一種多速節(jié)能空調設計說明書

1、一種多速節(jié)能空調設計說明書（節(jié)能減排大賽國家二等獎）設計者：徐然2，張敏3指導教師:張乃強1一、研制背景及意義隨著人民生活水平的提高，空調已經成為必備電器之一。根據近年來電器的市場統(tǒng)計數據，我國城市空調普及率已經超過55%。對于空調這樣的高耗能電器（額定功率735-1500w），就其占有率來說，節(jié)能潛力巨大。目前市場上普遍使用的空調節(jié)能技術和措施種類繁多，主要集中在改良壓縮機，無級變頻技術，節(jié)能制冷劑和添加劑和改善冷凝器蒸發(fā)器這四個方面，但是上述技術普遍存在成本較高、節(jié)能效果不十分明顯的特點。本方案經過廣泛的市場調研和分析，提出了一種性價比高的多速節(jié)能空調方案設計。表1列出了本方案和主流節(jié)能方

2、案的對比情況。表1：幾種節(jié)能技術對比技術成本節(jié)能效果技術成熟度備注改良壓縮機高好比較成熟無級變頻高一般成熟節(jié)能效果同使用環(huán)境密切相關節(jié)能制冷劑和添加劑很高較好試驗階段改善冷凝器蒸發(fā)器高一般成熟本方案低好試驗階段空調的變頻技術成為未來發(fā)展的必然趨勢，定頻空調由于能耗大、噪聲大等缺點只能漸被淘汰，但變頻空調比定頻空調的價格高出很多，經調查可知目前大部分的家用空調市場仍被定頻空調所占有，要改變空調耗能過大的現狀則設計出一種新型節(jié)能且成本低廉的空調。本方案的多速變頻空調由于同樣具有變頻的功能且主電路簡單，易于控制，而降低了變頻器的成本，公眾更易于接受。在加入節(jié)電開關后則更加節(jié)能。在電力電子器件制造技術

3、和計算機技術日新月異的今天，可使交交變頻電路具有更好的性能，更利于節(jié)能，因此此項目的研究將具有良好的發(fā)展前景。交交變頻技術在現有的電力電子技術基礎上早已達到成熟階段，市場上的交交變頻器也層出不窮，且都具有良好的變頻性能，但將交交變頻技術應用于空調變頻調速系統(tǒng)的實例尚未出現。通過對主流空調節(jié)能技術的調查對比，發(fā)現將交交變頻技術應用于空調壓縮機轉速調節(jié)的新型空調具有成本低、節(jié)能效果好的優(yōu)勢。目前市場上的空調分為定頻空調和變頻空調兩種。由于供電頻率不能改變，定頻空調的壓縮機轉速基本不變，所有它不能通過調節(jié)壓縮機控制制冷量，而是通過調節(jié)風機轉速的方式來調節(jié)房間溫度高低，所以定頻空調雖然能調節(jié)制冷能力，

4、但壓縮機的功耗卻居高不下。與之相比，“變頻空調”靠變頻器改變壓縮機的供電頻率，調節(jié)壓縮機轉速。供電頻率高，壓縮機轉速快，空調器制冷（熱）量就大；而當供電頻率較低時，空調器制冷（熱）量就小。所以變頻空調更加節(jié)能環(huán)保。但是變頻空調的變頻能力是靠高成本的交直交變頻器實現的。導致變頻空調的平均售價比定頻空調要高出1000元以上，超過了使用變頻空調節(jié)能帶來的直接經濟價值,成為阻礙變頻空調推廣的最大障礙。本方案的空調壓縮機不再使用將現有變頻空調的交直交變頻器，而是改用交交變頻器，從而大大降低了成本。又由于在夏季空調使用高峰，只要室內溫度在26左右人體即可感覺舒適，不需要變頻空調的精確調節(jié)。所以本設計方案可

5、以替代變頻空調應用在諸多領域。此外，含變壓器的電器設備在待機而沒有切斷源的情況下都有待機功耗。在關閉開關卻插著插頭的待機狀下，常用電器的待機能耗功率分別為： 空調3.47瓦，洗衣機2.46瓦，電冰箱4.09瓦，微波爐2.78瓦，抽油煙機6.06瓦，彩電8.07瓦，PC主機35.07瓦，打印機9.08瓦。把這些待機功耗加起來,相當于在不工作的時候，這些電器一天就要耗電4度?？照{一般沒有機械開關，存在待機功耗，積累起來仍然是不可忽視的浪費。由于人對小范圍內的溫度變化并不敏感，在夏季室外溫度高于30時，室溫保持26，人在室內就會感到舒適，室溫在26偏差1-2也不能明顯改變人體的舒適程度。這也是國務院

