[信息與通信]變頻空調(diào)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要 隨著空調(diào)器使用的日益普遍,人們更加重視空調(diào)器性能的提高。變頻式 空調(diào)器以能效比高、調(diào)溫快、使用舒適、節(jié)能顯著的特點(diǎn),一出現(xiàn)就受到人 們的青睞,特別是應(yīng)用了模糊控制技術(shù),使其顯出更加突出的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó) 內(nèi)空調(diào)器市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,若想在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地,就 必須具有舒適、節(jié)能、能效比高等特點(diǎn),研制具有低成本的節(jié)能變頻空調(diào)也 就成為了未來空調(diào)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。 本課題設(shè)計(jì)了變頻空調(diào)器的電氣控制系統(tǒng),電控系統(tǒng)的作用是根據(jù)房間 溫度的變化以及用戶的要求去控制空調(diào)器的運(yùn)轉(zhuǎn)部件—壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī) 等,使室溫合乎理想要求。電控系統(tǒng)分為室內(nèi)機(jī)
2、和室外機(jī)兩部分設(shè)計(jì)。室內(nèi) 機(jī)、室外機(jī)各用一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行控制,二者通過通訊線進(jìn)行通訊,以傳遞和 交換信息。室內(nèi)機(jī)主要包括遙控器信號(hào)的接收電路,室內(nèi)溫度的檢測(cè)電路, 風(fēng)扇電機(jī)控制電路和風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)控制電路等,室內(nèi)機(jī)的作用是完成溫度的 檢測(cè)和溫度的模糊控制運(yùn)算等,對(duì)各部分電路進(jìn)行控制,把空調(diào)器產(chǎn)生的冷 空氣或熱空氣傳到室內(nèi)的不同區(qū)域,實(shí)現(xiàn)均勻調(diào)節(jié)房間溫度的目的。室外機(jī) 包括變頻器電路、風(fēng)扇控制電路、四通閥控制電路、溫度檢測(cè)電路和保護(hù)電 路等。變頻器電路采用智能功率模塊,利用專用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制,使變 頻電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、性能可靠。室外機(jī)的作用是對(duì)室內(nèi)機(jī)送來的控制信號(hào)進(jìn)行 分析,根據(jù)室
3、外機(jī)的工作狀態(tài),通過變頻器對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,從而達(dá) 到制冷或制熱功率的調(diào)節(jié),并對(duì)室外風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)、電磁四通閥進(jìn)行控制,對(duì) 各種保護(hù)電路予以監(jiān)測(cè)。然后在硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,編制了室內(nèi)、外機(jī) 的系統(tǒng)控制軟件。最后進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試,從而完成整個(gè)電控系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)。 由于室溫控制系統(tǒng)具有大滯后、時(shí)變性、非線性等特點(diǎn),精確數(shù)學(xué)模型 難以建立,傳統(tǒng)PID控制方法效果差。所以選定模糊控制方案,設(shè)計(jì)了二 維模糊溫度控制器。然后針對(duì)常規(guī)模糊控制器主觀性較強(qiáng)的缺點(diǎn),提出了一 種適于實(shí)時(shí)控制的模糊PID溫度控制器,并通過仿真驗(yàn)證了這一方法的合 理性。 關(guān)鍵詞變頻器;模糊控制;PID控制;
4、單片機(jī)控制;系統(tǒng)仿真 萬方數(shù)據(jù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 Abstract Withtheincreasinguseofairconditioner,peoplepaymoreattentiontothe improvementofairconditionersperformance.Becauseofitshighperformance, variable-frequencyairconditionerbecamepopularassoonasitappeared; especiallyfuzzycontroltechn
5、ologyisusedonit.Butthereisnthome-made completelyvariable.frequencyairconditioner,withtheeverincreasingofair conditionersdemand,itisveryimportanttodesignourownvariable-frequency airconditioner. Anairconditionerselectricalcontrolsystemisdesignedinthispaper.Itis usedtocontrolcompressorandfanmotort
6、omakeroomtemperaturefitdemand accordingtotheroomtemperaturesvarietyandusersdemand.Electrical controlsystemisdividedintoin-roompartandout-roompart.Thetwopartsare controlledbysingle-chipcomputer.Theycommunicatewitheachotherthrough onecommunicationline.In-roompartismadeupofremoterreceivecircuit, r
7、oomtemperaturedetectcircuit,fanmotorcontrolcircuitandwinddoorstepping motorcontrolcircuit.Thefunctionsofthein-roompartincludetemperature detection,temperaturesfuzzycalculationandthecontrolofallthecircuits.And asaresult,thispartachievesthegoalofregulatingtheroomtemperatureby puttingcoldorhotairto
8、differentpartsoftheroom.Out-roompartincludes frequencyconverter,fancontrolcircuit,temperaturedetectcircuitand protectingcircuit.Thefrequencyconvertermakesthecircuitsimpleandreliable byemployingintelligentpowermoduleandspecialsingle-chipcomputer.The out-roompartisusedtocontrolthecompressorsspeedv
9、iathefrequency converteraccordingtothesignalsfromin-roompartandthestatusofout-room part.Whatsmorethispartalsocontrolsfanmotorandelectrical-magneticfourpass valveandmonitorsalltheprotectingcircuits.Basedonthehardware circuits,thecontrolsoftwareforin-roomandout-roompartsisalsodesigned respectivel
10、y.Finally,thehardwareandsoftwareisdebuggedandthedesignof wholeelectricalcontrolsystemisfinished. Becauseofthecharacteristicsofgreatdelay,timevaryingandnonlinearity, itisdifficulttogetanaccuratemathematicalmodelforthe n 萬方數(shù)據(jù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 system.ConventionalPIDcontrollercannotworkwell,sofuzz
11、ycontrol technologyisselected.Atwo-dimensionfuzzytemperaturecontrolleris designedinthispaper.Consideringthedisadvantagesoftheconventionalfuzzy controller,areal-timeadaptivefuzzycontrollerispresented.Thesimulation resultsverifyittobereasonable. Keywordsfrequencyconverter,fuzzycontrol;adaptivecon
