[信息与通信]变频空调电气控制系统的设计

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着空调器使用的日益普遍，人们更加重视空调器性能的提高。变频式空调器以能效比高、调温快、使用舒适、节能显著的特点，一出现就受到人们的青睐，特别是应用了模糊控制技术，使其显出更加突出的优势。目前国内空调器市场的竞争日益激烈，若想在激烈的市场竞争中占有一席之地，就必须具有舒适、节能、能效比高等特点，研制具有低成本的节能变频空调也就成为了未来空调市场的发展趋势。本课题设计了变频空调器的电气控制系统，电控系统的作用是根据房间温度的变化以及用户的要求去控制空调器的运转部件压缩机和风扇电机等，使室温合乎理想要求。电控系统分为室内机和室外机两部分设计。室内机、室外机各用一个单片机进行控制，二者通过通讯线进行通讯，以传递和交换信息。室内机主要包括遥控器信号的接收电路，室内温度的检测电路，风扇电机控制电路和风门步进电机控制电路等，室内机的作用是完成温度的检测和温度的模糊控制运算等，对各部分电路进行控制，把空调器产生的冷空气或热空气传到室内的不同区域，实现均匀调节房间温度的目的。室外机包括变频器电路、风扇控制电路、四通阀控制电路、温度检测电路和保护电路等。变频器电路采用智能功率模块，利用专用单片机对其进行控制，使变频电路结构简洁、性能可靠。室外机的作用是对室内机送来的控制信号进行分析，根据室外机的工作状态，通过变频器对压缩机转速进行控制，从而达到制冷或制热功率的调节，并对室外风扇电动机、电磁四通阀进行控制，对各种保护电路予以监测。然后在硬件电路设计的基础上，编制了室内、外机的系统控制软件。最后进行了系统的软硬件调试，从而完成整个电控系统的设计。由于室温控制系统具有大滞后、时变性、非线性等特点，精确数学模型难以建立，传统PID控制方法效果差。所以选定模糊控制方案，设计了二维模糊温度控制器。然后针对常规模糊控制器主观性较强的缺点，提出了一种适于实时控制的模糊PID温度控制器，并通过仿真验证了这一方法的合理性。关键词变频器;模糊控制;PID控制;单片机控制;系统仿真万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththeincreasinguseofairconditioner,peoplepaymoreattentiontotheimprovementofairconditionersperformance.Becauseofitshighperformance,variable-frequencyairconditionerbecamepopularassoonasitappeared;especiallyfuzzycontroltechnologyisusedonit.Butthereisnthome-madecompletelyvariable.frequencyairconditioner,withtheeverincreasingofairconditionersdemand,itisveryimportanttodesignourownvariable-frequencyairconditioner.Anairconditionerselectricalcontrolsystemisdesignedinthispaper.Itisusedtocontrolcompressorandfanmotortomakeroomtemperaturefitdemandaccordingtotheroomtemperaturesvarietyandusersdemand.Electricalcontrolsystemisdividedintoin-roompartandout-roompart.Thetwopartsarecontrolledbysingle-chipcomputer.Theycommunicatewitheachotherthroughonecommunicationline.In-roompartismadeupofremoterreceivecircuit,roomtemperaturedetectcircuit,fanmotorcontrolcircuitandwinddoorsteppingmotorcontrolcircuit.Thefunctionsofthein-roompartincludetemperaturedetection,temperaturesfuzzycalculationandthecontrolofallthecircuits.Andasaresult,thispartachievesthegoalofregulatingtheroomtemperaturebyputtingcoldorhotairtodifferentpartsoftheroom.Out-roompartincludesfrequencyconverter,fancontrolcircuit，temperaturedetectcircuitandprotectingcircuit.Thefrequencyconvertermakesthecircuitsimpleandreliablebyemployingintelligentpowermoduleandspecialsingle-chipcomputer.Theout-roompartisusedtocontrolthecompressorsspeedviathefrequencyconverteraccordingtothesignalsfromin-roompartandthestatusofout-roompart.Whatsmorethispartalsocontrolsfanmotorandelectrical-magneticfourpassvalveandmonitorsalltheprotectingcircuits.Basedonthehardwarecircuits,thecontrolsoftwareforin-roomandout-roompartsisalsodesignedrespectively.Finally,thehardwareandsoftwareisdebuggedandthedesignofwholeelectricalcontrolsystemisfinished.Becauseofthecharacteristicsofgreatdelay,timevaryingandnonlinearity,itisdifficulttogetanaccuratemathematicalmodelforthen万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文system.ConventionalPIDcontrollercannotworkwell，sofuzzycontroltechnologyisselected.Atwo-dimensionfuzzytemperaturecontrollerisdesignedinthispaper.Consideringthedisadvantagesoftheconventionalfuzzycontroller,areal-timeadaptivefuzzycontrollerispresented.Thesimulationresultsverifyittobereasonable.Keywordsfrequencyconverter,fuzzycontrol;adaptivecontrol;single-chipcomputercontrol;systemsimulation万方数据III哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景、来源及研究意义空调是空气调节器的简称，它的作用是通过空调器对室内空气进行处理，使它的温度、湿度、气流速度和洁净度达到所需的要求，为人们提供舒适生活条件和为生产工艺提供一定的环境条件服务。空调器一般有冷风型空调器、电热冷风型空调器、热泵型空调器几种。冷风型空调器只能用于降温调节;电热冷风型空调器一般是在原冷风型空调器上进行局部改进，增加电热部分而成;热泵型冷热两用空调是目前普遍采用的空调器。制冷循环中，低温低压的液态制冷剂在蒸发器处吸收热量而汽化，经压缩机压缩成为高压、高温气体，在冷凝器内散热冷凝成液态制冷剂，然后又经毛细管(或膨胀阀)降压节流成为低压、低温状态，如此反复循环，就可将室内的热量排到室外，并通过室内的风扇将冷却后的空气均匀地分布到室内。