一种多速节能空调设计说明书

一种多速节能空调设计说明书（节能减排大赛国家二等奖）设计者：徐然2，张敏 3指导教师:张乃强1一、研制背景及意义随着人民生活水平的提高，空调已经成为必备电器之一。

根据近年来电器的市场统计数据，我国城市空调普及率已经超过55%。

对于空调这样的高耗能电器（额定功率735-1500w），就其占有率来说，节能潜力巨大。

目前市场上普遍使用的空调节能技术和措施种类繁多，主要集中在改良压缩机，无级变频技术，节能制冷剂和添加剂和改善冷凝器蒸发器这四个方面，但是上述技术普遍存在成本较高、节能效果不十分明显的特点。

本方案经过广泛的市场调研和分析，提出了一种性价比高的多速节能空调方案设计。

表1列出了本方案和主流节能方案的对比情况。

表1：几种节能技术对比空调的变频技术成为未来发展的必然趋势，定频空调由于能耗大、噪声大等缺点只能渐被淘汰，但变频空调比定频空调的价格高出很多，经调查可知目前大部分的家用空调市场仍被定频空调所占有，要改变空调耗能过大的现状则设计出一种新型节能且成本低廉的空调。

本方案的多速变频空调由于同样具有变频的功能且主电路简单，易于控制，而降低了变频器的成本，公众更易于接受。

在加入节电开关后则更加节能。

在电力电子器件制造技术和计算机技术日新月异的今天，可使交交变频电路具有更好的性能，更利于节能，因此此项目的研究将具有良好的发展前景。

交交变频技术在现有的电力电子技术基础上早已达到成熟阶段，市场上的交交变频器也层出不穷，且都具有良好的变频性能，但将交交变频技术应用于空调变频调速系统的实例尚未出现。

通过对主流空调节能技术的调查对比，发现将交交变频技术应用于空调压缩机转速调节的新型空调具有成本低、节能效果好的优势。

目前市场上的空调分为定频空调和变频空调两种。

由于供电频率不能改变，定频空调的压缩机转速基本不变，所有它不能通过调节压缩机控制制冷量，而是通过调节风机转速的方式来调节房间温度高低，所以定频空调虽然能调节制冷能力，但压缩机的功耗却居高不下。

与之相比，“变频空调”靠变频器改变压缩机的供电频率，调节压缩机转速。

供电频率高，压缩机转速快，空调器制冷（热）量就大；而当供电频率较低时，空调器制冷（热）量就小。

所以变频空调更加节能环保。

但是变频空调的变频能力是靠高成本的交直交变频器实现的。

导致变频空调的平均售价比定频空调要高出1000元以上，超过了使用变频空调节能带来的直接经济价值,成为阻碍变频空调推广的最大障碍。

本方案的空调压缩机不再使用将现有变频空调的交—直—交变频器，而是改用交—交变频器，从而大大降低了成本。

又由于在夏季空调使用高峰，只要室内温度在26℃左右人体即可感觉舒适，不需要变频空调的精确调节。

所以本设计方案可以替代变频空调应用在诸多领域。

此外，含变压器的电器设备在待机而没有切断源的情况下都有待机功耗。

在关闭开关却插着插头的待机状下，常用电器的待机能耗功率分别为：空调3.47瓦，洗衣机2.46瓦，电冰箱4.09瓦，微波炉2.78瓦，抽油烟机6.06瓦，彩电8.07瓦，PC主机35.07瓦，打印机9.08瓦。

