变频干衣机能效提升电控方案研究

2013-11-15陈桂平张伟刘子荐刘可

家电科技 2013年12期

陈桂平张伟刘子荐刘可

（无锡小天鹅股份有限公司江苏无锡 214028）

1 引言

随着人们物质生活水平的提高，家用干衣机已经越来越受到人们的欢迎。在西方国家干衣机尤为盛行。在我国南方阴雨较多的地区，空气相对湿度较大，衣服晾晒时间较长给人们带来不便，干衣机也开始受到人们的青睐。市面上的干衣机按照烘干所使用的能源可以分为燃气式、电热丝加热式、PTC自限温元件加热。燃气式干衣机在欧美国家较为流行。电加热干衣机的干衣效果受环境的影响较大，时有未干透就停机或干燥过头而损坏衣物及浪费能源的现象产生。随着自动化控制技术的发展，国外开始将PTC 自限温发热元件用于家用干衣机领域，通过电加热的方式，把空气温度加热至一定温度，在风机作用下使热空气流经衣物表面，通过热湿交换带走衣物的水分，实现衣物的快速干燥。按照外形分为柜式和滚筒式。按照控制方式可分为机械式和电脑程控式，还可按照水分排除方式分为排气式和排水式等等。

2 干衣机的工作原理及空气处理过程

传统干衣机依靠内部的加热元件对进入机体内的外界空气进行加热，同时依靠电机带动滚筒或叶轮转动，使加热后的空气与衣物接触，增湿后经过滤排出机外。这类干衣机存在很多不足：首先，能源浪费严重，大量的高品质能源(电能)被直接转换为热能；其次，通过衣物的较高温高湿的气流直接排入室内，影响室内空气品质。如果设置排气管道将其排到室外，则安装较为麻烦且不利于移动。市场上较受推崇的冷凝式干衣机，其工作原理如图1所示。

它是通过干衣桶(滚筒)的空气循环是封闭的，不排放。在热交换器处，通过衣物后的高温高湿空气被室内空气或自来水冷却，水分冷凝排出。如果是室内空气冷却方式，则干衣机的使用不影响室内空气湿度；如果是自来水冷却方式，则室内空气的温度和湿度都不受影响。因此，冷凝式干衣机的优势是对室内空气品质的影响较小甚至无影响或不用设置排气管道，且能耗比直排式干衣机的会低一些，但其仍采用电加热方式，能耗还是偏大。热泵式干衣机中空气可以形成循环流动。热泵是一种高效加热装置，它通过消耗少量高品位能源(电、燃料燃烧、高温蒸汽等)，可把大量低温热能变为高温热能(即把热能由低温泵送到高温)，用于生活供暖、提供干燥热风等。热泵式干衣机的工作原理如图2所示。在整个热泵干衣机系统中，热泵循环与空气循环在蒸发器与冷凝器处相关联，进行热量交换。热泵循环中，通过压缩机做功，消耗少量的电能，驱动制冷剂循环，使得制冷剂在蒸发器中以较低的温度吸收来自桶内的排气废热合并压缩机的耗能，在冷凝器中以较高的温度排出热量给将进入衣柜的空气。工作原理图如图2及图3所示。