制热时，制冷剂的循环与此相反。温度控制技术是热泵型冷热两用空调中最主要的控制技术，一个完整的温度控制系统主要包括三部分:温度传感器、温度控制器和温度调节器。传统空调器的温度控制是通过温度传感器感受室内温度变化来控制压缩机的运行和停止的，风扇则在设定的速度下工作，这会造成受控环境温度变化较大，使人们在使用空调时仍不断感受到冷热的变化。此外，压缩机的ON/OFF控制方式及空调器自身的结构特点使室内机的输出与压缩机的输出相比有一定的滞后性，而且压缩机处于全开或全关状态，其制冷(热)量也对室内温度有较大影响，这些势必影响空调的温度控制精度和舒适性。变频模糊控制空调器将传感器测定的实际环境状态和空调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的要求和环境状态的变化而自动变化，始终保持在较合理的状态下变频模糊控制空调器对室外机的要求是，压缩机能根据室内需要的冷(热)量不同，连续地、动态地、实时地调整其制冷(热)量。正由于变频空调器具有这些优点，世界各国厂商都竞相开发研制，但目万方数据前技术比较成熟的国外厂商的产品普遍存在价格比较高的问题，而国内的变频空调技术尚不够成熟。由于国外厂商变频空调器的技术封锁，而近年来工用、商用、民用空调需求不断增加，特别是需求成高档化，所以需要国内自行研制性能可靠、运行更加平稳、功能更强、节能显著、噪音小、污染少的变频空调器，并使其能够进入普通消费者的家庭，这就是本课题的背景。本课题题目自拟。意义在于:(1)传统的空调器是当温度达到所要求的范围时就停转，超出范围时就重新启动。工作过程中反复启停，产生峰值电流，造成污染。采用先进可靠的变频技术后，可随时调整压缩机转速，避免了频繁的起停，消除压缩机启动时的尖峰电流，减少对电网的污染。(2)传统的空调器不管外界温度如何，始终保持同一转速。而变频空调则采用先进的模糊控制技术，根据需要改变转速，温度波动小，感觉舒服，运转更加平稳，降低噪音。(3)由于近年来能源供应形势相当严峻，使人们普遍关注节约能源，有效利用能源。变频式空调真正符合节能要求，今后必将取代传统空调。(4)温度控制器应用领域广泛，可以被广泛用到工农业生产、科学研究和生活等各种领域。(5)利用模糊控制技术解决由于控制对象尺寸变化大、温度特性差别大出现的不稳定状况。(6)通过改良控制算法，使系统具有很强的鲁棒性和神制稳%,性。.2空调器控制技术发展概况1.2.1空调器电气控制技术发展概况空调器的电气控制技术是涉及很多学科在内的一项综合性技术。从传统的开关控制发展到现在的变频控制，以及模糊智能技术的应用，空调器的性能有了很大的提高。从空调器的电控系统的发展上看，可分为继电器一接触器控制、分立元件的微电子元件控制和专用微电脑芯片控制三个阶段tz最初，空调器的控制电路大都采用选择开关、继电器和接触器组成。风扇电机的转速由手动的转换开关直接选择进行控制，转换开关接通不同的触点，风机上相应的转速绕组就得电;压缩机也是由一个简单的转换开关控制电路控制启停，只是增加了手动的调温开关和冷热切换开关。当转换开关在制冷位置时，由调温开关控制压缩机的得电与失电，进行制冷;当转换开关在制热位置时，由调温开关控制电加热器的得电与失电，进行制热。所以，这种控制方式功能简单，而且使用起来不太方便。20世纪90年代初，在继电器一接触器控制线路的基础上利用电子技术，发展了采用集成电路和分立元件相结合的电控线路，这种电控系统中，压缩机、风机等负载仍采用继电器一接触器供电方式。而其控制部分则采用集成电路和分立元件相结合的方式组成控制电路，用弱电控制。增加了电子温度控制、自动除霜、3分钟延时、过欠压保护及制冷系统压力开关保护等功能，使空调器的自动控制功能大大提高，工作更为可靠。并且增强了电气保护功能，如压力控制器，当排气压力过高或吸气压力过低时，压力控制器断开接点，迫使交流接触器线圈断电，使压缩机停止工作;热继电器起过负荷保护作用，确保压缩机不会因过流而损坏。电子温控板通过热敏电阻对温度进行采样，转换成电压值，并通过电压比较器与温度设定值进行比较，电压比较器通过放大电路驱动相应的继电器，从而控制压缩机的运转。目前先进的空调器己普遍采用微电脑控制技术，微电脑在空调器上的应用，使空调器不但实现了自动化控制，而且还实现了智能化控制，使空调器的功能有了更大的增加，操作更为简单，舒适程度进一步提高。