減少電費(fèi)，從有效率的A/C設(shè)計(jì)開始

炎熱的夏季，人人都愛空調(diào)。不幸的是，我們的物質(zhì)享受卻往往與我們的預(yù)算格格不入，空調(diào)也不例外?？照{(diào)設(shè)備是家中最大的電源消耗源，對那些提供更高效系統(tǒng)的HVAC供貨商而言，這是一股沉重的壓力。

本文總結(jié)了效率的產(chǎn)業(yè)定義，并說明了HVAC設(shè)計(jì)師所使用的技術(shù)，在滿足這些愈來愈具有挑戰(zhàn)性的標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還可降低他們系統(tǒng)實(shí)施的成本。

定義效率

效率的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)是能效比(Energy Efficiency Ratio，EER)。能效比的計(jì)算公式為凈冷卻能力(net cooling capacity)(計(jì)量單位為Btuh)除以總輸入功率(以kW為計(jì)量單位)。該量測可以在任何操作條件下使用，但為了公平比較，能效比已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化成一單一的操作條件。

第二，這可以說是一種比較有用的說法，那就是效率的量測是季節(jié)的能效比(Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER)，一個(gè)季節(jié)能效比的值是對多個(gè)操作模式(像是啟動、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和休息)下高、低濕度條件加權(quán)后之能效比值。SEER具有與能效比相同的單位;因此，值愈高表示效率愈高。

由于為滿足能效比和SEER要求的最低標(biāo)準(zhǔn)一直在提高，而HVAC業(yè)者就藉由控制算法的改進(jìn)，和提高系統(tǒng)的整合來保持領(lǐng)先。下一節(jié)將說明HVAC廠商如何藉由結(jié)合高效變速控制算法與主動功率因子校正，而達(dá)成控制算法的改進(jìn)和提高系統(tǒng)的整合。

為什么要整合電動機(jī)控制和PFC

變速電動機(jī)控制采用數(shù)字轉(zhuǎn)子角度估算和一種稱為磁場定向控制(Field Oriented Control，F(xiàn)OC)的技術(shù)，以便在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速曲線的較低端和較高端提供更好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。FOC不僅只是啟動和關(guān)閉電動機(jī)，還提供具有最小轉(zhuǎn)矩漣波的最佳扭矩和在整個(gè)電動機(jī)速度范圍內(nèi)減小的振動。除了增加電動機(jī)的使用壽命和可靠性，當(dāng)控制輸出沒有調(diào)諧到電動機(jī)的速度時(shí)，基于FOC的變速控制可減少能源的浪費(fèi)量。這種技術(shù)目前是高效HVAC設(shè)計(jì)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

功率因子校正可用來將HVAC設(shè)計(jì)的可用有效功率最大化。除了是IEC61000 EMC標(biāo)準(zhǔn)之下的一項(xiàng)要求，PFC還具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。借著將有效功率最大化，就會有更多由電力公司所提供的能量可以給應(yīng)用來使用，也可實(shí)現(xiàn)更高的總線電壓。由于最大總線電壓與冷卻你家房子的電動機(jī)之最大速度成正比，高效PFC的實(shí)現(xiàn)需要更少的能源來為A / C提供更高的散熱能力。

主動式PFC(意味著用到一顆微控制器(MCU)的死循環(huán)PFC控制器)可增加保持恒定輸出電壓的好處，而不管負(fù)載的變化。負(fù)載是速度的一個(gè)函數(shù)，而這早已由系統(tǒng)的MCU所管理著。因此，一種結(jié)合了PFC和基于FOC的變速電動機(jī)控制之單一MCU實(shí)現(xiàn)方法業(yè)已出現(xiàn)，而成為實(shí)現(xiàn)HVAC設(shè)計(jì)最高效率的最佳組合。

在由Nene Akin合著而刊登在家電設(shè)計(jì)雜志2011年1月版上的這篇名為“Efficient Motor Control for HVAC Appliances”的文章中，詳細(xì)地解釋了一種結(jié)合變速電動機(jī)控制和PFC的常見方法。我為有興趣了解實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的讀者而將該文做了個(gè)簡單的結(jié)論。

交錯(cuò)式電動機(jī)控制和PFC

假設(shè)電動機(jī)控制回路的操作頻率為20 KHz，PFC回路的為100 KHz.PFC電流控制器在50 kHz切換頻率的一半工作，而電動機(jī)控制回路則是在10 KHz工作。圖1顯示出了最佳的同步PFC和電動機(jī)控制回路。

圖1：PFC和電動機(jī)控制同步-一顆具有靈活A(yù)DC和PWM模塊的MCU讓電動機(jī)控制反饋輸入可在PFC PWM的中點(diǎn)被精準(zhǔn)地采樣，以便將開關(guān)噪聲降到最低。

該MCU必須具有夠好的性能，以保持這兩個(gè)控制回路。更關(guān)鍵的是，為了防止下變頻電動機(jī)控制回路破壞更高頻率的PFC回路，MCU必須將延遲最大限度地減少。

這可以通過使用兩個(gè)專用的中斷來實(shí)現(xiàn)，但這將導(dǎo)致極端情況，這種情況下，在較慢電動機(jī)控制回路的計(jì)算會延遲更快PFC控制回路的執(zhí)行。其結(jié)果將隨應(yīng)用而變。一種經(jīng)過改進(jìn)的實(shí)施將可通過相同的中斷來管理這兩種控制回路。這種單一的中斷是由更快的PFC控制回路所觸發(fā)，而較慢的運(yùn)動控制回路則會分成時(shí)間片，它們可在PFC ISR最大延遲時(shí)間要求之內(nèi)充分地被計(jì)算出來。圖2給出了所提出中斷服務(wù)常用程序之示意圖。

圖2：電動機(jī)控制與PFC回路可以通過同一個(gè)中斷常用程序進(jìn)行管理，以確保在獲得實(shí)時(shí)控制性能的同時(shí)，還有充分的性能余量來執(zhí)行一個(gè)不顯眼的應(yīng)用程序級之背景循環(huán)。

有鑒于今天的先進(jìn)實(shí)時(shí)控制解決方案之可用性，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)推廣到可充分支持處理器上的雙馬達(dá)+ PFC架構(gòu)，運(yùn)行速度可低至60 MHz.其他實(shí)施方式包括使用加速器或雙核的實(shí)現(xiàn)方式，以切分PFC和電動機(jī)控制系統(tǒng)的責(zé)任。市面上有許多各式各樣的產(chǎn)品組合可滿足高效HVAC設(shè)計(jì)中各種復(fù)雜的需求。

不管你的供貨商的喜好，務(wù)必要特別留意這些功能，這些功能將可以讓你從設(shè)計(jì)中擠出最大的效率，及可縮減上市時(shí)間且經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證的軟件實(shí)現(xiàn)之效率。于此同時(shí)，如果你為自己買了一個(gè)高效的HVAC系統(tǒng)，請保持涼快，住得舒服些，并且想想生活中只要少一點(diǎn)罪惡感的感覺是如何。