空氣源熱泵熱水器控制系統(tǒng)的變頻改造

雷 亮， 孟 文， 谷翠軍

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

0 引 言

空氣源熱泵熱水器因其節(jié)能環(huán)保、加熱安全、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越得到大眾的認(rèn)可。但是，目前使用較多的定頻空氣源熱泵熱水器對(duì)水溫的控制是依靠壓縮機(jī)的運(yùn)行或者停止來(lái)進(jìn)行調(diào)整的，這樣就會(huì)造成壓縮機(jī)的頻繁起動(dòng)，耗電多，縮短了設(shè)備的使用壽命[1-3]。此外，由于采用壓縮機(jī)直接工頻運(yùn)行的方式，系統(tǒng)起動(dòng)瞬間電流較大，影響電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

為了解決定頻熱泵熱水器目前存在的這些弊端，同時(shí)考慮到價(jià)格因素依然是制約空氣源熱泵熱水器目前難以大規(guī)模推廣的主要原因，本文提出一種以單片機(jī)為核心的空氣源熱泵控制系統(tǒng)的變頻改造方案。

1 壓縮機(jī)變頻調(diào)速原理

由電機(jī)學(xué)可知交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率成正比關(guān)系：

(1)

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

f——電源頻率；

s——轉(zhuǎn)差率；

p——磁極對(duì)數(shù)。

在壓縮機(jī)選型確定后，內(nèi)部交流電機(jī)的s和p也就固定不變。從式(1)中可得出，改變輸入電源頻率會(huì)使得壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度隨之變化。

當(dāng)異步電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，如果忽略定子壓降，則磁通和電壓、頻率之間滿足如下關(guān)系：

(2)

式中：φ——定子磁通量；

E——定子電壓；

k——電機(jī)繞組系數(shù)；

f——定子頻率；

N——定子繞組匝數(shù)[2]。

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由定子磁通與轉(zhuǎn)子電流的相互作用而產(chǎn)生的。當(dāng)定子磁通增加時(shí)，會(huì)引起勵(lì)磁電流上升，加劇鐵心和線圈發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)；當(dāng)磁通降低時(shí)，會(huì)使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，達(dá)不到運(yùn)行要求。因此，在異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要保持其磁通恒定。由式(2)可知，要使得磁通不變化，那么在變頻調(diào)速改變輸入電源頻率時(shí)，電壓也要對(duì)應(yīng)發(fā)生改變[2]。

在異步電機(jī)起動(dòng)或極低速運(yùn)行時(shí)，如果電壓完全成比例地隨頻率下降，此時(shí)轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響會(huì)比較顯著，這就會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁不足而使電動(dòng)機(jī)不能獲得足夠的轉(zhuǎn)矩。因此，在低頻時(shí)要使得輸出電壓提高一些，以補(bǔ)償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失，從而改善電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，U/F曲線如圖1所示。

圖1 U/f曲線圖

圖中：uk——手動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升電壓；

umax——最大輸出電壓；

fk——轉(zhuǎn)矩提升的截止頻率；

fb——基本運(yùn)行頻率(50Hz)；

fmax——最大運(yùn)行頻率。

在基頻以上時(shí)(f>fb)，為了保障輸出電壓不超過(guò)電機(jī)額定電壓，采用輸出電壓保持額定水平，改變頻率的恒功率調(diào)速方式。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 空氣源熱泵熱水器熱循環(huán)

如圖2所示，低壓、低溫工質(zhì)在蒸發(fā)器中氣化吸收環(huán)境熱量，進(jìn)而壓縮機(jī)的作用下變?yōu)楦邏簾峁べ|(zhì)，再通過(guò)冷凝器把熱量傳遞給儲(chǔ)水箱中的冷水，冷凝后的工質(zhì)經(jīng)節(jié)流裝置降壓后再次被輸送進(jìn)蒸發(fā)器，開始下一次熱循環(huán)。

2.2 系統(tǒng)硬件原理

控制系統(tǒng)的硬件電路主要包括主電路、控制電路、人機(jī)接口電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)采集電路?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

CPU采用ATmega16[4]。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS單片機(jī)，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，其內(nèi)部自帶8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，起到了簡(jiǎn)化電路的作用。

