空气源热泵热水器控制系统的变频改造

雷 亮， 孟 文， 谷翠军

(西南交通大学，四川 成都 610031)

0 引 言

空气源热泵热水器因其节能环保、加热安全、安装方便等优点而越来越得到大众的认可。但是，目前使用较多的定频空气源热泵热水器对水温的控制是依靠压缩机的运行或者停止来进行调整的，这样就会造成压缩机的频繁起动，耗电多，缩短了设备的使用寿命[1-3]。此外，由于采用压缩机直接工频运行的方式，系统起动瞬间电流较大，影响电网中其他用电设备的正常运行。

为了解决定频热泵热水器目前存在的这些弊端，同时考虑到价格因素依然是制约空气源热泵热水器目前难以大规模推广的主要原因，本文提出一种以单片机为核心的空气源热泵控制系统的变频改造方案。

1 压缩机变频调速原理

由电机学可知交流电机的转速与输入电源频率成正比关系：

(1)

式中：n——电机转速；

f——电源频率；

s——转差率；

p——磁极对数。

在压缩机选型确定后，内部交流电机的s和p也就固定不变。从式(1)中可得出，改变输入电源频率会使得压缩机运转速度随之变化。

当异步电机稳定运行时，如果忽略定子压降，则磁通和电压、频率之间满足如下关系：

(2)

式中：φ——定子磁通量；

E——定子电压；

k——电机绕组系数；

f——定子频率；

N——定子绕组匝数[2]。

异步电机的转矩是由定子磁通与转子电流的相互作用而产生的。当定子磁通增加时，会引起励磁电流上升，加剧铁心和线圈发热，严重时会烧毁电机；当磁通降低时，会使得电机转矩下降，达不到运行要求。因此，在异步电机运行时，需要保持其磁通恒定。由式(2)可知，要使得磁通不变化，那么在变频调速改变输入电源频率时，电压也要对应发生改变[2]。

在异步电机起动或极低速运行时，如果电压完全成比例地随频率下降，此时转矩受定子电阻压降的影响会比较显著，这就会导致励磁不足而使电动机不能获得足够的转矩。因此，在低频时要使得输出电压提高一些，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电动机的输出转矩，U/F曲线如图1所示。

图1 U/f曲线图

图中：uk——手动转矩提升电压；

umax——最大输出电压；

fk——转矩提升的截止频率；

fb——基本运行频率(50Hz)；

fmax——最大运行频率。

在基频以上时(f>fb)，为了保障输出电压不超过电机额定电压，采用输出电压保持额定水平，改变频率的恒功率调速方式。

2 控制系统的硬件设计

2.1 空气源热泵热水器热循环

如图2所示，低压、低温工质在蒸发器中气化吸收环境热量，进而压缩机的作用下变为高压热工质，再通过冷凝器把热量传递给储水箱中的冷水，冷凝后的工质经节流装置降压后再次被输送进蒸发器，开始下一次热循环。

2.2 系统硬件原理

控制系统的硬件电路主要包括主电路、控制电路、人机接口电路、继电器驱动电路和信号采集电路。控制器硬件结构框图如图3所示。

图3 控制器硬件结构框图

CPU采用ATmega16[4]。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS单片机，数据吞吐率高达1MIPS/MHz，其内部自带8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，起到了简化电路的作用。

SPWM波控制逆变电路，使其输出的脉冲电压的面积与正弦波在对应区间的面积相等，达到由调整SPWM波的频率和幅值则来改变逆变电路输出电压的频率和幅值的目的。为了降低CPU的运算负荷，本系统选择SM2001[5]作为三相正弦波脉宽调制(SPWM)信号发生器，其外围电路如图4所示。SM2001工作频率宽，通过高速三线同步串行接口(串口片选脚CS、串口时钟脚CK、串口数据脚DA)与单片机连接，能够输出高效准正弦波用于交流电机驱动。

图4 SM2001的外围电路

智能功率模块(IPM)是将功率器件(IGBT)、驱动电路和故障检测电路集为一体的混合功率器件。本系统选用三菱电机DIP-IPM模块PS21869[6]，其IGBT定额50A/600V，电机容量3.7kW，内部集成驱动电路、快速过流保护电路、驱动电源欠压保护电路，具有开关速度快、低功耗、抗干扰能力强等特点。功率模块外围电路如图5所示。为了使IPM稳定运行，利用二极管的单向导通的特点，为PS21869提供4路相互隔离的电源(上三桥3路分别供电，下三桥共用1路)。FO是PS21869故障信号输出端口，将其接入ATmega16单片机的外部中断口和波形发生器SM2001的异常中断脚INT。当IPM故障时便能立刻停止PWM脉冲信号输出并报警，提高系统可靠性。

图5 功率模块PS21869的外围电路

为了提高波形控制器SM2001和功率模块PS21869接口部分的抗干扰能力，本文选用高速光耦TLP759组成隔离驱动电路，如图6所示。

图6 隔离驱动电路

继电器驱动电路如图7所示，主要由反相驱动芯片TD62083构成。TD62083最大驱动电流为500mA,单片机输出高电平时，经TD62083输出一低电平触发控制风机、循环水泵、四通阀和补水电磁阀的继电器动作。

图7 继电器驱动电路

人机接口模块由液晶显示和按键组成，主要功能是完成参数设置以及系统状态的实时显示。信号采集电路将各处模拟量和开关量送入单片机。模拟量是指水箱温度、环境温度和盘管温度和压缩机排气温度；开关量包括压缩机进/排气压力保护开关、流量开关和水位开关。温度传感器将测得的模拟信号输入到ATmega16的PA口，利用单片机自带的A/D转换器对温度值进行读取。

