空调控制器基础知识讲座

空调控制器基础知识讲座一、空调的基本概念1. 1.空调的定义：空调是空气调节器的简称，它是利用设备和技术对室内空气（或人工混合气体）的温度、湿度、清洁度及气流速度进行调节，以满足人们对环境的舒适要求或生产对环境的工艺要求。12空调制冷原理空调制冷技术属于普通制冷范围，主要是采用液体气化制冷法，利用液体气化过程要吸收热量，而且液体表面压力不同，其沸点也不同，压力越低，沸点越低。其工作原理就是使制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩、放热、接流和吸热四个主要的热力过程，以完成制冷循环。空调的制冷过程是将热量从一个环境搬移到另一个环境的过程。13按照功能要求的不同，空调可分为舒适性空调（家用空调、商用空调）、工艺性空调、洁净空调；以满足人类或其它生物对舒适感的要求的空调，一般称之为舒适性空调 ；而主要用来满足工艺生产过程和设备的运行要求，一般称之为 工艺性空调 。家用空调：一般是指用于用户个人家中的、制冷制热量相对较小的空调器（如：3P以下分体壁挂机、3P以 下柜机、2P吊顶机等） 商用空调：一般是指用于公共场所或机关企事业单位的相对能量较大的空调（如：5P 以上柜机、 嵌入机、及3P以上吊顶机等）另外，对于工程用机器，即使包含部分小型机器，亦同样按商用机对待14空调器按外形分类可分为窗式、分体挂壁式、分体立柜式、吊顶式、嵌入式、移动空调、小型中央空调等。1 ）窗式： 窗式空调是一种整体式空调器，是空调产业前期的代表品，有结构紧凑、体积小、重量轻、安装方便等特点，适用于卧室、办公室、家庭小计算机房等场所使用；制冷范围一般为 1800W5000W，其主要缺点是噪声较大。其外观如下：2 ） 分体空调：分体空调是在整体式空调器的基础上发展起来的，由室内机和室外机组组成，两者通过电缆和管道连接，两组之间的管道采用铜管接头连接。分体空调的优点是：( 1 ）压缩机和冷凝器装在室外，离房间较远，降低了噪音，改善了环境，其噪音比窗式空调器低 20DB 左右。（ 2 ）安装和检修方便，小修容易，大修可分别拆卸。（ 3 ）室内机组占地面积小。（ 4 ）增加了冷凝器的传热面积和风量，散热条件比窗式空调器好15空调器按照功能分类：一般分为单冷式、冷暖式、电辅助加热式。辅助电加热是装在室内机的一根陶瓷电热丝铜管，当室外温度低于-5度时，室外机压缩机停止工作，电加热自动工作加热，用室内机风机把暖风吹出来，起到取暖的目的，为解决冬季制热能力不足，空调辅助电加热的方式，使制热功率大幅提高，可以超低温工作。16按压缩机的工作特性来分，可以分为定频空调和变频空调普通定频空调的压缩机直接使用单相或三相交流电机工作，变频空调根据压缩机是采用交流电机还是直流电机可分为交流变频和直流变频两种。交流变频空调使用三相交流异步电动机压缩机，直流变频空调其关键在于采用了无刷直流电机压缩机，其控制电路与交流变频控制器基本一样。变频空调有很多优点，其中最大的优点是省电，相对定频空调，交流变频空调可节省30%的电能，直流变频空调可接省45%的电能。 我们把采用无刷直流电机作为压缩机电机的空调器称为“直流变频空调”，从概念上来说是不确切的，因为我们都知道直流电是没有频率的，也就谈不上变频，但人们已经形成了习惯，对于采用无刷直流压缩机的空调器就称之为直流变频空调。 无刷直流电机与普通的交流电机或有刷直流电机的最大区别在于其转子是由稀土材料的永久磁钢构成，定子采用整距集中绕组，简单地说来，就是把普通直流电机由永久磁铁组成的定子变成转子，把普通直流电机需要换向器和电刷提供电源的线圈绕组转子变成定子。这样，就可以省掉普通直流电机所必须的电刷，而且其调速性能与普通的直流电动机相似，所以把这种电机称为无刷直流电机。无刷直流电机既克服了传统的直流电机的一些缺陷，如电磁干扰、噪声、火花、可靠性差、寿命短，又具有交流电机所不具有的一些优点，如运行效率高、调速性能好、无涡流损失。所以直流变频空调相对与交流变频空调而言，具有更大的节能优势。 转子位置检测 由于无刷直流电机在运行时，必须实时检测出永磁转子的位置，从而进行相应的驱动控制，以驱动电机换相，才能保证电机平稳地运行。