變頻技術后家用電器制冷系統的若干特點。

　　1前言和其它家用電器一樣，制冷家用電器在21世紀初期的發展方向將是節能化、環保化、智能化、信息化和個性化。節能始終是制冷家用電器研究的重點，因為用于火力發電的礦物燃料并不是取之不竭、用之不盡的。環保化對于制冷家用電器的設計賦予了新的理念，它有兩層意思，一是指這些產品的材料以及制造工藝過程不產生對環境有害的作用，二是要求這些電器在運行中不出現不利于人體健康的情況。智能化主要是采用現代人工智能技術來控制制冷家用電器的運行，使之能在比較佳的狀態下工作。信息化是制冷家用電器發展的必然趨勢，目的是使其能擁有收集信息、處理和加工信息、以及發出信息的功能，包括與網絡的連接。重視個性發展是現代社會高度文明的標志之一，制冷家用電器的設計應符合購買者的個性要求。

　　事實上，上述各點之間是相互聯系、相輔相成的。例如節約電能不僅降低了用戶的費用和減少燃料資源的開采，更重要的是減少了火力發電廠C2的排放，進而抑制溫室效應的加劇，有利于環境保護。智能控制可以使制冷家用電器根據負荷大小自動調節其冷量或熱量，同時產生明顯的節能效果。

　　由于直流或交流變頻制冷壓縮機、電子膨脹閥等執行機構的研制和不斷完善，使得制冷家用電器上采用先進的智能控制成為可能。家用電器的制冷系統是一個多變量、非線性及時變的系統，經典的控制方法如PI、PID等都需要有系統的精確數學模型，而建立合理且精確的數學模型又比較困難，因此這些控制技術難以在制冷家用電器中應用。模糊控制技術采用模糊推理方法而且不需要系統的數學模型，具有其它控制方法無法比擬的優勢。而在制冷家用電器上采用模糊控制技術的前提是必須裝有直流或交流變頻壓縮機。

　　本文將簡要介紹變頻技術在制冷家用電器上的應用現狀，概述模糊控制的原理及其組成，指出采用變頻技術后家用電器制冷系統的若干特點。

　　2變頻技術在制冷家用電器上的應用現狀制冷家用電器主要指電冰箱、空調器。據報道，日本三菱電機公司于1998年已推出了采用變頻壓縮機的MR-F48R和MR-F45R兩種冰箱。

　　這種冰箱所用的制冷壓縮機通常的轉速為3000轉/分（頻率為50Hz）。在夜間或白天無人開門時，其轉速降到2700轉/分（頻率為45Hz），進入超靜節能運行狀態。當放人食品需急凍或制冰時，其轉速升高至3600轉/分（頻率為60Hz）。整個運行過程通過變頻控制1C自動控制，可明顯提高制冷效率和節能降噪。采用變頻控制后，MR-F48R的耗電量由75kWh/月降低到52kWh/月，MR-F45R的耗電量由71kWh/月降低到36kWh采用變頻壓縮機后，電冰箱單臺成本增加了約8000日元，但由于特別節能，如MR-F45R冰箱一年運行電費可比以前節省9200日元，說明采用變頻技術導致的成本增加不到一年便可收回。采用變頻控制的冰箱已變得十分暢銷。我國第一臺采用變頻技術的電冰箱于一九九九年在科龍集團研制成功，這項技術填補了我國冰箱行業的一項空白。目前普通冰箱上制冷壓縮機的轉速在3000轉/分左右，而變頻制冷壓縮機的轉速可在2000 4000轉/分范圍內變化。據科龍集團對第一臺變頻冰箱的測試報告，它的冷凍能力比原來的電冰箱大20%左右，而日耗電量僅為0.6度，比普通電冰箱節能40%左右。隨著人們對采用變頻技術的電冰箱的省電、低噪優點有所認識，變頻電冰箱一定會越來越受到廣大消費者的歡迎，變頻電冰箱在我國消費市場上的潛力會越來越顯示出來。