6、辦公廳關于深入開展全民節(jié)能行動的通知（國辦發(fā) 2008106號）1 中規(guī)定的“嚴格控制室內空調溫度。除有特定要求并經批準外，公共建筑夏季室內空調溫度設置不得低于26攝氏度，冬季室內空調溫度設置不得高于20攝氏度?！钡睦碚撘罁?。二、設計方案在辦公室、家庭環(huán)境下采用昂貴的無級變頻技術對室溫進行精確的控制顯得得不償失。本方案的出發(fā)點就是使用本案來調節(jié)溫度，達到既節(jié)約成本又節(jié)能的目的。調速的基本流程見圖1。圖1. 本方案的調速控制流程圖本方案包含了一種關機全斷電開關。因為空調待機狀態(tài)功耗低，取用空調的電流0.1A為閾值，當檢測到電源導線電流小于閾值，則觸發(fā)延時繼電器在某個時間段后仍處于待機狀態(tài)則切斷電

7、源，消除大部分待機功耗，可以作為空調節(jié)能的有效輔助。2.1 主要解決方案和原理圖將現有空調的交-直-交變頻器改為交-交變頻器，運用交-交變頻使原來的整流和逆變電路用一個交-交變頻電路代替，使主電路中的可控元件更少，電路更簡單。同時省去了交-直-交變頻器平滑變速的功能，改造后的主電路及觸發(fā)電路則省去了使變頻器平滑調速的控制電路。從而大大降低了變頻器的成本。圖2. 本方案的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，通過橋式交交變頻主電路及觸發(fā)電路將電源電壓頻率變?yōu)?5HZ。主電路中晶閘管的觸發(fā)脈沖由555定時器芯片及電容電阻構成，在通過延時器及其他相關元器件構成觸發(fā)電路。則可得到頻率為50HZ與頻率為25HZ的雙檔

8、電源。在通過使用繼電器組建控制電路與空調的溫度傳感器相連，根據傳感器發(fā)出的溫度信號來選擇電源的頻率檔，即當空調制冷時選擇原50HZ檔，電機以額定轉速旋轉制冷，當室內溫度達到初定溫度（例如：27度），則通過溫度傳感器發(fā)出的溫度信號作用于控制電路使電源通過交交變頻電路變?yōu)?5HZ，則電機以1/2的轉速旋轉，以維持室內溫度，同時降低能耗，。此外25HZ檔還可運用于空調電機啟動，由于電機的啟動電流正比與電源電壓的頻率，從而可減小電機的啟動電流，減小對電器的沖擊，降低能耗。圖中節(jié)電開關接在電源側，其功能為在空調不工作而處于待機狀態(tài)時，經過一段時間的延遲，可自動切斷總電源，減少不必要的電能浪費。綜合來看此

9、空調系統(tǒng)不僅具有優(yōu)越的性能而且從多個方面減少能耗，達到節(jié)能增效。（1）交交變頻主電路原理2：改變傳統(tǒng)空調定頻的模式,引入交交變頻調速,通過改變電源頻率改變空調壓縮機電機轉速，不同于以往變頻器交直交變頻調速的原理，直接運用橋式交交變頻電路將工頻50HZ變?yōu)?5HZ。轉速公式：n=60f/p 其中：n電機轉速； f電源電壓頻率； p電機的極對數。根據電機轉速公式可知將頻率降為原來的一半可使電機的轉速降為額定轉速的1/2。則可達到變速的目的。圖3. 單相交交變頻電路圖3為單相橋式交交變頻原理圖，其中左右兩出線端接220v電源，R1為所接的負載，即空調電動機。D1，D2，D3D8為半控器件晶閘管。電路

10、由左右兩組反并聯的晶閘管變流電路構成，左右兩組變頻器都是相控整流電路，左半橋工作時，負載電流為正，右半半橋工作時，負載電流為負。讓兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。 晶閘管觸發(fā)控制方式：通過控制8個晶閘管的導通時間可將工頻變?yōu)樵瓉淼囊话?。晶閘管D1、D4同步控制設為第一組，同理，D2，D3為第二組，D5、D8為第三組，D6、D7為第四組。電源電壓頻率為50Hz，即周期為0.02s。要得到的電壓頻率為25Hz，即周期為0.04s；則四組晶閘管的觸發(fā)周期均為0.04s，控制前兩組晶閘管使其在前半周期導通，即00.02s內；控制后兩組晶閘管使其在后半內周期導通，即0.02S0

