（机械电子工程专业论文）基于co2工质热泵热水器热泵电控系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 基于c 0 2 工质的热泵热水器可以为厨房、浴池和地热提供热水。而地热水可 循环使用，从而提高了水资源的利用率。通过对c 0 2 流量、水流量、各电磁阀等 的控制，使流出的水达到预先设定的温度。 开发适于c 0 2 热泵热水器的高效压缩机和耐用高压的高效换热器以及完善的 控制策略将是以后c 0 2 热泵热水器研究的三大重点。而本文的研究重点是热泵电 控系统及控制策略。 本文研究基于c 0 2 工质的热泵热水器热泵电控系统。介绍了研究和应用背景 及其与电机相关技术的发展，分析了热泵电控系统的构成与工作原理，其中详细 介绍了无刷直流电动机控制系统的构成、原理、数学模型以及运行特性，分析了 系统所要实现的功能，阐述了系统的控制策略，通过仿真与试验检验了控制策略 的有效性以及电控系统是否达到所要完成的功能。 为实现基于c 0 2 工质的热泵热水器所要求的功能，设计了以美国m i c r o c h i p 公 司d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 为核心控制器的硬件电路，不但应用p i d 和在线自整定模糊p i d 控制策略编制软件程序并进行调试，而且通过m a t l a b 软件建立无刷直流电动机 模型验证控制策略并进行仿真，以检验控制策略的合理性和有效性；同时为保证 以d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 为核心控制器的供电电源的品质和隔离度，采用开关电源技术， 研制多路隔离输出d c d c 开关电源；完成控制器硬件电路设计和控制程序设计。 构造了一个较完整的电机调速系统，实现了基于c 0 2 工质的热泵热水器所要求的 功能。 关键词：热泵热水器、无刷直流电机、d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 、p i d 、模糊p i d 、开关电源 西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c a nb et h ek i t c h e n , p u b l i cb a t h sa n ds u b t e r r a n e a nh e a tt op r o v i d eh o tw a t e r a c c o r d i n g t ot h e h o tp u m pw a t e r - h e a t e ro f t h ec 0 2w o r k 。n 圯w a t e ro f t h es u b t e r r a n e a n h e a tc a nc i r c u l a t ea nu s a g e r a i s i n gt h eu t i f i z a t i o no ft h ew a t e rr e s o u r c e st h u s p a s st h e c o n t r o lt o w a r dt h ec 0 2d i s c h a r g e s e s , t h ew a t e rc u r r e n t q u a n t i t i e s e a c h e l e c t r o m a g n e t i s m v a l v e e t c ，m a k e t h e t e m p e r a t u r e t h a t t h e w a t e r o f t h er u n o f f a t t a i n s t o s e ti na d v a n c e n 圯d e v e l o p m e n ti s s u i t a b l ef o rc 0 2h o tp u m pw a t e r - h e a t e r e f f i c i c n t l y c o m p r e s s o r , e n d u r i n gh i g hp r e s s u r eo fc h a n g et h eh o tm a c h i n ea n dp e r f e c tc o n t r o l s t r a t e g ye 蚯e i a n f l yw i l lb el a t e rt h ec 0 2h o tt op u m paw a t e r - h e a t e rar e s e a r c ho f t h r e 圯 g r e a t e s tp o i n t b u tt h et e x t u a lr e s e a r c hp o i n ti st h er e s e a r c ht h a tt h eh o tp u m pe l e c t r i c i t y c o n t r o l ss y s t e ma n dc o n t r o l ss t r a t e g yu p n l i st e x tr e s e a r c ha c c o r d i n gt oc 0 2w o r ko f h o tp u m pw a t e r - h e a t e rt h e h o tp u m p e l e c t r i c i t yc o n t r o ls y s t e m i n t r o d u c et h er e s e a r c h , t