SPWM波控制逆變電路，使其輸出的脈沖電壓的面積與正弦波在對(duì)應(yīng)區(qū)間的面積相等，達(dá)到由調(diào)整SPWM波的頻率和幅值則來(lái)改變逆變電路輸出電壓的頻率和幅值的目的。為了降低CPU的運(yùn)算負(fù)荷，本系統(tǒng)選擇SM2001[5]作為三相正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)信號(hào)發(fā)生器，其外圍電路如圖4所示。SM2001工作頻率寬，通過(guò)高速三線同步串行接口(串口片選腳CS、串口時(shí)鐘腳CK、串口數(shù)據(jù)腳DA)與單片機(jī)連接，能夠輸出高效準(zhǔn)正弦波用于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖4 SM2001的外圍電路

智能功率模塊(IPM)是將功率器件(IGBT)、驅(qū)動(dòng)電路和故障檢測(cè)電路集為一體的混合功率器件。本系統(tǒng)選用三菱電機(jī)DIP-IPM模塊PS21869[6]，其IGBT定額50A/600V，電機(jī)容量3.7kW，內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)電路、快速過(guò)流保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)電路，具有開關(guān)速度快、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。功率模塊外圍電路如圖5所示。為了使IPM穩(wěn)定運(yùn)行，利用二極管的單向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)，為PS21869提供4路相互隔離的電源(上三橋3路分別供電，下三橋共用1路)。FO是PS21869故障信號(hào)輸出端口，將其接入ATmega16單片機(jī)的外部中斷口和波形發(fā)生器SM2001的異常中斷腳INT。當(dāng)IPM故障時(shí)便能立刻停止PWM脈沖信號(hào)輸出并報(bào)警，提高系統(tǒng)可靠性。

圖5 功率模塊PS21869的外圍電路

為了提高波形控制器SM2001和功率模塊PS21869接口部分的抗干擾能力，本文選用高速光耦TLP759組成隔離驅(qū)動(dòng)電路，如圖6所示。

圖6 隔離驅(qū)動(dòng)電路

繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，主要由反相驅(qū)動(dòng)芯片TD62083構(gòu)成。TD62083最大驅(qū)動(dòng)電流為500mA,單片機(jī)輸出高電平時(shí)，經(jīng)TD62083輸出一低電平觸發(fā)控制風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、四通閥和補(bǔ)水電磁閥的繼電器動(dòng)作。

圖7 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

人機(jī)接口模塊由液晶顯示和按鍵組成，主要功能是完成參數(shù)設(shè)置以及系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。信號(hào)采集電路將各處模擬量和開關(guān)量送入單片機(jī)。模擬量是指水箱溫度、環(huán)境溫度和盤管溫度和壓縮機(jī)排氣溫度；開關(guān)量包括壓縮機(jī)進(jìn)/排氣壓力保護(hù)開關(guān)、流量開關(guān)和水位開關(guān)。溫度傳感器將測(cè)得的模擬信號(hào)輸入到ATmega16的PA口，利用單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)溫度值進(jìn)行讀取。

系統(tǒng)工作過(guò)程如下： 在主電路中，交流電通過(guò)整流、濾波后變?yōu)橹绷麟?，輸入智能功率模塊PS21869的P、N端。單片機(jī)接收信號(hào)采集電路輸入的儲(chǔ)水箱溫度值和人機(jī)接口電路輸入的溫度值，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，通過(guò)與SM2001串口連接端發(fā)出控制指令，進(jìn)而控制SPWM波的輸出頻率和調(diào)制幅度。經(jīng)光耦隔離后輸入給PS21869的信號(hào)端，控制其上下兩臂6個(gè)IGBT的通斷以達(dá)到控制輸入壓縮機(jī)電源頻率的目的。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 SM2001的控制子程序

SM2001的控制流程如圖8所示，主要功能是接收單片機(jī)指令，完成對(duì)輸出波形的控制。

圖8 SM2001控制流程

系統(tǒng)上電后首先復(fù)位輸出允許控制管腳OE，然后對(duì)寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，只有OE為高時(shí)，才允許SPWM波輸出。故障中斷管腳INT能夠接受IPM模塊發(fā)出的電路異常信號(hào)立刻停止SPWM波的輸出。

輸出三相波頻率fs計(jì)算式：

(3)

式中：fc——輸入時(shí)鐘頻率；

Pf——頻率控制寄存器PFR的值。

輸出三相波幅度As計(jì)算式：

(4)

式中：Am——幅度控制寄存器AMPR的值。

此外，對(duì)SM2001的設(shè)置還包括載波頻率和死區(qū)時(shí)間等[5-6]。

3.2 算法子程序

算法子程序是整個(gè)控制系統(tǒng)軟件的核心部分，其主要功能是要使得控制器能夠根據(jù)設(shè)定水溫值與溫度傳感的檢測(cè)值計(jì)算出適合供給壓縮機(jī)的電源頻率。整個(gè)控制過(guò)程根據(jù)溫差范圍分為兩部分。