系统工作过程如下： 在主电路中，交流电通过整流、滤波后变为直流电，输入智能功率模块PS21869的P、N端。单片机接收信号采集电路输入的储水箱温度值和人机接口电路输入的温度值，然后经过计算处理，通过与SM2001串口连接端发出控制指令，进而控制SPWM波的输出频率和调制幅度。经光耦隔离后输入给PS21869的信号端，控制其上下两臂6个IGBT的通断以达到控制输入压缩机电源频率的目的。

3 控制系统的软件设计

3.1 SM2001的控制子程序

SM2001的控制流程如图8所示，主要功能是接收单片机指令，完成对输出波形的控制。

图8 SM2001控制流程

系统上电后首先复位输出允许控制管脚OE，然后对寄存器进行初始化设置，只有OE为高时，才允许SPWM波输出。故障中断管脚INT能够接受IPM模块发出的电路异常信号立刻停止SPWM波的输出。

输出三相波频率fs计算式：

(3)

式中：fc——输入时钟频率；

Pf——频率控制寄存器PFR的值。

输出三相波幅度As计算式：

(4)

式中：Am——幅度控制寄存器AMPR的值。

此外，对SM2001的设置还包括载波频率和死区时间等[5-6]。

3.2 算法子程序

算法子程序是整个控制系统软件的核心部分，其主要功能是要使得控制器能够根据设定水温值与温度传感的检测值计算出适合供给压缩机的电源频率。整个控制过程根据温差范围分为两部分。

当设定温度值(T设)与检测温度值(T测)之差(T设-T测)大于3℃时，压缩机转速迅速提升至最高频率运行，系统快速加热；当T设-T测≤3℃时，系统采用PID控制来计算压缩机的运行频率。若T设T测，则输入电源频率增大，压缩机运行速度升高，水箱温度上升，直到与设定值相同。多次调节以后，设定水温和水箱水温的差值在一个很小的区间内波动，此时压缩在低转速、低能耗状态下运行，起到恒温的作用，同时避免了压缩机频繁起停所造成的寿命衰减[1]。

PID控制算法就是将设定温度值与检测温度值的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)，再经过线性组合的方法对输入电源频率进行控制[7]。为了便于系统控制，选用数字PID控制器，其算式如下：

(5)

式中：u(t)——控制输出信号；

e(k)——偏差信号；

KP、KI和KD——比例系数、积分系数和微分系数。

增量型数字PID控制算法只需保持前三个时刻的偏差信号取值，因此能够减少计算量，提高系统实时响应的能力。由式(5)推得压缩机频率增量的增量型数字PID控制算法，如式(6)所示：

Δfk=fk-fk-1=KPTk-Tk-1+

KITk+KD(Tk-2Tk-1+Tk-2)

(6)

式中：fk——输出频率；

Tk——温度偏差。

求得频率增量以后再与前一次输出频率相加便可得输入电源频率。PID算法流程如图9所示。

图9 PID算法流程

3.3 系统程序流程

系统程序由括主程序和子程序组成。同时为了便于分析调试，系统程序采用模块化设计，主程序流程如图10所示。

图10 主程序流程图

信号采集子程序将水箱温度、蒸发器温度、排气温度、压缩机进排气压力、水流量和水位信号送入CPU，判断系统运行状况。控制量输出部分完成对风机、水泵、四通阀和补水电磁阀等起停控制，为压缩机的运转做好准备。数据处理子程序是整个流程的核心部分，包括SM2001控制子程序和算法子程序，CPU计算出对应工况下压缩机的运行频率。

4 试 验

改造后的控制系统在某品牌3P循环式空气源热泵热水器(额定电压380V，最大输入功率3kW，制量9.3kW)上进行调试和运行，水箱水温波动较小，压缩机的运行噪声降低。但是单次将水箱内的水加热到设定温度值，经计算，改造前、后两者性能系数(cop=制热量/消耗功率)差别不大，变频系统省电优势不太明显。由于加热热水的热量来自于室外空气和压缩机做工，而在室外空气供热量一定时，变频和定频系统用电量也就差别不大。在保持一定水温水量供给时，定频系统对于温度的调节只能依靠压缩机开/关控制，压缩机起停频繁，起动电流较大，耗电多；变频系统则能够低频运行，维持水温基本恒定，避免压缩机频繁起停造成的电能浪费，同时延长了压缩机寿命，热水器舒适度得到提高。

5 结 语

本文所介绍的热泵热水器控制系统具有结构简单、低成本等特点。经现场试验，改造后的控制系统运行稳定，达到了设计目标，有一定的工程应用价值。随着人们节能意识的提高以及科技的发展，变频控制技术在空气源热泵热水器行业将有着更广阔的应用前景。

【参考文献】

[1] 田长青，邵双全，石文星.变频空气源热泵技术[J].流体机械,2008，33(9)： 67-71.

[2] 张承慧，崔纳新，李珂.交流电机变频调速及其应用[M].北京： 机械工业出版社,2008.

[3] 胡晓波.基于PLC的水源热泵节能控制系统[J].自动化博览，2008(10)： 80-82.

[4] ATMEL公司.ATmega16单片机数据手册[G].2003.

[5] 谢文刚.三相正弦波脉宽调制(SPWM)信号发生器SM2001[J].电源技术应用，2002，5(9)： 39- 44.

[6] 吴红星.电机驱动与控制专用集成电路应用手册[M].北京： 中国电力出版社，2009.

[7] 韩登宇，刘卫国，付晓蔚.基于单片的皮带秤变频调速控制仪的设计与实现[J].微计算机信息，2012，28(6)： 67-68.