h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dm o t o r r e l a t e dt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t , a n a l y z e dah o tp u m pe l e c t r i c i t yc o n t r o lt h ec o m p o s i n g a n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h es y s t e m , i n t r o d u c e dt oh a v ec o m p o s i n g , p r i n c t p l e ， m a t h e m a t i c sm o d e lo fb r u s h i e 船d i r e c tc u r r e n tm o t o rc o n t r o ls 3 ，s t e i na n dc i r c u j a t e c h a r a c t e r i s t i ci nd e t a i la m o n gt h e m , a n a l y z es y s t e mw a n tt oc a r r yo u to ff u n c t i o n , e l a b o r a t et h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h es y s t e m , p a s st oi m i t a t ea n dr e a l l ye x p c d m e n t e dt o e x a m i n et h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h eu s e f u l n e s sa n de l e c t r i c i t yc o n t r o lw h e t h e rs y s t e m a t t a i no rn o tw a n tt oc o m p l e t eo f f u n c t i o n f o rc a r r y i n go u ta c c o r d i n gt ot h eh o tp u m pw a t e r - h e a t e ro f t h ec 0 2w o r kr e q u e s t o ff u n c t i o n , d e s i g nt ot a k et h ea m e r i c a nm i c r o c h i pc o m p a n yd s p i c 3 0 f 6 0 1 0a st h e h a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i to ft h ec o r ec o n t r o l l e r ，n o to n l ya p p l yp i da n do n - l i n ef r o m w h o l es e t t l et h ef u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yt od r a w1 币t h es o f t w a r ep r o c e d u r ea n dc a r r y o na d j u s t i n gt ot r y , b u ta l s ob r u s h l e s sd cm o t o rm o d e lv e r i f i c a t i o nc o n t r o ls 扛a t e g y t h r o u g ht h em a t l a bs o f t w a r ee s t a b l i s h m e n ta n dc a r r yo ni m i t a t er e a l l y ，c o n t r o lt h e r a t i o n a l i t ya n dt h eu s e f u l n e s so f s t r a t e g 了b ye x a m i n a t i o n ；t a k et h ed s p l c 3 0 f 6 0 1 0a st h e q u a l i t ya n dt h ei n s u l a t i o nd e g r e eo ft h ep o w e rs u p p l yp o w e rs u p p l yo ft h ec o r e c o n 仃o l l e rf o rt h es a k eo fa s s u r a n c ei nt h em e a n t i m e , a d o p tt h es w i t c hp o w e rs u p p l y t e c h n i q u e , d e v e l o pm a n yr o a d s t oi n s u l a t et o o u t p u td c - d cs w i t c hp o w e r s u p p l y ；c o m p l e t et h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ee l e c t r i cc i m m td e s i g na n dt h ec o n t r o lp r o g r a m d e s i g n c o n s t r u