變頻技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 鈞

張家口市節(jié)能監(jiān)察監(jiān)測中心

0 引 言

近幾年全球氣候日益變暖已是不爭的事實(shí),這導(dǎo)致了人們對空調(diào)的需求越來越大.在能源日益緊張的今天,如何使空調(diào)系統(tǒng)在提高舒適性的同時又能更好的節(jié)能已經(jīng)成為一個越來越重要的問題.變頻調(diào)速技術(shù)引用進(jìn)空調(diào)控制系統(tǒng)中就是解決這個問題的一種有效途徑.為更好地闡述這一問題,首先需對空調(diào)這一系統(tǒng)的特性加以分析.

1 系統(tǒng)特性

1.1 多干擾性

空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會受到許多因素的干擾,比如說通過窗戶進(jìn)入的太陽輻射熱隨時間在變化,室外空氣溫度通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室溫產(chǎn)生動態(tài)的影響,為換氣所采用的新風(fēng)對室溫有直接的影響,此外還包括室內(nèi)人員的變動、電源電壓的波動以及熱水加熱器中熱水溫度的變化等等.上述諸多因素不但均隨著建筑物的構(gòu)造、用途的不同而異,更與空調(diào)系統(tǒng)本身有關(guān).假如果不采用變頻調(diào)速控制技術(shù),那唯一的方法就是利用最大的耗能來換取理想的控制狀態(tài),這自然就會帶來干擾變動時控制的不理想以及能源的巨大浪費(fèi).

1.2 多工況性

一年中空調(diào)系統(tǒng)的工況隨季節(jié)而截然不同,也就是說它對空氣的處理過程具有很強(qiáng)的季節(jié)性,至少要分為冬季、夏季和過渡季.另外,同一天中的夜晚和白天空氣工況也相差很多,因此空調(diào)對空氣的處理過程具有多變性.多工況性的特點(diǎn)就決定了空調(diào)的運(yùn)行不能設(shè)定為某一固定的參數(shù),而這就要求空調(diào)的控制系統(tǒng)必須要有靈活的動作來適應(yīng)變化的工況,而變頻調(diào)速控制技術(shù)能夠很好地滿足這一要求.

2 變頻空調(diào)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)

針對空調(diào)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),再加上電力電子技術(shù)及微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,變頻器的應(yīng)用日益廣泛,因此在空調(diào)控制系統(tǒng)中采用變頻技術(shù)也是不可避免的.這就提供了一種既能達(dá)到控制要求又能節(jié)約能源的方法.和普通空調(diào)相比,在空調(diào)控制系統(tǒng)中使用變頻技術(shù),具有許多優(yōu)點(diǎn).

2.1 節(jié)省電能、電壓適應(yīng)性好

空調(diào)壓縮機(jī)開始運(yùn)行時采用低頻啟動,能夠降低啟動電流、減少功率消耗.啟動完成后很快在低頻狀態(tài)轉(zhuǎn)入高頻狀態(tài),在很短的時間里達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度,然后壓縮機(jī)在長時間處于低頻工作范圍內(nèi),機(jī)組的功率降到最小,以保持室溫.總之,變頻空調(diào)器采用變頻控制技術(shù)調(diào)節(jié)制冷(熱)能力,壓縮機(jī)由于不停機(jī)而減少了頻繁啟停造成的能量損失.

另外,變頻空調(diào)還可以根據(jù)外界環(huán)境負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到控制要求,這就避免了運(yùn)行參數(shù)的單一化而帶來能源的浪費(fèi).因此變頻空調(diào)節(jié)能效果明顯,比普通空調(diào)節(jié)電20%～30%.

變頻空調(diào)的電壓適應(yīng)性很強(qiáng),工作電壓在187～242V之間,這一點(diǎn)更適合在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的地區(qū)使用.這是由于變頻空調(diào)器采用了自動控制技術(shù)對壓縮機(jī)輸入電壓進(jìn)行自動調(diào)整,所以當(dāng)電網(wǎng)電壓偏高或偏低時機(jī)組仍能正常工作.

2.2 快速制冷、舒適性好

空調(diào)機(jī)組經(jīng)低頻啟動后很快進(jìn)入高速運(yùn)轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速可達(dá)到正常轉(zhuǎn)速的2～3倍,故比定速空調(diào)能更快達(dá)到設(shè)定溫度.當(dāng)室溫接近設(shè)定溫度時,機(jī)組在不停止壓縮機(jī)工作狀態(tài)下通過調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)室溫,這樣就可以創(chuàng)造出溫度變化不大的舒適環(huán)境.