11、.04s內；第一組晶閘管的觸發(fā)延遲0s，第二組晶閘管的觸發(fā)延遲0.01s，第三組觸發(fā)延遲0.02s，第四組觸發(fā)延遲0.03s。則可在四組晶閘管輪流導通下得到頻率為25HZ 的電壓，達到頻率變?yōu)橐话氲哪康?。在將所得的四波頭波形通過中心頻率為25Hz的帶通濾波器得到諧波較小的正弦波。 通過以上原理可知：輸出電壓并不是平滑的正弦波，而是由若干段電源電壓拼接而成。再將輸出電壓經過濾波器則可得到較平滑的25Hz正弦波。圖4為單相橋式交交變頻電路的仿真圖（所用仿真軟件為Matlab）圖4. 單相橋式交交變頻電路的仿真圖圖5. 交交變頻電路的仿真波形輸出圖圖5為單相橋式交交變頻電路的仿真波形輸出圖，其中波形

12、一為沒有經過濾波的交交變頻電路直接輸出波形；波形二為經過濾波后的輸出電壓波形；波形三為輸出電壓起振過程；波形四為穩(wěn)定的輸出波形。通過軟件仿真可知變頻電路將原50HZ電源變?yōu)?5HZ輸出 圖6. 由八個MOS管構成的交交變頻橋實物（2）晶閘管觸發(fā)電路3：晶閘管觸發(fā)脈沖由555定時器芯片及電阻、電容、二極管構成的多諧振蕩電路產生，調節(jié)電阻阻值及電容值就可得到所需要的占空比為1/4周期為0.04S的矩形脈沖。電路振蕩頻率f及占空比q的計算公式如下：f = 1/T=1/0.7(R1+R2)Cq=R1/(R1+R2)再通過三組延時器將主脈沖分別延遲0.01s、0.02s、0.03s得到四組晶閘管的觸發(fā)脈

13、沖分別作用與四組晶閘管。下圖為延遲電路的原理圖，圖中R4、C1為定時元件，定時時間T=RC（s），為了調整延時時間，可通過改變R4、C1來實現，調節(jié)不同的R4、C1值得到三組延遲后的觸發(fā)脈沖。圖7. 晶閘管觸發(fā)電路圖8. 觸發(fā)脈沖延遲器的原理四組觸發(fā)脈沖波形圖見圖九： 圖9. 四組觸發(fā)脈沖波形圖圖10. 晶閘管觸發(fā)電路板（3）控制電路控制模式：（1）雙檔轉換控制：通過由繼電器構成的控制電路控制以上雙速空調器壓縮機在兩速之間的轉換，將控制電路與原空調內的溫度傳感器相連，傳感器發(fā)出的溫度信號作用與控制電路，經判斷可使控制電路中的繼電器開關選擇電源的高頻檔或低頻檔。例如初設溫度為27度，則空調開始制

14、冷時通過控制電路控制使壓縮機工作在高頻檔，則電機轉速高，迅速制冷；當室內溫度達到27度時，則可根據傳感器發(fā)出的溫度信號使控制電路選擇低頻檔，使壓縮機工作在一半轉速，能維持室內溫度即可，同時降低功率損耗。（2）啟動控制：由于電機的啟動電流與電源電壓頻率成正比，啟動電流越大則耗能越大，電機的壽命越短；使用電源低頻檔啟動可使啟動大流大大降低，減小啟動時對電機的沖擊，減少能耗。將空調啟動開關與控制電路繼電器相連，啟動的同時將繼電器打到低頻檔，使電源經過交交變頻電路，低頻啟動?？刂齐娐返碾娐穲D見圖11?？刂崎_關選擇分三個階段，第一階段為啟動時低頻檔25Hz工作，第二階段高頻檔50Hz工作，第三階段即溫度

15、已達到設定值時低頻檔25Hz工作。保護元件：熔斷器FU1（電機過載保護）；FU2（控制電路的短路保護）；斷路器QF（電機短路、過載保護）。合上開關QF和控制回路開關SA1 ，再合上繼電器KA ，將開關S置于“自動”位置，啟動按鈕SB1，中間繼電器KA1、KA2得電吸合并自鎖，KA1常開觸點閉合，中間觸電器KA4得電吸合，其常開觸點閉合，接觸器KM1得電吸合，接通25 Hz電源檔啟動電機。與此同時，時間繼電器KT線圈通電，經過一段延時后，其延時閉合常開觸點閉合，中間繼電器KA3得電吸合，其常開觸點閉合，接觸器KM2得電吸合，接通50 Hz電源檔。由于KA3吸合，其常閉觸點斷開，于是KA2和KA3

