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一种多速节能空调设计说明书


一种多速节能空调设计说明书

(节能减排大赛国家二等奖) 设计者:徐然 2,张敏 3 指导教师:张乃强 1
一、研制背景及意义

随着人民生活水平的提高, 空调已经成为必备电器之一。 根据近年来电器的市场统计数据, 我国城市空调普及率已经超过 55%。对于空调这样的高耗能电器(额定功率 735-1500w) ,就其 占有率来说,节

能潜力巨大。目前市场上普遍使用的空调节能技术和措施种类繁多,主要集中 在改良压缩机,无级变频技术,节能制冷剂和添加剂和改善冷凝器蒸发器这四个方面,但是上 述技术普遍存在成本较高、节能效果不十分明显的特点。本方案经过广泛的市场调研和分析, 提出了一种性价比高的多速节能空调方案设计。 表 1 列出了本方案和主流节能方案的对比情况。
表 1:几种节能技术对比 技术 改良压缩机 无级变频 节能制冷剂和添加剂 改善冷凝器蒸发器 本方案 成本 高 高 很高 高 低 节能效果 好 一般 较好 一般 好 技术成熟 度 比较成熟 成熟 试验阶段 成熟 试验阶段 节能效果同使用环境密切相关 备注

空调的变频技术成为未来发展的必然趋势,定频空调由于能耗大、噪声大等缺点只能渐被 淘汰,但变频空调比定频空调的价格高出很多,经调查可知目前大部分的家用空调市场仍被定 频空调所占有,要改变空调耗能过大的现状则设计出一种新型节能且成本低廉的空调。本方案 的多速变频空调由于同样具有变频的功能且主电路简单,易于控制,而降低了变频器的成本, 公众更易于接受。在加入节电开关后则更加节能。在电力电子器件制造技术和计算机技术日新 月异的今天,可使交交变频电路具有更好的性能,更利于节能,因此此项目的研究将具有良好 的发展前景。 交交变频技术在现有的电力电子技术基础上早已达到成熟阶段,市场上的交交变频器也层 出不穷,且都具有良好的变频性能,但将交交变频技术应用于空调变频调速系统的实例尚未出 现。通过对主流空调节能技术的调查对比,发现将交交变频技术应用于空调压缩机转速调节的 新型空调具有成本低、节能效果好的优势。 目前市场上的空调分为定频空调和变频空调两种。由于供电频率不能改变,定频空调的压

缩机转速基本不变,所有它不能通过调节压缩机控制制冷量,而是通过调节风机转速的方式来 调节房间温度高低,所以定频空调虽然能调节制冷能力,但压缩机的功耗却居高不下。与之相 比, “变频空调”靠变频器改变压缩机的供电频率,调节压缩机转速。供电频率高,压缩机转速 快,空调器制冷(热)量就大;而当供电频率较低时,空调器制冷(热)量就小。所以变频空 调更加节能环保。但是变频空调的变频能力是靠高成本的交直交变频器实现的。导致变频空调 的平均售价比定频空调要高出 1000 元以上,超过了使用变频空调节能带来的直接经济价值,成 为阻碍变频空调推广的最大障碍。本方案的空调压缩机不再使用将现有变频空调的交—直—交 变频器,而是改用交—交变频器,从而大大降低了成本。又由于在夏季空调使用高峰,只要室 内温度在 26℃左右人体即可感觉舒适,不需要变频空调的精确调节。所以本设计方案可以替代 变频空调应用在诸多领域。 此外,含变压器的电器设备在待机而没有切断源的情况下都有待机功耗。在关闭开关却插 着插头的待机状下,常用电器的待机能耗功率分别为:空调 3.47 瓦,洗衣机 2.46 瓦,电冰箱 4.09 瓦, 微波炉 2.78 瓦, 抽油烟机 6.06 瓦, 彩电 8.07 瓦, PC 主机 35.07 瓦, 打印机 9.08 瓦。 把这些待机功耗加起来,相当于在不工作的时候,这些电器一天就要耗电 4 度。空调一般没有机 械开关,存在待机功耗,积累起来仍然是不可忽视的浪费。 由于人对小范围内的温度变化并不敏感,在夏季室外温度高于 30℃时,室温保持 26℃,人 在室内就会感到舒适,室温在 26℃偏差 1-2℃也不能明显改变人体的舒适程度。这也是国务院 办公厅《关于深入开展全民节能行动的通知》 (国办发〔2008〕106 号)[1] 中规定的“严格控 制室内空调温度。除有特定要求并经批准外,公共建筑夏季室内空调温度设置不得低于 26 摄氏 度,冬季室内空调温度设置不得高于 20 摄氏度。 ”的理论依据。
二、设计方案

