变频技术在制冷家用电器上的应用

变频技术后家用电器制冷系统的若干特点。

1前言和其它家用电器一样，制冷家用电器在21世纪初期的发展方向将是节能化、环保化、智能化、信息化和个性化。节能始终是制冷家用电器研究的重点，因为用于火力发电的矿物燃料并不是取之不竭、用之不尽的。环保化对于制冷家用电器的设计赋予了新的理念，它有两层意思，一是指这些产品的材料以及制造工艺过程不产生对环境有害的作用，二是要求这些电器在运行中不出现不利于人体健康的情况。智能化主要是采用现代人工智能技术来控制制冷家用电器的运行，使之能在最佳的状态下工作。信息化是制冷家用电器发展的必然趋势，目的是使其能拥有收集信息、处理和加工信息、以及发出信息的功能，包括与网络的连接。重视个性发展是现代社会高度文明的标志之一，制冷家用电器的设计应符合购买者的个性要求。

事实上，上述各点之间是相互联系、相辅相成的。例如节约电能不仅降低了用户的费用和减少燃料资源的开采，更重要的是减少了火力发电厂C2的排放，进而抑制温室效应的加剧，有利于环境保护。智能控制可以使制冷家用电器根据负荷大小自动调节其冷量或热量，同时产生明显的节能效果。

由于直流或交流变频制冷压缩机、电子膨胀阀等执行机构的研制和不断完善，使得制冷家用电器上采用先进的智能控制成为可能。家用电器的制冷系统是一个多变量、非线性及时变的系统，经典的控制方法如PI、PID等都需要有系统的精确数学模型，而建立合理且精确的数学模型又比较困难，因此这些控制技术难以在制冷家用电器中应用。模糊控制技术采用模糊推理方法而且不需要系统的数学模型，具有其它控制方法无法比拟的优势。而在制冷家用电器上采用模糊控制技术的前提是必须装有直流或交流变频压缩机。

本文将简要介绍变频技术在制冷家用电器上的应用现状，概述模糊控制的原理及其组成，指出采用变频技术后家用电器制冷系统的若干特点。

2变频技术在制冷家用电器上的应用现状制冷家用电器主要指电冰箱、空调器。据报道，日本三菱电机公司于1998年已推出了采用变频压缩机的MR-JF48R和MR-JF45R两种冰箱。

这种冰箱所用的制冷压缩机通常的转速为3000转/分（频率为50Hz）。在夜间或白天无人开门时，其转速降到2700转/分（频率为45Hz），进入超静节能运行状态。当放人食品需急冻或制冰时，其转速升高至3600转/分（频率为60Hz）。整个运行过程通过变频控制1C自动控制，可明显提高制冷效率和节能降噪。采用变频控制后，MR-JF48R的耗电量由75kWh/月降低到52kWh/月，MR-JF45R的耗电量由71kWh/月降低到36kWh“。采用变频压缩机后，电冰箱单台成本增加了约8000日元，但由于特别节能，如MR-JF45R冰箱一年运行电费可比以前节省9200日元，说明采用变频技术导致的成本增加不到一年便可收回。采用变频控制的冰箱已变得十分畅销。我国第一台采用变频技术的电冰箱于一九九九年在科龙集团研制成功，这项技术填补了我国冰箱行业的一项空白。目前普通冰箱上制冷压缩机的转速在3000转/分左右，而变频制冷压缩机的转速可在2000 4000转/分范围内变化。据科龙集团对第一台变频冰箱的测试报告，它的冷冻能力比原来的电冰箱大20%左右，而日耗电量仅为0.6度，比普通电冰箱节能40%左右。随着人们对采用变频技术的电冰箱的省电、低噪优点有所认识，变频电冰箱一定会越来越受到广大消费者的欢迎，变频电冰箱在我国消费市场上的潜力会越来越显示出来。

