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1、5.1 家用变频空调器的自动控制,变频空调器是当今房间空调器发展的方向,它通过变频控制器调节压缩机的转速(频率),实现了制冷(热)量与房间热(冷)负荷的自动匹配,具有调温速度快、低温制热效率好、温度控制精度高、适用温度、电压范围宽等优点。特别是随着变频技术的发展，空调变频从交流变频转到直流无刷电机、永磁同步电机变频，因此变频空调器无论是从使用电力电子器件，还是控制策略都广泛地使用了当代的先进技术。无论是国产还是进口变频空调，其控制电路原理大体相同，一般由室内机和室外机控制电路构成，系统可以实现交流变频压缩机空调器控制及全直流变频空调器控制，采用模糊控制方法，实现空调器最佳工况运行。下面以美的K
2、FR-50LW/FBPY为例说明其基本控制原理。,1、空调器控制电路原理,变频空调的室内机与室外机可以相互通信，并分别被两个单片机控制。其结构和作用如图所示。整个控制系统由智能功率模块IPM、电源板、室内板、开关板、室外主控板和变频压缩机等六大部分组成。,整个系统的被控对象是变频压缩机，与定速空调器相比，变频空调器采用的供电电源频率可调，因而具有高效节能、温度波动小、舒适度高、运行电压范围宽、传感器控制精确、超低温运行时适应性强、良好的独立除湿功能等优良性能，变频压缩机采用交流异步电动机、永磁同步电机(PMSM)或开关磁阻电机。,智能功率模块IPM采用六封装或七封装的GTO、IGBT等电力电子
3、器件，并将过流、过热、欠压保护、GTO或IGBT的驱动等电路集成于一体。,电源板是将市电通过桥式整流、滤波、稳压以后得到直流电流供给IPM模块，逆变输出频率可变的三相交流电供给变频压缩机。,室内板和室外主控板是整个系统的灵魂和核心，分别采用了两块单片机，随着科学技术的发展，现在的控制器件则普遍采用了数字信号处理器(DSP)来处理各种输入的指令信号(如房间的设定温度)和反馈信号(如房间的实际温度)，使控制更加准确和可靠，因此，这种变频空调，有人称为“数字变频空调”。 室外主控板完成变频三相电源的控制算法，得到六路PWM波形驱动IPM中电力电子器件的通断，同时进行室外环境温度检测、冷凝器温度检测、
4、排气温度检测、交流电压、交流电流检测完成相应的保护、处理、通信功能。 室内板进行室内风机、室温检测、蒸发器温度检测、室内外通信、摆风/空气清新控制，完成遥控接收、液晶显示蜂鸣器驱动，从而实现人机对话。,控制结构图以及各个环节的作用,(1) 通信电路在检测通信故障时，用万用表交流电压档250V测试，在零线和信号线间如果有电压来回变化且室内机通信指示等持续闪烁，则表明通信正常，否则通信电路有故障。 (2) 功率模块在检测功率模块故障时，第一种方法是用万用表二极管档测量功率模块，“+”极与U、V、W极，或U、V、W极与“-”极间正向电阻应约为380450间，且反向不导通，否则功率模块有故障；第二种方
5、法是用万用表交流电压档，测量功率模块驱动压缩机的电压，其任意两相间的电压应在0160V之间并且相等，否则功率模块损坏。 (3) 电抗器在检测电抗器时，用万用表R X1档进行测量，其绕组电阻值约为1。,2、控制系统检测方法,(4) 压缩机在检测压缩机时，用钳子先拔下U、V、W的导线，测量三相间的电压，若三相间的电压相同，说明压缩机绕组良好，否则压缩机绕组有故障。 (5) 电解电容变频空调器中有大容量的电解电容，最大为20004500uF，即使切断电源仍然会残留有充电电荷，所以对电解电容器要先用烙铁、插头等物体充分释放残留电荷。电荷放尽以后，用指针式万用表RX10K档检测，指针应是指到0，然后慢慢