在办公室、家庭环境下采用昂贵的无级变频技术对室温进行精确的控制显得得不偿失。本 方案的出发点就是使用本案来调节温度, 达到既节约成本又节能的目的。 调速的基本流程见图 1。

图 1. 本方案的调速控制流程图

本方案包含了一种关机全断电开关。因为空调待机状态功耗低,取用空调的电流 0.1A 为阈 值,当检测到电源导线电流小于阈值,则触发延时继电器在某个时间段后仍处于待机状态则切 断电源,消除大部分待机功耗,可以作为空调节能的有效辅助。

2.1 主要解决方案和原理图
将现有空调的交-直-交变频器改为交-交变频器,运用交-交变频使原来的整流和逆变电路 用一个交-交变频电路代替,使主电路中的可控元件更少,电路更简单。同时省去了交-直-交变 频器平滑变速的功能,改造后的主电路及触发电路则省去了使变频器平滑调速的控制电路。从 而大大降低了变频器的成本。

图 2. 本方案的系统原理框图

如图 2 所示,通过桥式交交变频主电路及触发电路将电源电压频率变为 25HZ。主电路中晶 闸管的触发脉冲由 555 定时器芯片及电容电阻构成,在通过延时器及其他相关元器件构成触发 电路。则可得到频率为 50HZ 与频率为 25HZ 的双档电源。在通过使用继电器组建控制电路与空 调的温度传感器相连,根据传感器发出的温度信号来选择电源的频率档,即当空调制冷时选择 原 50HZ 档,电机以额定转速旋转制冷,当室内温度达到初定温度(例如:27 度) ,则通过温度 传感器发出的温度信号作用于控制电路使电源通过交交变频电路变为 25HZ,则电机以 1/2 的转 速旋转,以维持室内温度,同时降低能耗, 。此外 25HZ 档还可运用于空调电机启动,由于电机 的启动电流正比与电源电压的频率,从而可减小电机的启动电流,减小对电器的冲击,降低能 耗。图中节电开关接在电源侧,其功能为在空调不工作而处于待机状态时,经过一段时间的延 迟,可自动切断总电源,减少不必要的电能浪费。综合来看此空调系统不仅具有优越的性能而 且从多个方面减少能耗,达到节能增效。

(1)交交变频主电路原理[2]:
改变传统空调定频的模式,引入交交变频调速,通过改变电源频率改变空调压缩机电机转速, 不同于以往变频器交—直—交变频调速的原理,直接运用桥式交交变频电路将工频 50HZ 变为 25HZ。 转速公式:n=60f/p 其中:n—电机转速; f—电源电压频率; p—电机的极对数。 根据电机转速公式可知将频率降为原来的一半可使电机的转速降为额定转速的 1/2。 则可达 到变速的目的。