c t e dam o r ec o m p l e t em o t o rt oa d j u s ts o o ns y s t e m , c a r r yo u ta c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o nr e c l u e s tb yt h eh o tp u m pw a t e r - h e a t e ro f t h ec 0 2w o r k k e y w o r d ：h o tp u m pw a t e r - h e a t e r 、b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r 、d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 、 p i d 、f u z z yp i d 、s w i t c hp o w e rs u p p l y i l 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：啦 ，。口7 年哆月甥日 指导教师签名 渊年孓 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：鼍盟 m 、) 够 月瑙日 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着人们的环保意识日益增强，对天然制冷剂热泵热水器的需求也日益增加。 而c 0 2 热泵热水器采用c 0 2 作为工作介质，具有环保、安全、经济能效比高，符 合节能要求的主要特点，并具有良好的社会效益和市场前景，所以c 0 2 熟泵热水 器得到了很快地发展。 自从2 0 0 1 年，第一个c 0 2 热泵热水器系统问世以来。仅仅几年时间，二氧化 碳空气源热泵热水器( 或者说空气一水热泵) 市场呈现迅速增长的态势。结果表明 c 0 2 热泵热水器与电热水器、燃气热水器和太阳能热水器相比较具有较高的性能， 其商业开发已经初步开始，市场前景极为广阔口】 5 1 、啊。 热泵与普通加热装置的根本区别是热泵制取的有用热能，总是大于所消耗的 电能或燃料能，而用燃烧加热、电加热等装置制热时，所获得的热能一般小于所 消耗的电能或燃料的燃烧能，这也是热泵制热最突出的优点1 2 】【4 】。 热泵在向高温热处供热的同时，也从低温热源吸热( 制冷) ，因此，热泵兼有 制冷制热的双重功能，但热泵与制冷设备又有明显的不同。 图1 1 工作原理图 基于c 0 2 热泵热水器是一种热量提升装置，采用逆卡诺循环工作原理，把环 境中的热量传递到被加热的水中，热泵热水器主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和 膨胀阀四部分组成，通过工质的循环流动实现：蒸发( 吸收环境中的热量) 、压缩 ( 热量提升) 、冷凝( 放出热量到水中) 、节流、再蒸发的热力循环过程。热泵在 工作时，把环境介质中贮存的能量q a 在蒸发器中加以吸收；它本身消耗一部分 能量，即压缩机耗电q b ；通过工质循环系统在冷凝器中放热q c ，q c = q a - 旧b ， 由此可以看出，热泵输出的能量为压缩机做的功q b 和热泵从环境中吸收的热量 q a ；因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 应用背景 众所周知，燃气热水器是靠燃烧气体来加热热水的，如因使用的不当，当燃 气泄露时或排风不畅，容易造成人体中毒或起火爆炸的危险，使入的生命和财产 造成损失，特别是小孩使用时更容易发生危险，国内每年都有很多例因使用燃气 热水器不当，而造成人的生命和财产的损失。所以说使用燃气热水器，始终存在 一定程度的安全隐患；电热水器虽然不像燃气热水器那样容易发生燃气泄露、起 火爆炸危险，但电热水器是用加热棒直接接触水来加热的，虽然做了绝缘处理， 但随着使用时间的推移，电器元件会老化或电器元件本身质量的缺陷，随时都存 在漏电的隐患，一旦漏电，将直接威胁人的生命和身体安全；而热泵热水器是通 过压缩机排出的高温气体来加热水的，电与水不是直接接触的，不会在使用时发 生触电的危险，具有使用上的绝对安全性，无论大人和小孩都可以安全使用。热 泵热水器通过制冷剂温差吸热和压缩枧压缩制热后，与水换热，大大提高热效率， 充分利用了新能源，是将电热水器和太阳能热水器的各自优点完美的结合于一体 的新型热水器l7 】i 引。 热泵热水器在国外已有二十几年的历史，已得到普遍的推广，并且因其显著 的节能性，有的国家对使用热水器的用户给予一定的补偿，在国内虽然刚刚投入 市场，但因其显著的优越性，必然会得到普遍的推广使用。 1 3 选题意义 本文所讨论的c 0 2 热泵热水器运用了c 0 2 超临界循环技术。该热泵热水器系 统可以为厨房、浴池和地热提供热水。浴池和地热的水是可以循环使用的，提高 了水资源的利用率。通过对c 0 2 流量、水流量、各电磁阀等的控制，使流出的水 达到预先设定的温度。 c 0 2 热泵热水器与传统燃气热水器相比具有低能耗( 一般可节能约3 0 ) ，对 环境友好的优点：与传统热泵热水器相比具有供热水温度范围大，能提供高温热 水的优点。将c 0 2 热泵与储水箱组合可以利用夜间低谷电，提高系统经济性。若 将c 0 2 热泵热水器与蓄热系统组合，可使储水箱体积减小，则整个系统更为小巧 轻便。开发适于c 0 2 热泵热水器的高效压缩机和耐用高压的高效换热器以及完善 的控制策略将是以后c 0 2 热泵热水器研究的三大重点。而本文的研究重点放在熟 泵电控系统及控制策略的研究上。