12、trol;single-chip computercontrol;systemsimulation 萬方數(shù)據(jù)III 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第1章緒論 1.1課題背景、來源及研究意義 空調(diào)是空氣調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)稱,它的作用是通過空調(diào)器對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行處 理,使它的溫度、濕度、氣流速度和潔凈度達(dá)到所需的要求,為人們提供舒 適生活條件和為生產(chǎn)工藝提供一定的環(huán)境條件服務(wù)。 空調(diào)器一般有冷風(fēng)型空調(diào)器、電熱冷風(fēng)型空調(diào)器、熱泵型空調(diào)器幾種。 冷風(fēng)型空調(diào)器只能用于降溫調(diào)節(jié);電熱冷風(fēng)型空調(diào)器一般是在原冷風(fēng)型空調(diào) 器上進(jìn)行局部改進(jìn),增加電熱部分而成;熱泵型冷熱兩用空調(diào)是目前普遍采 用
13、的空調(diào)器。制冷循環(huán)中,低溫低壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器處吸收熱量而汽 化,經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成為高壓、高溫氣體,在冷凝器內(nèi)散熱冷凝成液態(tài)制冷 劑,然后又經(jīng)毛細(xì)管(或膨脹閥)降壓節(jié)流成為低壓、低溫狀態(tài),如此反復(fù) 循環(huán),就可將室內(nèi)的熱量排到室外,并通過室內(nèi)的風(fēng)扇將冷卻后的空氣均勻 地分布到室內(nèi)。制熱時(shí),制冷劑的循環(huán)與此相反。 溫度控制技術(shù)是熱泵型冷熱兩用空調(diào)中最主要的控制技術(shù),一個(gè)完整的 溫度控制系統(tǒng)主要包括三部分:溫度傳感器、溫度控制器和溫度調(diào)節(jié)器。 傳統(tǒng)空調(diào)器的溫度控制是通過溫度傳感器感受室內(nèi)溫度變化來控制壓縮 機(jī)的運(yùn)行和停止的,風(fēng)扇則在設(shè)定的速度下工作,這會(huì)造成受控環(huán)境溫度變 化較大
14、,使人們?cè)谑褂每照{(diào)時(shí)仍不斷感受到冷熱的變化。此外,壓縮機(jī)的 ON/OFF控制方式及空調(diào)器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使室內(nèi)機(jī)的輸出與壓縮機(jī)的輸出 相比有一定的滯后性,而且壓縮機(jī)處于全開或全關(guān)狀態(tài),其制冷(熱)量也 對(duì)室內(nèi)溫度有較大影響,這些勢(shì)必影響空調(diào)的溫度控制精度和舒適性。變頻 模糊控制空調(diào)器將傳感器測(cè)定的實(shí)際環(huán)境狀態(tài)和空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)與人們所期望 達(dá)到的設(shè)定狀態(tài)進(jìn)行比較,通過模糊邏輯控制技術(shù)使空調(diào)器控制系統(tǒng)具有自 調(diào)整的智能特性,從而得出最佳的動(dòng)態(tài)控制參數(shù),并對(duì)空調(diào)器的變頻電源及 各執(zhí)行單元實(shí)施控制,使空調(diào)器的工作狀態(tài)隨著人們的要求和環(huán)境狀態(tài)的變 化而自動(dòng)變化,始終保持在較合理的狀態(tài)下變頻模
15、糊控制空調(diào)器對(duì)室外機(jī)的 要求是,壓縮機(jī)能根據(jù)室內(nèi)需要的冷(熱)量不同,連續(xù)地、動(dòng)態(tài)地、實(shí)時(shí) 地調(diào)整其制冷(熱)量。 正由于變頻空調(diào)器具有這些優(yōu)點(diǎn),世界各國(guó)廠商都競(jìng)相開發(fā)研制,但目 萬方數(shù)據(jù) 前技術(shù)比較成熟的國(guó)外廠商的產(chǎn)品普遍存在價(jià)格比較高的問題,而國(guó)內(nèi)的變 頻空調(diào)技術(shù)尚不夠成熟。由于國(guó)外廠商變頻空調(diào)器的技術(shù)封鎖,而近年來工 用、商用、民用空調(diào)需求不斷增加,特別是需求成高檔化,所以需要國(guó)內(nèi)自 行研制性能可靠、運(yùn)行更加平穩(wěn)、功能更強(qiáng)、節(jié)能顯著、噪音小、污染少的 變頻空調(diào)器,并使其能夠進(jìn)入普通消費(fèi)者的家庭,這就是本課題的背景。
16、本課題題目自擬。意義在于: (1)傳統(tǒng)的空調(diào)器是當(dāng)溫度達(dá)到所要求的范圍時(shí)就停轉(zhuǎn),超出范圍時(shí) 就重新啟動(dòng)。工作過程中反復(fù)啟停,產(chǎn)生峰值電流,造成污染。采用先進(jìn)可 靠的變頻技術(shù)后,可隨時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,避免了頻繁的起停,消除壓縮機(jī) 啟動(dòng)時(shí)的尖峰電流,減少對(duì)電網(wǎng)的污染。 (2)傳統(tǒng)的空調(diào)器不管外界溫度如何,始終保持同一轉(zhuǎn)速。而變頻空 調(diào)則采用先進(jìn)的模糊控制技術(shù),根據(jù)需要改變轉(zhuǎn)速,溫度波動(dòng)小,感覺舒 服,運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn),降低噪音。 (3)由于近年來能源供應(yīng)形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻,使人們普遍關(guān)注節(jié)約能源, 有效利用能源。變頻式空調(diào)真正符合節(jié)能要求,今后必將取代傳統(tǒng)空調(diào)。 (4)溫度控制器應(yīng)用領(lǐng)域
17、廣泛,可以被廣泛用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研 究和生活等各種領(lǐng)域。 (5)利用模糊控制技術(shù)解決由于控制對(duì)象尺寸變化大、溫度特性差別 大出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀況。 (6)通過改良控制算法,使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性和神制穩(wěn)%,性。 .2空調(diào)器控制技術(shù)發(fā)展概況 1.2.1空調(diào)器電氣控制技術(shù)發(fā)展概況 空調(diào)器的電氣控制技術(shù)是涉及很多學(xué)科在內(nèi)的一項(xiàng)綜合性技術(shù)。從傳統(tǒng) 的開關(guān)控制發(fā)展到現(xiàn)在的變頻控制,以及模糊智能技術(shù)的應(yīng)用,空調(diào)器的性 能有了很大的提高。 從空調(diào)器的電控系統(tǒng)的發(fā)展上看,可分為繼電器一接觸器控制、分立元 件的微電子元件控制和專用微電腦芯片控制三個(gè)階段tz} 最初,空調(diào)器的控制電路大都采
18、用選擇開關(guān)、繼電器和接觸器組成。風(fēng) 扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速由手動(dòng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)直接選擇進(jìn)行控制,轉(zhuǎn)換開關(guān)接通不同的觸 點(diǎn),風(fēng)機(jī)上相應(yīng)的轉(zhuǎn)速繞組就得電;壓縮機(jī)也是由一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換開關(guān)控制 電路控制啟停,只是增加了手動(dòng)的調(diào)溫開關(guān)和冷熱切換開關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在 制冷位置時(shí),由調(diào)溫開關(guān)控制壓縮機(jī)的得電與失電,進(jìn)行制冷;當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān) 在制熱位置時(shí),由調(diào)溫開關(guān)控制電加熱器的得電與失電,進(jìn)行制熱。所以, 這種控制方式功能簡(jiǎn)單,而且使用起來不太方便。 20世紀(jì)90年代初,在繼電器一接觸器控制線路的基礎(chǔ)上利用電子技 術(shù),發(fā)展了采用集成電路和分立元件相結(jié)合的電
19、控線路,這種電控系統(tǒng)中, 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等負(fù)載仍采用繼電器一接觸器供電方式。而其控制部分則采用 集成電路和分立元件相結(jié)合的方式組成控制電路,用弱電控制。增加了電子 溫度控制、自動(dòng)除霜、3分鐘延時(shí)、過欠壓保護(hù)及制冷系統(tǒng)壓力開關(guān)保護(hù)等 功能,使空調(diào)器的自動(dòng)控制功能大大提高,工作更為可靠。并且增強(qiáng)了電氣 保護(hù)功能,如壓力控制器,當(dāng)排氣壓力過高或吸氣壓力過低時(shí),壓力控制器 斷開接點(diǎn),迫使交流接觸器線圈斷電,使壓縮機(jī)停止工作;熱繼電器起過負(fù) 荷保護(hù)作用,確保壓縮機(jī)不會(huì)因過流而損壞。電子溫控板通過熱敏電阻對(duì)溫 度進(jìn)行采樣,轉(zhuǎn)換成電壓值,并通過電壓比較器與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較,電 壓比較器通過
20、放大電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器,從而控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 目前先進(jìn)的空調(diào)器己普遍采用微電腦控制技術(shù),微電腦在空調(diào)器上的應(yīng) 用,使空調(diào)器不但實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制,而且還實(shí)現(xiàn)了智能化控制,使空調(diào)器 的功能有了更大的增加,操作更為簡(jiǎn)單,舒適程度進(jìn)一步提高。微電腦內(nèi)部 有微處理器(MPU),微處理器中的中央處理器具有數(shù)據(jù)處理能力(如算數(shù) 運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理等),可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軟件功能。 MPU內(nèi)部還含有其它一些功能電路,如A/D轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換)電路、定時(shí) 器/計(jì)數(shù)器、SCI(串行通信接口)、PIO(并行接口電路)、顯示器(LED或 LCD)驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制輸出電路(PWM)等???/p>
