空氣源熱泵熱水器控制系統的變頻改造

雷 亮， 孟 文， 谷翠軍

(西南交通大學，四川 成都 610031)

0 引 言

空氣源熱泵熱水器因其節能環保、加熱安全、安裝方便等優點而越來越得到大眾的認可。但是，目前使用較多的定頻空氣源熱泵熱水器對水溫的控制是依靠壓縮機的運行或者停止來進行調整的，這樣就會造成壓縮機的頻繁起動，耗電多，縮短了設備的使用壽命[1-3]。此外，由于采用壓縮機直接工頻運行的方式，系統起動瞬間電流較大，影響電網中其他用電設備的正常運行。

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

1 壓縮機變頻調速原理

由電機學可知交流電機的轉速與輸入電源頻率成正比關系：

(1)

式中：n——電機轉速；

f——電源頻率；

s——轉差率；

p——磁極對數。

在壓縮機選型確定后，內部交流電機的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使得壓縮機運轉速度隨之變化。

當異步電機穩定運行時，如果忽略定子壓降，則磁通和電壓、頻率之間滿足如下關系：

(2)

式中：φ——定子磁通量；

E——定子電壓；

k——電機繞組系數；

f——定子頻率；

N——定子繞組匝數[2]。

異步電機的轉矩是由定子磁通與轉子電流的相互作用而產生的。當定子磁通增加時，會引起勵磁電流上升，加劇鐵心和線圈發熱，嚴重時會燒毀電機；當磁通降低時，會使得電機轉矩下降，達不到運行要求。因此，在異步電機運行時，需要保持其磁通恒定。由式(2)可知，要使得磁通不變化，那么在變頻調速改變輸入電源頻率時，電壓也要對應發生改變[2]。

在異步電機起動或極低速運行時，如果電壓完全成比例地隨頻率下降，此時轉矩受定子電阻壓降的影響會比較顯著，這就會導致勵磁不足而使電動機不能獲得足夠的轉矩。因此，在低頻時要使得輸出電壓提高一些，以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉矩損失，從而改善電動機的輸出轉矩，U/F曲線如圖1所示。

圖1 U/f曲線圖

圖中：uk——手動轉矩提升電壓；

umax——最大輸出電壓；

fk——轉矩提升的截止頻率；

fb——基本運行頻率(50Hz)；

fmax——最大運行頻率。

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

2 控制系統的硬件設計

2.1 空氣源熱泵熱水器熱循環

如圖2所示，低壓、低溫工質在蒸發器中氣化吸收環境熱量，進而壓縮機的作用下變為高壓熱工質，再通過冷凝器把熱量傳遞給儲水箱中的冷水，冷凝后的工質經節流裝置降壓后再次被輸送進蒸發器，開始下一次熱循環。

2.2 系統硬件原理

控制系統的硬件電路主要包括主電路、控制電路、人機接口電路、繼電器驅動電路和信號采集電路。控制器硬件結構框圖如圖3所示。

圖3 控制器硬件結構框圖

CPU采用ATmega16[4]。ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS單片機，數據吞吐率高達1MIPS/MHz，其內部自帶8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC，起到了簡化電路的作用。

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應區間的面積相等，達到由調整SPWM波的頻率和幅值則來改變逆變電路輸出電壓的頻率和幅值的目的。為了降低CPU的運算負荷，本系統選擇SM2001[5]作為三相正弦波脈寬調制(SPWM)信號發生器，其外圍電路如圖4所示。SM2001工作頻率寬，通過高速三線同步串行接口(串口片選腳CS、串口時鐘腳CK、串口數據腳DA)與單片機連接，能夠輸出高效準正弦波用于交流電機驅動。

圖4 SM2001的外圍電路

智能功率模塊(IPM)是將功率器件(IGBT)、驅動電路和故障檢測電路集為一體的混合功率器件。本系統選用三菱電機DIP-IPM模塊PS21869[6]，其IGBT定額50A/600V，電機容量3.7kW，內部集成驅動電路、快速過流保護電路、驅動電源欠壓保護電路，具有開關速度快、低功耗、抗干擾能力強等特點。功率模塊外圍電路如圖5所示。為了使IPM穩定運行，利用二極管的單向導通的特點，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故障信號輸出端口，將其接入ATmega16單片機的外部中斷口和波形發生器SM2001的異常中斷腳INT。當IPM故障時便能立刻停止PWM脈沖信號輸出并報警，提高系統可靠性。

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組成隔離驅動電路，如圖6所示。

圖6 隔離驅動電路

繼電器驅動電路如圖7所示，主要由反相驅動芯片TD62083構成。TD62083最大驅動電流為500mA,單片機輸出高電平時，經TD62083輸出一低電平觸發控制風機、循環水泵、四通閥和補水電磁閥的繼電器動作。

圖7 繼電器驅動電路

人機接口模塊由液晶顯示和按鍵組成，主要功能是完成參數設置以及系統狀態的實時顯示。信號采集電路將各處模擬量和開關量送入單片機。模擬量是指水箱溫度、環境溫度和盤管溫度和壓縮機排氣溫度；開關量包括壓縮機進/排氣壓力保護開關、流量開關和水位開關。溫度傳感器將測得的模擬信號輸入到ATmega16的PA口，利用單片機自帶的A/D轉換器對溫度值進行讀取。

