采用新型電子恒溫器的高能效冰箱控制解決方案 - 全文

　　摘要

　　提高能效標準和實施更嚴格的環(huán)保政策的要求是推動家電行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的兩大動因，尤其是冰箱，冰柜等制冷系統(tǒng)。家電廠商采用多種不同的技術(shù)提高冰箱的能效。

　　本文提出一個能夠節(jié)能20%的電子解決方案：利用電子恒溫器對冰箱進行數(shù)字溫度控制。本文還介紹了意法半導(dǎo)體最新推出的評估板（STEVAL-IHT001V2）以及配套的PC軟件工具。

　　前言

　　提高能效標準和實施更嚴格的環(huán)保政策的要求是家電行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的兩大動因。

　　在全世界范圍內(nèi)，這個要求特別適用于冰箱行業(yè)，因為工作負荷大，冰箱是用電量最大的家用電器。如圖10所示，在過去的10年來，歐洲制冷市場轉(zhuǎn)向高能效產(chǎn)品（參考 ［1］和 ［2］）。

　　圖 1 - EU-25 制冷市場份額

　　家電廠商采用多種不同的技術(shù)提高冰箱、冰柜等制冷設(shè)備的能效；某些方法是提高箱室的保溫能力（即提高保溫層的厚度或采用新型材料），其它方法是設(shè)法提高壓縮機和/或應(yīng)用的能效。

　　在第二種方法中，可采用不同的策略；其中，昂貴的變頻驅(qū)動器（VFD）配合3相永磁同步電機（PMSM）是一個很實用的解決方案。

　　本文介紹一個電子恒溫器解決方案，無需改變今天冰箱最常用的電機（單相感應(yīng)式交流電機），還能節(jié)省先進解決方案的能源。

　　本文還將介紹意法半導(dǎo)體為這個解決方案開發(fā)的軟硬件評估工具。

　　機電恒溫器

　　冰箱通常使用兩種不同的機電恒溫器。

　　第一種恒溫器（最常用）是內(nèi)部充滿氣體的毛細管。恒溫管與膜片相連，當箱室溫度升高時，恒溫管內(nèi)氣體膨脹，推動膜片操作一系列觸點，啟動壓縮機。當然，這類恒溫器的特性（即干預(yù)溫度）也會受到外界氣壓變化的影響。

　　第二種機電恒溫器是一個制成線圈狀的又長又薄的金屬條，金屬條由焊接或鉚接在一起的兩種不同金屬材料組成。因為兩種金屬的受熱膨脹性質(zhì)不同，線圈將會隨著溫度變化而彎曲或伸直，這類恒溫器的特性不會受到外界氣壓變化的影響，但是，測量精度不是很高，而且隨著恒溫器老化，溫度調(diào)控會產(chǎn)生變化。

　　此外，基于這兩種機電恒溫器的溫度控制系統(tǒng)無法改變溫度遲滯，即冰箱壓縮機電源通斷之間的溫度差。

　　數(shù)字溫度控制系統(tǒng)

　　圖2所示是基于電子恒溫器的數(shù)字溫控系統(tǒng)的功能框圖，系統(tǒng)主要組件包括：

　　- 溫度傳感器（經(jīng)過適當調(diào)節(jié)），用于提供反饋信號

　　- 可編程微控制器（MCU），用于讀取反饋信號（通過片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器外設(shè)），處理信息，指揮電子執(zhí)行器操作

　　- 電子執(zhí)行器，用于啟動或關(guān)閉壓縮機

　　在本例中，溫度傳感器是熱電偶或負溫度系數(shù)（NTC）器件。與機電式恒溫器不同，這兩種器件都不接觸活動元件，因此性能更安全可靠。

　　圖 2 – 數(shù)字溫控系統(tǒng)

　　因為是連續(xù)讀取溫度，而且是微控制器要求的精度，所以系統(tǒng)可以控制溫度，限制箱室內(nèi)溫度隨時間變化。

　　如在［3］所述，溫度波動降低有三大好處：

　　- 更好地保存食物

　　- 熱動態(tài)效率提高（因為蒸發(fā)器溫度波動越低，蒸發(fā)器最低溫度就越高，壓縮機利用率也就更高）

　　- 壓縮機和蒸發(fā)器尺寸縮小

　?。?］還特別例證了用數(shù)字溫控系統(tǒng)（見圖2）代替機電恒溫器并正確選擇最優(yōu)的溫度遲滯后，功耗最大降幅達到20%。

　　此外，可編程微控制器保證的靈活性可為設(shè)備增加更多功能，讓家電廠商能夠在相同的硬件環(huán)境內(nèi)輕松實現(xiàn)產(chǎn)品差異化。