21、調(diào)器微電腦控制框圖 如圖1-10 圖1-1空調(diào)器微電腦控制框圖 萬方數(shù)據(jù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 從最初的繼電器一接觸器控制、分立的電子元件控制到現(xiàn)在的微電腦控 制,對(duì)空調(diào)器的控制趨向操作簡(jiǎn)易、功能多樣化。同時(shí)由于紅外遙控器的使 用,使操作更簡(jiǎn)單,以及模糊控制理論的應(yīng)用,使空調(diào)性能越來越可靠,感 覺越來越舒適。 1.2.2變頻空調(diào)器的產(chǎn)生與發(fā)展 傳統(tǒng)空調(diào)器采用開關(guān)控制方式,利用異步交流電機(jī)控制壓縮機(jī)進(jìn)行制冷 或制熱,這種控制方式有很多缺點(diǎn)和不足:空調(diào)器保持恒溫所采用的措施是 利用簡(jiǎn)單的感溫裝置來控制溫度。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),使壓縮機(jī)停止轉(zhuǎn) 動(dòng),經(jīng)過一段時(shí)間之
22、后,由于外部影響使室溫再度升高時(shí),再接通壓縮機(jī)電 路啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷。這樣,壓縮機(jī)工作于開關(guān)狀態(tài),頻繁的起停造成了空調(diào) 器的制冷(制熱)的不連續(xù),室溫有較大的變動(dòng)差,因此普通空調(diào)使用起來 缺乏舒適感;空調(diào)器工作過程中反復(fù)啟停,對(duì)壓縮機(jī)損害較大,產(chǎn)生沖擊電 流,造成對(duì)電網(wǎng)的污染,會(huì)影響到其它用電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn);而且處于開關(guān) 工作狀態(tài)壓縮機(jī)耗電量較大。所以近年來出現(xiàn)了變頻空調(diào),采用了變頻驅(qū)動(dòng) 的空調(diào)器具有溫控精度高、環(huán)境舒適、節(jié)約電能、減小對(duì)電網(wǎng)和壓縮機(jī)的沖 擊等優(yōu)點(diǎn)。變頻式空調(diào)器的工作原理是通過改變壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的電源頻率來 達(dá)到調(diào)節(jié)壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而控制空調(diào)器制冷(制熱)功率的
23、目的。當(dāng) 室內(nèi)需要急速降溫或急速升溫,或室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷加大時(shí),壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可加 快,制冷功率(制熱功率)按比例增加;相反,在一般情況下,當(dāng)室內(nèi)空調(diào) 負(fù)荷減少時(shí),壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可正常運(yùn)轉(zhuǎn)或減速;在空調(diào)器開機(jī)時(shí),室內(nèi)溫度與 設(shè)定的溫度偏離較大時(shí),變頻以高于工頻的頻率供電,保證空調(diào)器快速啟 動(dòng),可以使室溫快速達(dá)到設(shè)定值。而當(dāng)室內(nèi)溫度與預(yù)設(shè)溫度接近時(shí),變頻器 自動(dòng)保持壓縮機(jī)低速運(yùn)行以保持恒溫。因此,隨著季節(jié)和晝夜的變化,空調(diào) 器的變速運(yùn)轉(zhuǎn)即可以節(jié)能又可保證房間內(nèi)舒適。因壓縮機(jī)采用了比單相電機(jī) 效率更高的三相電機(jī),且壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行,避免了頻繁啟動(dòng)造成的 損耗,所以變頻式空調(diào)具有節(jié)能效果
24、。因壓縮機(jī)從20Hz電源頻率軟起動(dòng), 起動(dòng)電流小對(duì)電網(wǎng)無沖擊,對(duì)其它電器也無干擾,對(duì)電源電壓及頻率的敏感 度也低[3] 變頻式空調(diào)改善了傳統(tǒng)空調(diào)器的不足,變頻式空調(diào)集微電子技術(shù)與新制 冷技術(shù)為一體,能效比高、調(diào)溫快、節(jié)能顯著,特別是應(yīng)用了模糊控制技 術(shù),顯出更加突出的優(yōu)勢(shì)。為了滿足廣大用戶的需要和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),國(guó) 萬方數(shù)據(jù)__ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 從最初的繼電器一接觸器控制、分立的電子元件控制到現(xiàn)在的微電腦控 制,對(duì)空調(diào)器的控制趨向操作簡(jiǎn)易、功能多
25、樣化。同時(shí)由于紅外遙控器的使 用,使操作更簡(jiǎn)單,以及模糊控制理論的應(yīng)用,使空調(diào)性能越來越可靠,感 覺越來越舒適。 1.2.2變頻空調(diào)器的產(chǎn)生與發(fā)展 傳統(tǒng)空調(diào)器采用開關(guān)控制方式,利用異步交流電機(jī)控制壓縮機(jī)進(jìn)行制冷 或制熱,這種控制方式有很多缺點(diǎn)和不足:空調(diào)器保持恒溫所采用的措施是 利用簡(jiǎn)單的感溫裝置來控制溫度。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),使壓縮機(jī)停止轉(zhuǎn) 動(dòng),經(jīng)過一段時(shí)間之后,由于外部影響使室溫再度升高時(shí),再接通壓縮機(jī)電 路啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷。這樣,壓縮機(jī)工作于開關(guān)狀態(tài),頻繁的起停造成了空調(diào) 器的制冷(制熱)的不連續(xù),室溫有較大的變動(dòng)差,因此普通空調(diào)使用起來 缺乏舒適感;空調(diào)器工作過程中
26、反復(fù)啟停,對(duì)壓縮機(jī)損害較大,產(chǎn)生沖擊電 流,造成對(duì)電網(wǎng)的污染,會(huì)影響到其它用電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn);而且處于開關(guān) 工作狀態(tài)壓縮機(jī)耗電量較大。所以近年來出現(xiàn)了變頻空調(diào),采用了變頻驅(qū)動(dòng) 的空調(diào)器具有溫控精度高、環(huán)境舒適、節(jié)約電能、減小對(duì)電網(wǎng)和壓縮機(jī)的沖 擊等優(yōu)點(diǎn)。變頻式空調(diào)器的工作原理是通過改變壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的電源頻率來 達(dá)到調(diào)節(jié)壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而控制空調(diào)器制冷(制熱)功率的目的。當(dāng) 室內(nèi)需要急速降溫或急速升溫,或室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷加大時(shí),壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可加 快,制冷功率(制熱功率)按比例增加;相反,在一般情況下,當(dāng)室內(nèi)空調(diào) 負(fù)荷減少時(shí),壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可正常運(yùn)轉(zhuǎn)或減速;在空調(diào)器開機(jī)時(shí),室內(nèi)溫度與
27、設(shè)定的溫度偏離較大時(shí),變頻以高于工頻的頻率供電,保證空調(diào)器快速啟 動(dòng),可以使室溫快速達(dá)到設(shè)定值。而當(dāng)室內(nèi)溫度與預(yù)設(shè)溫度接近時(shí),變頻器 自動(dòng)保持壓縮機(jī)低速運(yùn)行以保持恒溫。因此,隨著季節(jié)和晝夜的變化,空調(diào) 器的變速運(yùn)轉(zhuǎn)即可以節(jié)能又可保證房間內(nèi)舒適。因壓縮機(jī)采用了比單相電機(jī) 效率更高的三相電機(jī),且壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行,避免了頻繁啟動(dòng)造成的 損耗,所以變頻式空調(diào)具有節(jié)能效果。因壓縮機(jī)從20Hz電源頻率軟起動(dòng), 起動(dòng)電流小對(duì)電網(wǎng)無沖擊,對(duì)其它電器也無干擾,對(duì)電源電壓及頻率的敏感 度也低[3] 變頻式空調(diào)改善了傳統(tǒng)空調(diào)器的不足,變頻式空調(diào)集微電子技術(shù)與新制 冷技術(shù)為一體,能效比高、調(diào)溫