相信随着技术的不断进步，c 0 2 热泵热水器将会 以其特有的优势成为2 l 世纪热水器市场上最为耀眼的明星。 2 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 4 电机相关技术的发展 热泵电控系统性能的好坏取决于压缩机，压缩机是热泵制热系统的心脏，系 统中工质( c 0 2 ) 的循环或流动是靠压缩机的运转来实现的。压缩机的压缩过程为， 压缩机从蒸发器吸入蒸发后的饱和气体，经压缩提高其压力和温度后，捧入冷凝 器进行冷凝。两压缩机性能的好坏取决于电机，则现就有关电机方面的技术作以 介绍【9 】。 l 电机控制技术的发展 在实际中。电机应用己由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升 到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要 求。例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机， 几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械 运动。这种新型控制技术已经不是传统的“电机控制”“电气传动”而是“运动控 制”【。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、 转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。因此现代电机控制技术离不 开功率器件和电机控制器的发展。 2 功率半导体器件的发展 电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它 们是密切相关、相互促进的。近几十年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改 变着电机控制的面貌和应用，而功率器件的发展是电力电子技术发展的动力，一 代新型功率器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命【1 1 1 。 由于功率器件工作在开关方式，所以特别适合于数字控制、驱动，即便是模 拟p d 闭环，也必须将最终的输出转化为数字电平。因此，在功率器件的控制中 采用数字控制技术明显优于模拟控制技术。 3 电机的控制器的发展 调速电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件 的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有这些都使得模拟控制 器的可重复性比较差，控制效果不理想。因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方 向发展。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改 控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。 使用高性能的数字信号处理器( d s p ) 来解决电机控制器不断增加的计算量和 速度需求是目前最为普遍的做法。d s p 运算速度快，控制策略中可以使用先进的 实时算法，如自适应控制、卡尔曼滤波、状态预估等，大大提高控制系统的品质【删。 而且d s p 控制软件可用c 语言、汇编语言编写或者二者嵌套使用。因此采用d s p 芯片设计的电机控制器便于用户的调试和应用。 3 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 1 5 本论文的研究内容 本论文题目来自于我校与庆安制冷公司研究所签订的研制项目。 本论文的研究内容利用美国m i c r o c h i p 公司d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 为核心设计控制器 硬件电路，应用相应的控制策略编制软件程序并进行调试，而且通过m a t l a b 软 件建立无刷电动机模型验证控制策略并进行仿真，以检验控制策略的合理性和有 效性；为了保证d s p 控制器供电电源的品质和隔离度，采用开关电源技术，研制 多路隔离输出d c d c 开关电源；完成控制器硬件电路设计和控制程序设计。 1 6 本论文解决的主要问题 本论文设计研制了d s p 控制器；完成关键部分的硬件设计及调试并编制控制 策略软件程序：设计研制了适合电机控制器用的多路隔离输出d c - d c 开关电源： 构造了一个较完整的电机调速系统，实现了电机的调速。 1 7 本章小结 本章介绍了基于c 0 2 工质的热泵热水器的研究背景、应用背景及意义，并介 绍了与电机相关的技术，阐述了本论文的研究内容以及所要解决的问题。 4 西北工业大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 c 0 2 热泵热水器是融合了电力、电子、控制、材料科学以及化工技术等多种高 新技术的综合产品整体的运行性能、经济性等首先取决于热泵电控系统和水箱 电控系统。而本文主要研究c 0 2 热泵热水器热泵电控系统。 2 1 热泵电控系统构成 本论文所研究的热泵电控系统控制器结构方块图和电气联接图如图1 所示， 按功能模块分成六部分组成：电源、控制器、压缩机电机和风扇电机、控制阀、 传感器以及热泵与水箱通信电路。 图2 - l 热泵电控系统控制器结构方块图和电气联接图 热泵电控系统能实现如下功能： ( 1 ) 具有输入电源电压监测以及电流检测功能； ( 2 ) 能实现热泵与水箱和和p c 机通讯功能； ( 3 ) 能够控制电子膨胀阀、除霜阀在内的各种外设。 ( 4 ) 采用反电势过零比较法实现位置信号检测，为无刷直流电机提供换相依 据，实现变频调速功能。 ( 5 ) 风扇电机的驱动与控制。 2 2 热泵系统工作原理 热泵部分通过进水管和出水管与水箱部分相连。系统组成部分包括换热器、 5 西北工业大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 风扇、压缩机、毛细管、控制阀及控制线路等部件。 热泵部分的原理图如图2 2 所示。热泵进行制热时，控制阀1 打开，控制阀2 关闭，c 0 2 经过压缩机两级压缩后通过管路进入水冷换热器，这里管路进行了几次 曲折，以进行减震；c 0 2 出冷凝器后进入回热器，换热后分两路进入毛细管节流， 然后进入蒸发器，最后回到压缩机。热泵进行除霜时，控制阀2 打开，c 0 2 经一级 压缩后通过控制阀2 进入蒸发器，进行除霜过程。 控制阮。 图2 - 2 热泵原理图 控制阀1 和2 的功能主要是控制热泵机组是进行制热还是除霜，控制线路通 过传感器传来的信号决定控制阀1 和2 的开关状态。控制阀1 即为电子膨胀阀， 控制阀2 为除霜电磁阀。 2 3 热泵运行方式 热泵电控系统的运行方式包括制热和除霜两种。由水箱电控系统发送命令至 热泵电控系统，热泵电控系统根据指定的运行模式以及设定温度，采集各个温度 传感器的工作检测数据，调整压缩机及其它外设的运行。 2 3 1 制热运行 系统开始工作后，当温度低于设定温度5 0 c 以上，并超过3 分钟，切换到制 热运行方式；此时压缩机的启动需要经过3 分钟的延时启动保护功能，防止压缩 机中的制冷剂工作在高温高压环境下。根据水箱水温温度与设置温度之差来确定 压缩机工作频率，并结合实际工况对压缩机进行限频等保护措施。在制热过程中， 当水箱水温温度大于设定温度5 。c 并超过3 分钟，则压缩机停止运转。达到设定 温度后，压缩机停止运转，风扇电机延时3 0 秒关闭。 6 西北工业大学硕士学位论文第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 压缩机工作频率，并结合实际工况对压缩机进行限频等保护措施。在制热过程中， 当水箱水温温度大于设定温度5 。c 并超过3 分钟，则压缩机停止运转。达到设定 温度后，压缩机停止运转，风扇电机延时3 0 秒关闭。 2 3 2 除霜运行 在制热运行状态下，当环境温度低于5 c 时，热交换器的蒸发温度就会在o 以下，这时，空气中的水分就会在冷凝器表面结霜。随着运转时间增加，结霜厚 度越来越大，这样就会导致热交换器换热能力下降，制热效果降低。为了防止这 种现象的发生，就应及时除去冷凝器表面上的霜层。 制热模式时，满足以下条件时热泵将开始除霜操作： ( 1 ) 压缩机累计运行时间超过9 0 分钟； ( 2 ) 热泵盘管温度低于一2 0 c 超过1 5 分钟。 2 4 电源 2 4 1 交流输入电源 2 2 0 v 的交流电经差模、共模滤波后通过整流成3 1 0 v 直流电压，为用电设备 供电。 2 4 2 开关电源 开关电源共有八路输出：一路是1 2 v 给继电器供电；四路是1 5 v 给m m 功率 模块上三桥和下三桥供电( 共用一路) 。直流1 2 v 经过三端集成稳压器7 8 0 5 输出 到5 v 给主控芯片供电。两路士1 5 v 经过三端集成稳压器输出士1 2 v ，给运算电路供 电。另一路的输出用以检测母线电压。 2 5 控制器 控制器主要包括开关主电路( 即逆变器) 、驱动电路和控制电路三个主要组成 部分1 2 0 】。 2 5 1 开关主电路 典型的开关主电路通常由整流电路，滤波电路，缓冲电路和逆变电路构成。 整流电路由变压器和整流桥组成，将交流电源转换为直流电源。滤波电路实现直 流电源的低通滤波，形成低内阻硬特性直流电压源，同时与绕组感性负载交换无 7 西北工业大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 功功率。缓冲电路为减少开关管承受的尖峰电压，提高主电路的可靠性，使开关 管工作在安全工作区( s o a ) 。 i p m 即i n t e l l i g e n g t p o w e r m o d u l e ( 智能功率模块) 的缩写，是以i g b t 为功率 器件的新型模块。这种功率模块是将功率元件i g b t 和驱动电路、多种保护电路集 成在同一模块内，与普通i g b t 相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高，而 且由于口m 通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸较少，故整个系统尺 寸较少。 m m 内部含有门极驱动控制，故障检测和多种保护电路。内置电流传感器用 于检测i g b t 的主电路，内部故障保护电路用于检测过流、短路、过热和控制电源 欠压等故障。当出现任何一个故障时，内部电路会封锁驱动信号并向外送一“故 障”信号，其内置的续流二极管具有快速的反向恢复特性，可较好地抑制电磁干 扰噪声。 2 5 2 驱动电路 驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大、并向各开关管送去能使其饱 和导通和可靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些参 数和特性，从而影响着整个电动机控制系统的正常工作。由于各开关管的种类不 同，其对驱动信号的要求也不尽相同，因而对应的驱动电路也不同。