　　例如，可以每隔n個熱周期修改溫度遲滯，使蒸發(fā)器溫度高于0°C，這可以除去蒸發(fā)器上的積冰，進一步提升冰箱能效（因為冰層有隔離作用）。

　　此外，還可以增加很多與溫控沒有直接關(guān)系的功能。例如，隨時間變化的溫度趨勢和總能耗可反饋給最終用戶（通過LCD）。用戶界面還可增加開門報警、溫度報警和內(nèi)部照明燈（燈泡或LED）點亮等功能。

　　意法半導(dǎo)體的系統(tǒng)解決方案

　　在電子恒溫器范圍內(nèi)，意法半導(dǎo)體開發(fā)了一套恒溫器開發(fā)工具（訂貨代碼：STEVAL-IHT001V2），這是一個安全可靠且低成本的數(shù)字溫控解決方案，利用微控制器和交流開關(guān)控制冰箱、冰柜或冰箱冰柜多功能產(chǎn)品的溫度。

　　STEVAL-IHT001V2評估板可控制一個單相感應(yīng)電機和一支燈泡，還可以選擇控制一個除霜電阻器和一個風(fēng)扇，適用于 120/240 V RMS 50/60 Hz 交流電源電壓。這塊板子符合電磁兼容標準：在進行IEC61000-4-4標準測試過程中，系統(tǒng)承受高達3.1 kV 的高壓脈沖串而未發(fā)生任何異常或失控。測試電壓提高到 5kV時，出現(xiàn)暫時失控現(xiàn)象，干擾停止后，失控現(xiàn)象消失。此外，評估板還經(jīng)過2 kV浪涌測試（IEC61000-4-5 standard），半導(dǎo)體元器件無任何損壞［4］。

　　圖 3： STEVAL-IHT001V2評估板

　　評估板配有一個叫做“Thermostat kit application GUI”的恒溫器評估板圖形用戶界面（GUI） PC 軟件，用于應(yīng)用演示和開發(fā)目的 （在 www.st.com 下載軟件）。利用 GUI軟件可以配置恒溫器評估板的版本 – 基本版（僅限于壓縮機和燈泡控制）、除霜版（壓縮機、燈泡和除霜電阻控制）、氣流循環(huán)版（壓縮機、燈泡、除霜電阻和風(fēng)扇控制） ，這個不同版本分別定位于低端、中端和高端制冷設(shè)備市場。GUI還準許用戶設(shè)置和測量主要應(yīng)用參數(shù)。

　　低成本的STM8S003F3P6微控制器負責(zé)控制恒溫器，該微控制器屬于STM8S主流系列微控制器，以片上功能豐富且成本低廉為亮點。此外，該產(chǎn)品最大限度地縮減了引腳數(shù)量。板上還搭載一顆帶USB接口的微控制器，該微控制器僅用于應(yīng)用演示目地，通過USB接口在PC機與恒溫器評估板之間通信。

　　如圖3所示，STEVAL-IHT001V2 恒溫器開發(fā)板分為兩部分，恒溫器控制器件全都安放在左側(cè)（控制側(cè)），所有的通信器件都安放在右側(cè)（接口側(cè)）。

　　控制側(cè)的主要元器件：

　　- 低成本電容電源 – 如功率要求較高，可用開關(guān)電源（如基于VIPer06的 STEVAL-ISA071V1）替代這部分器件

　　- 控制和執(zhí)行部分 -STM8S003微控制器、交流開關(guān) （1個ACST610-8FP、1個ACS110-7SN和2個 ACS102-6TA），用于控制壓縮機、除霜電阻、燈泡和風(fēng)扇

　　- 用戶界面：兩個溫度升降按鍵；5支綠光LED溫度指示器、蜂鳴式開門報警器

　　- 連接器 – 用于連接 NTC和冰箱門開關(guān)

　　評估板有兩種工作模式（單機或 GUI驅(qū)動），可用一個開關(guān)開啟其中一個模式。在單機模式，控制參數(shù)（脈沖時序、溫度、冰箱型號）最后裝入GUI。

　　STEVAL-IHT001v2 負載控制

　　所有負載由脈沖柵電流以全周期模式控制， STM8S 微控制器檢測交流主電源的電流上升沿和下降沿，使柵脈沖與交流主電源的電壓同步。

　　圖4： 柵電流脈沖時序定義

　　STEVAL-IHT001V2板載溫度傳感器執(zhí)行溫度控制。該傳感器是EPCOS研制的一款隔離型2類NTC電阻器，應(yīng)該放置在冰箱或冰柜的蒸發(fā)器上。調(diào)溫由一個通斷遲滯控制器負責(zé)。如果溫度測量結(jié)果高于上限（THIGH_lim），則開啟壓縮機；當?shù)陀谙孪蓿═LOW_lim）時，則關(guān)閉壓縮機（見圖 5）。