微电脑内部有微处理器(MPU)，微处理器中的中央处理器具有数据处理能力(如算数运算、逻辑运算、数据传送、中断处理等)，可以实现复杂的软件功能。MPU内部还含有其它一些功能电路，如A/D转换(模数转换)电路、定时器/计数器、SCI(串行通信接口)、PIO(并行接口电路)、显示器(LED或LCD)驱动电路、脉宽调制输出电路(PWM)等。空调器微电脑控制框图如图1-10图1-1空调器微电脑控制框图万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文从最初的继电器一接触器控制、分立的电子元件控制到现在的微电脑控制，对空调器的控制趋向操作简易、功能多样化。同时由于红外遥控器的使用，使操作更简单，以及模糊控制理论的应用，使空调性能越来越可靠，感觉越来越舒适。1.2.2变频空调器的产生与发展传统空调器采用开关控制方式，利用异步交流电机控制压缩机进行制冷或制热，这种控制方式有很多缺点和不足:空调器保持恒温所采用的措施是利用简单的感温装置来控制温度。当温度达到设定温度时，使压缩机停止转动，经过一段时间之后，由于外部影响使室温再度升高时，再接通压缩机电路启动压缩机制冷。这样，压缩机工作于开关状态，频繁的起停造成了空调器的制冷(制热)的不连续，室温有较大的变动差，因此普通空调使用起来缺乏舒适感;空调器工作过程中反复启停，对压缩机损害较大，产生冲击电流，造成对电网的污染，会影响到其它用电设备的正常运转;而且处于开关工作状态压缩机耗电量较大。所以近年来出现了变频空调，采用了变频驱动的空调器具有温控精度高、环境舒适、节约电能、减小对电网和压缩机的冲击等优点。变频式空调器的工作原理是通过改变压缩机电动机的电源频率来达到调节压缩机电机的转速，从而控制空调器制冷(制热)功率的目的。当室内需要急速降温或急速升温，或室内空调负荷加大时，压缩机转速可加快，制冷功率(制热功率)按比例增加;相反，在一般情况下，当室内空调负荷减少时，压缩机转速可正常运转或减速;在空调器开机时，室内温度与设定的温度偏离较大时，变频以高于工频的频率供电，保证空调器快速启动，可以使室温快速达到设定值。而当室内温度与预设温度接近时，变频器自动保持压缩机低速运行以保持恒温。因此，随着季节和昼夜的变化，空调器的变速运转即可以节能又可保证房间内舒适。因压缩机采用了比单相电机效率更高的三相电机，且压缩机长时间不间断运行，避免了频繁启动造成的损耗，所以变频式空调具有节能效果。因压缩机从20Hz电源频率软起动，起动电流小对电网无冲击，对其它电器也无干扰，对电源电压及频率的敏感度也低3变频式空调改善了传统空调器的不足，变频式空调集微电子技术与新制冷技术为一体，能效比高、调温快、节能显著，特别是应用了模糊控制技术，显出更加突出的优势。为了满足广大用户的需要和激烈的市场竞争，国万方数据_哈尔滨工业大学工程硕士学位论文从最初的继电器一接触器控制、分立的电子元件控制到现在的微电脑控制，对空调器的控制趋向操作简易、功能多样化。同时由于红外遥控器的使用，使操作更简单，以及模糊控制理论的应用，使空调性能越来越可靠，感觉越来越舒适。1.2.2变频空调器的产生与发展传统空调器采用开关控制方式，利用异步交流电机控制压缩机进行制冷或制热，这种控制方式有很多缺点和不足:空调器保持恒温所采用的措施是利用简单的感温装置来控制温度。当温度达到设定温度时，使压缩机停止转动，经过一段时间之后，由于外部影响使室温再度升高时，再接通压缩机电路启动压缩机制冷。这样，压缩机工作于开关状态，频繁的起停造成了空调器的制冷(制热)的不连续，室温有较大的变动差，因此普通空调使用起来缺乏舒适感;空调器工作过程中反复启停，对压缩机损害较大，产生冲击电流，造成对电网的污染，会影响到其它用电设备的正常运转;而且处于开关工作状态压缩机耗电量较大。所以近年来出现了变频空调，采用了变频驱动的空调器具有温控精度高、环境舒适、节约电能、减小对电网和压缩机的冲击等优点。变频式空调器的工作原理是通过改变压缩机电动机的电源频率来达到调节压缩机电机的转速，从而控制空调器制冷(制热)功率的目的。