28、快、節(jié)能顯著,特別是應(yīng)用了模糊控制技 術(shù),顯出更加突出的優(yōu)勢(shì)。為了滿足廣大用戶的需要和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),國(guó) 萬方數(shù)據(jù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 內(nèi)外各廠商的空調(diào)器在花色品種、多種功能、微電子控制和高效節(jié)能上也有 了很大的進(jìn)步??照{(diào)器目前的發(fā)展趨勢(shì)主要有:自動(dòng)控制性能的改善,利用 模糊控制理論,自動(dòng)按照室內(nèi)外環(huán)境和用戶的需要,調(diào)節(jié)房間的溫濕度:冷 熱兩用,提高制冷(熱)能力,加快房間的制冷(熱)速度;改善氣流和凈 化空氣:使運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn),降低噪音。除變頻功能外,目前還出現(xiàn)了更高一 檔的附加功能,如衛(wèi)星傳感紅外線探測(cè)器功能,反映人體表面溫度參數(shù);采 用電話遙控開停運(yùn)行控制;
29、模仿自然風(fēng)三維供風(fēng)方式;有的空調(diào)帶有人體感 知器,可跟據(jù)室內(nèi)人員的多少及活動(dòng)量的大小,然后通過風(fēng)向控制閥調(diào)節(jié)合 適的風(fēng)向及風(fēng)速,同時(shí)可根據(jù)人體的活動(dòng)量來調(diào)節(jié)室溫[41 1.2.3模糊控制技術(shù)的發(fā)展及研究動(dòng)態(tài) 對(duì)于空調(diào)器室溫控制這種對(duì)象尺寸變化大、溫度特性差別大的情況,使 用傳統(tǒng)的PID控制方法不能取得良好的控制效果。如采用模糊控制技術(shù)對(duì) 空調(diào)器進(jìn)行控制就能取得很好的控制效果。模糊控制器是一種語(yǔ)言控制器, 有很強(qiáng)的魯棒性和控制穩(wěn)定性。同采用PID控制的變頻空調(diào)相比,模糊控 制空調(diào)器具有省電、噪音低和舒適度高等優(yōu)點(diǎn),具有很好的市場(chǎng)前景。 模糊控制的概念是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授
30、扎德(L.A.Zadeh) 在70年代初提出的,20多年來己取得了重大的發(fā)展,應(yīng)用范圍發(fā)展到從工 業(yè)控制到家用電器等各領(lǐng)域。模糊邏輯控制思想適用于理論和經(jīng)驗(yàn)性推理, 通常用于與人類判斷和感覺有關(guān)的控制問題、非線性問題、以及難于建立數(shù) 學(xué)模型的控制系統(tǒng)。模糊邏輯是一種近似推理邏輯,它使機(jī)器具有人類思維 若干特點(diǎn)。能夠根據(jù)一系列模糊知識(shí)和語(yǔ)句作出決定、判斷和決議。模糊邏 輯系統(tǒng)對(duì)控制器的描述采用的是模糊語(yǔ)言,而不是數(shù)學(xué)方程式。模糊控制可 以采用控制專家的復(fù)雜而獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí),推導(dǎo)出適當(dāng)?shù)目刂戚敵?。模? 邏輯控制不象純粹的數(shù)學(xué)模型那樣精確,但它更容易制作、理解和修改[s1 近年來
31、,日本興起了模糊控制熱,目前模糊控制已廣泛地應(yīng)用到模糊電 飯煲、模糊洗衣機(jī)、模糊微波爐、模糊空調(diào)機(jī)、模糊吸塵器等家用電器。 并且受到了歡迎。這些產(chǎn)品的明顯優(yōu)勢(shì)是功能提高、操作簡(jiǎn)便、節(jié)能效果顯 著。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,模糊邏輯和模糊控制技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來越多,越 來越廣泛。 模糊控制作為智能控制家族中的一員,其發(fā)展前景是廣闊的。近年來研 究的三要內(nèi)容是模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及兩者結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方 萬方數(shù)據(jù)__ 面。模糊控制發(fā)展至今,每年世界上都要發(fā)表相關(guān)論文約1000篇,其中大 部分研究
32、多是在中國(guó)和日本完成的,小部分在歐洲。模糊邏輯商業(yè)化最成功 的是日本,日本的國(guó)際貿(mào)易和工業(yè)部已經(jīng)建立了兩個(gè)主要研究機(jī)構(gòu),一個(gè)是 國(guó)際模糊工程研究實(shí)驗(yàn)室;另一個(gè)是模糊邏輯系統(tǒng)研究所。美國(guó)工業(yè)界在近 幾年不少公司象Eaton,GE.HP,Rockwell等,有的己經(jīng)推出,有的正在 推出模糊邏輯產(chǎn)品。從大量熱心用戶對(duì)Motorola模糊邏輯處理軟件的反映 情況來看,越來越多的人和公司認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)價(jià)值。 1.3主要研究?jī)?nèi)容 本課題的任務(wù)就是設(shè)計(jì)一種冷熱兩用的熱泵型分體式房間變頻空調(diào)的模 糊溫度控制器,包括控制電路的設(shè)計(jì),模糊PID設(shè)計(jì)控制器,變頻控制器 的設(shè)計(jì)及仿真。 根據(jù)
33、本課題任務(wù),將完成以下研究?jī)?nèi)容: 1、壓縮機(jī)變頻控制主電路設(shè)計(jì) 2,MB89P857實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度控制器硬件電路 3、模糊PID設(shè)計(jì)控制器 4、系統(tǒng)的MATLAB/simulink仿真試驗(yàn) 萬方 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第2章方案論證 變頻空調(diào)由壓縮機(jī)、室內(nèi)蒸發(fā)器、室外冷凝器、電磁四通閥、風(fēng)扇和變 頻器及電氣控制系統(tǒng)等組成。分成室內(nèi)機(jī)組和室外機(jī)組兩部分,室內(nèi)、外機(jī) 組各用一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行控制,通過信號(hào)線進(jìn)行通信,以傳遞和交換信號(hào)。本 章主要對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)的變頻控制
34、和室溫的模糊控制方案進(jìn)行分析。 2.1空調(diào)器電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 室內(nèi)的遙控器發(fā)出的信號(hào)(紅外信號(hào))由室內(nèi)機(jī)組的單片機(jī)接收,室內(nèi) 溫度傳感器、室內(nèi)蒸發(fā)器溫度傳感器的信號(hào)也發(fā)送到室內(nèi)單片機(jī),單片機(jī)通 過相應(yīng)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算發(fā)出控制指令,通過室外單片機(jī)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、室 外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和四通閥的開關(guān)進(jìn)行控制。這樣,室內(nèi)機(jī)組和室外機(jī)組相配合, 發(fā)出連續(xù)的控制信號(hào)使空調(diào)器的所有運(yùn)轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 室外機(jī)組的單片機(jī)把室內(nèi)機(jī)組的單片機(jī)送來的控制信號(hào)進(jìn)行分析,室外 溫度傳感器、室外冷凝器溫度傳感器、壓縮機(jī)排氣溫度傳感器的信號(hào)也發(fā)送 到室外單片機(jī),單片機(jī)通過運(yùn)算對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,從而達(dá)到制
35、冷或制 熱能力的調(diào)節(jié),并且對(duì)室外風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)、電磁四通閥進(jìn)行切換控制,對(duì)各種 安全電路予以監(jiān)測(cè)151 2.2空調(diào)器壓縮機(jī)控制方案 空調(diào)器電氣控制系統(tǒng)是通過對(duì)壓縮機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的。壓縮機(jī) 是空調(diào)器的心臟,是推動(dòng)制冷劑在系統(tǒng)中不斷循環(huán)的動(dòng)力??照{(diào)器用的壓縮 機(jī)一般為活塞式壓縮機(jī),活塞式壓縮機(jī)主要有往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和渦旋式等。 20世紀(jì)80年代中期市場(chǎng)上往復(fù)式壓縮機(jī)居多,近年來旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)發(fā)展迅 速,已占主要地位。相對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī),旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)具有效率高、可靠 性好、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小。渦旋式 壓縮機(jī)是一種新型壓縮機(jī),獨(dú)特的渦旋結(jié)構(gòu)使它具有
36、效率高、扭矩變化小、 振動(dòng)小、噪音低、零件少、體積重量小的優(yōu)點(diǎn),顯示出較大的優(yōu)越性。 目前絕大多數(shù)中、小型空調(diào)器采用蒸發(fā)一壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng),從對(duì)壓縮 機(jī)的控制上有CCTXV.CCOT和VDOT三類系統(tǒng)(4] 萬方數(shù)據(jù) CCTXV(CyclingClutchThermalExpandValve)系統(tǒng):采用熱力膨脹閥 來控制制冷劑流量的制冷系統(tǒng)稱為CCTXV系統(tǒng),這種系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)實(shí)行通 斷控制。 CCOT(CyclingClutchOrificeTube)系統(tǒng):與CCTXV系統(tǒng)相同,也采 用“通斷控制”,只是阻尼節(jié)流元件