6、退到，否则电解电容器损坏。 (6) 传感器如果空调器出现频率无法升降与保护性关机等故障，应首先考虑检查传感器，大多数传感器可以从插座上拔下，从外表上即可以判断是否损害、断裂、脱胶。用手或温水加热，用万用表RX100档测其阻值，看它的阻值是否变化，无变化则可以判定传感器损坏。,变频空调器中的温度传感器起着非常重要的作用，室内机有空气温度传感器和蒸发器温度传感器；室外机有空气温度传感器，高压管路传感器和低压管路传感器。,室内机主要完成室内和管道温度采集、遥控接收、风机风速控制、风门控制、状态显示等功能以及驱动电路和相应的过流保护措施。,3、室内机控制器专用电机控制芯片UPD780021,（1）驱动
7、电路：室内主控板分12V和5V两组电源，12V由变压器12V绕组直接整流、滤波获得，供继电器、风扇电机驱动器、风摆步进电机、蜂鸣器使用；5V由变压器8V绕组整流、滤波再由7805稳压获得，供单片机工作使用。 （2）室内传感器电路：室内2个温度传感器用来测量室内温度和室内管道温度，采用阻值和温度成反比的NTC热敏电阻，与精密电阻串联，将温度信号转换为电信号，经过滤波处理后分别送入单片机的P1.1口和P1.0口，从而实现对温度的检测。硬件上要求热敏电阻稳定可靠，精密电阻值的选取要和所选用的热敏电阻的阻值相协调。,（3）室内机与室外机的串行通信装置：内外机通信是任何一种分体式空调器都必须解决的问题。
8、利用单片机内部集成的专用异步串行通信口UART，设计了如图2 所示的半双工异步串行通信方案。,图2 中R3、D2、R8、C2、C3、L1、D3 将交流电网整流滤波稳压成24V电源，内外机通信的信号就是基于这个电压而工作的。这种通信必须协调好2个单片机通信的时序问题，即在室内机发送数据时，要求室外机的发送输出口TXDO必须为低电平，使光电耦A3保持常通，这样数据才可以传送到室外机；在室内机接收数据时，保持室内机的TXDO为低电平，这样室内机的RXDO才能接收到室外机发来的数据。使用中，要防止因内外机同时处于接收状态而使电源放电的情况。,（4）过电流保护装置：当整流电路过电流时，外中断口由高电平跳
9、变为低电平，产生中断，中断处理中控制口立即清零，反相后为1，使风扇电机的控制信号有效，并以设定值运行。,程序流程图,（1）数据采集与A/D转换控制：对室内温度和管道温度进行采样，当连续4次采样的值相等时才有效；再通过查表把采样值转化成温度值。 （2）输入输出控制：变频空调分制冷、制热、除湿、送风、经济5种运行方式，输入输出控制主要是控制风扇电机、风摆电机的运行速度、运行方向，以及制冷模式下的除霜控制和制热模式下的解冻、防冷风。风扇电机为PG电机，转速分4档，每档又分为8个等级，转速大小采用PI算法控制，噪声小，风速平稳；风摆电机采用四相步进电机，1、2 相励磁，8拍半步运行方式，相应也有5种运
10、行方式。,（3）开关机处理：为了保证压缩机的正常运行与寿命，要求压缩机在运行至少5分钟后才能停机，停机3分钟后才重新起动；压缩机停机后，风扇电机继续运行1分钟。 （4）模式控制：空调的工作模式分自动模式、面板控制模式和遥控器模式。自动模式根据室内温度自动设置设定温度，自动进行运行方式转换。程序每隔2.45ms对遥控器扫描一次，若接收的遥控输入参数与当前运行的参数不同，空调最终按遥控器新设定的参数运行。如果空调发生掉电再上电，则将按掉电前的模式运行。,（5）频率计算：室内机时刻检测室内外环境温度和管道温度，并与设定温度相比较，根据差值的大小和不同的运行模式，选取某个运行频率，送往室外机。室外机采
11、用SPWM算法，控制压缩机的运行。,（6）保护措施：压缩机采用了过热、过冷、过载及停机保护等措施。 （7）拨码开关设置及处理：若将室内机板上的拨码开关拨到不同位置，则空调可进行演示运行，或按指定频率运行，还可进行故障自诊断，完成保护和报警操作。 （8）内外机的数据通信：室内单片机作为上位机，担任控制工作。它通过异步串行通信口UART 向室外机发送频率值和控制命令，接收压缩机、电磁阀、四通阀、室外风机的运行状态，以及室外温度和压缩机的当前运行频率，并完成相应的控制任务。,变频器及其控制器是最核心的部分，变频器一般由功率变换、驱动电路、电磁滤波器、控制器和辅助电源组成，参见下图。目前针对功率变换和
