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。空調(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)計師所使用的技術(shù)，在滿足這些愈來愈具有挑戰(zhàn)性的標準的同時，還可降低他們系統(tǒng)實施的成本。

 

 

效率的一個衡量標準是能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）。能效比的計算公式為凈冷卻能力（net cooling capacity）（計量單位為Btuh）除以總輸入功率（以kW為計量單位）。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)被標準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），一個季節(jié)能效比的值是對多個操作模式（像是啟動、穩(wěn)態(tài)運行和休息）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要求的最低標準一直在提高，而HVAC業(yè)者就藉由控制算法的改進，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，而達成控制算法的改進和提高系統(tǒng)的整合。

 

 

變速電動機控制采用數(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，還提供具有最小轉(zhuǎn)矩漣波的最佳扭矩和在整個電動機速度范圍內(nèi)減小的振動。除了增加電動機的使用壽命和可靠性，當控制輸出沒有調(diào)諧到電動機的速度時，基于FOC的變速控制可減少能源的浪費量。這種技術(shù)目前是高效HVAC設(shè)計的黃金標準。

 

功率因子校正可用來將HVAC設(shè)計的可用有效功率最大化。除了是IEC61000 EMC標準之下的一項要求，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之最大速度成正比，高效PFC的實現(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，而不管負載的變化。負載是速度的一個函數(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的變速電動機控制之單一MCU實現(xiàn)方法業(yè)已出現(xiàn)，而成為實現(xiàn)HVAC設(shè)計最高效率的最佳組合。

 

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

 

 

假設(shè)電動機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和電動機控制回路。

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

 

該MCU必須具有夠好的性能，以保持這兩個控制回路。更關(guān)鍵的是，為了防止下變頻電動機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專用的中斷來實現(xiàn)，但這將導(dǎo)致極端情況，這種情況下，在較慢電動機控制回路的計算會延遲更快PFC控制回路的執(zhí)行。其結(jié)果將隨應(yīng)用而變。一種經(jīng)過改進的實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) ，而較慢的運動控制回路則會分成時間片，它們可在PFC ISR最大延遲時間要求之內(nèi)充分地被計算出來。圖2給出了所提出中斷服務(wù)常用程序之示意圖。

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

 

有鑒于今天的先進實時控制解決方案之可用性，這項技術(shù)已經(jīng)推廣到可充分支持處理器上的雙馬達 + PFC 架構(gòu)，運行速度可低至60 MHz。其他實施方式包括使用加速器或雙核的實現(xiàn)方式，以切分PFC和電動機控制系統(tǒng)的責任。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)計中擠出最大的效率，及可縮減上市時間且經(jīng)過生產(chǎn)驗證的軟件實現(xiàn)之效率。于此同時，如果你為自己買了一個高效的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罪惡感的感覺是如何。