37、采用節(jié)流孔管,與CCTXV系統(tǒng)相比,它 能充分發(fā)揮蒸發(fā)器的熱效率,有效防止液擊,簡(jiǎn)化系統(tǒng),降低成本,但采用 氣液分離罐,使體積變大。 以上兩種系統(tǒng)都采用了壓縮機(jī)的通斷調(diào)節(jié),通斷調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不能 調(diào)節(jié),時(shí)停時(shí)起,對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行很不利,易損傷機(jī)件,降低壽命,溫度波 動(dòng)較大。 VDOT(VariableDisplacementOrificeTube)系統(tǒng):這種系統(tǒng)采用可變 排量的壓縮機(jī),配以減壓固定阻尼元件節(jié)流孔管,稱為可變排量膨脹管節(jié)流 系統(tǒng)。它是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)連續(xù)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。變排量壓縮機(jī)的特點(diǎn)是能根 據(jù)吸氣壓力的變化自動(dòng)調(diào)節(jié),改變制冷劑流量以適應(yīng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷的變化, 使
38、蒸發(fā)溫度保持不變。它超越了熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)作用,調(diào)節(jié)范圍更廣。 VDOT系統(tǒng)的控制方式正是變頻控制的思路。其特點(diǎn)如下: (1)降低能耗。VDOT控制的是制冷劑的排出量,屬主動(dòng)調(diào)節(jié)。冷凝 壓力隨排量變化,壓縮機(jī)不會(huì)因克服多余的壓力而白做功,對(duì)壓縮機(jī)的連續(xù) 供電也比斷續(xù)供電要省電。(2)送風(fēng)溫度波動(dòng)小,提高舒適性。(3)保護(hù)傳 動(dòng)機(jī)構(gòu),延長(zhǎng)機(jī)械壽命。消除運(yùn)動(dòng)部件起、停時(shí)產(chǎn)生的慣性力沖擊。 本空調(diào)采用排氣量可變的雙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),廣泛應(yīng)用于空調(diào)器中。 空調(diào)器的制冷或制熱能力一般用壓縮機(jī)的排氣量來衡量,旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的理 論排氣量為 V,=60irlMn(m3/h)(2-1) 式中
39、H一氣缸長(zhǎng)度或高度(m); A一氣缸工作面積(m2): *壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)e 旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)由于考慮氣缸結(jié)構(gòu)和效率等因素的影響,其實(shí)際排氣量是 理論排氣量和排氣系數(shù)的乘積。 Vg一.1V,=60;THAn(m3/h)(2-2) 式中,兄一壓縮機(jī)排氣系數(shù)。 萬方數(shù)據(jù) 由此可見,旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的排氣量和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系。這就 是變頻空調(diào)能夠通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)空調(diào)器的制冷或制熱能力的原 理。 旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的核心是交流異步電動(dòng)機(jī),變頻空調(diào)器控制的核心就是采 用變頻技術(shù)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行調(diào)速,從而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的制冷〔熱)功
40、率。80年 代以來,隨著交流電機(jī)調(diào)速控制理論、電力半導(dǎo)體器件、脈沖寬度調(diào)制、以 微處理機(jī)為核心的全數(shù)字化變頻控制等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,使交流電機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)成為一種典型的機(jī)電一體化設(shè)備。在過去十幾年中用得較多的變頻調(diào)速系 統(tǒng)是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制,在一定程度上滿足了 工業(yè)應(yīng)用中的要求,如風(fēng)機(jī)、水泵等。變頻技術(shù)的性能的提高及體積的減小 為其在空調(diào)器中的應(yīng)用提供了可能。 本系統(tǒng)的負(fù)載是空調(diào)器的壓縮機(jī),壓縮機(jī)可看作是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。由于空 調(diào)器壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是為了進(jìn)行功率調(diào)節(jié),并不要求太高的調(diào)速精度,為 了結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)便,本變頻調(diào)速系統(tǒng)決定采用轉(zhuǎn)速開環(huán)的控制方式。本節(jié)針
41、對(duì) 這些特性從逆變器主回路、變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性、變頻調(diào)速的控制方式及 脈寬調(diào)制的控制策略的角度選擇壓縮機(jī)控制方案。 2.2.1變頻器主回路方案選擇 變頻器先把交流電整流成直流,再逆變,得到頻率可變的交流電源(即 交一直一交過程)。按中間直流環(huán)節(jié)對(duì)無功功率處理的不同形式,可分為電壓 型和電流型。電壓型變頻器中間儲(chǔ)能(或?yàn)V波)環(huán)節(jié)采用大電容,因此電源 阻抗小,相當(dāng)于電壓源;電流型逆變器中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)采用大電感,相當(dāng)于電 流源。從機(jī)械特性上看,電壓源逆變器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī),在電壓一定的條件 下得到的機(jī)械特性曲線與理論的機(jī)械特性曲線很相似,具有較硬的機(jī)械特 性。電流源逆變器驅(qū)動(dòng)異步電
42、動(dòng)機(jī),在電流一定的條件下,其機(jī)械特性較 軟,隨著轉(zhuǎn)差率s的下降,有功電流增加,但定子電流一定,所以相應(yīng)的勵(lì) 磁電流分量就減少,磁通減小,轉(zhuǎn)矩下降[151,轉(zhuǎn)矩下降很快不適合壓縮機(jī)的 恒轉(zhuǎn)矩特性。 從以上二者的特點(diǎn)比較看,電壓源逆變器具有較好的帶載能力,機(jī)械特 性較硬,且采用PWM調(diào)制時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,對(duì)開關(guān)管的要求低等特點(diǎn),本系 統(tǒng)的負(fù)載是空調(diào)器壓縮機(jī)電機(jī),它的負(fù)載是液態(tài)制冷劑,具有很大的阻尼特 性,在減速時(shí)由于阻尼的作用,轉(zhuǎn)速會(huì)很快降下來,再生能量小,用直流環(huán)__ 節(jié)的濾波電容吸收即可,所以系統(tǒng)不需采用制動(dòng)環(huán)節(jié)。所以本裝置的主電
43、路 采用電壓型變頻器,在濾波環(huán)節(jié)采用小電感來抑制脈動(dòng)電流及變頻器上電時(shí) 的沖擊電流。 2.2.2變頻調(diào)速時(shí)韻機(jī)械特性 交流異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 T=凡九I,cos碑(Nm) 式中KT一電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù) 九一每極氣隙磁通(Wb); 1,一折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電流(A); cos0,一轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)。 (2-3) 圖2-1異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性及負(fù)載組轉(zhuǎn)矩特性 圖2-1是異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線。曲線I表示定子頻率*=f:時(shí) 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性。轉(zhuǎn)差率s=0時(shí),轉(zhuǎn)矩T=0;在小轉(zhuǎn)差率范圍 內(nèi),轉(zhuǎn)差率增大時(shí)轉(zhuǎn)子電流增加,因而轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差率的增大而近似線形地增