当室内需要急速降温或急速升温，或室内空调负荷加大时，压缩机转速可加快，制冷功率(制热功率)按比例增加;相反，在一般情况下，当室内空调负荷减少时，压缩机转速可正常运转或减速;在空调器开机时，室内温度与设定的温度偏离较大时，变频以高于工频的频率供电，保证空调器快速启动，可以使室温快速达到设定值。而当室内温度与预设温度接近时，变频器自动保持压缩机低速运行以保持恒温。因此，随着季节和昼夜的变化，空调器的变速运转即可以节能又可保证房间内舒适。因压缩机采用了比单相电机效率更高的三相电机，且压缩机长时间不间断运行，避免了频繁启动造成的损耗，所以变频式空调具有节能效果。因压缩机从20Hz电源频率软起动，起动电流小对电网无冲击，对其它电器也无干扰，对电源电压及频率的敏感度也低3变频式空调改善了传统空调器的不足，变频式空调集微电子技术与新制冷技术为一体，能效比高、调温快、节能显著，特别是应用了模糊控制技术，显出更加突出的优势。为了满足广大用户的需要和激烈的市场竞争，国万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文内外各厂商的空调器在花色品种、多种功能、微电子控制和高效节能上也有了很大的进步。空调器目前的发展趋势主要有:自动控制性能的改善，利用模糊控制理论，自动按照室内外环境和用户的需要，调节房间的温湿度:冷热两用，提高制冷(热)能力，加快房间的制冷(热)速度;改善气流和净化空气:使运转更加平稳，降低噪音。除变频功能外，目前还出现了更高一档的附加功能，如卫星传感红外线探测器功能，反映人体表面温度参数;采用电话遥控开停运行控制;模仿自然风三维供风方式;有的空调带有人体感知器，可跟据室内人员的多少及活动量的大小，然后通过风向控制阀调节合适的风向及风速，同时可根据人体的活动量来调节室温411.2.3模糊控制技术的发展及研究动态对于空调器室温控制这种对象尺寸变化大、温度特性差别大的情况，使用传统的PID控制方法不能取得良好的控制效果。如采用模糊控制技术对空调器进行控制就能取得很好的控制效果。模糊控制器是一种语言控制器，有很强的鲁棒性和控制稳定性。同采用PID控制的变频空调相比，模糊控制空调器具有省电、噪音低和舒适度高等优点，具有很好的市场前景。模糊控制的概念是美国加利福尼亚大学著名教授扎德(L.A.Zadeh)在70年代初提出的，20多年来己取得了重大的发展，应用范围发展到从工业控制到家用电器等各领域。模糊逻辑控制思想适用于理论和经验性推理，通常用于与人类判断和感觉有关的控制问题、非线性问题、以及难于建立数学模型的控制系统。模糊逻辑是一种近似推理逻辑，它使机器具有人类思维若干特点。能够根据一系列模糊知识和语句作出决定、判断和决议。模糊逻辑系统对控制器的描述采用的是模糊语言，而不是数学方程式。模糊控制可以采用控制专家的复杂而独到的经验性知识，推导出适当的控制输出。模糊逻辑控制不象纯粹的数学模型那样精确，但它更容易制作、理解和修改s1近年来，日本兴起了模糊控制热，目前模糊控制已广泛地应用到模糊电饭煲、模糊洗衣机、模糊微波炉、模糊空调机、模糊吸尘器等家用电器。并且受到了欢迎。这些产品的明显优势是功能提高、操作简便、节能效果显著。随着科学技术的进步，模糊逻辑和模糊控制技术的应用会越来越多，越来越广泛。模糊控制作为智能控制家族中的一员，其发展前景是广阔的。近年来研究的三要内容是模糊系统、神经网络以及两者结合的模糊神经网络技术方万方数据_面。模糊控制发展至今，每年世界上都要发表相关论文约1000篇，其中大部分研究多是在中国和日本完成的，小部分在欧洲。模糊逻辑商业化最成功的是日本，日本的国际贸易和工业部已经建立了两个主要研究机构，一个是国际模糊工程研究实验室;另一个是模糊逻辑系统研究所。美国工业界在近几年不少公司象Eaton,GE.HP,Rockwell等，有的己经推出，有的正在推出模糊逻辑产品。从大量热心用户对Motorola模糊逻辑处理软件的反映情况来看，越来越多的人和公司认识到这项技术的商业价值。1.3主要研究内容本课题的任务就是设计一种冷热两用的热泵型分体式房间变频空调的模糊温度控制器，包括控制电路的设计，模糊PID设计控制器，变频控制器的设计及仿真。根据本课题任务，将完成以下研究内容:1、压缩机变频控制主电路设计2,MB89P857实现整个温度控制器硬件电路3、模糊PID设计控制器4、系统的MATLAB/simulink仿真试验万方哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章方案论证变频空调由压缩机、室内蒸发器、室外冷凝器、电磁四通阀、风扇和变频器及电气控制系统等组成。