为什么要整合电动机控制和PFC

出处:网络 发布于:2022-11-01 16:45:09

    炎热的夏季,人人都爱空调。不幸的是,我们的物质享受却往往与我们的预算格格不入,空调也不例外。空调设备是家中的电源消耗源,对那些提供更高效系统的HVAC供货商而言,这是一股沉重的压力。
    本文总结了效率的产业定义,并说明了HVAC设计师所使用的技术,在满足这些愈来愈具有挑战性的标准的同时,还可降低他们系统实施的成本。
    定义效率
    效率的一个衡量标准是能效比(Energy Efficiency Ratio,EER)。能效比的计算公式为净冷却能力(net cooling capacity)(计量单位为Btuh)除以总输入功率(以kW为计量单位)。该量测可以在任何操作条件下使用,但为了公平比较,能效比已经被标准化成一单一的操作条件。
    第二,这可以说是一种比较有用的说法,那就是效率的量测是季节的能效比(Seasonal Energy Efficiency Ratio,SEER),一个季节能效比的值是对多个操作模式(像是启动、稳态运行和休息)下高、低湿度条件加权后之能效比值。 SEER具有与能效比相同的单位;因此,值愈高表示效率愈高。
    由于为满足能效比和SEER要求的标准一直在提高,而HVAC业者就藉由控制算法的改进,和提高系统的整合来保持。下一节将说明HVAC厂商如何藉由结合高效变速控制算法与主动功率因子校正,而达成控制算法的改进和提高系统的整合。
    为什么要整合电动机控制和PFC
    变速电动机控制采用数字转子角度估算和一种称为磁场定向控制(Field Oriented Control ,FOC)的技术,以便在压缩机转速曲线的较低端和较高端提供更好的转矩响应。FOC不仅只是启动和关闭电动机,还提供具有转矩涟波的扭矩和在整个电动机速度范围内减小的振动。除了增加电动机的使用寿命和可靠性,当控制输出没有调谐到电动机的速度时,基于FOC的变速控制可减少能源的浪费量。这种技术目前是高效HVAC设计的黄金标准。
    功率因子校正可用来将HVAC设计的可用有效功率化。除了是IEC61000 EMC标准之下的一项要求,PFC还具有显著的应用优势。借着将有效功率化,就会有更多由电力公司所提供的能量可以给应用来使用,也可实现更高的总线电压。由于总线电压与冷却你家房子的电动机之速度成正比,高效PFC的实现需要更少的能源来为A / C提供更高的散热能力。
    主动式PFC(意味着用到一颗()的死循环PFC控制器)可增加保持恒定输出电压的好处,而不管负载的变化。负载是速度的一个函数,而这早已由系统的MCU所管理着。因此,一种结合了PFC和基于FOC的变速电动机控制之单一MCU实现方法业已出现,而成为实现HVAC设计效率的组合。
    在由Nene & Akin 合着而刊登在家电设计杂志2011年1月版上的这篇名为“Efficient Motor Control for HVAC Appliances”的文章中,详细地解释了一种结合变速电动机控制和PFC的常见方法 。我为有兴趣了解实现细节的读者而将该文做了个简单的结论。
    交错式电动机控制和PFC
    假设电动机控制回路的操作频率为20 KHz,PFC回路的为100 KHz。PFC电流控制器在50 kHz切换频率的一半工作,而电动机控制回路则是在10 KHz工作。 图1显示出了的同步PFC和电动机控制回路。
    图1:PFC和电动机控制同步 - 一颗具有灵活ADC和PWM模块的MCU让电动机控制反馈输入可在PFC PWM的中点被精准地采样,以便将开关噪声降到。
    该MCU必须具有够好的性能,以保持这两个控制回路。更关键的是,为了防止下变频电动机控制回路破坏更高频率的PFC回路,MCU必须将延迟限度地减少。

    这可以通过使用两个专用的中断来实现,但这将导致极端情况,这种情况下,在较慢电动机控制回路的计算会延迟更快PFC控制回路的执行。其结果将随应用而变。一种经过改进的实施将可通过相同的中断来管理这两种控制回路。这种单一的中断是由更快的PFC控制回路所触发 ,而较慢的运动控制回路则会分成时间片,它们可在PFC ISR延迟时间要求之内充分地被计算出来。图2给出了所提出中断服务常用程序之示意图。

    减少电费 从有效率的A/C设计开始
    图2:电动机控制与PFC回路可以通过同一个中断常用程序进行管理,以确保在获得实时控制性能的同时,还有充分的性能余量来执行一个不显眼的应用程序级之背景循环。
    有鉴于今天的先进实时控制解决方案之可用性,这项技术已经推广到可充分支持处理器上的双马达 + PFC 架构,运行速度可低至60 MHz。其他实施方式包括使用加速器或双核的实现方式,以切分PFC和电动机控制系统的责任。市面上有许多各式各样的产品组合可满足高效HVAC设计中各种复杂的需求。
    不管你的供货商的喜好,务必要特别留意这些功能,这些功能将可以让你从设计中挤出的效率,及可缩减上市时间且经过生产验证的软件实现之效率。于此同时,如果你为自己买了一个高效的HVAC系统,请保持凉快,住得舒服些,并且想想生活中只要少一点罪恶感的感觉是如何。

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