把这些待机功耗加起来,相当于在不工作的时候，这些电器一天就要耗电4度。

空调一般没有机械开关，存在待机功耗，积累起来仍然是不可忽视的浪费。

由于人对小范围内的温度变化并不敏感，在夏季室外温度高于30℃时，室温保持26℃，人在室内就会感到舒适，室温在26℃偏差1-2℃也不能明显改变人体的舒适程度。

这也是国务院办公厅《关于深入开展全民节能行动的通知》（国办发〔2008〕106号）[1] 中规定的“严格控制室内空调温度。

除有特定要求并经批准外，公共建筑夏季室内空调温度设置不得低于26摄氏度，冬季室内空调温度设置不得高于20摄氏度。

”的理论依据。

二、设计方案在办公室、家庭环境下采用昂贵的无级变频技术对室温进行精确的控制显得得不偿失。

本方案的出发点就是使用本案来调节温度，达到既节约成本又节能的目的。

调速的基本流程见图1。

图1. 本方案的调速控制流程图本方案包含了一种关机全断电开关。

因为空调待机状态功耗低，取用空调的电流0.1A为阈值，当检测到电源导线电流小于阈值，则触发延时继电器在某个时间段后仍处于待机状态则切断电源，消除大部分待机功耗，可以作为空调节能的有效辅助。

2.1 主要解决方案和原理图将现有空调的交-直-交变频器改为交-交变频器，运用交-交变频使原来的整流和逆变电路用一个交-交变频电路代替，使主电路中的可控元件更少，电路更简单。

同时省去了交-直-交变频器平滑变速的功能，改造后的主电路及触发电路则省去了使变频器平滑调速的控制电路。

从而大大降低了变频器的成本。

图2. 本方案的系统原理框图如图2所示，通过桥式交交变频主电路及触发电路将电源电压频率变为25HZ。

主电路中晶闸管的触发脉冲由555定时器芯片及电容电阻构成，在通过延时器及其他相关元器件构成触发电路。

则可得到频率为50HZ与频率为25HZ的双档电源。

在通过使用继电器组建控制电路与空调的温度传感器相连，根据传感器发出的温度信号来选择电源的频率档，即当空调制冷时选择原50HZ档，电机以额定转速旋转制冷，当室内温度达到初定温度（例如：27度），则通过温度传感器发出的温度信号作用于控制电路使电源通过交交变频电路变为25HZ，则电机以1/2的转速旋转，以维持室内温度，同时降低能耗，。

此外25HZ档还可运用于空调电机启动，由于电机的启动电流正比与电源电压的频率，从而可减小电机的启动电流，减小对电器的冲击，降低能耗。

图中节电开关接在电源侧，其功能为在空调不工作而处于待机状态时，经过一段时间的延迟，可自动切断总电源，减少不必要的电能浪费。

综合来看此空调系统不仅具有优越的性能而且从多个方面减少能耗，达到节能增效。

（1）交交变频主电路原理[2]：改变传统空调定频的模式,引入交交变频调速,通过改变电源频率改变空调压缩机电机转速，不同于以往变频器交—直—交变频调速的原理，直接运用桥式交交变频电路将工频50HZ变为25HZ。

转速公式：n=60f/p其中：n—电机转速；f—电源电压频率；p—电机的极对数。

根据电机转速公式可知将频率降为原来的一半可使电机的转速降为额定转速的1/2。

则可达到变速的目的。

图3. 单相交交变频电路图3为单相桥式交交变频原理图，其中左右两出线端接220v电源，R1为所接的负载，即空调电动机。

D1，D2，D3————D8为半控器件晶闸管。

电路由左右两组反并联的晶闸管变流电路构成，左右两组变频器都是相控整流电路，左半桥工作时，负载电流为正，右半半桥工作时，负载电流为负。

让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。

晶闸管触发控制方式：通过控制8个晶闸管的导通时间可将工频变为原来的一半。

晶闸管D1、D4同步控制设为第一组，同理，D2，D3为第二组，D5、D8为第三组，D6、D7为第四组。

电源电压频率为50Hz，即周期为0.02s。

要得到的电压频率为25Hz，即周期为0.04s；则四组晶闸管的触发周期均为0.04s，控制前两组晶闸管使其在前半周期导通，即0~0.02s内；控制后两组晶闸管使其在后半内周期导通，即0.02S~0.04s内；第一组晶闸管的触发延迟0s，第二组晶闸管的触发延迟0.01s，第三组触发延迟0.02s，第四组触发延迟0.03s。

