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摘要：空调系统是为人们提供舒适性服务的重要设施。本文介绍了空调系统的基本原理，从室内外的硬件设计和软件设计介绍了家用一拖一变频空调，最后的整机测试波形论证了整个系统的可行性。
关键词：变频空调；原理；电气设备
1 空调系统工作的基本原理
1.1空调系统制冷制热的基本原理
空调系统的压缩机把制冷剂蒸汽从低压状态压缩至高压状态，创造制冷剂液体在蒸发器中低温下蒸发制冷、在冷凝器中常温液化的条件。压缩机不断吸入和排出气体，使制冷循环得以周而复始地进行。空调制冷循环中，室外热交换器为冷凝器，室内热交换器为蒸发器。此时四通阀线圈内的电流被切断时，阀芯因重力作用而下落，使压缩机排气口与室外冷凝器接通，而吸气口与室内蒸发器接通。空调制热循环中，四通阀切换，线圈通电产生磁场，阀芯被吸到上方位置，压缩机排气口与室内热交换器接通，吸气口与室外热交换器接通，此时制冷剂蒸汽流动方向改变，室内热交换器向室内散热而成为冷凝器，而室外热交换器成为蒸发器，制冷剂蒸发吸收室外热量。
1.2 变频空调工作的基本原理
变频空调是基于压缩机电机电源工作频率和电压的变化，达到电机转速的调节和压缩机容量的连续控制。而压缩机电机的转速根据室内负荷成比例变化。变频空调运转时，当室内实际温度和设定温度差距较大时，空调强制冷或强制热，压缩机电机高速运转；而当两者温度接近时，电机转速则下降，制冷量或制热量降低。由于变频空调的压缩机可运行在极低的转速下，所以即使室内温度已达到设定温度，压缩机也不会频繁启动，而是自动调节到相应的低速连续工作，避免了因频繁启动而给电网带来的冲击和正常运行较大的噪音及频繁启停造成的温度波动。因此，随着季节和昼夜的变化，空调器的变频工作能力既能节能又能提高人的舒适感。
2 变频空调的优点
（1）节能。变频空调通过内装变频器，可随时调节压缩机的运转速度，合理使用能源；压缩机不会频繁开启，能保持稳定的工作状态，若长时间使用空调可省30%左右的电。
（2）变频空调的噪音较小。由于变频空调运转比较平衡，产生的震动较小，所以没有较大的噪音。
（3）调温速度快。变频空调能在一开机时，根据室温和调节温度的情况以最大功率进行运转，可快速达到室温变化的效果。
（4）保持室温恒定。变频空调采用变频压缩机，可自动根据室温进行频率调节，实现快速制冷或制暖，同时当室温达到一定要求后会自动降低运转速度，既能省电也能避免频繁开机。
3 变频空调的室外电气系统设计
（1）智能功率模块应用。在智能功率模块投入使用后，空调系统可通过管理控制方法来实现全面温度调节，电气系统设计将功能稳定性作为前提，以确保使用期间空调设备操作的安全性。智能控制系统通过信号采集与传输来实现功能，由于信号在传输期间受外界环境因素影响可能会产生误差，应经过检测，若误差在合理范围内，则不会对调节功能实现造成影响，一旦超出安全标准，之后的各项管理控制则要考虑其运行效果。系统功能中自身存在的问题也需智能功率模块重点完善。应加强调节控制，达到更理想的控制管理效果。并通过微计算机技术来对控制模块进行管理。在需要时对控制管理理念进行更新，实现空调的变频设计功能。
