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

 

本文總結了效率的產(chǎn)業(yè)定義，并說(shuō)明了HVAC設計師所使用的技術(shù)，在滿(mǎn)足這些愈來(lái)愈具有挑戰性的標準的同時(shí)，還可降低他們系統實(shí)施的成本。

 

 

效率的一個(gè)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(shuō)是一種比較有用的說(shuō)法，那就是效率的量測是季節的能效比（Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER），一個(gè)季節能效比的值是對多個(gè)操作模式（像是啟動(dòng)、穩態(tài)運行和休息）下高、低濕度條件加權后之能效比值。 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(mǎn)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(jìn)，和提高系統的整合來(lái)保持領(lǐng)先。下一節將說(shuō)明HVAC廠(chǎng)商如何藉由結合高效變速控制算法與主動(dòng)功率因子校正，而達成控制算法的改進(jìn)和提高系統的整合。

 

 

變速電動(dòng)機控制采用數字轉子角度估算和一種稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制（Field Oriented Control ，FOC）的技術(shù)，以便在壓縮機轉速曲線(xiàn)的較低端和較高端提供更好的轉矩響應。FOC不僅只是啟動(dòng)和關(guān)閉電動(dòng)機，還提供具有最小轉矩漣波的最佳扭矩和在整個(gè)電動(dòng)機速度范圍內減小的振動(dòng)。除了增加電動(dòng)機的使用壽命和可靠性，當控制輸出沒(méi)有調諧到電動(dòng)機的速度時(shí)，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設計的黃金標準。

 

功率因子校正可用來(lái)將HVAC設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(zhù)的應用優(yōu)勢。借著(zhù)將有效功率最大化，就會(huì )有更多由電力公司所提供的能量可以給應用來(lái)使用，也可實(shí)現更高的總線(xiàn)電壓。由于最大總線(xiàn)電壓與冷卻你家房子的電動(dòng)機之最大速度成正比，高效PFC的實(shí)現需要更少的能源來(lái)為A / C提供更高的散熱能力。

 

主動(dòng)式PFC（意味著(zhù)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(gè)函數，而這早已由系統的MCU所管理著(zhù)。因此，一種結合了PFC和基于FOC的變速電動(dòng)機控制之單一MCU實(shí)現方法業(yè)已出現，而成為實(shí)現HVAC設計最高效率的最佳組合。

 

在由Nene & Akin 合著(zhù)而刊登在家電設計雜志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合變速電動(dòng)機控制和PFC的常見(jiàn)方法 。我為有興趣了解實(shí)現細節的讀者而將該文做了個(gè)簡(jiǎn)單的結論。

 

 

假設電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機控制回路。

圖1：PFC和電動(dòng)機控制同步 - 一顆具有靈活ADC和PWM模塊的MCU讓電動(dòng)機控制反饋輸入可在PFC PWM的中點(diǎn)被精準地采樣，以便將開(kāi)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(dòng)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(guò)使用兩個(gè)專(zhuān)用的中斷來(lái)實(shí)現，但這將導致極端情況，這種情況下，在較慢電動(dòng)機控制回路的計算會(huì )延遲更快PFC控制回路的執行。其結果將隨應用而變。一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的實(shí)施將可通過(guò)相同的中斷來(lái)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(dòng)控制回路則會(huì )分成時(shí)間片，它們可在PFC ISR最大延遲時(shí)間要求之內充分地被計算出來(lái)。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(dòng)機控制與PFC回路可以通過(guò)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(lái)執行一個(gè)不顯眼的應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，運行速度可低至60 MHz。其他實(shí)施方式包括使用加速器或雙核的實(shí)現方式，以切分PFC和電動(dòng)機控制系統的責任。市面上有許多各式各樣的產(chǎn)品組合可滿(mǎn)足高效HVAC設計中各種復雜的需求。

 

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計中擠出最大的效率，及可縮減上市時(shí)間且經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗證的軟件實(shí)現之效率。于此同時(shí)，如果你為自己買(mǎi)了一個(gè)高效的HVAC系統，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(jué)是如何。