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太原科技大学制冷压缩机速度的模糊控制摘要文章提到了通常应用于商业上冷藏室的蒸汽制冷压缩机，用模糊控制算法控制制冷压缩机的速度达到最优来实现制冷。其主要目标是根据模糊控制算法（通过变换器对压缩机速度进行连续调控）估算节能效果；不同于传统恒温控制，这里通过施加给控制压缩机50Hz的开关运转频率控制压缩机冷藏容量。通过控制压缩机的电动机的供电电流达到的速度变化范围是30-50Hz，由于转动频率过低会有因飞溅系统而出现的润滑问题，现今所提供的压缩机转动频率一般不考虑小于30Hz的。在这个范围，在两个最适当的工作流体之中，可以代替R22的有很多，例如R407C (R32/R125/R134a 23/25/52%组)和R507 (R125/R143A 50/50%组)。压缩机速度模糊控制与传统的温度控制相比，更常用于冷藏和其他制冷系统。 实验结果表明，当R407C作为工作流体时，可以达到显著的节能效果(13%)。值得注意的是，从节能观点看，当压缩机速度变化时可以达到最佳的效果。 另外，考虑到变换器费用问题，回收期要比可接受的产品型号更具有决定性。关键词：压缩系统;冷室;活塞式压缩机;易变的速度;章程;模糊逻辑;R407C; R5071.引言设计的蒸汽压缩冷却装置满足最大载荷，通过开关周期调控工频运行且恒温控制，这决定了高能消耗，因此为延长寿命，通常在部分负载下工作。而且，制冷时电能效率低 被认为是间接释放了温室气体;改进上述系统的能量转换效率可以减少这种排放物。各种各样的冷藏容量控制方法和部分负荷理论表明压缩机速度变异是最高效率的技术1,2。 在最近310年已经研究出冷藏容量控制方法，包括提高压缩机的速度以达到不断制冷。变换器可用于调控压缩机速度。现在电子变速驱动有不同类型，但是脉冲宽度调整变换器(PWM)由于它的低成本和高效率而最适用。冷藏容量的此种控制应用于商业压缩机，虽则在节能上有优势，但也有某缺点， 例如设备费用及由压缩机润滑和可靠性11,12带来的麻烦。最后问题是，当热转换器的次要流体在气相时，例如在被审查的工厂中时，是有害的。但当次要流体在液体阶段时13似乎是有利的。因此，本文的主要目的是设定控制器能够连续调控没有油泵的压缩机和其他小型制冷设备。这种控制允许我们在任何时候调整压缩机冷藏容量以得到冷却负荷，因此压缩机也可能运转在小于50 Hz频率下。 当传统的温度控制用于冷藏或其他小型制冷系统时，压缩机只能工作在50 Hz。 特别是，对比于常用的蒸汽压缩冷却装置，本文提到了根据模糊逻辑的控制算法，能选择在冷藏气温的作用下压缩机最适当速度。 除命名原则COP 系数表现Ex 放射性(W)ex 具体放射本能(J/kg)f 压缩机电动机电源频率(Hz)Lcp 压缩机功率输入(W)m 质量流率(kg/s)Q 热量(W)T 温度()T0 环境温度(, K)t 时间(s)Tair,cs 冷藏室温度()Tset 调整点温度() 希腊标志 效率缺陷 效率h 焓 变量 (J/kg)T 温度差别() 无 维的exergetic温度 下标 co 冷凝器cp 压缩机des 毁坏e v 蒸发器e x exergeticin 入口is 等熵m t 热力学out 出口ref 冷冻剂模糊逻辑之外，压缩机速度控制也可以通过其他技术获得例如传统PID控制1418。特别是，与PID相比，模糊逻辑控制允许根据设备工作状况使用实验性知识和采取一个非数学的模型的控制逻辑。而且，关于PID控制的模糊控制器有时需要有可比性，或者在指定工作点工作的更好。 除提到模糊控制器以外当冷却突变时调整时间快跳动小是其显著的动力特征; 所有这些通常导致一个鲁棒控制2224。 因此，实验性测试比较了工厂使用压缩机冷却容量控制系统的能力，模糊算法和确定压缩机开关周期的传统温箱都工作在50 Hz的频率下。