當(dāng)設(shè)定溫度值(T設(shè))與檢測(cè)溫度值(T測(cè))之差(T設(shè)-T測(cè))大于3℃時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速迅速提升至最高頻率運(yùn)行，系統(tǒng)快速加熱；當(dāng)T設(shè)-T測(cè)≤3℃時(shí)，系統(tǒng)采用PID控制來(lái)計(jì)算壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率。若T設(shè)T測(cè)，則輸入電源頻率增大，壓縮機(jī)運(yùn)行速度升高，水箱溫度上升，直到與設(shè)定值相同。多次調(diào)節(jié)以后，設(shè)定水溫和水箱水溫的差值在一個(gè)很小的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)壓縮在低轉(zhuǎn)速、低能耗狀態(tài)下運(yùn)行，起到恒溫的作用，同時(shí)避免了壓縮機(jī)頻繁起停所造成的壽命衰減[1]。

PID控制算法就是將設(shè)定溫度值與檢測(cè)溫度值的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)，再經(jīng)過(guò)線性組合的方法對(duì)輸入電源頻率進(jìn)行控制[7]。為了便于系統(tǒng)控制，選用數(shù)字PID控制器，其算式如下：

(5)

式中：u(t)——控制輸出信號(hào)；

e(k)——偏差信號(hào)；

KP、KI和KD——比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

增量型數(shù)字PID控制算法只需保持前三個(gè)時(shí)刻的偏差信號(hào)取值，因此能夠減少計(jì)算量，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力。由式(5)推得壓縮機(jī)頻率增量的增量型數(shù)字PID控制算法，如式(6)所示：

Δfk=fk-fk-1=KPTk-Tk-1+

KITk+KD(Tk-2Tk-1+Tk-2)

(6)

式中：fk——輸出頻率；

Tk——溫度偏差。

求得頻率增量以后再與前一次輸出頻率相加便可得輸入電源頻率。PID算法流程如圖9所示。

圖9 PID算法流程

3.3 系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)程序由括主程序和子程序組成。同時(shí)為了便于分析調(diào)試，系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主程序流程如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

信號(hào)采集子程序?qū)⑺錅囟?、蒸發(fā)器溫度、排氣溫度、壓縮機(jī)進(jìn)排氣壓力、水流量和水位信號(hào)送入CPU，判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況。控制量輸出部分完成對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵、四通閥和補(bǔ)水電磁閥等起?？刂?，為壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)做好準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)處理子程序是整個(gè)流程的核心部分，包括SM2001控制子程序和算法子程序，CPU計(jì)算出對(duì)應(yīng)工況下壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率。

4 試 驗(yàn)

改造后的控制系統(tǒng)在某品牌3P循環(huán)式空氣源熱泵熱水器(額定電壓380V，最大輸入功率3kW，制量9.3kW)上進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，水箱水溫波動(dòng)較小，壓縮機(jī)的運(yùn)行噪聲降低。但是單次將水箱內(nèi)的水加熱到設(shè)定溫度值，經(jīng)計(jì)算，改造前、后兩者性能系數(shù)(cop=制熱量/消耗功率)差別不大，變頻系統(tǒng)省電優(yōu)勢(shì)不太明顯。由于加熱熱水的熱量來(lái)自于室外空氣和壓縮機(jī)做工，而在室外空氣供熱量一定時(shí)，變頻和定頻系統(tǒng)用電量也就差別不大。在保持一定水溫水量供給時(shí)，定頻系統(tǒng)對(duì)于溫度的調(diào)節(jié)只能依靠壓縮機(jī)開/關(guān)控制，壓縮機(jī)起停頻繁，起動(dòng)電流較大，耗電多；變頻系統(tǒng)則能夠低頻運(yùn)行，維持水溫基本恒定，避免壓縮機(jī)頻繁起停造成的電能浪費(fèi)，同時(shí)延長(zhǎng)了壓縮機(jī)壽命，熱水器舒適度得到提高。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文所介紹的熱泵熱水器控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本等特點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，改造后的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。隨著人們節(jié)能意識(shí)的提高以及科技的發(fā)展，變頻控制技術(shù)在空氣源熱泵熱水器行業(yè)將有著更廣闊的應(yīng)用前景。

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