实现无刷直流电机位置检测通常有两种方法，一是利用电机内部的位置传感器（通常为霍尔元件）提供的信号；二是检测出无刷直流电机相电压，利用相电压的采样信号进行运算后得出。在无刷直流电动机中总有两相线圈通电，一相不通电。一般无法对通电线圈测出感应电压，因此通常以剩余的一相作为转子位置检测信号用线，捕捉到感应电压，通过专门设计的电子回路转换，反过来控制给定子线圈施加方波电压；由于后一种方法省掉了位置传感器，所以直流变频空调压缩机都采用后一种方法进行电机换相。二、空调质量好坏的三项国家标准1制冷（热）量11制冷量： 单位时间内，空调器在名义制冷工况下从空间区域或房间内排除的热量。制热量： 单位时间内，空调器在名义 制热 工况下向空间区域或房间内 释放 的热量。法定计量单位 W（瓦）。国家标准规定空调实际制冷量不应小于额定制冷量的 95% 。输入功率：空调器在额定工况下进行制冷（热）运转时，消耗的功率，单位 W 。国家标准规定名义制冷量的测试条件为：室内干球温度为27度，湿球温度为19.5度；室外干球温度为35度，湿球温度为24度。12 匹与制冷量的关系空调匹数，原指输入功率，包括压机、风扇电机及电控部分，在小型空调工程中 1HP 指给压缩机输入 735W 的功率所能产生的制冷量，因不同的品牌其具体的系统及电控设计差异，其输出的制冷量不同，空调中的匹数与一般的功率单位匹意义是不一样的，故其制冷量以输出功率计算。这里的 1HP 是根据能效比算出来的，一般来说，1匹的制冷量大致为2000大卡，换算成国际单位瓦应乘以1.162，故1匹的制冷量应为2000大卡1.1622324（w）,这里的w（瓦）即表示制冷量，小 1 匹一般为 2200W ，大 1 匹一般为 2800W 。则1.5匹的应为2000大卡x1.5x1.1623486（w），以此类推，根据此情况，则大致能判定空调的匹数和制冷量，一般情况下，2200W一2600W都可称为1匹，4500(w)- 5100（w）可称为2匹，3200W一3600W可称为1.5匹。2能效比能效比：(EER)在额定工况和条件下，空调器进行制冷运行时，制冷量与有效输入功率之比，单位 W/W，EER=制冷量/输入功率，又称性能系数。此值能检验空调的性能，值越大，系统匹配越好，空调性能优越，制冷、制热效果越好，耗电量越小。国家标准规定， 2500W以下空调的能效比标准值为 2.65以上 ； 2500W 至 4500W 空调的能效比标准值为 2.70以上。3 噪声空凋器运转时产生的杂音，主要由内部的蒸发机和外部的冷凝机产生。国家规定制冷量在 2000W 以下的空调室内机噪声不应大于 45 分贝，室外机不大于55 分贝； 2500W以上的分体空调室内机噪声不大于 48 分贝，室外机不大于 58 分贝。三、普通定频空调控制器设计1空调控制器的控制对象和控制方式 11压缩机压缩机就是空调的心脏，根据机型大小不同压缩机的功率从几百瓦到几千瓦不等，通常的控制方式为继电控制如下图：或者 图1压缩机的功率越大，启动冲击电流越大，在0.3秒内一般可达60到100A以上，继电器在选型时要考虑余量，选用压缩机额定电流2到3倍以上。13四通阀四通阀是一个电磁阀，它的作用是控制制冷剂的流动方向，从而控制空调的工作状态是制冷还是制热，它是一个感性负载，220VAC电源，功率只有几瓦，电感量比较大，断开时的反峰电压较高，通常采有5A250VAC继电器控制，如图112外风机外风机为普通电机，功率在100瓦以内，控制方式如上图采用继电器控制，继电器可选用5A250VAC的小功率继电器。14辅助电加热管辅助电加热管是装在室内机的一根陶瓷铜管，与电暖器上的相类似，功率从800W到2KW不等，一般不需要调功，所以通常采用图1的继电器控制方式，因功率大小选用8A、10A、20A、30A的继电器以满中负荷要求。