被测试的工作流体，R407C (主要是R32/R125/R134a 23/25/52%)和R507 (主要是R125/R143a 50/50%)是R22中最有替代性的。2. 实验工厂 蒸汽压缩实验设备，如图1所示的商业上通用的设备，是由以下部分组成，液体接收器、空气冷凝器、三极管与两个扩展阀门（一个是恒温的一个是手工的）靠这些支撑冷藏室里面的蒸汽压缩器工作。就像厂商所说的，压缩机可与流体R22、R507和R407工作; 它用聚酯油润滑，速度通过PWM变换器调控，并有一组三相电压的整流器，即直流380V，50 Hz和一个直交三相交流电压变换器; 产品的变换器可调整电压的频率。与两个阀门的三级管可以解决可能的麻烦，因为当压缩机速度变化时扩展阀门的工作未知13。使用扩展阀门是为R407C和R507特别设计的。使用R407工作在50 Hz、温度在-20到10C时冷凝器的容量在1.4-1.8KW内变化较大。为固定冷凝器气温和模仿外部条件， 在一个绝热的通道向其通风，使用调节器控制电阻可得到确定的温度。在一些实验性测试中，可通过与调节器有关的电暖气来模拟冷藏负荷，并且通过电力计测量电压。表1列出了使用的变换装置的规格。测试用具装有与个人计算机连接的32位A/D卡片，它有高采样率并通过变换装置模拟结果，数据收集软件在Labview环境里已经实现，并且通过可平衡能量和放射的软件评估R407C和R507的热力性质。 图1表1 变换装置规格变换装置范围准确性Coriolis作用质量流率02kg/min0.2%RTD 100 4根导线-100 - 5000.15测量仪绝对电压的压力1-10bar;1-30bar0.2; 0.5F.S电压计13KW0.2%电能360420V;016A0.5%F.S; 0.5%F.S3 实验程序描述要评估产品的性能，有必要比较一下在50 Hz时由开关周期调控和由模糊算法控制时的耗能量。实验性测试考虑了不同类型的冷却负荷。首先当冷藏门周期性开关与室外空气热交换时的实验已经实现了。这些实验已经在各种各样的温度下测试完成了，而且当外界温度为18.8时每隔20分钟就打开冷藏室门5分钟，这样得到的冷库温度正好在5.0到25.8。另外在有些测试中冷却负载可通过位于冷藏室的可控制电子加热器获得，而在其他测试中真正的冷却负载被认为是可以由保存在冷藏室（固定温度5）的200 kg水果和蔬菜5.8代替。在这前两种情况下，每10分钟打开冷藏门来模仿真正的工作环境; 而且实验在冬天和夏季都进行了测试。在夏天的测试中由于电暖气加热而使冷凝器外面的温度保持在32.8，而在冬天室外气温被保持在10. 8。实验结果主要为体现耗电量，它由耗电能来衡量，并由节能效果评估得到。这个持续2天的测试，已经在R407C和R507上实现了。4.压缩机速度控制的模糊逻辑模糊逻辑代表允许我们从模棱两可或者不定的信息获得解答的方法学。对于此模糊的过程非常类似于能够从接近的信息和数据发现定义结论的大脑。与经典逻辑方法对比，这要求描绘现象的数学模型等式的一个确切的定义，模糊逻辑允许我们解决不明确定义和困难的甚至不可能确定一个确切的数学模型的问题。所以，人的经验和知识为此种塑造是必要的。而且模糊控制器是耐用的且允许我们通过使用其他规则或特殊作用实现改善。在最近的一些应用中可找到许多模糊控制的例子。特别是，在热化透气和空调行业有许多用模糊控制来控制气温和湿度2528。模糊控制器的设计需要三个根本阶段，第一是建立输入和输出变量。第二是定义输入和输出变量的特殊作用，最后是选择或规范控制规则。图2显示了用于商业上冷藏室气温的模糊控制过程的结构图。特别是，图2显示了两输出一个输入的模糊控制器，输入变量是调整点温度和冷藏室的真正气温(T)之间的温差，和这个温度对时间的微分(d（T）/d t); 模糊输出变量是压缩机电动机供应电流的频率（f）。