新一代的变频空调器因为具有节能效果明显的特点而大受市场的关注。以日本1992年推出的空调器为例，三菱电机公司采用了AS变频器，三菱重工推出了PMV变频系列空调器，还有夏普的AYC40F型、日电的RCV8B/V25B型、富士通的AS28TPR型等空调器都运用了变频调速技术。有些公司还应用了无速度传感器的矢量控制和模糊控制技术，以提篼空调器变频驱动系统的运行性能。据有关资料报道，日本东芝公司生产的RAV-46HT型空调器和未采用变频调速技术的空调器相比可节能20%以上。正是由于具有篼效、节能和控温精度篼的特点，变频空调器迅速占领了市场，成为家用空调器市场的主导产品。1994年底的调结果表明，日本变频空调器的普及率已达50%，具有逐年上升的趋势。到1998年日本的变频空调器的市场占有率已达90%以上。自90年代初开始，变频空调器开始进入中国市场。一些著名的空调器生产厂家先后从国外引进变频空调器生产技术如海尔、春兰、海信、长虹、美的等。在消化和吸收引进技术的同时，积极开发研制国产变频空调器，并有不少研制成功的报导。应该说我国的变频空调器起步是比较晚，但发展迅速。在全国范围内的空调器生产和市场出现了市场需求旺盛、生产能力充足、价格基本平稳、消费者购买理智、市场竞争多元化的趋势，强化技术指导成为众多空调器生产厂家的共同追求。对消费者而言，节能、低噪、能效比篼的空调器最受青睐。1998年2月的家电市场调结果表明，市场占有率最高的（达22.3%）空调器是海尔变频空调器。由此可见，变频空调器在我国家电市场上具有强大的竞争力。

3横糊控制的原理及其组成模糊逻辑控制（FLC）是人工智能领域中形成最早、应用最广的一个重要分支，适用于结构复杂且难以用传统理论建立模型的问题。目前FLC已经成功地用于变频冰箱、变频空调器等制冷家用电器上。

对于多变童、非线性和时变的大系统，系统的复杂性和控制技术的精确性形成了尖锐的矛盾。事实上，人们不可能精确地描述复杂的现象和系统的任何物理状态。因此有必要在控制系统的精确性与有意义之间寻求某种平衡与折中。人们从人是最成功的非线性控制器和人的经验能参与控制过程的事实出发，对控制过程进行了深入的研究，发现以包括人类思维的控制方案为基础的模糊控制能反映人类经验的控制过程的知识，而且可以达到的控制目的能利用某种形式表达出来。这种控制方式简单灵活，易于实现，这就是模糊控制产生的背景。

模糊控制最重要的特征是反映人们的经验以及人们的常识推理规则，而这些经验与常识推理规则是通过语言来表达的。反映人们经验的“大”与与“坏”、“稍许”、“非常”等语言变量所描述的概念通常是一个模糊集合，其描述方式是将各种对象在0与1之间进行速度分配。变量隶属于模糊子集的程度为隶属度，对应的函数称为隶属函数。

模糊控制的控制方案是由某些“如果-那么”

这样的条件语句构成，其中“如果”表示条件和原因，“那么”表示结果或采取的控制行为，它是用语言表达的人们的经验和思想，表明当一种特定的控制过程状态被观察时，哪一种控制方案比较合理。

这些条件语句都是模糊语句，表示了系统状态和控制行为之间的关系，称之为“行为规则集”。行为规则集不是一个简单的询集，是要从目前的实际状态出发，通过行为规则集的推理得到控制方案。模糊控制系统的关键部分是“行为规则集”和“模糊推理算法”两大部分。前者是人工操作的经验，后者涉及模糊集的运算与理论。模糊控制系统还必须有感知目前状态的传感器系统及控制行为指令的输出系统。传感器系统是通过光电信号对控制对象的目前状态进行测童的系统，控制行为指令输出系统是改变控制对象未来状态的系统，它们都是控制器的硬件部分。