44、 大。但當(dāng)轉(zhuǎn)差率增大到一定的數(shù)值以后,一方面轉(zhuǎn)子電流I,的增大有使轉(zhuǎn)矩 增大的趨勢(shì),另一方面,轉(zhuǎn)差率增大使漏抗明顯增大、功率因數(shù)減小,傾向 于使轉(zhuǎn)矩減小。因而,異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性有一個(gè)最大值。最大轉(zhuǎn)矩 稱為顛覆轉(zhuǎn)矩Tm,如果電動(dòng)機(jī)的負(fù)載超過此值,轉(zhuǎn)速將迅速下降直至停 機(jī)。圖2-1中曲線II為負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩特性。曲線I和曲線11的交點(diǎn)I即為 定子頻率為Ki時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。 本空調(diào)器的變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng),即對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率不加控 制,則當(dāng)提高定子頻率時(shí),由于機(jī)械慣
45、性的原因,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率幾乎不變, 因而轉(zhuǎn)差頻率和轉(zhuǎn)差率均將增大,從而轉(zhuǎn)矩增大。例如,定子頻率由K1提 高到K2時(shí),電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點(diǎn)1增大到點(diǎn)2"。于是電動(dòng)機(jī)加速,最 后到達(dá)新的穩(wěn)定工作點(diǎn)2。同樣,當(dāng)迅速降低定子頻率時(shí),例如由K1降到 K3時(shí),電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將由點(diǎn)1變到點(diǎn)3",出現(xiàn)電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速高于同 步轉(zhuǎn)速的情況。這時(shí),轉(zhuǎn)差率為負(fù)值,電機(jī)進(jìn)入發(fā)電工作狀態(tài)。于是,電機(jī) 軸上的機(jī)械能被轉(zhuǎn)換為電能.根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)和控制方法的 不同,這個(gè)電能或者被反饋到電源中去(再生制動(dòng)勺或者消耗在外接電阻與 主電路中(能耗制動(dòng))。因此,電機(jī)減速,最后達(dá)到新的穩(wěn)定工作點(diǎn)3. 由上
46、分析可知,在轉(zhuǎn)差頻率不加控制的頻率開環(huán)系統(tǒng)中,定子頻率不能 調(diào)節(jié)得過快,否則將超過顛覆點(diǎn)而停機(jī)。在工頻電源下運(yùn)行的鼠籠式異步電 機(jī),啟動(dòng)電流一般為額定電流的5-6倍,但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻較小。這是由于啟 動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)差頻率較高,轉(zhuǎn)子漏抗較大,因而轉(zhuǎn)子功率因數(shù)下降造成的。在變頻 調(diào)速系統(tǒng)中,可以低頻啟動(dòng),可以提高啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的功率因數(shù),從而增大了 每安培轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。因而,即使在重載下啟動(dòng),一般啟動(dòng)電流也 只有額定電流的2倍左右。 2.2.3變頻調(diào)速的控制方式 異步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速時(shí),應(yīng)盡可能使氣隙磁通保持為額定磁通。要保 持磁通恒定,在調(diào)節(jié)定子頻率時(shí)就必需同時(shí)改變定子的端電壓。即當(dāng)增
47、大定 子頻率時(shí)必需同時(shí)使定子電壓成比例地增加,否則氣隙磁通降低;當(dāng)降低定 子頻率時(shí),必需同時(shí)使定子電壓成比例地降低,否則將超過飽和磁通密度而 導(dǎo)致勵(lì)磁電流過大,使損耗增加甚至損壞電機(jī)。也就是說,對(duì)電機(jī)供電的變 頻電源一般要求兼有調(diào)壓和調(diào)頻兩種功能,根據(jù)定子電壓V和定子頻率f的 不同比例關(guān)系,將有不同的變頻調(diào)速控制方式,因?yàn)閴嚎s機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載, 選擇具有低頻電壓補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式比較適合于壓縮機(jī)電機(jī)控制。它 不需要轉(zhuǎn)速閉環(huán),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,也沒有大量的復(fù)雜計(jì)算,其調(diào)速性能可滿足要__ 求。 恒壓頻比控制方式是保持Vllf,等于常
48、數(shù)的比例控制方式。 中外加電源若為V,,定子產(chǎn)生的反電勢(shì)則為 E二4.44fN,koo, 在異步電機(jī) (2-4) 如果略去s定子阻抗壓降,則有 K、E=4.44人從ko九(2-5) 式中.f一定子頻率(Hz); NS一定子每相繞組的匝數(shù); ko比例系數(shù); 人一氣隙磁通(Wb)o 由公式可知,為保持氣隙磁通近似不變,在調(diào)節(jié)定子頻率的同時(shí)必需正 比例地調(diào)節(jié)定子外加電壓V,使 Vlf=kpru=常數(shù)(2-6) 式中k=4.44N,ko是常系數(shù)。 按照上述Vlf一常數(shù)的恒壓頻比控制方式下,在低頻時(shí)由于定子電阻R, 的壓降占的比重增加,即使在轉(zhuǎn)差頻率為很小的情況下,也無法
49、使電機(jī)的 最大轉(zhuǎn)矩Tm保持恒定。T,_要隨頻率的下降而減小,在低頻時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也很 小,甚至不能帶動(dòng)負(fù)載。因此,V,lf=常數(shù)的恒壓頻比控制方式只適用于調(diào) 速范圍不寬或負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的場(chǎng)合,如風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載。對(duì) 于調(diào)速范圍寬的恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載,則希望在整個(gè)調(diào)速范圍中維持TQ。不 變,亦即按 E}If,=常數(shù)(2-7) 進(jìn)行控制。式中Es為定子感應(yīng)電勢(shì)。 為了保證T-不變,隨著兒的降低必需適當(dāng)提高定子電壓V,,以便補(bǔ)償 定子電阻R,上的壓降。也就是說,提高定子電壓的目的仍是為保持氣隙磁 通恒定,進(jìn)而保證最大轉(zhuǎn)矩不變。頻率越低,需外加補(bǔ)償電壓越高。 在電機(jī)的工作頻率
50、超過同步頻率時(shí),也即轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí),如果采 用Vhf=常數(shù)的恒壓頻比控制方式進(jìn)行調(diào)速時(shí),勢(shì)必增加外加電壓,并使其 超過額定值,這在一般情況下是不允許的。所以同步轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速往往不 再使定子電壓升高,而是保持為額定電壓。 具體方案是采用轉(zhuǎn)速開環(huán),恒壓頻比(Vif〕控制,進(jìn)行低頻定子壓降 補(bǔ)償。額定電壓為220V,額定頻率為50Hz,進(jìn)行低頻補(bǔ)償前的電壓頻率關(guān) 系如下式 {UA一uf LUA-UAN f<.f, (2-8) f>f, 如圖2-2中的虛線所示,在15Hz時(shí), 2歐姆,取補(bǔ)償電壓U,-=20V,所以
51、
如圖中實(shí)線所示。
UA 52、改變脈沖序列的周期可以調(diào)
頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓,采用適當(dāng)?shù)目刂品椒纯墒闺妷号c
頻率協(xié)調(diào)變化,其缺點(diǎn)是輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量。
SPWM法是為了克服等脈寬PWM法的缺點(diǎn)而發(fā)展來的,是
Schonung在1964年提出的,它采用通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù),用基波信
號(hào)去調(diào)制三角載波,控制開關(guān)器件的動(dòng)作順序和時(shí)間分配,從而在逆變器上
同時(shí)進(jìn)行電壓和頻率的控制。是目前最普遍的一種調(diào)制方式。它從電動(dòng)機(jī)的
供電電源的角度出發(fā),著眼于如何產(chǎn)生可調(diào)頻調(diào)壓的三相對(duì)稱正弦波電源,
其特點(diǎn)是,在半個(gè)周期中等距、等幅(等高)、不等寬(可調(diào)),總是中間的
53、
脈沖寬,兩邊的脈沖窄,各脈沖所圍面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例,
這樣,輸出電壓中低次的諧波分量可以大大減少。
磁鏈追蹤型PWM法與SPWM法不同,它是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)的,
著眼于如何使電動(dòng)機(jī)獲得圓磁場(chǎng)。它是以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電
動(dòng)機(jī)的理想磁鏈圓為基準(zhǔn),用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶?