15内风机空调的内风机电机一般可分抽头电机、PG电机、低压直流电机（很少用）、直流变频电机等151抽头调速电机跟普通档位风扇电机相同，风速控制有两种，早期的风速控制继电器为双组输出继电器互锁控制如下图后来确定不用互锁也能安全可靠控制，改用单组输出继电器控制如下图152 PG电机PG电机的调速是通过可控硅对电源斩波调功的方式完成对风机的调速，电机中装有霍尔传感器，电机主轴每转一周会输出3个或多个脉冲，根据每个检测周期里脉冲个数来测量电机的转速，调速电路有以下两种：图A图A采用双向光耦，电路简单，成本稍高。B图图B使用的是普通光耦PC817，此电路使用了很长时间，电路可靠，成本较低。16风门控制电机（步进电机）风门控制电机有两种，一种是交流同步电机，交流同步电机在转动受阻后会自动反转，以此来实现自动来回摆风，缺点是位置不可控，功率只有1到3瓦，交流同步电机可以采用小功率继电器控制；另一种常用的为直流四相八拍步进电机，需要利用单片机产生驱动脉冲，优点是步进电机转动的角度是可控的，由单片机的驱动脉动的个数决定，正反转换向只要改变脉冲的顺序即可实现，当其堵转时也不会损坏。此图为普通四相八拍步进电机步进电机驱动电路图：步进电机驱动脉冲时序图：17 各种特殊功能控制（如负离子发生器）等一般均采用5A小功率继电器控制如（JZC-3FF）2空调控制器的输入对象21温度检测主要有房间温度（室温）、内盘管温度（管温）、外盘管温度温度测量是通过热敏电阻感应温度变化后的阻值改变，利用它与固定参考电阻的分压比将温度的变化转化为电压的变化，再通过A/D转换变成数字信号。温度转换原理图：C1采用电解电容、加上R2隔离、多个AD引脚互相之间隔离一个引脚会比较好，因空调控制器的温度测量范围较小，一般是从零上六、七十度到零下十几度故使用的热敏电阻多为5K3470，10K3950等小阻值型的。22 湿度检测湿度通过湿度传感器来检测，公司现在使用的型号是HIS-06-N，湿敏电阻湿度检测原理图如下：A/D口采样的时机为：当P1为5V相位，P2的波形稳定且靠近峰值时，一般在P1高电位期间的1/2到2/3之间；我司常用的转换电路：利用两个普通I/O口输出电位相反的1KHz方波驱动湿敏电阻敏，省掉了反向IC。23红外遥控接收通过红外接收头接收遥控器发射的红外遥控控制信号。24 PG风机调速用过零信号检测电路25 三分钟延时保护电路压缩机关机后不能立即启动，需要间隔三分钟，否则压缩机内会产生液击现象而造成零件的损坏，影响压缩机寿命。但是延时的精度要求不高，可以通过阻容定时来检测停电时间有没有3分钟以上，如下图：当空调在运行中突然停电后，电容C31通过电阻R21放电，当恢复供电时通过读取P00上的电平可以得知停电时间是否大于3分钟。26 显示输出、按键输入电路等辅助电路3空调控制器的开发流程31空调控制器的开发首先要细读客户的功能规格书，了解客户的各种要求，然后根据客户的要求并参考以前相识的产品设计原理图，以威能空调为例，客户要求有4个步进电机，经与客户沟通，确定每两个步进电机的控制要求是一致的，所以我们将它们并联在一起以减少需要的输出端口，带掉电记忆功能的加一片24C02芯片，因为单片机TMP86P807总共只有28个引脚，在端口不够用时我们使用了两片HEF4094对端口进行了扩展，设计出ACS-12H53RBB1的控制原理图：32 测试验证过程中遇到的问题和解决方法：321 在EMC测试抗干扰差在测试中发现状态好时可通过1200V左右的群脉冲干扰测试，差的时候只能过800V左右，表现为输出继电器跳动，因开始设计时采用74HC595扩展I/O口，故在其所有输入口线上加102K的瓷片电容测试无效，再对PCB上怀疑走线不好的地方飞线测试，仍没改进，最后怀疑74HC595本身抗干扰差，如是换用与之功能相同的IC HEF4094替代，测试OK，可以通过3KV以上的群脉冲干扰测试。322 电压跌落测试不合格，电源插拔测试有时复位不良原来的设计复位电路采用电阻电容延时复位，电路简单，成本低：经试验分析单片机在电源电压2V以上均能可靠工作，故修改为新的复位电路，通过调整电阻R19、R31的阻值使复位电压在2V左右，顺利地通过了电压跌落和插拔测试，此电路成本也低，性能可靠，复位电压可调。323显示暗亮这个产品采用蓝色LED、数码管显示，在黑暗的房子里当数码管不显示时，仔细观察发现数码管有一笔画有暗亮，经过用示波器测试发现，当显示扫描中三极管