采用模糊控制已逐渐成为变频冰箱发展的主流。根据冰箱内的温度传感器测得各室温度值和得出相应的温度变化率，运用模糊神经推理确定箱内食品的温度，进而控制变频压缩机的转速、风扇运转和风门的开闭，达到最佳的运行状况和最佳的保鲜效果。神经网络通过不断的学习和记忆用户的调节要求、环境温度、门开启次数和取放食品等使用情况，预置于控制程序中，然后自动地借助专家系统选择最佳控制方案。根据冰箱的实际运行状态选择在冰箱门开闭最少的时间段内自动化霜，减少了冰箱化霜过程中温度回升对食品的影响。

在一天中门开闭频率最高时间段之前，强制制冷降温，并进行除臭。当箱内放入大量食品或制冰或门开闭频率较高时，自动转换状态，以免箱内食品温度上升。在一天中门开闭频率最低时间段，或内置食品较少时，能降低风扇电机转速，进入节能运行状态，运行噪声也随之降低。神经网络模糊控制器还能根据用户的具体使用情况，合理分配冰箱各室的冷量，如用户在冷冻室放入新鲜食品而其它间室不需要补充冷量时，控制系统会把冷量暂时集中供给冷冻室，使新放入的食品快速冻结，以便速冻保鲜。

空调器的模糊控制就是快速感知空调房间的各主要参数，通过传感器获得室温变化、室内外温湿度、房间情况等大量数据，将这些实测数据与大量经验数据相比较，应用模糊理论使变频压缩机、电子膨胀阀和风机转速及风门这些执行机构作出相应的快速调节。在舒适性空调中，影响舒适度的六个因素是人体的活动量，着衣量，室内外温、湿度，气流的强度和方向，以及辐射热的大小。模糊控制根据这六个要素综合判断，得出最优的控制方案。利用模糊控制，可以使房间空调器具备以下功能：①速热速冷性能；②控制除湿运行；③控制除霜；④调节压缩机转速；⑤结合“人体感知器”感知人体的活动量进行综合判断；⑥晚间低噪音、节能运行。模糊控制为空调器带来的主要优点是：①减少了空调器的能耗。由于压缩机大部分时间处于连续低速的工作状态，减少了空调器起停时的能量损失；空调器的运行与负荷相匹配，因而提高了空调器工作的能效比；另外，所用的压缩机电机的效率在较宽转速范围内保持基本不变，也可降低空调器的能耗。②提高了空调器的寿命。采用模糊控制后，空调器长期处于小功率运转状态，功率管、压缩机的富余功率大，磨损小，线圈温升小。③减少了空调器对电网的冲击。采用模糊控制后，压缩机电机采用低频软启动方式，启动电流小，对电网的冲击小，也使得压缩机对电源电压及频率的敏感度降低。④提高了空调器的适用范围。采用模糊控制后，空调器的制冷（热）量有较大的变化范围，可以适用于多种工况。⑤增强了环境的舒适度。空调器的功率连续可调，因此达到设定温度快，且温度波动小，运转噪音低。

随着模糊控制技术在制冷家用电器中应用研究的不断深入，在控制目标方面从早期的温度控制发展到以PMV（PredictedMeanVote）作为控制基准；在控制策略方面从基于查询表方法的简单模糊控制发展到与其它人工智能领域相结合的智能模糊控制。为了提高控制效果和适应过程参数的变化对控制系统的要求，出现了在线调整模糊参数的自适应、自组织模糊控制器等。如日本已经出现了基于遗传算法或/和神经网络的模糊控制制冷家用电器。另外，混沌理论（Chaos）在日本和韩国的新型空调器中得到应用，如日本三洋公司生产的SAP-E40B6型空调器，在室内机贯流风扇的控制中采用混沌理论，降低了风扇的噪音，增大了风量。

神经网络、模糊控制和专家系统结合起来已得到功能更强的智能控制系统，代表了这一领域的主要发展方向，如利用神经网络来实现模糊控制，利用专家知识、非线性优化算法、遗传算法对模糊规则进行优化等。