16、及KT均失電釋放。此后他們不再參加工作。當室溫下降到設定值時，KP的接點閉合，KA4又吸合，接觸器KM2得電吸合，50 Hz檔工作。如此重復上述過程，從而達到自動保溫工作。圖11. 主控制電路圖溫度感應電路：多諧振蕩器產生的的振蕩頻率為fc=1.443/(R+2Rt)*C1),由于熱敏電阻Rt的阻值隨溫度而變化，因此fc也隨溫度變化而變化。音頻譯碼器的中心頻率f0=1/(1.11Rp*C4),調節(jié)電位器Rp，使f0為設定溫度的頻率。當集成電路A1的振蕩頻率fc與集成電路A2的中心頻率f0一致時，A2的8腳輸出低電平。使繼電器Kp得電吸合，其常開觸點閉合。 圖12. 溫度控制電路圖（4）節(jié)電開關

17、空調的一般工作功率都在735w以上，所以可以認為功率小于20w為待機閾值，即電流小于0.1A。只要檢測到的電源的電流小于0.1A且持續(xù)時間超過20分鐘，則切斷電源。電路圖如下。電路的工作原理見圖13。需要打開空調時，按下AN， 普通繼電器KM1通電，KM1的常開觸頭KM1接通了主電路，空調開始啟動，同時，變壓器的另一側會感應到電壓。該電壓經過整流電路使延時繼電器KM2得到合適的工作電壓而工作，其常開觸點KM2閉合鎖住了常開按鈕AN，主電路連續(xù)工作。關機后，空調主電路電流減小到0.1A以下，變壓器感應到的電壓很低，經過延時繼電器設置的延時時間后，繼電器KM2吸合，KM2的常開觸點斷開，KM1線圈

18、失電，KM1的常開觸頭切斷主電路。操作時，只要用遙控器關閉空調就可離開房間了，空調插座將在系統(tǒng)關閉后自動切斷插座電源。圖13. 節(jié)能開關電路圖元件選擇和制作：C是耐壓400V，1 F的無極性電容，D1D5是普通二極管4007，KM1是額定電壓12V，額定電流2A的普通繼電器。KM2是延時繼電器。變壓器T是用220V，6W的小功率變壓器改制成，即把該變壓器的低壓繞組拆去，用電源線在變壓器鐵芯上繞35圈，而高壓側繞組接到整部分。本電路所用元件均為市銷元件，如果插座的空間足夠，整個電路可裝進插座內，只需電路正確組裝，并且通過調整變壓器低壓繞組的圈數找到能提供給延時繼電器KM2正常工作電壓的最佳狀態(tài)，

19、整個電路即可很好工作。2.2 方案延伸（1）三相矩陣式變頻電路大型空調所接的電源為三相電源，同理可通過三相交交變頻電路改變電源電壓頻率。圖14為三相矩陣式變頻電路主電路拓撲：圖14. 三相矩陣式變頻電路圖15. 雙向可控開關矩陣式變頻電路輸出電壓為正弦波，且輸出頻率不受電網頻率的限制，則可根據需要設置多個頻率檔，例如60Hz檔、50Hz檔、40Hz檔，可使空調變頻性能更好，此電路變頻功能突破了單相交交變頻只能成倍降頻的功能，優(yōu)越與單相交交變頻電路，使變頻功能更完善。同時輸入電流也可控制為正弦波和電壓同相，提高功率因數，效率較高。矩陣變換器可以在變頻調速中的應用研究既可產生節(jié)能的重大經濟效益，又

20、避免了因諧波污染帶來電力系統(tǒng)環(huán)保問題，是一種“綠色”的變換器。其電氣向能十分理想，有良好的發(fā)展前景。（2）電機變極調速4：通過前述電機轉速公式n=60f/p，可知，固定電源電壓頻率為工頻不變，通過改變電機的極對數p也可達到同樣的變速的目的。原理是通過改變電機供電電流的方向改變原電機的極對數。例如將2極變?yōu)?極，則可將電機轉速將為一半。但通過此種方法變極調速有一定的局限性，通過到熱動實驗室調查分析了解到，空調電機的體積較小，要改變繞組的接線方式或增加繞組難度較大，控制電流的流向也較復雜，不易實現，且造價高。但此方法也為一種研究變速的方向，技術成熟后有待繼續(xù)研究推廣。2.3 主要的技術應用創(chuàng)新之處