图 3. 单相交交变频电路

图 3 为单相桥式交交变频原理图,其中左右两出线端接 220v 电源,R1 为所接的负载,即空 调电动机。D1,D2,D3————D8 为半控器件晶闸管。 电路由左右两组反并联的晶闸管变流电路构成,左右两组变频器都是相控整流电路,左半 桥工作时,负载电流为正,右半半桥工作时,负载电流为负。让两组变流器按一定的频率交替 工作,负载就得到该频率的交流电。 晶闸管触发控制方式:通过控制 8 个晶闸管的导通时间可将工频变为原来的一半。晶闸管 D1、D4 同步控制设为第一组,同理,D2,D3 为第二组,D5、D8 为第三组,D6、D7 为第四组。 电源电压频率为 50Hz,即周期为 0.02s。要得到的电压频率为 25Hz,即周期为 0.04s;则四组 晶闸管的触发周期均为 0.04s,控制前两组晶闸管使其在前半周期导通,即 0~0.02s 内;控制后 两组晶闸管使其在后半内周期导通,即 0.02S~0.04s 内;第一组晶闸管的触发延迟 0s,第二组 晶闸管的触发延迟 0.01s,第三组触发延迟 0.02s,第四组触发延迟 0.03s。则可在四组晶闸管 轮流导通下得到频率为 25HZ 的电压, 达到频率变为一半的目的。 在将所得的四波头波形通过中 心频率为 25Hz 的带通滤波器得到谐波较小的正弦波。 通过以上原理可知:输出电压并不是平滑的正弦波,而是由若干段电源电压拼接而成。再 将输出电压经过滤波器则可得到较平滑的 25Hz 正弦波。 图 4 为单相桥式交交变频电路的仿真图(所用仿真软件为 Matlab)

图 4. 单相桥式交交变频电路的仿真图

图 5. 交—交变频电路的仿真波形输出图

图 5 为单相桥式交交变频电路的仿真波形输出图, 其中波形一为没有经过滤波的交交变 频电路直接输出波形;波形二为经过滤波后的输出电压波形;波形三为输出电压起振过程; 波形四为稳定的输出波形。通过软件仿真可知变频电路将原 50HZ 电源变为 25HZ 输出

图 6. 由八个 MOS 管构成的交交变频桥实物

(2)晶闸管触发电路[3]:
晶闸管触发脉冲由 555 定时器芯片及电阻、电容、二极管构成的多谐振荡电路产生,调 节电阻阻值及电容值就可得到所需要的占空比为 1/4 周期为 0.04S 的矩形脉冲。 电路振荡频 率 f 及占空比 q 的计算公式如下: f = 1/T=1/0.7(R1+R2)C q=R1/(R1+R2) 再通过三组延时器将主脉冲分别延迟 0.01s、 0.02s、 0.03s 得到四组晶闸管的触发脉冲 分别作用与四组晶闸管。 下图为延迟电路的原理图, 图中 R4、 C1 为定时元件, 定时时间 T=RC (s) ,为了调整延时时间,可通过改变 R4、C1 来实现,调节不同的 R4、C1 值得到三组延迟 后的触发脉冲。

图 7. 晶闸管触发电路

图 8. 触发脉冲延迟器的原理

四组触发脉冲波形图见图九:

图 9. 四组触发脉冲波形图

图 10. 晶闸管触发电路板

(3)控制电路 控制模式: (1)双档转换控制:通过由继电器构成的控制电路控制以上双速空调器压 缩机在两速之间的转换, 将控制电路与原空调内的温度传感器相连, 传感器发出的温度信号 作用与控制电路, 经判断可使控制电路中的继电器开关选择电源的高频档或低频档。 例如初 设温度为 27 度,则空调开始制冷时通过控制电路控制使压缩机工作在高频档,则电机转速 高,迅速制冷;当室内温度达到 27 度时,则可根据传感器发出的温度信号使控制电路选择 低频档,使压缩机工作在一半转速,能维持室内温度即可,同时降低功率损耗。 (2)启动控 制:由于电机的启动电流与电源电压频率成正比,启动电流越大则耗能越大,电机的寿命越 短;使用电源低频档启动可使启动大流大大降低,减小启动时对电机的冲击,减少能耗。将 空调启动开关与控制电路继电器相连, 启动的同时将继电器打到低频档, 使电源经过交交变 频电路,低频启动。 控制电路的电路图见图 11。控制开关选择分三个阶段,第一阶段为启动时低频档 25Hz 工作,第二阶段高频档 50Hz 工作,第三阶段即温度已达到设定值时低频档 25Hz 工作。 保护元件:熔断器 FU1(电机过载保护) ;FU2(控制电路的短路保护) ;断路器 QF(电 机短路、过载保护) 。 合上开关 QF 和控制回路开关 SA1 ,再合上继电器 KA ,将开关 S 置于“自动”位置, 启动按钮 SB1,中间继电器 KA1、KA2 得电吸合并自锁,KA1 常开触点闭合,中间触电器 KA4 得电吸合, 其常开触点闭合, 接触器 KM1 得电吸合, 接通 25 Hz 电源档启动电机。 与此同时, 时间继电器 KT 线圈通电,经过一段延时后,其延时闭合常开触点闭合,中间继电器 KA3 得 电吸合,其常开触点闭合,接触器 KM2 得电吸合,接通 50 Hz 电源档。由于 KA3 吸合,其常 闭触点断开,于是 KA2 和 KA3 及 KT 均失电释放。此后他们不再参加工作。当室温下降到设 定值时,KP 的接点闭合,KA4 又吸合,接触器 KM2 得电吸合,50 Hz 档工作。如此重复上述 过程,从而达到自动保温工作。

图 11. 主控制电路图

温度感应电路:多谐振荡器产生的的振荡频率为 fc=1.443/((R+2Rt)*C1),由于热敏 电阻 Rt 的阻值随温度而变化,因此 fc 也随温度变化而变化。音频译码器的中心频率 f0=1/(1.11Rp*C4),调节电位器 Rp, 使 f0 为设定温度的频率。 当集成电路 A1 的振荡频率 fc 与集成电路 A2 的中心频率 f0 一致时,A2 的 8 脚输出低电平。使继电器 Kp 得电吸合,其常 开触点闭合。

图 12. 温度控制电路图

(4)节电开关

空调的一般工作功率都在 735w 以上,所以可以认为功率小于 20w 为待机阈值,即电流 小于 0.1A。只要检测到的电源的电流小于 0.1A 且持续时间超过 20 分钟,则切断电源。电 路图如下。 电路的工作原理见图 13。需要打开空调时,按下 AN,普通继电器 KM1 通电,KM1 的常 开触头 KM1 接通了主电路,空调开始启动,同时,变压器的另一侧会感应到电压。该电压经 过整流电路使延时继电器 KM2 得到合适的工作电压而工作, 其常开触点 KM2 闭合锁住了常开 按钮 AN,主电路连续工作。关机后,空调主电路电流减小到 0.1A 以下,变压器感应到的电 压很低,经过延时继电器设置的延时时间后,继电器 KM2 吸合,KM2 的常开触点断开,KM1 线圈失电,KM1 的常开触头切断主电路。操作时,只要用遥控器关闭空调就可离开房间了, 空调插座将在系统关闭后自动切断插座电源。

图 13. 节能开关电路图

元件选择和制作:C 是耐压 400V,1 F 的无极性电容,D1~D5 是普通二极管 4007,KM1 是额定电压 12V,额定电流 2A 的普通继电器。KM2 是延时继电器。变压器 T 是用 220V,6W 的小功率变压器改制成,即把该变压器的低压绕组拆去,用电源线在变压器铁芯上绕 3~5 圈,而高压侧绕组接到整部分。本电路所用元件均为市销元件,如果插座的空间足够,整个 电路可装进插座内, 只需电路正确组装, 并且通过调整变压器低压绕组的圈数找到能提供给 延时继电器 KM2 正常工作电压的最佳状态,整个电路即可很好工作。

