机电一体化产品变频空调器系统分析

摘要变频空调由于性能优异、节省能源等特点，逐渐成为各大空调生产企业的发展方向，变频技术也日渐得到各个厂家的重视。变频空调的优点在于高效节能，起动电流小，工作噪音低，温度控制精度高，能够创造更舒适的房间温控环境。同时，采用无刷直流电机作为压缩机，能效比高，使用寿命大大延长。本文从硬件软件两方面着手进行直流变频空调室内、室外系统的综合研究设计，提出了性能指标和功率指标，规划了空调系统的整体框架。空调室外控制系统室外机控制器选用智能功率模块和单片机组成整个系统，用智能功率模块 IPM 替换分立元件搭成的逆变桥，由 CPU 独立控制压缩机运行、温度采样、电子膨胀阀驱动、室外机风机调速、四通阀驱动、电压电流采样以及各种保护电路。针对无刷直流压缩机空调选用 MOTOROLA 公司的 M68HC908MR4，带有独立 PWM 模块，能输出三组互补 PWM 信号，并有 4 路中断捕获口，用于转子位置信号捕获，使空调室外控制系统结构简洁、高效、可靠性高。室内机系统以 Microchip 公司的高档 8 位单片机 PIC18F4550 为核心，结合硬件的特点设计而成。使用 PIC18F4550 单片机的 CCP 模块功能，实现了遥控器信号的接收以及基于三端双向可控硅 TLP3526 的 PG 电机调速；利用单片机的 A/D 转换模块功能，实现了室内温度和盘管温度的采集。室内机与室外机采用半双工异步通讯，使用了 PIC18F4550 单片机集成的增强型通用同步/异步收发器（EUSART）模块。保证了室内、外机通讯的准确性。关键词：变频空调，空调室外控制，空调系统，准确性，寿命大大延长 目录引言 .11 变频空调的组成、原理及其结构图 .21.1 变频空调器的组成部分 .21.2 变频空调器的工作原理 .22 变频空调现状及趋势 .22.1 变频技术 .22.2 变频空调技术的起源及其特点 .42.3 变频空调基本原理和结构 .53 变频空调室内机控制系统 .83.1 变频空调室内机概述 .83.2 控制器单元 PIC18F4550.103.3 室内机系统各单元的实现 .113.3.1 室内机供电单元 .113.3.2 红外通讯单元 .113.3.4 风门电机控制单元 .184 变频空调室外机控制系统 .214.1 空调室外机系统概述 .214.2 变频控制专用微处理器及功率模块 .234.2.1 变频控制专用微处理器 .234.2.2 智能功率模块 .245 总结 .28附录 1 .31引言近几年，随着人民生活水平的逐步提高，居住条件也越来越宽敞；另一方面，环境保护运动的蓬勃发展，也要求进一步提高制冷和空调系统的利用率。制冷空调设备的低效率用电是增加大气温室效应的间接因素；此外，人们对舒适的生活品质与环境越来越重视，要求也越来越高，不仅对室内温、湿度提出了较高的要求，也希望室内环境趋于自然环境。并且，节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前极为紧迫的一项任务。为了顺应国家政策的号召，推动社会开展节能降耗，缓解能源瓶颈制约，建设节能型社会，促进经济社会可持续发展，需大力推广变频节能技术。作为变频技术的应用产品，变频空调也逐步走入人们的视线。我国变频空调器起步于 1994 年左右，到现在有十多年的历史，但发展速度仍比较缓慢。2004 年 4 月 17 日中国国务院发展研究中心在京召开了题为“变频中国空调行业的新动力”的新闻发布会，强调变频空调是当前的发展方向。国内空调业正处在一个从发展到成熟的转变时期。变频空调可以实现节能和舒适这两个要求，因此变频技术是在家用电器中实现技术革新的重要途径，在未来的发展中将扮演越累越重要的角色。变频空调按运行频率可分为四代:第一代指运行频率从 50 赫兹到 100 赫兹；第二代指运行频率从 30 赫兹到 100 赫兹；第三代指运行频率从 15 赫兹到 120赫兹；第四代指运行频率从 10 赫兹到 130 赫兹。在这四代变频空调技术中,业界将第一代称为“假变频”,与普通的定频空调没有实质性差别；第二代基本上是采用国外企业卖给中国的过时变频技术,低速性能差,运行频率最低才能达到30 赫兹,低于 30 赫兹运行就会停机,室内温度波动大,节能效果也并不显著；第三代为目前行业内最先进的变频技术,运行稳定,控温精准,舒适性高,节能效果强,为少数日系企业掌握。第四代变频技术在全球都仍处于研发阶段。2009 年 2 月,“变频之父”美誉的日本大金与格力电器签约合作,共同研发第四代变频技术,使空调压缩机可以在 10 赫兹甚至更低的频率下成功运转。而这两家世界上最大的空调专业化企业的强强联手,有望推进变频技术在全球空调行业的普及和发展。1 变频空调的组成、原理及其结构图1.1 变频空调器的组成部分变频空调器是由驱动电路、室外机电源电路、室内机电源电路、室外机风扇电机控制电路、室内外机通信电路、单片微电脑及其外围构成的主控电路等组成。1.2 变频空调器的工作原理变频技术是通过变频器改变电源频率，从而改变压缩机的转速的一种技术。通过变频器先进行交流到直流的变换，再通过变频器进行直流到交流的变换，从而控制交流电机的转速。而对变频器的控制是通过传感器将室内温度信息传递给微电脑，输出一定频率变化的波形，控制变频器的频率。当室内急速降温或急速升温时，室内空调负荷加大，压缩机转速加快，制冷量按比例增加，相反，当室内空调负荷减少时，压缩机正常运转或减速。1.3 变频空调器系统结构图图 1-1 变频空调器系统结构图 2 变频空调现状及趋势2.1 变频技术通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。