变频模糊控制空调器的研制

图6　冰箱温控点与环境温度的关系曲线图4.2　过、欠压保护过、欠压保护是所有电子、电脑式电冰箱控制器所共有的功能,但习惯上的做法是电压高于、低于某个值时即实现保护。

经过分析,压缩机在启动与正常运转时对电网电压的要求是不同的,启动瞬间要求电压较高,启动后正常运转时的维持电压相对较低。

为了既保护压缩机不受损坏,又满足用户最大范围内使用电冰箱的需要,在过、欠压保护的问题上采用了新的思路,改进了电子、电脑冰箱不能在电网情况不好的地区使用的缺陷。

4.3　高抗干扰性的实现电脑控制器的弱点是有“死机”的现象,即电脑不能正确执行原有的程序。

这对于需要长期连续工作的电冰箱而言是绝对不允许的。

“死机”现象产生的原因是来自空间、电源、及会发出电火花的电器设备等产生的干扰,这种干扰有的是随机的,但也有的是控制器自身在启动压缩机时产生的。

因此,对“死机”的预防包含了对自身产生干扰的预防和随机干扰预防两大部分。

本控制器在干扰的预防及抑制方面做了大量的工作,并申请了国家专利(已批准)。

使控制器具有极强的抗干扰性能,以满足长期连续工作的需要。

4.4　节能问题要使电冰箱既能正常制冷,又能降低能耗,这里有机械结构问题,也有电气工作上的合理性问题。

本控制器能使压缩机始终处于合理的工作周期,避免了频繁启动及过热工作时能源的浪费。

此外,冰箱工作点设置的合理与否对冰箱的能耗影响较大。

一般来说理想的冰箱控温点与环境温度的关系曲线如图6。

本控制器能根据环境温度等参数的变化情况,自动调节冰箱的工作点,既保护食品的冷冻、冷藏要求,又大大地节约了能源。

5　结束语包含作者在内的研制组成员通过长期研究和实践,在电冰箱模糊控制器的开发上取得了一定经验,特别是以此为基础开发的各种型号的系列电冰箱电脑板,已经过大批量生产和投放市场的考验,使作者对模糊控制用于家用电器增强了信心,也为进一步的研究积累了经验。

作者认为,如何使家用电器更加智能化,提高其性能,同时节省能耗,是今后的主要方向。

我们拟进一步积累电冰箱控制的测试数据,不断改进控制知识库,同时,探索新的算法,以达到上述目的。

参考资料1　吴望名等　《应用模糊集方法》,北京师范大学出版社,19852　陈汝全等　《实用微机与单片机控制技术》,电子科技大学出版社,1993变频模糊控制空调器的研制温　炜　徐晓翔　屠建峰东宝电器有限公司(310016) 详细介绍了开发变频模糊控制空调器的技术路线,基本技术参数,软硬件设计和关键部件模糊控制器、电子膨胀阀的设计等。

关键词:变频　空调器　模糊控制1　概述空调变频模糊控制的特点是压缩机可以根据室内需要冷(热)量的不同,连续地、动态地、适时地按需要输出。

一般ON O FF 控制的空调器在实际使用中,由于空调器自身的结构特点,造成室内机的输出比压缩的输出有一定的滞后,而室内空气参数的滞后则更大,这会影响空调器温度控制精度和舒适性的提高。

另外,空调器的实际运行工况千变万化,大多数时间空调器工作在并非最佳的状态下(一般ON O FF 控制的空调器毛细管是在标准工况下匹配的)。

变频模糊控制技术是解决上述问题的最佳方案。

特别是在多室型空调器中,例如单室外机、多室内机、单压缩机空调器中,变频模糊控制技术具有特别优越的作用,是发展舒适、节能、低噪音、高智能化空图1　一拖三空调器制冷系统调器的技术基础。