2.2 方案延伸
(1)三相矩阵式变频电路
大型空调所接的电源为三相电源, 同理可通过三相交交变频电路改变电源电压频率。 图 14 为三相矩阵式变频电路主电路拓扑:

图 14. 三相矩阵式变频电路

图 15. 双向可控开关

矩阵式变频电路输出电压为正弦波, 且输出频率不受电网频率的限制, 则可根据需要设 置多个频率档,例如 60Hz 档、50Hz 档、40Hz 档,可使空调变频性能更好,此电路变频功能 突破了单相交交变频只能成倍降频的功能,优越与单相交交变频电路,使变频功能更完善。 同时输入电流也可控制为正弦波和电压同相,提高功率因数,效率较高。矩阵变换器可以在 变频调速中的应用研究既可产生节能的重大经济效益, 又避免了因谐波污染带来电力系统环 保问题,是一种“绿色”的变换器。其电气向能十分理想,有良好的发展前景。

(2)电机变极调速[4]:
通过前述电机转速公式 n=60f/p,可知,固定电源电压频率为工频不变,通过改变电机 的极对数 p 也可达到同样的变速的目的。 原理是通过改变电机供电电流的方向改变原电机的 极对数。例如将 2 极变为 4 极,则可将电机转速将为一半。 但通过此种方法变极调速有一定的局限性, 通过到热动实验室调查分析了解到, 空调电 机的体积较小,要改变绕组的接线方式或增加绕组难度较大,控制电流的流向也较复杂,不 易实现,且造价高。但此方法也为一种研究变速的方向,技术成熟后有待继续研究推广。

2.3 主要的技术应用创新之处
(1)与定频空调对比
常规的定频空调由于供电频率不能改变, 其压缩机转速基本不变, 所以它不能大幅度地 调节制冷量, 而是通过频繁开启关闭压缩机的方式来调节房间温度高低, 这种方式并不节能, 且对压缩机的寿命有一定的影响。 运用交交变频电路将定频空调改造为有两个固定频率的双 速空调,则可改变压缩机供电频率,调节压缩机转速。供电频率为高档时,压缩机转速快, 空调器制冷 (热) 量就大; 而当供电频率为低档时, 空调器制冷 (热) 量就小。 与定频相比, 空调器采用这种工作方式有许多优势。交交变频空调的特点: (1)省电性:由于它的压缩机 不会频繁开启,会使压缩机保持稳定的工作状态,这可以使空调整体达到节能 20%以上的 效果。同时,这对噪音的减少和延长空调使用寿命,有相当明显的作用。 (2)舒适性:由于 开机后变频空调以高频进行运转,因此可在短时间内达到设定温度。室温恒定,达到设定温 度后变频空调以低频运转,就可以维持室内设定温度,这保证了空调的均匀制冷,避免了室 温剧烈变化所引起的不适感。 (3)低频起动: “交交变频空调”采用变频控制技术,启动时 电压频率较小,则启动电流小,也可达到节能的效果。综上所述,经改造后的双速空调由于 具有变速的功能而减少了很多不必要能量的消耗, 达到了在增加舒适度延长压缩机寿命的基 础上节能的目的。

(2)与现有变频空调对比
现有的变频空调变频器为利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率 的电能控制装置.主要采用交—直—交方式,先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源, 然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机.变频器的电路一般 由整流、 中间直流环节、 逆变和控制 4 个部分组成.整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变 部分为 IGBT 三相桥式逆变器,且输出为 PWM 波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无 功功率.通过变频器可以自由调节电机的速度。与之相比双速空调的优点: (1)由于室内温 度变化幅度相对不是很大, 所以空调对温度的敏感度也可以相应降低, 则双速空调完全可达 到调节室内温度的作用, 同时由于交交变频将交流电直接变为可变频率的交流电, 则只需要 一个主回路, 就能替代交—直—交变频器中的整流和逆变部分, 同时减少了可控器件的控制 电路,使所用元器件更少,工艺简单,在很大程度上节约了成本。 (2)此交交变频电路只能 将电源频率调节为另一固定值, 则省去了原空调变频器平滑变速的控制功能, 又在原有的基 础上减少了控制元件及电路, 再次节约成本。 其简单的电路使双速空调的成本费用远低于变 频空调,广大用户更易于接受,从而将可节能更有效的推广。