分成室内机组和室外机组两部分，室内、外机组各用一个单片机进行控制，通过信号线进行通信，以传递和交换信号。本章主要对压缩机电机的变频控制和室温的模糊控制方案进行分析。2.1空调器电控系统总体设计方案室内的遥控器发出的信号(红外信号)由室内机组的单片机接收，室内温度传感器、室内蒸发器温度传感器的信号也发送到室内单片机，单片机通过相应的算术和逻辑运算发出控制指令，通过室外单片机对压缩机转速、室外风机转速和四通阀的开关进行控制。这样，室内机组和室外机组相配合，发出连续的控制信号使空调器的所有运转功能实现自动控制。室外机组的单片机把室内机组的单片机送来的控制信号进行分析，室外温度传感器、室外冷凝器温度传感器、压缩机排气温度传感器的信号也发送到室外单片机，单片机通过运算对压缩机转速进行控制，从而达到制冷或制热能力的调节，并且对室外风扇电动机、电磁四通阀进行切换控制，对各种安全电路予以监测1512.2空调器压缩机控制方案空调器电气控制系统是通过对压缩机的控制来实现空气调节的。压缩机是空调器的心脏，是推动制冷剂在系统中不断循环的动力。空调器用的压缩机一般为活塞式压缩机，活塞式压缩机主要有往复式、旋转式和涡旋式等。20世纪80年代中期市场上往复式压缩机居多，近年来旋转式压缩机发展迅速，已占主要地位。相对于往复式压缩机，旋转式压缩机具有效率高、可靠性好、体积小、重量轻、结构简单等优点，而且运转平稳、噪声小。涡旋式压缩机是一种新型压缩机，独特的涡旋结构使它具有效率高、扭矩变化小、振动小、噪音低、零件少、体积重量小的优点，显示出较大的优越性。目前绝大多数中、小型空调器采用蒸发一压缩循环制冷系统，从对压缩机的控制上有CCTXV.CCOT和VDOT三类系统(4万方数据CCTXV(CyclingClutchThermalExpandValve)系统:采用热力膨胀阀来控制制冷剂流量的制冷系统称为CCTXV系统，这种系统对压缩机实行通断控制。CCOT(CyclingClutchOrificeTube)系统:与CCTXV系统相同，也采用“通断控制”，只是阻尼节流元件采用节流孔管，与CCTXV系统相比，它能充分发挥蒸发器的热效率，有效防止液击，简化系统，降低成本，但采用气液分离罐，使体积变大。以上两种系统都采用了压缩机的通断调节，通断调节的压缩机转速不能调节，时停时起，对压缩机的运行很不利，易损伤机件，降低寿命，温度波动较大。VDOT(VariableDisplacementOrificeTube)系统:这种系统采用可变排量的压缩机，配以减压固定阻尼元件节流孔管，称为可变排量膨胀管节流系统。它是能够实现对压缩机连续调节的系统。变排量压缩机的特点是能根据吸气压力的变化自动调节，改变制冷剂流量以适应蒸发器热负荷的变化，使蒸发温度保持不变。它超越了热力膨胀阀的调节作用，调节范围更广。VDOT系统的控制方式正是变频控制的思路。其特点如下:(1)降低能耗。VDOT控制的是制冷剂的排出量，属主动调节。冷凝压力随排量变化，压缩机不会因克服多余的压力而白做功，对压缩机的连续供电也比断续供电要省电。(2)送风温度波动小，提高舒适性。(3)保护传动机构，延长机械寿命。消除运动部件起、停时产生的惯性力冲击。本空调采用排气量可变的双转子旋转式压缩机，广泛应用于空调器中。空调器的制冷或制热能力一般用压缩机的排气量来衡量，旋转式压缩机的理论排气量为V,=60irlMn(m3/h)(2-1)式中H一气缸长度或高度(m);A一气缸工作面积(m2):*压缩机转速(r/min)e旋转式压缩机由于考虑气缸结构和效率等因素的影响，其实际排气量是理论排气量和排气系数的乘积。Vg一.1V,=60;THAn(m3/h)(2-2)式中，兄一压缩机排气系数。万方数据由此可见，旋转式压缩机的排气量和压缩机的转速成正比的关系。这就是变频空调能够通过调节压缩机转速来调节空调器的制冷或制热能力的原理。旋转式压缩机的核心是交流异步电动机，变频空调器控制的核心就是采用变频技术对压缩机进行调速，从而调节压缩机的制冷热)功率。80年代以来，随着交流电机调速控制理论、电力半导体器件、脉冲宽度调制、以微处理机为核心的全数字化变频控制等关键技术的发展，使交流电机调速系统成为一种典型的机电一体化设备。