模糊逻辑是基于代表变量可能值的模糊设置。相对传统逻辑理论的模糊理论，根据元素可能属于或不属于一个特定集合，允许部分元素属于这个集合。因此，定义建立变量的特殊资格率在某一集合是可能的。从一个有效的观点看，模糊控制器接受输入变量值，进行处理并且确定输出值。这个过程的描绘的可主要分为三个阶段：模糊控制、推断机制、模糊运算。模糊控制过程将定义值传递给模糊值;推断过程根据实验性现实固定的规则确定模糊输出;模糊运算过程允许将模糊输出值传递给定义值。模糊逻辑的主要困难关联到设计时较好的特殊经验和建立一个模糊控制器。因此对于调控的参量一些实验性考虑允许我们设置压缩机速度的控制变量，很明显规则的选择和特殊资格是可以改变的。然而，考虑从节能观点控制压缩机速度是很方便的，因为它以更低的频率运转，但是同压缩机运转在50 Hz的频率下相比，这种情况下得调整点T输入值d (T)/ d t数据收集系统模糊控制器供选择的压缩机冷藏f图2 模糊控制算法控制图温度需要的时间将是主要问题。因此，它也许会发生，即使当压缩机运转在更低频率，也能节能，因为压缩机的确以更低的频率运转。关于规则的选择做相似的考虑是必要的。为此作者建议的算法特殊作用和规则已经被实验核实了。表2显示了设置固定的规则用于算法和五个模糊的子集来描绘输入和输出变量的标记用以下标签： 非常低(VL)，低(l)、中等 (MS)，高(h)和非常高(VH)。至于强调特殊作用比调整控制规则更容易。为了体会压缩机速度控制的模糊控制器，集中在前者。表2模糊算法规则在了解供选择的压缩机的控制特征的实验性考虑后，在图35中已经定义了调整点温度和冷藏室真正气温之间的温差的特殊功能以及这个温度对时间的微分和压缩机马达供应电流的频率。三角特殊作用，采取了一个中心和二个极限。关于温度差别设计的范围定在0和13 (图3)。因为冷藏室温度接近调整点，为了增加模糊控制器的敏感度，特殊作用调整为对VL、L和MS的温度差别。对于温差对时间的微分(图4)，显示了范围包括在0.001和0.013K/s之间的部分当冷却负荷突变时，它被当作输入变量同时其微分也考虑在内了; 当冷藏门打开时这种情况也要发生。对于温差对时间的微分的变化率，要增加控制器的敏感度，模糊的子集也许有一个更小的定义，或许范围从0.004到0.008。然而，用模糊子集的早先定义可得到令人满意的结果。在输出模糊的子集特殊作用考虑范围内的压缩机马达电源频率值(图5)位于范围3050 Hz。不可能考虑低于30 Hz的，因为这样会产生压缩机振动和噪声增量以及由飞溅系统增量产生的润滑麻烦。图3. 调整点温度和冷藏室气温之间温差的特殊功能 图4.温度区别衍生物的会员资格作用在时间上的图5.压缩机电动机供应电流随频率的变化5.测试结果和讨论几个实验性测试已经解释用模糊算法得到的节能，与传统恒温控制相比，这决定了运转在50 Hz的压缩机的开关周期。为更好模仿冷藏室工作环境，考虑了各种各样的冷却负荷。特别是，在实验性测试电暖气或水果和蔬菜都可被作为冷却负荷。 而且当冷藏门关闭时，冷藏门的周期性打开、与室外空气的热交换都导致了进一步的装载。图6显示了当冷却负荷是由于冷藏门周期性打开时的电能消耗量的对比，而该对比是用合适的电能测试方法使用模糊控制和恒温控制得到的。把冷藏室温度固定在-5-5之间，室外温度18，每隔20分图6. R507的电能消耗量使用模糊控制和恒温控制 (冷却负荷冷藏门周期性打开)钟打开冷藏室门5分钟得到的恒定负荷，这样的实验性测试已经实现。可以很明显观察到当冷藏室温度降低时电能消耗量升高。这归结于所有冷藏气温考虑了恒定的冷却负荷，因此到达温度-5的时间更长确定了更高的电消耗量。而且观察到与算法得到的节能是温控的大约10%，即使当冷藏气温减少时它缓慢的明显降低，因为在这种环境下压缩机的工作时间增加了。