2　变频模糊控制空调器的基本概念和技术关键2.1　变频模糊控制空调器的基本概念将传感器测定的实际环境状态和空调器系统状态与人们所期望达到的设定状态进行比较,通过模糊逻辑控制技术使空调器控制系统具有自调整的智能特性,从而得出最佳的动态控制参数,并对空调器的变频电源及各执行单元实施控制,使空调器的工作状态随着人们要求的变化和环境状态的变化而自动变化,迅速、准确地达到人们的要求,并使空调器的工作状态保持在最合理的状态下。

2.2　技术关键由于变频模糊控制空调器集变频调速控制技术、模糊控制技术、传感器技术、制冷剂流量自动控制技术及生产工艺等多种技术为一体,因此具有相当的技术难度,其主要技术关键如下:①低成本高性能的空调器专用变频电源;②空调器模糊控制器;③流量控制部件(电子膨胀阀);④实验技术。

3　目标产品的选择通过选择一个产品,达到既掌握变频模糊控制技术,解决上述技术关键问题,又研制一个实用产品,为企业创造良好经济效益的目的。

因此,选择一个合适的产品是非常重要的。

普通的一拖一挂壁式空调器可以用来掌握变频模糊技术,但由于增加使用变频电源、电子膨胀阀等,整机成本提高很大,进入市场困难。

一拖二空调器产品有类似情况,一是市场上已有双压缩机或单压缩机一拖二产品;二是室内机的相互影响单纯,不能探索出规律,缺少类比性。

通过反复论证我们选择了一拖三空调器作为我们试制的目标产品,其主要依据如下:①符合国家经贸委和轻工总会下达的课题《模糊技术在空调中的应用》要求的第二期研制任务的要求。

②可以比较全面地掌握变频模糊控制在空调中的应用技术,当各室内机输出变化时,各室内机的相互影响及控制方法具有较强的类比性。

为开发技术难度更高的VRV 产品打下一定的基础。

③通过产品研制可以比较全面地探索解决上述技术关键问题的方法,特别是可以探索建立相应的实验设备,建立不同于以往的实验技术与规范。

④市场上还没有一拖三空调器产品。

新产品具有较强的竞争能力和技术新颖性,成本相比三台热泵型215KW 空调器增加不多,可以创造较好的经济效益。

4　整机基本技术参数与解决技术关键的方案4.1　变频式热泵型制冷系统通过对日本进口样机系统管路的研究,借鉴我公司产品系统管路的优点,在考虑了多种方案和因素后,特别是在考虑了成本的基础上,我们提出了以下制冷系统,见图1。

该制冷系统简洁、可靠、实用,同进口样机比较简化了许多,经过我们大量的实验和用户的使用,证实了该制冷系统实用、可靠的特点。

4.2　基本技术参数的确定基本技术参数是整机研制的基础依据,按设计任务书的要求,我们制定了空调器的主要基本技术参数;4.2.1　空调器基本硬件结构:选用我公司的成熟产品RF 7W M 331室外机,KF -25G W Y 411室内机作为基型产品,基本保持其原有的机械结构,将原制冷系统和部分结构改为适应变频模糊控制一拖三空调器所需要的结构,将普通的控制系统改为变频模糊控制系统。

4.2.2　最大制冷量:2.3kW ×3=6.9kW最大制热量:2.3kW ×3=6.9kW4.2.3　最大消耗功率:2900W 4.2.4　最大能效比:>3.0W W4.2.5　噪音:室外机≤56dB (A )　室内机≤42dB (A )4.2.6　节能系数>04.2.7　温度控制精度<1℃4.2.8　变频范围:20Hz ～60Hz4.3　低成本高性能的空调器专用变频器电源一般而言,普通压缩机不适于作高速运转。