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 年代后半期开始，电力电子器件从 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)发展到今天的 IGBT(绝缘栅双极型晶闸管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20 世纪 70 年代开始，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20 世纪 80 年代，作为变频技术核心的 PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。20 世纪 80 年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的 VVVF 变频器已投入市场并广泛应用。VVVF 变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流 、 、 通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 、aIbcI 1aI，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流1、 ( 相当于直流电动机的励磁电流； 相当于与转矩成正比的电枢电mIt1mI 1tI流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。20 世纪 70 年代，家用电器开始逐步变频化，出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。20 世纪 90 年代后半期，家用电器则依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等优点。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。2.2 变频空调技术的起源及其特点（1）变频空调器作为节能产品以其高技术、高性能而逐渐得到空调行业及用户的关注。到 2007 年，变频空调器以占日本市场的 99%以上。在欧美等发达国家，变频空调的普及率也在 70%以上。（2） “变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。 “变频空调”是可根据环境温度，通过变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢调节制冷量，从而达到控制室温的目的。变频空调器还有直流和交流之分。交流变频是通过改变压缩机输入电流的频率以达到改变压缩机转速来调节制冷剂流量，从而改变空调的制冷（热）量，相应地，电能消耗也随之改变。而直流变频其实不是变频，而是通过改变压缩机的直流无刷电机的输入电压来达到改变压缩机转速的目的，器频率并不改变，但习惯上称之为变频机。（3） “变频空调”与传统空调相比，具有快速制冷（热） 、节能、温度控制精确、电压适应范围宽等优点。（4）自 1997 年中国第一台变频空调问世，尽管变频技术带动了国产空调的升级换代，然而，目前国内变频空调的市场占有率也仅有 10%左右。就变频技术而言，交流变频已经逐渐淡出市场，先进的正弦波直流变频技术，DSP（数字信号处理器）变频控温技术与 AVPWM（空间矢量脉冲宽度调节）控制技术等技术逐渐成为主流。2.3 变频空调基本原理和结构空调器可以分为室内机和室外机两个部分。室内机由蒸发器、室内控制器、室内风机、步进电机等组成；室外机由压缩机、冷凝器、四通阀、除霜电磁阀、毛细管组、过滤器和室外控制器等组成。变频空调的基本结构如图 2.1 所示。图 2-1 变频空调基本结构其运行模式为：房间空调的室内部分装备有室温传感器，并把设定温度及运行状况等信息送给室外部分，室外部分通过分析此信息，了解温差及室温变化的时间等内容然后运算并指定压缩机电动机的频率。如果初始运行时室温与设定温度温差较大，则采取高频率运行模式；当温差变小时，则转向低频模式。如果室温急剧变化，则控制频率使其大幅变化，反之，使频率小范围变化，控制压缩机输出平衡冷暖气负载，以最短时间使室温达到希望值。控制器遥控传感器显示器滤波器二极管平波电容变频器压缩机M微机数字控制M电阻四通阀二通阀电源室内机和室外机通过制冷机连接管（物流）和供电通讯电缆（信号流）连接。空调器通电后，制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流毛细管降压降温后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的空气送向室内。如此，室内空气不断循环流动，达到降低温度的目的。空调器的制冷原理框图如图 2.2 所示。低温低压制冷剂气体热低温 室内 高温低压 室外 高压制冷剂 制冷剂液体 热 气体高温高压制冷剂液体图 2-2 制冷原理框图空调制热的机理是令制冷机的流向发生改变，使其在室内冷凝放热，在室外蒸发吸热。室内机和室外机通过制冷机连接管（物流）和供电通讯电缆（信号流）连接，四通阀的导通方向决定了制冷剂的流动方向。空调室内机的微处理器接受遥控器的信息，判定运行的状态，并且调整室内蒸发器 压缩机节流机构 冷凝器风机的转速和风门叶片的角度，同时根据室内的温度和设定的温度计算出压缩机的转速等相关信息，通过室内外机间的通讯线，传送给室外机。室外机的微处理器根据室内机发送来的数据信息，调节压缩机转速，室外风机转速等，并且把当前运行状态信息回传给室内机，从而完成系统的设定功能。众所周知，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” 。由于供电频率不能改变，传统的“定频空调”压缩机的转速基本不变，依靠不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。而与之相比， “变频空调”的变频器可以改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、电能消耗少，其舒适度大大提高。变频空调与定转速空调器的主要区别是前者增加了变频器。变频空调的微处理器随时收集室内环境的有关信息与内部的设定值