（2）室外硬件电路设计。室外部分因使用环境较复杂，在安装设备时需结合保护措施来进行，如配合抗干扰与防水外壳，采取接地方法来预防电磁干扰问题出现，在使用中即使发生隐患问题也能及时调整，将干扰电流排入地下并消散，为变频空调系统功能实现创造一个稳定的环境。室外变频板芯片选用MN103SFC2DXW单片机，此单片机内含PWM产生器，室内主控板选用TMP86FH09NG单片机，主要包括室内传感器电路、室内通信电路、外风门片电内风门片电路、室内风机（直流风机）。另外，室外硬件其他部分分别是四通阀、交流风机、传感器电路、电子膨胀阀和室内外通信电路等。在对室内外的硬件组成部分调节设计时，采用技术方法来降低外界干扰，体现出最终管理计划的先进性。对一些比较常见的功能问题，加强调整控制可从根源上预防，以免类似问题再次发生。供配电系统也需特别调节，当发现系统中存在不合理现象，加强控制以进一步提升其可靠性，对后续开展的程序设计任务有很大帮助。
（3）室内外通信。通信电源由室内整流稳压后提供，室内外通信电路为18V弱电通信。通信规则采用主从结构，规定以室外机为主机，室内机为从机，主机或从机每次发送一个数据包。通信开始时，主机先发送数据，从机接收数据，主机发送数据后等待接收从机数据，主机接收到从机数据并处理完后，隔段时间再发送下一个数据。若主机发送数据后一段时间内接收不到从机数据或数据错误时主机再次发送数据，若主机连续一段时间接收不到从机数据或数据错误，则报通信故障。
4 室内外软件设计
软件设计以使用功能为向导来进行，所涉及到的管理及使用问题，在此环境下均能预防控制。软件设计与硬件不同，建立完成后也可根据使用需求对软件部分调整，以预防管理效果受到影响的情况发生。确定第一个软件功能层，对其内部程序进行汇编控制，达到更理想的使用效果。程序汇编结束后，建立一个稳定的控制数据库，其内部信息随着使用的需求能自动调节，信息数据自动更新。随着空调系统所产生的不同使用需求来进行，实现全面调节控制需求。室外部分程序设计要引入保护理念，观察在设计管理效果上是否会受到影响，对各个系统采取数据库联系建立的方法来实现管理效果。使室外部分各个模块形成统一的系统，即使在最终的管理效果上受到影响，通过该方法也能更好地解决。另外，变频空调使用中的需求不断变化，若不能掌握这一变化因素，软件设计将失去实际意义。
5 实验调试及波形
（1）选择一个700W的三相异步交流压缩机进行试验，其参数为：定子电阻1.578Ω，转子漏感0.142782Hz，励磁电感0.3487Hz，转动惯量0.1245，转动惯量0.1241，极对数3，启动频率19Hz，启动电流4A，保护相电流17A。将参数写入EEPROM内。
（2）图1为示波器测试的波形。图中CH3为PWM输出控制波形，波形每个方格的高度为5V，5V为高电平，0V为低电平。CH4为压缩机的启动波形，波形每个方格的高度为50 mV，50 mV对应的电流为5A。
通过改变逆变电路6路驱动的PWM输出脉宽来改变压缩机端电压，改变PWM脉宽周期来改变压缩机端电压频率，根据室内环境温度变化来改变PWM的输出，从而达到控制压缩机转速，使室内温度变化在±0.5℃。另外，压缩机启动电流为7A，定位电流时间可在软件内设定，此定位主要是方便软件控制压缩机转速，通过此定位可确定压缩机当前位置，软件以此位置为基准来计算压缩机位置，从而达到控制压缩机转速，定位后的波形为压缩机U、V、W三相电流波形，理想波形为标准的正弦波，大小为正弦波峰值，通过波形情况可判断压缩机控制情况，若波形出现抖动，压缩机也会出现相应震动，就需从软件或硬件方面使输出波形尽量稳定和接近正弦波。
参考文献：
[1]刘永.基于MC68HC908MR16单片机的变频空调控制器研究[J].流体机械，2015.
论文作者:刘波
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
标签：压缩机论文; 波形论文; 热交换器论文; 室内论文; 室外论文; 变频空调论文; 数据论文; 《基层建设》2018年第22期论文;