减少电费，从有效率的A/C设计开始

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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。空调设备是家中最大的电源消耗源，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要求的最低标准一直在提高，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领先。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，还提供具有最小转矩涟波的最佳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最大化。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。借着将有效功率最大化，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。由于最大总线电压与冷却你家房子的电动机之最大速度成正比，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（意味着用到一颗微控制器（MCU）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设计最高效率的最佳组合。
       
        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显示出了最佳的同步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最低。

        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必须将延迟最大限度地减少。
       
        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最大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。

       
       
        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最大的效率，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。