随着集成电 路技术的发展，现在已有把驱动电路制成有一定输出功率的专用集成电路，并已 逐步得到推广应用。这种集成电路加上少量外围元件即可满足功率器件对驱动信 号的所有要求，如光电隔离电路、栅极电阻、自举电容、过流检测电路等。 2 5 3 控制电路 控制电路是稀土永磁无刷直流电动机正常运行并实现各种调速功能的指挥中 心，它主要完成以下功能： ( 1 ) 对转子位置传感器输出的信号、p w m 调制信号、正反转和停车等信号进行 逻辑综合，以给驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电动机的正 反转及停车控制； ( 2 ) 产生p w m 调制信号，使电动机的电压随给定速度信号而自动变化，实现 电动机闭环调速； ( 3 ) 对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静 态性能： ( 4 ) 实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。 控制电路的形式多种多样，归纳起来主要有以下几种型式：分立元件全模 西北工业大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 拟电路；专用集成电路；数模混合控制电路；全数字控制电路。其中分立 元件是模拟电路在以往的无刷直流电动机中大量应用，目前在许多经济实用性无 刷直流电动机中仍占主导地位。由于模拟电路中不可避免地存在参数漂移和不一 致问题，以及线路复杂、调试不便等因素，因而使电动机的可靠性和性能受到影 响【2 0 l 。 2 6 稀土永磁无刷直流电动机 根据c 0 2 热泵热水器电控系统的要求，所选用电动机必须满足周期性负载的 要求。目前，压缩机和风扇用电动机主要有感应电动机( n 讧) 、永磁无刷直流电动 机( p m b l d c m ) 。本文采用稀土永磁无刷直流电动机作为压缩机和风扇电机，用 步进电机作为电磁膨胀阀驱动电机( 在下一节详细介绍) 。 稀土永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它具有直流电动机的外特 性而没有换向器和电刷组成的机械接触结构；采用永磁体转子，没有励磁损耗； 具有高的能量密度和效率。稀土永磁体具有高磁能积和高矫顽力的特点，作为稀 土永磁电机的励磁源在电机中得到了广泛的应用。因稀土永磁电机具有体积小， 重量轻，效率高，特性好等一系列优点而得到了广泛的应用。 2 6 1 工作原理 稀土永磁无刷直流电机的工作原理以图2 3 为例说明。图2 3 中v f 为逆变器， r e p m m 为稀土永磁无刷直流电动机本体，p s 为与电动机本体同轴联结的转子位 置传感器，控制电路对转予位置传感器检测到的信号进行逻辑变换后产生脉宽调 制p w m 信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相 绕组按一定顺序工作，在电动机气隙中产生跳跃式旋转磁场。为了清晰地阐述稀 土永磁无刷直流电动机的工作原理和特点，下面以二相导通形星形三相六状态无 刷直流电动机为例来简要说明。 图2 - 3 稀土永磁直流无刷电动系统图 9 西北工业大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 电机的三路位置信号在电机中的结构如图2 4 ，图中的电机转子极对数p = 1 ， 位置信号p 1 、p 2 、p 3 互错1 2 0 度电角度。本文中的无刷直流电动机极对数p = 2 ， 位置信号在电角度依然保持1 2 0 度的相位，但在机械位置上相差1 2 0 2 = 6 0 度。 图2 州a )图2 - 4 0 , ) 表2 一l 两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表 电角度06 01 2 01 8 02 4 03 0 0 3 6 0 导通abc 顺序bcab v 1 导通导通 v 2 导通导通 v 3 导通导通 v 4 导通导通 v 5 导通导通 v 6 导通 导通 在二相导通星形三相六状态无刷直流电动机工作的过程中，当转子位于图 2 _ 叫a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极信号位置，经过控制电路逻辑变换 后驱动逆变器，使功率开关管a 、b 管导通，即绕组a 、b 通电，a 进b 出，电枢 绕组在空间合成磁势f a ，如图2 4 ( a ) 所示。此时定转子磁场相互作用拖动转子顺 时针方向转动。电流流通途径为：电源正极- - v 1 管一a 相绕组一b 相绕组- - v 6 管一电源负极。当转子转过6 0 。电角度，达到图2 - _ 4 f b ) 中位置时，位置传感器输 出信号，经逻辑变换后使开关管v 6 截止，v 2 导通，此时v 1 仍导通，则绕组a 、 c 通电，a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁场如图2 4 ( b ) 中f a 。此时定转子磁场 相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极一v 1 管一a 相绕组一b 相绕组一v 6 管一电源负极，依此类推。当转子继续沿顺时针每转过6 0 。电角度时，功率开关管的导通逻辑为：v 3 v 2 一v 3 v 4 一v 5 v 4 一v 5 v 6 一v l v 6 ， 则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 在图2 - - 4 ( a ) 至l j ( b ) 的6 0 。