(3)多速空调的其他应用方式
在春秋换季季节温度相对适宜, 若需要空调调节则其温度调节范围较小, 压缩机在低频 下工作完全可达到调节温度的目的, 此时可直接切换空调使长期运行与低频档, 降低输出功 率,同样能达到节能的目的。

(4)节电开关
通过设计电路达到控制空调待机状态时切断电源的目的, 节省了平时生活中无意浪费掉 的电能。除了应用与空调,此节电开关还可应用与其他电器,例如:电视,计算机等。 综上所述:交交变频空调不同与以往的定频空调,通过变频来减少能耗,同时又比现有 的变频空调成本更低,技术性能更好,更利于推广。通过折中的思路使其在节能增效上有很

大的突破。且三相矩阵式变频可使其具有更好的电气性能。
三、理论设计计算

(1)主要技术指标
交交变频的频率变化接近 50%。空调的能效等级在 3 级以上。能效比分为两种,分别是 制冷能效比 EER 和制热能效比 COP,指的是空调的能耗与效用的比值,具体而言就是一台空 调用一千瓦的电可以产生多少千瓦的制冷/热量。一般情况下,空调主要功能是夏季制冷, 所以空调能效比通常指的是制冷能效比 EER。例如,一台定速空调的制冷量是 4800W,制冷 功率是 1860W,制冷能效比(EER)就是 4800/1860≈2.6。 “能效比”越高,就越省电。

表 2:空调能效等级对应节电量

级别 一级 二级 三级 四级 五级

能效比 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6

耗电量 0.735 千瓦/时 0.781 千瓦/时 0.833 千瓦/时 0.893 千瓦/时 0.961 千瓦/时

(2)经济指标:
同普通定频空调相比, 能效等级由四、 五级提升到三级, 功率会低 60-128w。 即节省 6.72% 到 13.32%的电费。
四、预期成果及效益

预期成果: 节能开关和交交变频电路及其控制、 辅助电路实物或者仿真, 图片和论文。 经济效益: 首先提出了一种变频空调的替代方案, 能够以相对于变频空调很低的成本,
达到比普通定频空调更好的节能效果。按照预期技术指标,按照夏季 4 个月,每天使用 10 小时计算,一年一台空调可以节约 72 – 153 度电。其次使用关机全断电开关,可以使夏季 不用空调的剩余时间待机功耗接近于 0. 按照空调平均待机功耗 3.47w 计算,一年内空调可 省待机用电 4.164 度。

以家用空调为例,北京居民生活用电每度 0.4883 元为参照,一年一台空调可省电费 76.6631 元以上。空调平均寿命为 8-15 年,至少可以省下 613.31 元。而增加的成本是便宜 的交-交变频电路及其控制电路, 成本不超过 200 元。 本方案的预计投入产出比在 1:3 以上。

参考晶闸管触发电路压缩机剖面

观察电机定子绕组空调工作过程试验

五、创新点及应用

本设计提出了一种将目前很成熟的交-交变频技术引入到空调压缩机转速调节的方案。 具有以下特点:

(1)同定频空调相比具有节能优势。

(2)同变频空调相比具有低成本优点。 (3)关机全断电,减少待机功耗。
参考文献

[1] [2] [3] [4] [5]

国务院办公厅关于深入开展全民节能行动的通知(国办发〔2008〕106 号) 。 马小亮.大功率交—交变频调速及矢量控制技术,机械工业出版社.1993 马小亮.交交变频交流调速,机械工业出版社. 李发海,朱东起.电机学.第三版,科学出版社.2003 周渊深.电力电子技术,机械工业出版社.2003


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