因此我们将最高频率限制在60Hz ,变频空调节能主要体现在低速上,经过大量的实验和验证证明:变频范围在20～60Hz 是可行的。

我们研制的变频器电源不但可以适用普通压缩机的需要,而且考虑了将来使用变频压缩机的需要,是一个通用性强,性能先进的变频器电源。

在一机多挂变频模糊控制空调控制器的开发研制中,我们遵循三条基本原则:①在技术上达到九十年代国际最先进水平。

②在设计上具备大规模生产的要求。

③从市场角度出发,做到低成本、高可靠性、噪音低、对家用电器干扰小、电网适应性好。

根据以上原则,在三菱公司变频器与模糊控制器产品的图3　室内机控制框图图2　室外机基本电路框图基础上,结合实践数据,研制成功该控制器,具备以下特点:变频部分采用国际上最先进的专用单片计算机和IPM 功率模块。

最大限度地以软件代替硬件,减少人工调整环节,以简化硬件结构,提高可靠性,同时也降低了生产成本。

采用参数自调整模糊控制技术。

采用单板结构(室内机-模板、室外机-模板)尽量减少接插件,提高可靠性,减少故障率。

合理设计安装噪音滤波器、屏蔽,将传导干扰、辐射干扰,抑制在国际标准之内。

室外机基本电路框图如图2所示:室外机由三菱公司16专用单片机M 37705作为控制核心,采用目前国际上最先进的功率模块IPM 模块,驱动变频压缩机,主要完成以下功能:①综合室内机制冷数据对压缩机进行变频调速;②根据各室内机传送的数据分别控制三个电子膨胀阀;③检测室外环境温度、冷凝器温度、压缩机是否正常,确定整机工作状态,控制压缩机、电子膨胀阀。

其室内机控制框图如图3所示:室内侧控制核心采用8位单片机,它控制完成空调室内机全部功能并包括模糊推理运算,室内控制装置接收遥控器的控制信号,并根据控制信号的要求控制室内风机的开 停及转速,摆叶步进电机的开 停及转向以及根据室内机传感器输入的模拟量进行模糊推理,并将计算结果通过串行通信口传输给室外机,以便控制室外机中压缩机和各阀的运行。

遥控器采用4位单片机,片内有LCD 控制驱动电路,可直接驱动LCD 显示器,控制核心4位单片机配以键盘输入,红外发光二极管及LCD 显示器组成遥控器。

硬件设计上,我们采用了单片机M 37750+IPM 模块的最小硬件结构。

M 37750是三菱公司高性能的16位单片机,其最高指令速度250ns 。

内含三相PWM 波型发生器,可直接输出六路PWM 脉冲,死区时间由软件设置,驱动能力大于20mA 。

一片芯片即可完成变频的全部控制功能。

IPM 模块是三菱公司90年代最先进的智能IGBT 功率模块。

它将六路驱动电路、保护电路、低开关损耗、低通态压降的IGBT 做在一块模块内,使用非常方便,这样的组合价格虽略高一些,但特别适合大规模生产,降低了生产成本,增加了可靠性。

软件设计上,我们采用了10kHz 的开关频率,这是因为虽然人的听觉范围是在20～16000Hz ,但是人耳对大于10kHz 的声音不敏感,而频率越高,功率模块的开关损耗越大,所需散热器尺寸越大,二者兼顾,我们取了10kHz 。

波形产生方式我们采用了磁通轨迹法(亦称空间电压矢量法)。

这种方法电压利用率高,低频谐波转矩小,频率范围可达15～150Hz (或20～60Hz ),频率分辨率小于011Hz 。

分辨率越高,压缩运行过程越平稳。

由于使用了IPM 模块,死区时间可减至5Λs ,这样高的开关频率,低的死区时间使得变频器谐波成份大大减小。

此外,我们设计了高性能的开关电源作为控制电源。

在交流100～300V 大范围内都能正常工作,这样在电网电压很低的情况也能可靠工作;根据对电网电压的检测,压缩机降至相应频率上工作,只不过制冷量减少了而已。

4.4　模糊控制器模糊控制技术近年来在家电领域的应用呈现出强大的生命力。

模糊控制不需要确切地了解对象的数字模型,而是用语言来描述受控制系统的模型,这就可以充分利用有经验的优秀操作者对控制过程细微的,独特的认识,在复杂条件下提供适当的输出。