电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合 1 0 西北工业大学硕士学位论文第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 成磁场在空间保持图2 - _ 4 伯) 中f a 的位置不动，只有当转子磁场转够6 0 。电角度 到达图2 _ _ 4 ( b ) 中f f 的位置时，定子合成磁场才从图酬a 冲f a 位置顺时针跃变 至( b ) 中f a 的位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃 式旋转磁场，每个步进角是6 0 。电角度。 当转子每转过6 0 。电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状 态就改变一次。可见，电机有6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每相导通中 流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 。，故该逆变器为1 2 0 。导通型。两相导通星 形三相六状态无刷直流电动机的三相绕组与各开关管导通顺序的关系如表2 一l 。 2 6 2 数学模型和基本公式 稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的，可直 接采用电动机本身的相变量来建立数学模型。 假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，可得三相的电 压平衡方程： 蒌；j 2 i ； l ；j + 工j _ 三 p 三互 p l | ；崔 ( 2 1 ) 电磁转矩t 2 古( 已i 。+ 6 i + 已i 。) ( 2 - 2 ) 无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩，电枢电流，反电势和转速等。下 面以二相导通三相六状态量为例，分析方波电动机，为便于分析，假设不考虑开 关管开关动作的过渡和电枢绕组的电感，有： 1 电枢绕组感应电势 单根导体在气隙磁场中感应电势 p ：盛l v ( v )( 2 3 ) 式中上站气隙磁感应强度三导体的有效长度 、_ 导体相对于磁场的线速度 西北工业大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 7 r d 2 p n 1 ，2 疗2 。r ( m s 、( 2 - 4 ) 6 06 0 k i n 7 其中i i _ 一电机转速d 一电枢内径 f 极距r 极对数 设电枢绕组每相串联匝数为阡0 ，则每相绕组的感应电势为 e t = 2 形妒 ( v ) 将式( 3 ) 代入( 4 ) 得 p = b 也2 丽n ( v ) 方波气隙感应强度对应的每极磁通为 西= b o a , - r l( w b ) 式中a i 计算极弧系数，则有 脚融志 求得每相绕组感应电势 肪= 尝形咖疗( v ) 1 5 口f ”7 则线电势，即电枢感应电势为 e = 2 e = 忐形咖胪脚聆 式中g = 考乞脚电势常数 2 电枢电流 在每个导通时间内以下e g 玉, 平衡方程式 u 一2 厂= e 4 - 2 l r , , 式中1 i _ 电源电压； 【，开关管的饱和管压降 i 扩每相绕组电流m 每相绕组电阻 ( )( 2 1 2 ) 3 电磁转矩 在任一时刻，电机的电磁转矩丁矗由两相绕组的合成磁场与转子永磁场 1 2 ” d 盼 鳓 m d 协 m 西北工业大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 互作用而产生的，则 ，2 e i ae l 1 “。_ 一了 ( 2 1 3 ) qq “7 4 转速 求得 u 一2 u 一2 厶儿 刀2 五_ ( 2 1 4 ) c 勘 u 5 电势系数与转矩系数 电势系数为 & = 鲁= 脚= 急d a i 脚 刀 l 。7 转矩系数为 勋= 鲁= 啡= 万4 p 伪w 一咖 。2 - 1 6 ) 1 4 i 7 c n i 2 6 3 稀土永磁无刷直流电动机的运行特性 1 、机械特性 从式( 1 4 ) 可得该种电动机的机械特性 【，一2 【，2 厶砌u 一2 a u 刀2 c 乖c 耷c 如一淼丁。沼 由此可得其机械特性。当稀土永磁无刷直流电动机采用不同的转子结构时， 电感和电阻对机械特性的影响不同。 2 、调节特性 根据式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 、( 1 4 ) 可求得调节特性的始动电压和斜率。 。u 。= 2 c r ，o t ；+ 2 【， ( 2 - 1 8 ) 1 k = - ( 2 1 9 ) c 。6 特性曲线如图所示。 1 3 西北工业大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 图2 - 5 调节特性图 从机械特性和调节特性可以看出，稀土永磁无刷直流电动机具有很好的控制 性能，可以通过改变电源电压实现无级调速。但不能通过改变磁通来实现调速。 2 7 步进电动机结构及工作原理 2 7 1 步进电机及控制技术的发展 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理是依靠气隙间的磁导变 化来产生电磁转矩。