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炎熱的夏季，人人都愛空調。不幸的是，我們的物質享受卻往往與我們的預算格格不入，空調也不例外。空調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業定義，并說明了HVAC設計師所使用的技術，在滿足這些愈來愈具有挑戰性的標準的同時，還可降低他們系統實施的成本。 定義效率 效率的一個衡量標準是能效比（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，能效比已經被標準化成一單一的操作條件。 第二，這可以說是一種比較有用的說法，那就是效率的量測是季節的能效比（Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER），一個季節能效比的值是對多個操作模式（像是啟動、穩態運行和休息）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。 由于為滿足能效比和SEER要求的最低標準一直在提高，而HVAC業者就藉由控制算法的改進，和提高系統的整合來保持領先。下一節將說明HVAC廠商如何藉由結合高效變速控制算法與主動功率因子校正，而達成控制算法的改進和提高系統的整合。 為什么要整合電動機控制和PFC 變速電動機控制采用數字轉子角度估算和一種稱為磁場定向控制（Field Oriented Control ，FOC）的技術，以便在壓縮機轉速曲線的較低端和較高端提供更好的轉矩響應。FOC不僅只是啟動和關閉電動機，還提供具有最小轉矩漣波的最佳扭矩和在整個電動機速度范圍內減小的振動。除了增加電動機的使用壽命和可靠性，當控制輸出沒有調諧到電動機的速度時，基于FOC的變速控制可減少能源的浪費量。這種技術目前是高效HVAC設計的黃金標準。 功率因子校正可用來將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還具有顯著的應用優勢。借著將有效功率最大化，就會有更多由電力公司所提供的能量可以給應用來使用，也可實現更高的總線電壓。由于最大總線電壓與冷卻你家房子的電動機之最大速度成正比，高效PFC的實現需要更少的能源來為A / C提供更高的散熱能力。 主動式PFC（意味著用到一顆微控制器（MCU）的死循環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。負載是速度的一個函數，而這早已由系統的MCU所管理著。因此，一種結合了PFC和基于FOC的變速電動機控制之單一MCU實現方法業已出現，而成為實現HVAC設計最高效率的最佳組合。 在由Nene & Akin 合著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機控制和PFC的常見方法 。我為有興趣了解實現細節的讀者而將該文做了個簡單的結論。 交錯式電動機控制和PFC 假設電動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和電動機控制回路。 圖1：PFC和電動機控制同步 - 一顆具有靈活ADC和PWM模塊的MCU讓電動機控制反饋輸入可在PFC PWM的中點被精準地采樣，以便將開關噪聲降到最低。 該MCU必須具有夠好的性能，以保持這兩個控制回路。更關鍵的是，為了防止下變頻電動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。 這可以通過使用兩個專用的中斷來實現，但這將導致極端情況，這種情況下，在較慢電動機控制回路的計算會延遲更快PFC控制回路的執行。其結果將隨應用而變。一種經過改進的實施將可通過相同的中斷來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 ，而較慢的運動控制回路則會分成時間片，它們可在PFC ISR最大延遲時間要求之內充分地被計算出來。圖2給出了所提出中斷服務常用程序之示意圖。 圖2：電動機控制與PFC回路可以通過同一個中斷常用程序進行管理，以確保在獲得實時控制性能的同時，還有充分的性能余量來執行一個不顯眼的應用程序級之背景循環。 有鑒于今天的先進實時控制解決方案之可用性，這項技術已經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。其他實施方式包括使用加速器或雙核的實現方式，以切分PFC和電動機控制系統的責任。市面上有許多各式各樣的產品組合可滿足高效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，及可縮減上市時間且經過生產驗證的軟件實現之效率。于此同時，如果你為自己買了一個高效的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罪惡感的感覺是如何。 |