在过去十几年中用得较多的变频调速系统是转速开环恒压频比控制和转速闭环转差频率控制，在一定程度上满足了工业应用中的要求，如风机、水泵等。变频技术的性能的提高及体积的减小为其在空调器中的应用提供了可能。本系统的负载是空调器的压缩机，压缩机可看作是恒转矩负载。由于空调器压缩机的转速调节是为了进行功率调节，并不要求太高的调速精度，为了结构上的简便，本变频调速系统决定采用转速开环的控制方式。本节针对这些特性从逆变器主回路、变频调速时的机械特性、变频调速的控制方式及脉宽调制的控制策略的角度选择压缩机控制方案。2.2.1变频器主回路方案选择变频器先把交流电整流成直流，再逆变，得到频率可变的交流电源(即交一直一交过程)。按中间直流环节对无功功率处理的不同形式，可分为电压型和电流型。电压型变频器中间储能(或滤波)环节采用大电容，因此电源阻抗小，相当于电压源;电流型逆变器中间储能环节采用大电感，相当于电流源。从机械特性上看，电压源逆变器驱动异步电动机，在电压一定的条件下得到的机械特性曲线与理论的机械特性曲线很相似，具有较硬的机械特性。电流源逆变器驱动异步电动机，在电流一定的条件下，其机械特性较软，随着转差率s的下降，有功电流增加，但定子电流一定，所以相应的励磁电流分量就减少，磁通减小，转矩下降151，转矩下降很快不适合压缩机的恒转矩特性。从以上二者的特点比较看，电压源逆变器具有较好的带载能力，机械特性较硬，且采用PWM调制时动态响应快，对开关管的要求低等特点，本系统的负载是空调器压缩机电机，它的负载是液态制冷剂，具有很大的阻尼特性，在减速时由于阻尼的作用，转速会很快降下来，再生能量小，用直流环_节的滤波电容吸收即可，所以系统不需采用制动环节。所以本装置的主电路采用电压型变频器，在滤波环节采用小电感来抑制脉动电流及变频器上电时的冲击电流。2.2.2变频调速时韵机械特性交流异步电动机的电磁转矩为T=凡九I,cos碑(Nm)式中KT一电磁转矩常数九一每极气隙磁通(Wb);1,一折算到定子侧的转子每相电流(A);cos0,一转子电路的功率因数。(2-3)图2-1异步电动机转矩一转速特性及负载组转矩特性图2-1是异步电动机转矩一转速特性曲线。曲线I表示定子频率*=f:时异步电机的转矩一转速特性。转差率s=0时，转矩T=0;在小转差率范围内，转差率增大时转子电流增加，因而转矩随转差率的增大而近似线形地增大。但当转差率增大到一定的数值以后，一方面转子电流I,的增大有使转矩增大的趋势，另一方面，转差率增大使漏抗明显增大、功率因数减小，倾向于使转矩减小。因而，异步电机的转矩一转速特性有一个最大值。最大转矩称为颠覆转矩Tm，如果电动机的负载超过此值，转速将迅速下降直至停机。图2-1中曲线II为负载的阻转矩特性。曲线I和曲线11的交点I即为定子频率为Ki时的稳定工作点。本空调器的变频调速传动系统为开环系统，即对电机的转差频率不加控制，则当提高定子频率时，由于机械惯性的原因，转子旋转频率几乎不变，因而转差频率和转差率均将增大，从而转矩增大。例如，定子频率由K1提高到K2时，电机产生的转矩将由点1增大到点2。于是电动机加速，最后到达新的稳定工作点2。同样，当迅速降低定子频率时，例如由K1降到K3时，电动机所产生的转矩将由点1变到点3，出现电机的轴转速高于同步转速的情况。这时，转差率为负值，电机进入发电工作状态。于是，电机轴上的机械能被转换为电能.根据变频调速系统的主电路结构和控制方法的不同，这个电能或者被反馈到电源中去(再生制动勺或者消耗在外接电阻与主电路中(能耗制动)。因此，电机减速，最后达到新的稳定工作点3.由上分析可知，在转差频率不加控制的频率开环系统中，定子频率不能调节得过快，否则将超过颠覆点而停机。在工频电源下运行的鼠笼式异步电机，启动电流一般为额定电流的5-6倍，但启动转矩却较小。这是由于启动时转差频率较高，转子漏抗较大，因而转子功率因数下降造成的。在变频调速系统中，可以低频启动，可以提高启动时转子的功率因数，从而增大了每安培转子电流所产生的转矩。因而，即使在重载下启动，一般启动电流也只有额定电流的2倍左右。2.2.3变频调速的控制方式异步电动机在变频调速时，应尽可能使气隙磁通保持为额定磁通。要保持磁通恒定，在调节定子频率时就必需同时改变定子的端电压。