则可在四组晶闸管轮流导通下得到频率为25HZ 的电压，达到频率变为一半的目的。

在将所得的四波头波形通过中心频率为25Hz的带通滤波器得到谐波较小的正弦波。

通过以上原理可知：输出电压并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成。

再将输出电压经过滤波器则可得到较平滑的25Hz正弦波。

图4为单相桥式交交变频电路的仿真图（所用仿真软件为Matlab）图4. 单相桥式交交变频电路的仿真图图5. 交—交变频电路的仿真波形输出图图5为单相桥式交交变频电路的仿真波形输出图，其中波形一为没有经过滤波的交交变频电路直接输出波形；波形二为经过滤波后的输出电压波形；波形三为输出电压起振过程；波形四为稳定的输出波形。

通过软件仿真可知变频电路将原50HZ电源变为25HZ输出图6. 由八个MOS管构成的交交变频桥实物（2）晶闸管触发电路[3]：晶闸管触发脉冲由555定时器芯片及电阻、电容、二极管构成的多谐振荡电路产生，调节电阻阻值及电容值就可得到所需要的占空比为1/4周期为0.04S的矩形脉冲。

电路振荡频率f及占空比q的计算公式如下：f = 1/T=1/0.7(R1+R2)Cq=R1/(R1+R2)再通过三组延时器将主脉冲分别延迟0.01s、0.02s、0.03s得到四组晶闸管的触发脉冲分别作用与四组晶闸管。

下图为延迟电路的原理图，图中R4、C1为定时元件，定时时间T=RC （s），为了调整延时时间，可通过改变R4、C1来实现，调节不同的R4、C1值得到三组延迟后的触发脉冲。

图7. 晶闸管触发电路图8. 触发脉冲延迟器的原理四组触发脉冲波形图见图九：图9. 四组触发脉冲波形图图10. 晶闸管触发电路板（3）控制电路控制模式：（1）双档转换控制：通过由继电器构成的控制电路控制以上双速空调器压缩机在两速之间的转换，将控制电路与原空调内的温度传感器相连，传感器发出的温度信号作用与控制电路，经判断可使控制电路中的继电器开关选择电源的高频档或低频档。

例如初设温度为27度，则空调开始制冷时通过控制电路控制使压缩机工作在高频档，则电机转速高，迅速制冷；当室内温度达到27度时，则可根据传感器发出的温度信号使控制电路选择低频档，使压缩机工作在一半转速，能维持室内温度即可，同时降低功率损耗。

（2）启动控制：由于电机的启动电流与电源电压频率成正比，启动电流越大则耗能越大，电机的寿命越短；使用电源低频档启动可使启动大流大大降低，减小启动时对电机的冲击，减少能耗。

将空调启动开关与控制电路继电器相连，启动的同时将继电器打到低频档，使电源经过交交变频电路，低频启动。

控制电路的电路图见图11。

控制开关选择分三个阶段，第一阶段为启动时低频档25Hz 工作，第二阶段高频档50Hz工作，第三阶段即温度已达到设定值时低频档25Hz工作。

保护元件：熔断器FU1（电机过载保护）；FU2（控制电路的短路保护）；断路器QF（电机短路、过载保护）。

合上开关QF和控制回路开关SA1 ，再合上继电器KA ，将开关S置于“自动”位置，启动按钮SB1，中间继电器KA1、KA2得电吸合并自锁，KA1常开触点闭合，中间触电器KA4得电吸合，其常开触点闭合，接触器KM1得电吸合，接通25 Hz电源档启动电机。

与此同时，时间继电器KT线圈通电，经过一段延时后，其延时闭合常开触点闭合，中间继电器KA3得电吸合，其常开触点闭合，接触器KM2得电吸合，接通50 Hz电源档。