8 0 年代以后，由于廉价的单片机以多功能的姿态出现，步进 电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或 者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦 定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基 于单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜 力，因此，用单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的 时代发展要求。 步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信 号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大 器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律 排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使 转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转 同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，常用的步进电机包括反应式步进电机、 永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。 2 7 2 步进电机工作原理 常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步迸电机、混合式步进电机和 单相式步进电机等，现阶段，反应式步进电机获得最多的应用，本系统中采用的 1 4 西北工业大学硕士学位论文第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 三相反应式步进电机的工作原理图如图2 - 6 ，它的定了上有六个极，每个极上都装 有控制绕组，每相对的两级组成一组。转子是四个均匀分布的齿，上面没有绕组。 步进电机工作在六拍模式时，通电顺序为：a - t a b b - b c - c c a - a ，或是a - a c c c b b b a - a 。当a 相通电时，因磁通要沿着磁阻最小的路径闭合，将使转子 齿l ，3 和定子极a ，a i ，如图2 6 a 所示。当a 、b 相控制绕组同时通电时，转子 齿2 ，4 在定子极b 、b 。的吸引下使转子沿逆时针方向转动，直到转子齿1 ，3 和定 子极a 、a 之间的作用力与转子齿2 ，4 和定子极b 、b 之间的作用力相互平衡为 止，如图2 6 b 所示。当断开a 相控制绕组而由b 相控制绕组单独通电时，转子将 继续沿逆时针方向转过一个角度使齿2 ，4 和定子极b 、b ，对齐，如图2 6 c 所示。 若继续按照b - b c - c - c a a 的顺序通电，步进电机沿着逆时针方向连续转动。如果 通电顺序变为a - a c - c - - c b b - b a a ，则电机将按顺时针方一向转动。三相六拍工 作模式下的步进电机，由a 相控制绕组单独通电到b 相控制绕组单独通电，中间 要经过a 、b 两相同时通电这个状态，也就是说要经过两拍转子才转过3 0 。，所 以在这种方式下，其步距角0 = 3 0 。2 = 1 5 。 2 0 1 2 9 1 。 图2 - 6 三相六拍步进电机工作原理图 2 8 控制阀、传感器以及检测 2 8 1 控制阀 1 节流元件 c 0 2 制冷剂从热水换热器出来，分两路分别进入毛细管节流。一路进入上蒸发 器：一路经回热器进入下蒸发器，与环境换热后再次进入回热器。采用双毛细管 减少节流损失。 毛细管与膨胀阀统称为节流元件，它把从冷凝器流出的高压制冷剂减压、节 流后供给蒸发器 9 1 。节流元件的作用是： ( 1 ) 将高温高压液体制冷剂变为低温低压液体。 ( 2 ) 根据热负荷的变换调节制冷剂的流量。 1 5 西北工业大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 热泵热水器热泵电控系统总体方案 ( 3 ) 控制蒸发器出口处制冷剂蒸汽的过热度，并防止产生“液击”。 电子膨胀阀是近年出现的新产品，它是由电子电路进行控制的膨胀阀，电子 膨胀阀有其它膨胀阀无法比拟的优点。例如，电子膨胀阀的流量控制范围大、动 作迅速、调节精细、动作稳定，可以使制冷剂往、返两个方向流动等。电予膨胀 阀的结构形式有好几种，有电子直流膨胀阀、脉冲电动机膨胀阀和指令电动机式 膨胀阀等。本文选用步进电动机膨胀阀。 电子膨胀阀的工作原理是电子膨胀阀的节流通道面积随阀针在阀孔内的上、 下移动而变化的。当流通面积变化时，流过的制冷剂量也随之变化。 电子膨胀阀的驱动部件是一个脉冲步进电动机。它的转子和定子之间有一个 薄的圆筒形衬套相隔开，使定子不与制冷剂相接触。 2 除霜电磁阀 目前除霜方式有两种：一种是停机除霜，一种是不停机除霜。停机除霜是通 过转换制冷剂的流向，即将制热运转改变为制冷运转，把从压缩机出来的高温高 压的制冷剂气体切换流向结霜的热交换器，使霜层融化，达到除霜的目的。不停 机除霜就是继续制热运转，从压缩机出来的高温高压的制冷剂蒸汽一部分流向热 交换器，使热交换器温度上升，霜层融化，另一部分继续流向制热。本系统采用 不停机除霜。 2 8 2 传感器 传感器包括：交换器入口温度传感器( w 烈) 、交换器出口温度传感器 ( w o u t ) 、环境温度传感器( g a i ) 、冷凝器出口温度传感器( 盘管温度c o i l ) 、 压缩机出口温度传感器( 排气温度c 0