系統工作過程如下： 在主電路中，交流電通過整流、濾波后變為直流電，輸入智能功率模塊PS21869的P、N端。單片機接收信號采集電路輸入的儲水箱溫度值和人機接口電路輸入的溫度值，然后經過計算處理，通過與SM2001串口連接端發出控制指令，進而控制SPWM波的輸出頻率和調制幅度。經光耦隔離后輸入給PS21869的信號端，控制其上下兩臂6個IGBT的通斷以達到控制輸入壓縮機電源頻率的目的。

3 控制系統的軟件設計

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指令，完成對輸出波形的控制。

圖8 SM2001控制流程

系統上電后首先復位輸出允許控制管腳OE，然后對寄存器進行初始化設置，只有OE為高時，才允許SPWM波輸出。故障中斷管腳INT能夠接受IPM模塊發出的電路異常信號立刻停止SPWM波的輸出。

輸出三相波頻率fs計算式：

(3)

式中：fc——輸入時鐘頻率；

Pf——頻率控制寄存器PFR的值。

輸出三相波幅度As計算式：

(4)

式中：Am——幅度控制寄存器AMPR的值。

此外，對SM2001的設置還包括載波頻率和死區時間等[5-6]。

3.2 算法子程序

算法子程序是整個控制系統軟件的核心部分，其主要功能是要使得控制器能夠根據設定水溫值與溫度傳感的檢測值計算出適合供給壓縮機的電源頻率。整個控制過程根據溫差范圍分為兩部分。

當設定溫度值(T設)與檢測溫度值(T測)之差(T設-T測)大于3℃時，壓縮機轉速迅速提升至最高頻率運行，系統快速加熱；當T設-T測≤3℃時，系統采用PID控制來計算壓縮機的運行頻率。若T設T測，則輸入電源頻率增大，壓縮機運行速度升高，水箱溫度上升，直到與設定值相同。多次調節以后，設定水溫和水箱水溫的差值在一個很小的區間內波動，此時壓縮在低轉速、低能耗狀態下運行，起到恒溫的作用，同時避免了壓縮機頻繁起停所造成的壽命衰減[1]。

PID控制算法就是將設定溫度值與檢測溫度值的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)，再經過線性組合的方法對輸入電源頻率進行控制[7]。為了便于系統控制，選用數字PID控制器，其算式如下：

(5)

式中：u(t)——控制輸出信號；

e(k)——偏差信號；

KP、KI和KD——比例系數、積分系數和微分系數。

增量型數字PID控制算法只需保持前三個時刻的偏差信號取值，因此能夠減少計算量，提高系統實時響應的能力。由式(5)推得壓縮機頻率增量的增量型數字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 系統程序流程

系統程序由括主程序和子程序組成。同時為了便于分析調試，系統程序采用模塊化設計，主程序流程如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

信號采集子程序將水箱溫度、蒸發器溫度、排氣溫度、壓縮機進排氣壓力、水流量和水位信號送入CPU，判斷系統運行狀況。控制量輸出部分完成對風機、水泵、四通閥和補水電磁閥等起停控制，為壓縮機的運轉做好準備。數據處理子程序是整個流程的核心部分，包括SM2001控制子程序和算法子程序，CPU計算出對應工況下壓縮機的運行頻率。

4 試 驗

改造后的控制系統在某品牌3P循環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)上進行調試和運行，水箱水溫波動較小，壓縮機的運行噪聲降低。但是單次將水箱內的水加熱到設定溫度值，經計算，改造前、后兩者性能系數(cop=制熱量/消耗功率)差別不大，變頻系統省電優勢不太明顯。由于加熱熱水的熱量來自于室外空氣和壓縮機做工，而在室外空氣供熱量一定時，變頻和定頻系統用電量也就差別不大。在保持一定水溫水量供給時，定頻系統對于溫度的調節只能依靠壓縮機開/關控制，壓縮機起停頻繁，起動電流較大，耗電多；變頻系統則能夠低頻運行，維持水溫基本恒定，避免壓縮機頻繁起停造成的電能浪費，同時延長了壓縮機壽命，熱水器舒適度得到提高。

5 結 語

本文所介紹的熱泵熱水器控制系統具有結構簡單、低成本等特點。經現場試驗，改造后的控制系統運行穩定，達到了設計目標，有一定的工程應用價值。隨著人們節能意識的提高以及科技的發展，變頻控制技術在空氣源熱泵熱水器行業將有著更廣闊的應用前景。

【參考文獻】

[1] 田長青，邵雙全，石文星.變頻空氣源熱泵技術[J].流體機械,2008，33(9)： 67-71.

[2] 張承慧，崔納新，李珂.交流電機變頻調速及其應用[M].北京： 機械工業出版社,2008.

[3] 胡曉波.基于PLC的水源熱泵節能控制系統[J].自動化博覽，2008(10)： 80-82.

[4] ATMEL公司.ATmega16單片機數據手冊[G].2003.

[5] 謝文剛.三相正弦波脈寬調制(SPWM)信號發生器SM2001[J].電源技術應用，2002，5(9)： 39- 44.

[6] 吳紅星.電機驅動與控制專用集成電路應用手冊[M].北京： 中國電力出版社，2009.

[7] 韓登宇，劉衛國，付曉蔚.基于單片的皮帶秤變頻調速控制儀的設計與實現[J].微計算機信息，2012，28(6)： 67-68.