2.3 快速除霜、超低溫制熱

在低溫的情況下,一般空調(diào)器室外機(jī)除霜停機(jī)需5～15分鐘,在此期間室內(nèi)機(jī)停止供熱.而變頻空調(diào)器則利用微處理器控制電子膨脹閥,除霜時電子膨脹閥全開壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn),利用壓縮機(jī)排氣的溫?zé)岢?從而實(shí)現(xiàn)了不間斷供熱快速除霜的功能.

當(dāng)室外氣溫低于0℃時,一般的空調(diào)器制熱能力大幅度下降,在-12℃時出力只有額定值的35%左右,而變頻空調(diào)則可根據(jù)室外溫度的變化自動改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,在室外溫度低的情況下,通過提高運(yùn)轉(zhuǎn)頻率達(dá)到提高制熱能力的效果,在-12℃時出力可達(dá)到額定值的70%左右.

2.4 除濕功能合理、噪聲低

變頻空調(diào)的除濕功能主要是除去房間空氣中的含濕量而不降低溫度,可根據(jù)房間的濕度要求設(shè)定濕度值.除濕時機(jī)組相當(dāng)于制冷時的1/3頻率運(yùn)轉(zhuǎn),以較小的輸入功率達(dá)到除濕效果,不僅經(jīng)濟(jì)合理而且還提高了舒適性.

變頻空調(diào)器能夠使壓縮機(jī)從低速到高速都穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn),加之長時間的低頻運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)使室外機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn).室內(nèi)機(jī)也沒有頻繁啟停的聲音,同時風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著壓縮機(jī)的工作頻率可在多檔范圍內(nèi)變化,從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的低噪聲運(yùn)行.

3 變頻空調(diào)器及其控制系統(tǒng)

變頻空調(diào)器的類型主要由變頻方式和主要零部件來決定的.不同的變頻方式和零部件也就組成了不同類型的變頻空調(diào)器,在眾多的組合中,直流變頻空調(diào)器是當(dāng)前最先進(jìn)的變頻空調(diào)器.它采用直流變頻壓縮機(jī)和直流風(fēng)扇電機(jī),調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)電子膨脹閥.此類空調(diào)器節(jié)能效果最好,噪聲和震動達(dá)到了最低的水平,同時還沒有交流變頻的電磁干擾.

以下就直流變頻分體式空調(diào)器的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)作個簡要的介紹.分體式空調(diào)器的控制器分為室外和室內(nèi)兩大部份.室內(nèi)機(jī)部分基本電路框圖見圖1.

圖1 室內(nèi)機(jī)基本電路圖

室內(nèi)機(jī)主要完成紅外線遙控接收,并根據(jù)設(shè)定進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的切換,調(diào)節(jié)室內(nèi)風(fēng)速及壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài),使其達(dá)到設(shè)定要求.收到信號后,根據(jù)要求由模糊算法得到目前最佳的工作狀態(tài),并通過串行通信與室外部份交換信息,實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制.

室外機(jī)主要是根據(jù)信號進(jìn)行壓縮機(jī)的變頻控制及風(fēng)速調(diào)節(jié),同時在制熱時還要完成除霜等功能.其基本電路框圖如圖2所示.

圖2 室外機(jī)基本電路圖

變頻調(diào)速自控系統(tǒng)中采用交流調(diào)速系統(tǒng),系統(tǒng)主要由逆變器、SPWM控制器及一些保護(hù)電路線組成.主電路采用交～直～交變頻方式.功率變換元件采用大功率晶體管,整流部件選用三相不可控整流模塊,系統(tǒng)中還設(shè)計了過流、過壓、欠壓和過熱等保護(hù)功能.交流調(diào)速系統(tǒng)的波形處理可采用不等幅PWM方式,脈寬調(diào)制SPWM電壓型控制器可由單片微機(jī)系統(tǒng)和大規(guī)模集成電路來實(shí)現(xiàn).

另外空調(diào)器控制系統(tǒng)中軟件可采用模塊化設(shè)計,主控模塊負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)狀態(tài)及運(yùn)行控制.另有故障診斷服務(wù)模塊、鍵盤管理和顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、變頻調(diào)壓控制模塊等.

4 結(jié) 論

通過上述分析可看出變頻控制技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)使用后,能夠使系統(tǒng)具有節(jié)能、高效、舒適的優(yōu)勢,而且控制簡單、能效比高.隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子控制技術(shù)更加緊密的結(jié)合,變頻技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用會更加深入.當(dāng)然,伴隨著變頻技術(shù)的深入應(yīng)用,在空調(diào)器的信息化、智能化等方面還會有許多工作有待研究.

[1]何耀東.中央空調(diào)實(shí)用技術(shù).冶金工業(yè)出版社,2006

[2]李良仁.變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社,2004