框图如图3 所示。

变频调速自控系统中采用交流调速系统〔2〕〔3〕, 主要有逆变器、SPWM控制器及一些保护电路线组成。主电路采用交———直———交变频方式。功率变换元件采用大功率晶体管,整流部件选用三相不可控整流模块, 系统中还设计了过流、过压、欠压和过热等保护功能。交流调速系统的波形处理可采用不等幅PWM方式,脉宽调制SPWM电压型控制器可由单片微机系统和大规模集成电路来实现。

另外空调器控制系统中软件可采用模块化设计。其中主控模块负责整个系统状态及运行控制;另有故障诊断服务模块、键盘管理和显示模块、数据采集与处理模块、变频调压控制模块等。

图3 室外机基本电路图

5.结论

通过以上分析可看出变频式空调器具有节能、高效、舒适的优势,而且控制简单、能效比高, 今后变频式空调器尤其是在现代电力电子技术和微电控制技术结合方面有广阔地发展前景。

在发展中有待深入的工作有:能效比指标的改进;提高制冷压缩机性能;智能控制的引入,空调器的信息化、智能化等。

参考文献

〔1〕刘耀浩. 建筑环境与设备的自动化〔M〕. 天津:天津大学出版社,2000.

〔2〕王铁军. 空调器变频调能技术〔J〕. 安徽工学院学报. 1994 , (4) :45- 48.

〔3〕王铁军,朱程辉. 变频空调器控制系统设计〔J〕. 安徽工学院学报,1996 ,15 (4) :23 - 26.