12、驱动部分主要有如下方案：,4、变频器及其控制器,（1）功率变换部分功率变换部分主要是整流桥和逆变桥。目前国内变频空调器主要采用两种方案：一是采用智能功率模块(IPM)；二是集成功率变换组件(IPCS)。,（2）驱动电路部分驱动电路的主要功能是隔离、放大及保护，可通过高频隔离变压器、光耦合器、高压专用集成电路等多种方案实现。,5、模糊控制技术在变频空调器中的应用,变频空调器采用由变频压缩机、电子膨胀阀、 室内外换热器和风机系统构成的可变容量制冷系统，该系统主要完成三大调节功能，即：压缩机功率调节、制冷剂流量调节和热交换器能力的调节。其中压缩机功率调节由变频器完成，制冷剂流量则由电子膨胀阀调节，而
13、热交换能力则由风扇调节。,变频空调器采用模糊控制技术对输入变量作模糊技术处理后，可实现对多变量的动态控制，其控制关系如图所示。它包括三个输入量：室内温差及其随时间的变化率，室内换热器管壁的温度及其随时间的变化率，室外换热器管壁的温度及其随时间的变化率。输出量包括对空调器的制冷、制热、除湿、化霜、风向、风量等功能实行智能化控制。,变频空调器的工作原理可参见下图，它可分为模糊输入接口、模糊推理判别决策机构和模糊输出接口三个部分。,1、模糊输入接口主要功能是根据本次采样得到的系统输出值，计算所选择的系统的输入变量，并将输入变量的精确值变为模糊量，即将被控系统的温差及温差变化率的精确值转化为模糊量，以
14、便进行模糊推理和决策。,2、模糊决策机构主要功能是根据输入变量的模糊量和模糊推理规则表推断出控制决策。,3、模糊输出接口主要功能是把经模糊推理决策后所得的模糊控制量转化为精确量，去控制压缩机的转速。,变频空调是相对普通空调来讲的,普通空调的压缩电机采用交流异步电机，转速不变，50HZ时转速约为2880r/min。而变频空调是先把220V、50HZ的单相交流电转变成为三相变频交流电(25118HZ，56160V)，供给压缩机，通过频率变化来调节压缩机转速，使制冷量连续变化，适应空调负荷的需要。,变频空调的核心是变频器。变频器是20世纪80年代问世的一种高新技术，它通过对电流的转换来实现电动机运转
15、频率的自动调节，把50Hz的固定电网频率改为30 130Hz的变化频率；同时，还使电源电压范围达到142V270V，彻底解决了由于电网电压不稳而造成空调器不能工作的难题，使空调完成了一个划时代变革。,变频空调的微电脑随时收集室内环境的有关信息与内部的设定值比较，经运算处理输出控制信号。交流变频空调的工作原理是把工频交流电转换为直流电源，并把它送到功率模块(大功率晶体管开关组合);同时模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可调的交变电源(合成波形近似正弦波)，使压缩机电机的转速随电源频率的变化作相应的变化，从而控制压缩机的排量，调节制冷量或制热量。直流变频空调同样把工频交流电转换为直流电源，并
16、送至功率模块，模块同样受微电脑送来的控制信号控制，所不同的是模块输出受控的直流电源(无逆变环节)送至压缩机的直流电机，控制压缩机的排量，因此直流变频空调更省电，噪声更小。变频空调的压缩机由变频电机拖动，电源变频器输出频率变化的交流电给电动机，使电动机的转速可以根据室内制冷量的需要而连续变化，最终压缩机的制冷量达到连续变化的自动控制。为了配合制冷量的连续变化，制冷系统中采用了电子膨胀阀，由脉冲电机开关阀芯，快速控制进入蒸发器的制冷剂流量。,一般空调制冷压缩机的转速是基本不变的，这是由于带动压缩机工作的交流电动机定子的磁场转速=60供电频率/交流旋转磁场的极对数=(转/分)，我国电网的频率为50Hz/s，所以，只要电动机的定子绕组一经确定，该转速就随之而定。电动机转子仅以一很小的转差率随磁场转动，因此，压缩机就只能在特定的转速下工作。制冷循环的原理告诉我们，在制冷系统工作状况(简称工况)不变的条件下，空调器的制冷量(相当于液态制冷剂的重量流量)与压缩机的转速成正比，转速定了，制冷量也就确定了。然而，这种不变的制冷量对于