　　新一代的變頻空調器因為具有節能效果明顯的特點而大受市場的關注。以日本1992年推出的空調器為例，三菱電機公司采用了AS變頻器，三菱重工推出了PMV變頻系列空調器，還有夏普的AYC40F型、日電的RCV8B/V25B型、富士通的AS28TPR型等空調器都運用了變頻調速技術。有些公司還應用了無速度傳感器的矢量控制和模糊控制技術，以提篼空調器變頻驅動系統的運行性能。據有關資料報道，日本東芝公司生產的RAV-46HT型空調器和未采用變頻調速技術的空調器相比可節能20%以上。正是由于具有篼效、節能和控溫精度篼的特點，變頻空調器迅速占領了市場，成為家用空調器市場的主導產品。1994年底的調結果表明，日本變頻空調器的普及率已達50%，具有逐年上升的趨勢。到1998年日本的變頻空調器的市場占有率已達90%以上。自90年代初開始，變頻空調器開始進入中國市場。一些著名的空調器生產廠家先后從國外引進變頻空調器生產技術如海爾、春蘭、海信、長虹、美的等。在消化和吸收引進技術的同時，積極開發研制國產變頻空調器，并有不少研制成功的報導。應該說我國的變頻空調器起步是比較晚，但發展迅速。在全國范圍內的空調器生產和市場出現了市場需求旺盛、生產能力充足、價格基本平穩、消費者購買理智、市場競爭多元化的趨勢，強化技術指導成為眾多空調器生產廠家的共同追求。對消費者而言，節能、低噪、能效比篼的空調器比較受青睞。1998年2月的家電市場調結果表明，市場占有率比較高的（達22.3%）空調器是海爾變頻空調器。由此可見，變頻空調器在我國家電市場上具有強大的競爭力。

　　3橫糊控制的原理及其組成模糊邏輯控制（FLC）是人工智能領域中形成比較早、應用比較廣的一個重要分支，適用于結構復雜且難以用傳統理論建立模型的問題。目前FLC已經成功地用于變頻冰箱、變頻空調器等制冷家用電器上。

　　對于多變童、非線性和時變的大系統，系統的復雜性和控制技術的精確性形成了尖銳的矛盾。事實上，人們不可能精確地描述復雜的現象和系統的任何物理狀態。因此有必要在控制系統的精確性與有意義之間尋求某種平衡與折中。人們從人是比較成功的非線性控制器和人的經驗能參與控制過程的事實出發，對控制過程進行了深入的研究，發現以包括人類思維的控制方案為基礎的模糊控制能反映人類經驗的控制過程的知識，而且可以達到的控制目的能利用某種形式表達出來。這種控制方式簡單靈活，易于實現，這就是模糊控制產生的背景。

　　模糊控制比較重要的特征是反映人們的經驗以及人們的常識推理規則，而這些經驗與常識推理規則是通過語言來表達的。反映人們經驗的“大”與與“壞”、“稍許”、“非常”等語言變量所描述的概念通常是一個模糊集合，其描述方式是將各種對象在0與1之間進行速度分配。變量隸屬于模糊子集的程度為隸屬度，對應的函數稱為隸屬函數。

　　模糊控制的控制方案是由某些“如果-那么”

　　這樣的條件語句構成，其中“如果”表示條件和原因，“那么”表示結果或采取的控制行為，它是用語言表達的人們的經驗和思想，表明當一種特定的控制過程狀態被觀察時，哪一種控制方案比較合理。

　　這些條件語句都是模糊語句，表示了系統狀態和控制行為之間的關系，稱之為“行為規則集”。行為規則集不是一個簡單的詢集，是要從目前的實際狀態出發，通過行為規則集的推理得到控制方案。模糊控制系統的關鍵部分是“行為規則集”和“模糊推理算法”兩大部分。前者是人工操作的經驗，后者涉及模糊集的運算與理論。模糊控制系統還必須有感知目前狀態的傳感器系統及控制行為指令的輸出系統。傳感器系統是通過光電信號對控制對象的目前狀態進行測童的系統，控制行為指令輸出系統是改變控制對象未來狀態的系統，它們都是控制器的硬件部分。