　　實現(xiàn)了五個溫度設(shè)置點；在每個點可指定一個蒸發(fā)器溫度和一個定義前文提到的極限值的溫度遲滯。

　　圖 5： 遲滯原理

　　ACST610-8FP器件用驅(qū)動壓縮機。該器件屬于ACS?/ACST系列電源開關(guān)，采用A.S.D.? （專用分立器件）技術(shù)。 這款高性能開關(guān)適用于家電和工業(yè)系統(tǒng)，驅(qū)動電流高達6A。

　　ACST6系列器件設(shè)計用于控制中等功率負載，例如，家電中的交流電機，熱性能在靜態(tài)和瞬變（壓縮機電涌電流）時都十分出色。

　　除壓縮機控制外，通過一個板載開關(guān)還可以模擬冰箱/冰柜開門操作。根據(jù)冰箱門開關(guān)所在位置，內(nèi)部照明燈點亮或熄滅。如果冰箱門開啟時間超分1分鐘，則蜂鳴器報警，同時五個溫度LED指示燈閃爍。

　　燈泡由ACS102-6TA驅(qū)動，這是一個高性能的交流開關(guān)，能夠控制最高0.2A的負載。

　　第二個 ACS102-6TA用于控制“氣流循環(huán)”式冰箱的風(fēng)扇。風(fēng)扇只在與壓縮機配合工作時才運轉(zhuǎn)，當冰箱門打開時，風(fēng)扇暫時停止運行。

　　除霜電阻（在除霜和氣流循環(huán)兩款冰箱內(nèi)，除霜電阻可控制）由ACS110-7SB2驅(qū)動。這是一個高性能開關(guān)，能夠控制最高1A的負載。

　　ACS102 和 ACS110 是為低功率負載專門設(shè)計的開關(guān)，例如，電磁閥、閥門、繼電器、執(zhí)行器、微電機、泵、風(fēng)扇和除霜加熱器。還用于其它設(shè)備（如洗碗機和洗衣機）。

　　在 STEVAL-IHT001V2評估板上，ACS110開關(guān)在GUI軟件定義的“Defrost activation delay” 參數(shù)時間之后打開。這個時間與壓縮機ACST ON時間總和比較。當時間總和大于 “Defrost activation delay”時，除霜電阻ACST功能開

　　啟，當蒸發(fā)器溫度高于THIGH_lim（圖6）時，開關(guān)通電。在PC機軟件定義的“Defrost duration”時間內(nèi)，開關(guān)保持通態(tài)。

　　Figure 6： Defrost control

　　恒溫器評估板PC應(yīng)用軟件

　　這個恒溫器評估板PC應(yīng)用軟件的開發(fā)目的是讓用戶能夠設(shè)置某些控制參數(shù)，按照不同的冰箱型號 （基本型、除霜型、氣流循環(huán)型）配置恒溫器，在測試過程中從嵌入式應(yīng)用采集數(shù)據(jù)。用戶還可以選擇用新的控制參數(shù)在單機模式下設(shè)置STM8S微控制器［5］。

　　GUI有兩個控制選項卡：時序控制選項卡和溫度控制選項卡。

　　在溫度控制選項卡（圖7）內(nèi)，可以設(shè)備以下參數(shù)：溫度檔次、每個溫度檔次的蒸發(fā)器溫度設(shè)置點和溫度遲滯。

　　圖 7： 溫度控制選項卡

　　在時序控制選項卡（圖8）內(nèi)，用戶可以控制TRIAC管柵電流脈寬、壓縮機和風(fēng)扇TRIAC管導(dǎo)通延遲、ZVS 延遲（微控制器命令與交流主電源電壓同步）、除霜電阻激活延遲和除霜持續(xù)時間。點擊“Set” 或 “Get” 按鈕，即可發(fā)送或接收這些參數(shù)。

　　圖 8： 時序控制選項卡

　　另一個窗口是調(diào)試模式窗口，用于強制交流負載狀態(tài)，簡化電路板驗證。其它窗口是數(shù)據(jù)采集、圖表分析、測量和數(shù)據(jù)保存窗口。

　　對于查看眾多的嚴格的能效標準和環(huán)保政策同時還要考慮成本的設(shè)計人員，像TEVAL-IHT0012一樣的評估板太寶貴了。

　　參考文獻

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　?。?］Latest Trends in Major Domestic Appliances efficiency， Gfk-RT

　?。?］Single-Phase Induction Motor Drive for a High-Performance Refrigerator，IATC 2003，L. Gonthier

　?。?］ UM1542 - User manual - Cold thermostat kit based on AC switches and the STM8S

　?。?］Thermostat kit V2 PC Software GUI Help