來追蹤基準(zhǔn)磁鏈圓,由追蹤的結(jié)果決定出逆變器的開關(guān)模式,形成PWM
波。當(dāng)然這樣所形成的PWM波也未必是三相對(duì)稱的正弦波。SPWM法和
磁鏈追蹤型PWM法,由于著眼點(diǎn)不同,所建立的數(shù)學(xué)模型也完全不同。磁
鏈追蹤型PWM法的數(shù)學(xué)模型是建立在電機(jī)統(tǒng)一理論、電機(jī)軸系坐標(biāo)變換理 54、
論基礎(chǔ)上的。它把電動(dòng)機(jī)看成是一個(gè)整體加以處理,所得數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單,便
于微機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理,從而可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)時(shí)性強(qiáng),能獲得更好
的性能。
上述三種PWM法都是控制輸出電壓的電壓源逆變器,而電流跟蹤型
PWM法雖然也采用電壓源逆變器,卻是控制輸出電流的。其基本思想是將
電動(dòng)機(jī)定子電流的檢測(cè)信號(hào)與正弦波電流給定信號(hào)用比較器進(jìn)行比較,如果
實(shí)際電流大于給定值,則通過逆變器的開關(guān)動(dòng)作使之減小,反則使之增大。
這樣,實(shí)際電流波形圍繞給定的正弦波作鋸齒狀變化,而且開關(guān)器件的開關(guān)
頻率越高,電流波動(dòng)就越小。使用這種方法,電動(dòng)機(jī)的電壓數(shù)學(xué)模型改成電
流模型,可使控制簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)響應(yīng) 55、加快,還可防止逆變器過電流。
電壓型SPWM調(diào)制是工業(yè)上應(yīng)用得最為廣泛的一種調(diào)制技術(shù),這里不
作過多的介紹。它的主要優(yōu)點(diǎn)是:1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;2)逆變器同時(shí)調(diào)頻調(diào)壓,
與中間環(huán)節(jié)元件參數(shù)無關(guān),動(dòng)響加快;3)波形好,能抑制和消除低次諧
波。本系統(tǒng)根據(jù)上述比較,選擇電壓SPWM調(diào)制,因?yàn)樗?jiǎn)單可靠、具有
很好的波形,且數(shù)字化實(shí)現(xiàn)比較方便。具體實(shí)現(xiàn)方法將在第4章中詳細(xì)介
紹。
2.2.5實(shí)現(xiàn)手段
微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得可以對(duì)變頻器進(jìn)行直接數(shù)字控制,直接數(shù)字
控制的優(yōu)點(diǎn)有很多,如集成度高,大部分功能都能用軟件實(shí)現(xiàn),需要改變功
能時(shí), 56、只需調(diào)整軟件即可。這是模擬控制不可比擬的。確定微機(jī)控制后,要
選擇合適的微控制器。選取的原則是:滿足控制性能要求;盡量使系統(tǒng)簡(jiǎn)
單。
目前用的較多的是單片機(jī)系列,也可使用一些專用的SPWM波專用控
制芯片,如HEF4752,SLE4520,MA818等。在變頻空調(diào)中,變頻器的設(shè)計(jì)
需考慮到應(yīng)小型化和可靠性,所以采用了富士通公司的MB89P857單片
機(jī),這種單片機(jī)具有一個(gè)內(nèi)置的三相SPWM波形發(fā)生器,可方便地產(chǎn)生所
需的三相SPWM波形觸發(fā)脈沖。MB89P857還具有8路10位的A/D轉(zhuǎn)換電
路,2路PWM輸出電路,6個(gè)并行接口,內(nèi)部帶有1K的RAM和32K的
ROM,可將程 57、序固化在芯片內(nèi),簡(jiǎn)化外圍接口電路,可大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),
提高整個(gè)電路的性能。所以選用以MB89P857為核心的數(shù)字控制方案。
由于空調(diào)器的特殊性,所以要求變頻器具有小型、高可靠性、低噪聲等
特點(diǎn)。若功率器件采用分立元件,必將增大變頻器的體積,增大系統(tǒng)復(fù)雜
性。為了減低在設(shè)計(jì)、開發(fā)及制造上的成本,減少研制周期,提高系統(tǒng)的可
靠性,智能功率模塊(IntelligentPowerModule)引起T人們的注意。智能
功率模塊能提供數(shù)字控制邏輯和功率負(fù)載之間的接口。最簡(jiǎn)單的型式可由單
一電平移動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電路組成,把來自微處理器的邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)變成足以激勵(lì)負(fù)
載的電壓和電流:復(fù)雜的則要求智能功 58、率模塊執(zhí)行負(fù)載監(jiān)控、診斷、自保
護(hù),向微處理器反饋信息。本論文設(shè)計(jì)中采用日本三菱電氣公司的智能功率
模塊PM20CTMO60,其特點(diǎn)是:內(nèi)部集成了功率芯片、驅(qū)動(dòng)電路及檢測(cè)保
護(hù)電路,使主電路的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單;功率部分采用開關(guān)速度高、驅(qū)動(dòng)電流小
的IGBT,功率損耗極低、需用散熱片減小;在內(nèi)部配線上將電源電路和驅(qū)
動(dòng)電路的配線長(zhǎng)度控制到最短,從而很好地解決了浪涌電壓及噪聲影響誤動(dòng)
作等問題:具有過熱保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)及控制電源欠電壓鎖定保
護(hù),當(dāng)故障發(fā)生時(shí),及時(shí)關(guān)斷功率器件并發(fā)出模塊錯(cuò)誤信號(hào),使功率芯片能
夠安全工作。
2.3溫度控制方案的選擇
在空調(diào)的溫度控制過程中,由 59、于空調(diào)器功率傳輸?shù)臏蠛蜏囟茸兓驼{(diào)
節(jié)中的大慣性特性,使空調(diào)器的溫度控制非常困難。由于空調(diào)器使用的房間
的大小、結(jié)構(gòu)各不相同,另外由于季節(jié)、天氣、室內(nèi)人員多少及電器的用量
等的變化,房間對(duì)象的不確定性又是非常嚴(yán)重的。而普通的PID控制方法
不適合具有大慣性、滯后特性的對(duì)象的控制,并且PID控制器一般針對(duì)固
定的控制對(duì)象才能確定控制參數(shù),取得好的控制效果,而空調(diào)應(yīng)用的房間一
經(jīng)變化,PID參數(shù)就不能適應(yīng)新的控制對(duì)象。所以PID不能適應(yīng)房間溫度調(diào)
節(jié)系統(tǒng)的時(shí)變、滯后、大慣性等復(fù)雜特性,并且在空調(diào)控制中,房間對(duì)象的
數(shù)學(xué)模型很難確 60、定,很難對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。對(duì)于房間溫度控制這種對(duì)
象尺寸變化大、溫度特性差別大的情況,特別適合使用模糊控制[71。模糊控
制能更為近似地反映人的控制行為,有很強(qiáng)的魯棒性和控制穩(wěn)定性,能夠運(yùn)
用于各種不用對(duì)象的控制。采用模糊控制比傳統(tǒng)控制溫控精度高,過渡過程
優(yōu)良,舒適性大為提高。
2.4本章小結(jié)
經(jīng)過論證,硬件電路以MB89P857單片機(jī)為核心,此單片機(jī)功能強(qiáng),
并可大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),壓縮機(jī)逆變器的主電路采用電壓源逆變器的結(jié)構(gòu),
控制方式是具有低頻電壓補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比(咐)控制,它實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,工作
可靠,并能夠滿足要求;逆變器控制方式采用SPWM方式,輸出波形好,
諧波小。 61、溫度控制選擇模糊控制技術(shù).