4变频家用电器制冷系统的特点4.1要求更加高效和可靠的变频压缩机由于采用变频技术，制冷家用电器制冷系统压缩机在较宽转速范围内运行，因此必须使用变频压缩机。对于变频压缩机，要解决低速运转时的振动问题和润滑油供给问题，还有高速运转时的轴承负荷问题、滑板摩擦和磨损问题，以及气阀寿命问题，因此与定速压缩机相比，变频压缩机的设计和制造的要求更高。对于封闭式变频压缩机，其电动机的性能和运行效率尤为重要。在变频压缩机机械结构相同的情况，采用直流电动机比采用交流电动机更加有效。近年来日本日立、东芝、夏普、三洋等公司正在积极研究直流变频技术，已成功地开发了高效的直流变频压缩机和研制了采用直流变频压缩机和PAM控制技术的变频空调器，使产品节能出现了飞跃。如日本松下新近推出的直流变频257型空调器能效比为5.02，我国海尔直流变频空调器可节能48%. 4.2小功率家电制冷系统可采用毛细管作为节流机构变频制冷家用电器之所以能够高效节能是由于可以根据负荷变化随时对压缩机实行无级能量调节。这就要求制冷剂供液量的调节范围宽。电子膨胀阀具有流量调节范围大、控制精度篼和适于智能控制等特点，是变频制冷系统上理想的节流机构。然而，其价格较篼，导致产品成本升高。注意到变频制冷家用电器大部分时间工作在一段频率范围区间内，而且毛细管的价格低，我们就能否在小功率家电制冷系统内采用毛细管节流这个问题进行了电子膨胀阀与毛细管节流的性能对比分析。结果表明，以空调器为例，各运行频率下，采用电子膨胀阀时系统制冷性能均优于采用毛细管，在20Hz、80Hz、120Hz时，前者的制冷量、EER比后者分别篼出14.6%、10%、5%、6%，和17%、16%.由此可见，在常用频率区间（40Hp80Hz），用毛细管节流也具有可以接受的性能，说明小功率变频家用电器上采用毛细管节流是可行的。

4.3应谨慎选择毛细管的尺寸毛细管的结构参数如长度、内径等是否合适对变频制冷系统的性能有相当大的影响。我们采用经过实验验证的计算模拟方法揭示了不同频率时小冷量变频空调器制冷系统的制冷量、输人功率、EER、质量流量、蒸发温度、冷凝温度、排气温度和过冷度随毛细管长度（内径为1.42mm）的变化规律，分析了产生这些变化的原因。在此基础上，提出了确定小冷量变频空调器制冷系统单根毛细管尺寸应考虑的主要因素。对于采用排气冷却电机方式的变频压缩机的系统而言，应综合考虑制冷童、EER、排气温度和蒸发温度等因素。同时还应注意到，拓宽变频压缩机电机的较篼效率范围以及开发和采用吸气冷却电机型的变频压缩机对于改变篼频运行时的制冷系统性能非常重要。

4.4要仔细确定变频制冷系统的制冷剂充灌量我们就充灌量的改变对变频空调器制冷系统各运行参数及性能参数的影响进行了分析，发现各个频率下制冷量及EER随充灌量的改变存在一个最佳值，并且最佳值的出现具有以下规律：①随着充灌童的改变，制冷量和EER几乎同时达到最佳值；②在各个频率下，与最佳充灌量相对应的蒸发器出口制冷剂状态为：过热度为0，干度为1；③高低频时所需的最佳充灌量不相等，并且高频时所对应的最佳充灌量比低频所对应的最佳充灌童大。变频空调器制冷系统最佳充灌童的确定原则可以总结为：①应能使最大运行频率下蒸发器出口刚好达到饱和状态；②系统必须在压缩机入口配备足够大的气液分离器（储液器），否则低频时，压缩机将出现湿压缩现象；③气液分离器的最小容积可按（M