当冷却的负荷是由于冷藏室门的周期性打开和电暖气的出现时，在图 7显示了夏季和冬季压缩机用与R507和R407C有关的两控制系统获得的电能消耗量，这些与电暖气有关的测试都考虑了一个电力常数200 W。观察发现最佳的结果是使用与R407C有关的压缩机速度连续控制的系统，它允许适度节能，大约是考虑室外温度恒温控制的13%。特别是，在夏季的绝对电能消耗量高于冬季的5%，即使在两个季节的节能实际是相同的。在图8，使用模糊控制和恒温控制时考虑了与实际冷却负荷（可由200 kg水果、蔬菜和由冷藏门周期性打开代表）相关的电能损耗。另外，在这种情况下用R407C的模糊控制可获得最大的节能，并且大约是通过恒温控制的13%。从节能方面考虑，选择室外气温10的结果实际上是一样的。重要的是注意到，模糊控制系统准许达到冷藏室所需的气温并维护的在误差1的在范围; 图7. R507和R407C使用模糊控制和恒温控制的电能消耗量 (冷却负荷电暖气)图8.夏天R507和R407C的电能消耗量与使用模糊控制 和恒温控制的冷藏气温的关系(冷却负荷水果蔬菜)因为它对应于温箱的差别带，最后的值是可接受的。与恒温控制相比，要解释用准许连续调控压缩机速度的模糊控制算法得到的节能，依靠压缩机变速的制冷工厂组分的exergetic分析已经实现了。为此，它更导致了在稳定条件下的而非过渡状态下的exergetic分析，它从压缩机速度的模糊控制获得，根据压缩机冷藏容量选择相同条件。特别是，考虑到在过渡状态下 且在稳定条件下允许正确的测量过程，制冷容量与频率30，35，40，45，50 Hz相对应。这实验性分析在夏季（冷凝器的室外温度保持在大约32）实现了，但近似结果在其他工作环境也得到了。特别是，在冬季的实验正确核实了冷却分析（当变化压缩机速度，横跨阀门的压缩比是低的）。exergetic分析准许得到关于工厂在组分之中所有不可逆发行的重要信息。整个工厂的exergetic效率按比率（放射本能输入和放射本能输出之间的比率）加以评价，可表示为如下关系：-（1）为工厂的每个组分评估放射本能毁坏的准确分析，特别是，在冷凝器毁坏的放射本能流程可表示为：-（2）在蒸发器毁坏的放射本能流程可表示为-（3）exergetic温度降落可表示为：-（4）其中T0是环境温度，而由蒸发器和冷凝器决定。在压缩机毁坏的放射本能流程，忽略与环境的热传递，可表示为：-（5）在阀门毁坏的放射本能流程可表示为：-（6）工厂的每个设备都被评价了效率缺陷，（每个组分的放射本能流程与所需要满足过程的放射本能流程之间的比）例如电能被提供给压缩机：-（7）这组的效率缺陷与整个工厂的exergetic效率连接通过以下关系： -（8）考虑整个工厂的exergetic效率，当使用时R407C和R507，图9显示了随频率的变化exergetic效率的变化; 而且，图9也显示了蒸发量的值和电能消耗量的趋向。 把冷藏室固定在等于空气度0下和为每个率为30，35，40，45，50Hz的压缩机提供电流的实验已经实现。在选择的频率下压缩机可能提供的确切的冷藏容量被作为冷却的负荷（通过位于冷藏室的一些可控制的电暖气）。整个工厂的模糊效率与实际COP和工厂的可逆COP连接公式: =COPCOPrev 注意到，当压缩机速度减少时COP增加。 因而断定在减少压缩机速度，并且因而冷却液质量流率，在冷凝器上和在蒸发器上的温度差别将是更低的，并且因而如图10显示冬季将得到更低的冷凝压力和更高的蒸发压力。在这些条件下，压缩比、空气和在蒸发器与冷凝器的制冷剂间的平均温差都降低了；因此在压缩机的能量损耗降低了，热交换器的放射本能降低了然而COP和模糊效率升高了。当压缩机速度减少,扩展阀门的不可逆性减少。当压缩机速度减少时，由于蒸发器压力升高和冷凝压力减少导致了压缩比降低。