21、（1）與定頻空調對比常規(guī)的定頻空調由于供電頻率不能改變，其壓縮機轉速基本不變，所以它不能大幅度地調節(jié)制冷量，而是通過頻繁開啟關閉壓縮機的方式來調節(jié)房間溫度高低，這種方式并不節(jié)能，且對壓縮機的壽命有一定的影響。運用交交變頻電路將定頻空調改造為有兩個固定頻率的雙速空調，則可改變壓縮機供電頻率，調節(jié)壓縮機轉速。供電頻率為高檔時，壓縮機轉速快，空調器制冷（熱）量就大；而當供電頻率為低檔時，空調器制冷（熱）量就小。與定頻相比，空調器采用這種工作方式有許多優(yōu)勢。交交變頻空調的特點 ：（1）省電性：由于它的壓縮機不會頻繁開啟，會使壓縮機保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這可以使空調整體達到節(jié)能20%以上的效果。同時，這對

22、噪音的減少和延長空調使用壽命，有相當明顯的作用。（2）舒適性：由于開機后變頻空調以高頻進行運轉，因此可在短時間內達到設定溫度。室溫恒定，達到設定溫度后變頻空調以低頻運轉，就可以維持室內設定溫度，這保證了空調的均勻制冷，避免了室溫劇烈變化所引起的不適感。（3）低頻起動：“交交變頻空調”采用變頻控制技術，啟動時電壓頻率較小，則啟動電流小，也可達到節(jié)能的效果。 綜上所述，經改造后的雙速空調由于具有變速的功能而減少了很多不必要能量的消耗，達到了在增加舒適度延長壓縮機壽命的基礎上節(jié)能的目的。（2）與現有變頻空調對比現有的變頻空調變頻器為利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置.

23、主要采用交直交方式,先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源,然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機.變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成.整流部分為三相橋式不可控整流器,逆變部分為IGBT三相橋式逆變器,且輸出為PWM波形,中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率.通過變頻器可以自由調節(jié)電機的速度。與之相比雙速空調的優(yōu)點：（1）由于室內溫度變化幅度相對不是很大，所以空調對溫度的敏感度也可以相應降低，則雙速空調完全可達到調節(jié)室內溫度的作用，同時由于交交變頻將交流電直接變?yōu)榭勺冾l率的交流電，則只需要一個主回路，就能替代交直交變頻器中的整流和逆變部

24、分，同時減少了可控器件的控制電路，使所用元器件更少，工藝簡單，在很大程度上節(jié)約了成本。（2）此交交變頻電路只能將電源頻率調節(jié)為另一固定值，則省去了原空調變頻器平滑變速的控制功能， 又在原有的基礎上減少了控制元件及電路，再次節(jié)約成本。其簡單的電路使雙速空調的成本費用遠低于變頻空調，廣大用戶更易于接受，從而將可節(jié)能更有效的推廣。（3）多速空調的其他應用方式在春秋換季季節(jié)溫度相對適宜，若需要空調調節(jié)則其溫度調節(jié)范圍較小，壓縮機在低頻下工作完全可達到調節(jié)溫度的目的，此時可直接切換空調使長期運行與低頻檔，降低輸出功率，同樣能達到節(jié)能的目的。（4）節(jié)電開關通過設計電路達到控制空調待機狀態(tài)時切斷電源的目的，

25、節(jié)省了平時生活中無意浪費掉的電能。除了應用與空調，此節(jié)電開關還可應用與其他電器，例如：電視，計算機等。綜上所述：交交變頻空調不同與以往的定頻空調，通過變頻來減少能耗，同時又比現有的變頻空調成本更低，技術性能更好，更利于推廣。通過折中的思路使其在節(jié)能增效上有很大的突破。且三相矩陣式變頻可使其具有更好的電氣性能。三、理論設計計算（1）主要技術指標交交變頻的頻率變化接近50%?？照{的能效等級在3級以上。 能效比分為兩種，分別是制冷能效比EER和制熱能效比COP，指的是空調的能耗與效用的比值，具體而言就是一臺空調用一千瓦的電可以產生多少千瓦的制冷/熱量。一般情況下，空調主要功能是夏季制冷，所以空調能效比通常指的是制冷能效比EER。例如，一臺定速空調的制冷量是4800W，制冷功率是1860W，