第3章變頻空調(diào)器電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
變頻空調(diào)器電氣控制系統(tǒng)主要包括對(duì)空調(diào)器壓縮機(jī)、風(fēng)扇等各執(zhí)行部件
控制,采用的核心處理器是富士通公司的MB89P857單片機(jī)。本章主要論
述的是電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),包括室內(nèi)機(jī)組和室外機(jī)組兩部分內(nèi)容。
3.1電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
變頻式空調(diào)器電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示,整個(gè)控制系統(tǒng)大致由室
內(nèi)機(jī)組控制板和室外機(jī)組控制板組成。在空調(diào)器中,電控系統(tǒng)的作用是根據(jù)
電機(jī),使室溫合乎理想要求。在分體式空調(diào)中,運(yùn)轉(zhuǎn)部件包括室內(nèi)風(fēng)機(jī) 62、和室
外風(fēng)扇,它們的作用是把空調(diào)器產(chǎn)生的冷空氣或熱空氣帶到室內(nèi)的不同區(qū)
域,實(shí)現(xiàn)均勻調(diào)節(jié)房間溫度的目的。溫度設(shè)定等空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)指令由紅外線遙控
器和室內(nèi)機(jī)控制板上的紅外線接收器傳遞到室內(nèi)機(jī)控制板上的單片機(jī),此單
片機(jī)根據(jù)指令和溫度傳感器的狀態(tài)對(duì)風(fēng)扇電機(jī)和風(fēng)門電機(jī)進(jìn)行控制,并與室
外機(jī)控制板上的單片機(jī)進(jìn)行通訊。
圖3-1變頻式空調(diào)電氣控制系統(tǒng)框圖
室外風(fēng)扇電機(jī)為變繞組電機(jī),它的轉(zhuǎn)速用繼電器控制,有高、中、低速
三檔,單片機(jī)輸出端口通過反向驅(qū)動(dòng)器ULN2003驅(qū)動(dòng)J1,J2, 63、J3三個(gè)繼電
器,分別對(duì)應(yīng)三個(gè)風(fēng)速檔位。單片機(jī)經(jīng)分析判斷,確定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,然后通過
開通對(duì)應(yīng)的繼電器使風(fēng)扇按設(shè)定的風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)。
室內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速,由單片機(jī)內(nèi)的PWM發(fā)生器控制,由軟件
算出相應(yīng)的相位控制角,由PWM端口輸出,經(jīng)MOC3021光禍驅(qū)動(dòng)雙向可
控硅,實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。
四通閥是控制制冷、制熱切換的,使四通閥得電,空調(diào)器制熱;使四通
閥掉電,制冷劑向相反方向流動(dòng),空調(diào)器制冷[8l
模擬量檢測(cè)使用的是單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換端口,其中P50-P57口是A/D轉(zhuǎn)
換采樣通道,由熱敏電阻將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻上的電壓信號(hào)輸入單片機(jī),
然后由CPU進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。
3.2室內(nèi)機(jī)組 64、的設(shè)計(jì)
3.2.1紅外遙控器信號(hào)的接收
紅外遙控器由紅外遙控發(fā)射器和紅外遙控接收器兩部分組成[9]
3.2.1.1遙控發(fā)射器遙控發(fā)射器的電路結(jié)構(gòu)框圖見圖3-2。它是以紅外遙
控發(fā)射專用集成電路工C1為核心組成的。發(fā)射器鍵盤矩陣電路由矩陣開關(guān)組
成,它與工C1內(nèi)的掃描脈沖發(fā)生器和鍵盤信號(hào)編碼器構(gòu)成鍵命令輸入電路。
當(dāng)操作者按下某個(gè)功能鍵時(shí),相應(yīng)的掃描脈沖通過按鍵開關(guān)輸入到工C1>
紅外線發(fā)射
圖3-2紅外遙控發(fā)射器結(jié)構(gòu)框圖
由指令編碼器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字編碼指令。在IC1內(nèi),指令編碼器輸出的編
碼指令送到編碼調(diào)制器。在編碼調(diào)制器中,38kHz載頻信號(hào)被編碼指令脈沖
65、
調(diào)制,形成調(diào)制信號(hào),調(diào)制信號(hào)經(jīng)緩沖級(jí)至激勵(lì)管,由VT1和VT2組成的紅
外信號(hào)激勵(lì)級(jí)放大到足夠的功率,去驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管,發(fā)出被38kHz調(diào)制信
號(hào)調(diào)制的紅外線,通過發(fā)射器前端的輻射窗向前方空間發(fā)射。
3.2.1.2遙控接收器遙控接收器見圖3-3所示,它是由一塊裝有光敏二極
管的接收專用集成電路工C2組成,當(dāng)遙控發(fā)射器發(fā)出的紅外光被接收器的光
敏管接收到時(shí),光敏管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該電信號(hào)通過工C2中的自動(dòng)
增益控制電路和限幅器穩(wěn)定幅度,隨后用38kHz低通濾波器濾出38kHz調(diào)制
信號(hào),再經(jīng)檢波器解 66、調(diào)出編碼指令脈沖,然后由整形放大器放大整形,工C2
將編碼指令脈沖進(jìn)行解碼,最后輸出相應(yīng)信號(hào),使空調(diào)中有關(guān)電路按遙控發(fā)
射器的指令進(jìn)行工作,執(zhí)行相應(yīng)功能的操作。
輸出控制信號(hào)
光敏
I.----一—一一一!
圖3-3紅外遙控接收器結(jié)構(gòu)框圖
3.2.2風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)的控制
風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)的功能是使風(fēng)門葉片上下擺動(dòng),起到控制風(fēng)向的作用,從
而使室內(nèi)風(fēng)扇吹出的風(fēng)能均勻分布到室內(nèi)的各個(gè)部分,風(fēng)門葉片的控制有自
動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種,手動(dòng)控制時(shí)可使風(fēng)門葉片處于固定的位置,使風(fēng)向
朝一個(gè)方向。自動(dòng)控制時(shí),風(fēng)門葉片將在其擺動(dòng)范圍內(nèi)上下擺動(dòng)。風(fēng)門步進(jìn)
電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖3-4所示。
圖3-4風(fēng)門步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路示意圖
步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用單相驅(qū)動(dòng)方式,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的輸出端口電位為1
時(shí),通過反向驅(qū)動(dòng)放大器ULN2003A則變?yōu)榈碗娖剑@時(shí)相應(yīng)繞組則得
電,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,按照一定的規(guī)律使步連電機(jī)各繞組分別得
電,步進(jìn)電機(jī)就能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。正轉(zhuǎn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)各相通電順序如
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