　　采用模糊控制已逐漸成為變頻冰箱發展的主流。根據冰箱內的溫度傳感器測得各室溫度值和得出相應的溫度變化率，運用模糊神經推理確定箱內食品的溫度，進而控制變頻壓縮機的轉速、風扇運轉和風門的開閉，達到比較佳的運行狀況和比較佳的保鮮效果。神經網絡通過不斷的學習和記憶用戶的調節要求、環境溫度、門開啟次數和取放食品等使用情況，預置于控制程序中，然后自動地借助專家系統選擇比較佳控制方案。根據冰箱的實際運行狀態選擇在冰箱門開閉比較少的時間段內自動化霜，減少了冰箱化霜過程中溫度回升對食品的影響。

　　在一天中門開閉頻率比較高時間段之前，強制制冷降溫，并進行除臭。當箱內放入大量食品或制冰或門開閉頻率較高時，自動轉換狀態，以免箱內食品溫度上升。在一天中門開閉頻率比較低時間段，或內置食品較少時，能降低風扇電機轉速，進入節能運行狀態，運行噪聲也隨之降低。神經網絡模糊控制器還能根據用戶的具體使用情況，合理分配冰箱各室的冷量，如用戶在冷凍室放入新鮮食品而其它間室不需要補充冷量時，控制系統會把冷量暫時集中供給冷凍室，使新放入的食品快速凍結，以便速凍保鮮。

　　空調器的模糊控制就是快速感知空調房間的各主要參數，通過傳感器獲得室溫變化、室內外溫濕度、房間情況等大量數據，將這些實測數據與大量經驗數據相比較，應用模糊理論使變頻壓縮機、電子膨脹閥和風機轉速及風門這些執行機構作出相應的快速調節。在舒適性空調中，影響舒適度的六個因素是人體的活動量，著衣量，室內外溫、濕度，氣流的強度和方向，以及輻射熱的大小。模糊控制根據這六個要素綜合判斷，得出比較優的控制方案。利用模糊控制，可以使房間空調器具備以下功能：①速熱速冷性能；②控制除濕運行；③控制除霜；④調節壓縮機轉速；⑤結合“人體感知器”感知人體的活動量進行綜合判斷；⑥晚間低噪音、節能運行。模糊控制為空調器帶來的主要優點是：①減少了空調器的能耗。由于壓縮機大部分時間處于連續低速的工作狀態，減少了空調器起停時的能量損失；空調器的運行與負荷相匹配，因而提高了空調器工作的能效比；另外，所用的壓縮機電機的效率在較寬轉速范圍內保持基本不變，也可降低空調器的能耗。②提高了空調器的壽命。采用模糊控制后，空調器長期處于小功率運轉狀態，功率管、壓縮機的富余功率大，磨損小，線圈溫升小。③減少了空調器對電網的沖擊。采用模糊控制后，壓縮機電機采用低頻軟啟動方式，啟動電流小，對電網的沖擊小，也使得壓縮機對電源電壓及頻率的敏感度降低。④提高了空調器的適用范圍。采用模糊控制后，空調器的制冷（熱）量有較大的變化范圍，可以適用于多種工況。⑤增強了環境的舒適度。空調器的功率連續可調，因此達到設定溫度快，且溫度波動小，運轉噪音低。

　　隨著模糊控制技術在制冷家用電器中應用研究的不斷深入，在控制目標方面從早期的溫度控制發展到以PMV（PredictedMeanVote）作為控制基準；在控制策略方面從基于查詢表方法的簡單模糊控制發展到與其它人工智能領域相結合的智能模糊控制。為了提高控制效果和適應過程參數的變化對控制系統的要求，出現了在線調整模糊參數的自適應、自組織模糊控制器等。如日本已經出現了基于遺傳算法或/和神經網絡的模糊控制制冷家用電器。另外，混沌理論（Chaos）在日本和韓國的新型空調器中得到應用，如日本三洋公司生產的SAP-E40B6型空調器，在室內機貫流風扇的控制中采用混沌理論，降低了風扇的噪音，增大了風量。

　　神經網絡、模糊控制和專家系統結合起來已得到功能更強的智能控制系統，代表了這一領域的主要發展方向，如利用神經網絡來實現模糊控制，利用專家知識、非線性優化算法、遺傳算法對模糊規則進行優化等。