即当增大定子频率时必需同时使定子电压成比例地增加，否则气隙磁通降低;当降低定子频率时，必需同时使定子电压成比例地降低，否则将超过饱和磁通密度而导致励磁电流过大，使损耗增加甚至损坏电机。也就是说，对电机供电的变频电源一般要求兼有调压和调频两种功能，根据定子电压V和定子频率f的不同比例关系，将有不同的变频调速控制方式，因为压缩机为恒转矩负载，选择具有低频电压补偿的恒压频比控制方式比较适合于压缩机电机控制。它不需要转速闭环，结构简单，也没有大量的复杂计算，其调速性能可满足要_求。恒压频比控制方式是保持Vllf,等于常数的比例控制方式。中外加电源若为V,，定子产生的反电势则为E二4.44fN,koo,在异步电机(2-4)如果略去s定子阻抗压降，则有K、E=4.44人从ko九(2-5)式中.f一定子频率(Hz);NS一定子每相绕组的匝数;ko比例系数;人一气隙磁通(Wb)o由公式可知，为保持气隙磁通近似不变，在调节定子频率的同时必需正比例地调节定子外加电压V，使Vlf=kpru=常数(2-6)式中k=4.44N,ko是常系数。按照上述Vlf一常数的恒压频比控制方式下，在低频时由于定子电阻R,的压降占的比重增加，即使在转差频率为很小的情况下，也无法使电机的最大转矩Tm保持恒定。T,_要随频率的下降而减小，在低频时启动转矩也很小，甚至不能带动负载。因此，V,lf=常数的恒压频比控制方式只适用于调速范围不宽或负载转矩随转速下降而减小的场合，如风机、泵类等负载。对于调速范围宽的恒转矩性质的负载，则希望在整个调速范围中维持TQ。不变，亦即按EIf,=常数(2-7)进行控制。式中Es为定子感应电势。为了保证T-不变，随着儿的降低必需适当提高定子电压V,，以便补偿定子电阻R，上的压降。也就是说，提高定子电压的目的仍是为保持气隙磁通恒定，进而保证最大转矩不变。频率越低，需外加补偿电压越高。在电机的工作频率超过同步频率时，也即转速超过额定转速时，如果采用Vhf=常数的恒压频比控制方式进行调速时，势必增加外加电压，并使其超过额定值，这在一般情况下是不允许的。所以同步转速以上的调速往往不再使定子电压升高，而是保持为额定电压。具体方案是采用转速开环，恒压频比(Vif控制，进行低频定子压降补偿。额定电压为220V,额定频率为50Hz，进行低频补偿前的电压频率关系如下式UA一ufLUA-UANff,如图2-2中的虚线所示，在15Hz时，2欧姆，取补偿电压U,-=20V，所以如图中实线所示。UAV3220186娜最大电流为10A,15Hz时伪=86V.电机绕组电阻值为补偿后的压频曲线1550120图2-2恒压频比控制电机的Vlf曲线f(Hz)在人红外线发射图3-2红外遥控发射器结构框图由指令编码器转换成二进制数字编码指令。在IC1内，指令编码器输出的编码指令送到编码调制器。在编码调制器中，38kHz载频信号被编码指令脉冲调制，形成调制信号，调制信号经缓冲级至激励管，由VT1和VT2组成的红外信号激励级放大到足够的功率，去驱动红外发光管，发出被38kHz调制信号调制的红外线，通过发射器前端的辐射窗向前方空间发射。3.2.1.2遥控接收器遥控接收器见图3-3所示，它是由一块装有光敏二极管的接收专用集成电路工C2组成，当遥控发射器发出的红外光被接收器的光敏管接收到时，光敏管将光信号转换成电信号。该电信号通过工C2中的自动增益控制电路和限幅器稳定幅度，随后用38kHz低通滤波器滤出38kHz调制信号，再经检波器解调出编码指令脉冲，然后由整形放大器放大整形，工C2将编码指令脉冲进行解码，最后输出相应信号，使空调中有关电路按遥控发射器的指令进行工作，执行相应功能的操作。输出控制信号光敏I.-一一一一!图3-3红外遥控接收器结构框图3.2.2风门步进电机的控制风门步进电机的功能是使风门叶片上下摆动，起到控制风向的作用，从而使室内风扇吹出的风能均匀分布到室内的各个部分，风门叶片的控制有自动控制和手动控制两种，手动控制时可使风门叶片处于固定的位置，使风向朝一个方向。自动控制时，风门叶片将在其摆动范围内上下摆动。风门步进电机的驱动电路如图3-4所示。图3-4风门步进电机驱动电路示意图步进电机的驱动采用单相驱动方式，驱动步进电机的输出端口电位为1时，通过反向驱动放大器ULN2003A则变为低电平，这时相应绕组则得电，步进电机就转动一个角度，按照一定的规律使步连电机各绕组分别得电，步进电机就能连续转动。正转时步进电机各相通电顺序如