考虑模糊效率和电能消耗量，图9显示了R407C相对R507的改善，观察到是因为当压缩机速度减少时(图10) R407C有更大的冷藏容量和的更小的压缩比。然而，一个更加详细的分析在Refs报告 36,37。图9. exergetic效率随R507和R407C型压缩机电动机提供频率的变化 图10.蒸发和冷凝压力随压缩机速度的变化要了解在冷却装置的组分毁坏的放射本能在何种程度上影响能源消耗，在图11比较显示，参考R507，位于当压缩机以50 Hz运转时和当冷却装置以30 Hz频率经营工厂每个组分的效率瑕疵之间。另外，参考图11可观察到在工厂对总放射本能毁坏的唯一组分的影响。特别是，当压缩机以30 Hz频率运行，压缩机的效率瑕疵30%是相等的 在热转换器效率瑕疵的值接近(19%冷凝器，17%蒸发器); 在阀门的效率瑕疵是更低的(10%)。由于他们的高效率瑕疵，为了增加整体工厂表现，压缩机和两个热转换器必须优选，而对阀门不可逆性的贡献是很大的。 图11.冷却装置的组分的效率瑕疵与R507冷冻剂流体的关系要得到可获得节能的进一步确认，当使用压缩机速度的连续控制和确定在冷却装置中毁坏的放射本能的影响对能源消耗时，比较及时毁坏的放射本能在工厂中是可能的，当压缩机以50 Hz频率运转，冷却装置以30 Hz频率经营，假如蒸发容量是同样与恒温控制的测试的和那些如图 （6和8）显示的实验性测试有关。 因此，就根据exergetic效率编辑的效率瑕疵定义而论 ; 得到以下等式是：其中和代表时间，当工厂分别在50 Hz (当温箱工作时)和在30 Hz (当使用模糊控制时可能的运作频率)下运行。从这个等式观察到，及时毁坏的放射本能的百分比偏差与工厂在30和50 Hz时的电能消耗量有关联。重要是观察到假如考虑的期限（Qev/COPrev）是恒定的，并且通常在50 Hz的工作条件下，当温箱打开时，工厂运行时间大约为总工作时间t30的70%。与恒温控制与模糊控制比较，这个值 非常接近对在以上报告的实验性分析获得的节能值。 最后重要的是观察变换器效率等级是95% 38和做关于便利的一些经济考虑采取基于变换器的控制逻辑。考虑整个频率范围(3050 Hz)，参见R407C获取的节能百分比大约平均在10%。而且，当它在50 Hz经营时，就冷藏的真正工作条件而论压缩机平均每天被停止大约7 h。在这些情况下节能对应于大约每年500 kWh。考虑到压缩机电源的变换器成本和进一步追加与压缩机速度控制的应用有关的成本，允许知道回收期大约是3年。6结论文章提到的市场上通用的蒸汽压缩冷却装置，也就是传统的恒温控制，加开关周期使压缩机运转在50 Hz的频率下，与在Labview环境里根据模糊逻辑建立的控制算法比较，这种算法能选择在最适当的冷藏室气温下工作的速度。由于PWM可变速压缩机出现了。被测试的流体， R407C和R507是在R22中最适合做替代的。通过控制算法和由传统恒温控制的压缩机速度的实验对比已经在多种实验条件下完成。使用根据模糊逻辑的压缩机速度控制算法与恒温控制比较可以节能13%。与R507比较，在R22可代替的流体中节能与R407C有更大联系。节能原因和由模糊控制的最佳工作状态已通过确定组分效率瑕疵和工厂exergetic 效率的变化分析得到。而且，对压缩机电源的变换器成本的分析以及与压缩机速度控制的维护费用的分析，得到回收期一般为3年。 参考文献1 Janssen H， Krusc高速冷藏压缩机的H.连续和不连续的容量控制。 行动Purdue压缩机技术会议Purdue，美国; 1984年. 2 Zubair SM， Bahel v.压缩机容量模块化计划。热化管道系统的空调1989年; 13543.3 Benamer A， Clodic D. 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