　　4變頻家用電器制冷系統的特點4.1要求更加高效和可靠的變頻壓縮機由于采用變頻技術，制冷家用電器制冷系統壓縮機在較寬轉速范圍內運行，因此必須使用變頻壓縮機。對于變頻壓縮機，要解決低速運轉時的振動問題和潤滑油供給問題，還有高速運轉時的軸承負荷問題、滑板摩擦和磨損問題，以及氣閥壽命問題，因此與定速壓縮機相比，變頻壓縮機的設計和制造的要求更高。對于封閉式變頻壓縮機，其電動機的性能和運行效率尤為重要。在變頻壓縮機機械結構相同的情況，采用直流電動機比采用交流電動機更加有效。近年來日本日立、東芝、夏普、三洋等公司正在積極研究直流變頻技術，已成功地開發了高效的直流變頻壓縮機和研制了采用直流變頻壓縮機和PAM控制技術的變頻空調器，使產品節能出現了飛躍。如日本松下新近推出的直流變頻257型空調器能效比為5.02，我國海爾直流變頻空調器可節能48%. 4.2小功率家電制冷系統可采用毛細管作為節流機構變頻制冷家用電器之所以能夠高效節能是由于可以根據負荷變化隨時對壓縮機實行無級能量調節。這就要求制冷劑供液量的調節范圍寬。電子膨脹閥具有流量調節范圍大、控制精度篼和適于智能控制等特點，是變頻制冷系統上理想的節流機構。然而，其價格較篼，導致產品成本升高。注意到變頻制冷家用電器大部分時間工作在一段頻率范圍區間內，而且毛細管的價格低，我們就能否在小功率家電制冷系統內采用毛細管節流這個問題進行了電子膨脹閥與毛細管節流的性能對比分析。結果表明，以空調器為例，各運行頻率下，采用電子膨脹閥時系統制冷性能均優于采用毛細管，在20Hz、80Hz、120Hz時，前者的制冷量、EER比后者分別篼出14.6%、10%、5%、6%，和17%、16%.由此可見，在常用頻率區間（40Hp80Hz），用毛細管節流也具有可以接受的性能，說明小功率變頻家用電器上采用毛細管節流是可行的。

　　4.3應謹慎選擇毛細管的尺寸毛細管的結構參數如長度、內徑等是否合適對變頻制冷系統的性能有相當大的影響。我們采用經過實驗驗證的計算模擬方法揭示了不同頻率時小冷量變頻空調器制冷系統的制冷量、輸人功率、EER、質量流量、蒸發溫度、冷凝溫度、排氣溫度和過冷度隨毛細管長度（內徑為1.42mm）的變化規律，分析了產生這些變化的原因。在此基礎上，提出了確定小冷量變頻空調器制冷系統單根毛細管尺寸應考慮的主要因素。對于采用排氣冷卻電機方式的變頻壓縮機的系統而言，應綜合考慮制冷童、EER、排氣溫度和蒸發溫度等因素。同時還應注意到，拓寬變頻壓縮機電機的較篼效率范圍以及開發和采用吸氣冷卻電機型的變頻壓縮機對于改變篼頻運行時的制冷系統性能非常重要。

　　4.4要仔細確定變頻制冷系統的制冷劑充灌量我們就充灌量的改變對變頻空調器制冷系統各運行參數及性能參數的影響進行了分析，發現各個頻率下制冷量及EER隨充灌量的改變存在一個比較佳值，并且比較佳值的出現具有以下規律：①隨著充灌童的改變，制冷量和EER幾乎同時達到比較佳值；②在各個頻率下，與比較佳充灌量相對應的蒸發器出口制冷劑狀態為：過熱度為0，干度為1；③高低頻時所需的比較佳充灌量不相等，并且高頻時所對應的比較佳充灌量比低頻所對應的比較佳充灌童大。變頻空調器制冷系統比較佳充灌童的確定原則可以總結為：①應能使比較大運行頻率下蒸發器出口剛好達到飽和狀態；②系統必須在壓縮機入口配備足夠大的氣液分離器（儲液器），否則低頻時，壓縮機將出現濕壓縮現象；③氣液分離器的比較小容積可按（M<-計算，在實際運行時，考慮到啟動及停機過程的不穩定因素的影響，如有可能，氣液分離器的有效容積應是比較大液體量的2~ 3倍。