图1 冷凝式干衣机结构与原理示意图

图2 热泵式干衣机的结构及工作原理图

图3 空气循环焓湿图

①在空气循环中，在风机的推动下，经过衣物的湿热空气首先在辅助冷却器中放出部分热量后降温，含湿量不变（过程1→2）。②吸收衣物水分之后的潮湿空气流过热泵系统的蒸发器，实现降温除湿过程。即：空气的干球温度t降低，同时空气中携带的水蒸气在蒸发器表面凝结成水，绝对含湿量d降低（过程2→3）；③降温除湿后的空气经过冷凝器，实现等湿升温。即：空气的干球温度t升高，绝对含湿量d不变，相对湿度降低（过程3→4）；④由冷凝器吹出的高温低湿空气流过衣物，等焓增湿降温后再回到蒸发器（过程4→1），重新开始循环。热泵是能量转移装置，与现有干衣机相比能够节约能源。按保守估计，以热泵系统能效比仅为2.5计，要提供2359kJ的汽化潜热，只需要耗费943.6kJ的电能。如假设风机、漏热、旋转运动部件等因素所导致的耗电量与原有干衣机相同，则最大耗电量为3985kJ，实现节能26.2%。如对这些因素进行适当优化，则节能效果更为明显。由于流经冷凝器的空气的绝对含湿量d很小，热泵系统在比较低的冷凝温度下即可降低空气的相对湿度，提高空气的吸湿能力，从而有利于扩大干衣机适用衣料的范围。无须设置排风管，也不会将热湿空气排至室内，不会影响室内装修及室内空气环境。

3 普通干衣机控制方法

下面是不同类型的干衣机主要控制方法。

3.1 传统直排式干衣机—温度传感器NTC控制

在干衣机的适当位置上放置NTC感知温度变化，利用温度采样的变化规律，推断负载烘干时间或烘干温度点。烘干曲线如图4所示。

通常将温度传感器NTC通常放置在排风口处，在机器运行过程中，空气被加热元件加热后进入桶内，通过滚筒的转动与衣物接触，带走衣物中的水分，是桶内温度不断上升，在达到时间t之后温度逐渐趋于平衡，基本变化不大，随着衣物的含水量越来越少，在时间t1后桶内温度呈上升趋势，当温度上升到温度T时，则判断衣物已达到标准的烘干精度范围内。但是此方法稳定性差，受环境影响波动较大，软件控制难度大。

3.2 冷凝式干衣机—湿度传感器控制

湿度传感器的工作原理是当双金属条与衣物接触，负载的含水率不同，电阻值也不相同，利用负载接触电阻值的变化规律，推断出负载的烘干湿度值。通过调整湿度值，使其烘干精度在标准范围内的同时减少机器的耗电量，从而减少能量的损失。按热泵式干衣机的实验数据显示，湿度值降低100，烘干含水率降低5%的同时节省0.01kWh的耗电量。除单纯利用调整湿度值来提高能效外，也可结合加热管的开关控制烘干精度。拿冷凝式干衣机来说，始终用两根加热管加热的前提下，在烘干时间达到T或达到湿度值X的时，负载所蒸发出的水量已经趋于稳定，此时如果继续使用两根加热管加热，既达不到好的烘干效果也浪费了能量，还可能对衣物造成一定的损害。这时我们采取如图5的控制方法，此控制方法对应的湿度值与功率关系如图6所示。

图4 传统干衣机烘干曲线图

图5 加热管控制流程图

图6 加热管开关控制的功率图

图7 双变频与普通热泵对比图

图8 普通热泵的功率图

图9 双变频热泵式干衣机的功率

机器开始运行时，采用两根加热管同时加热，随着负载含水率下降，桶内温度不断升高，在达到湿度值A时，切换成单根1800W功率的加热管，在湿度值达到B时，切换到700W加热，这样在不同湿度情况下，使得热量的使用效率更高，提高能效。

4 双变频热泵式干衣机控制方法

4.1 变频式电机及变频压缩机

4.1.1 变频电机

普通电机都是按恒频恒压设计的。变频电动机是变频器驱动的电动机的统称。变频电机可以在变频器的驱动下实现不同的转速与转矩，以适应负载变化的需求。根据不同的负载调节电机的频率，提高电机的工作效率，合理利用能源，减少损耗。

4.1.2 变频压缩机

变频压缩机是较转速恒定的压缩机而言，可通过某种控制方法或手段使其转速在一定的范围内连续调节，连续改变输出的能量。目前，变频式压缩机广泛应用于空调及冰箱领域，不再单纯利用压缩机的关停来降低温度，大大减少能量的浪费。我们利用这一特点将变频式压缩机用于热泵式干衣机中，提升能效。

4.2 双变频热泵干衣机控制原理

双变频式干衣机与普通热泵干衣机控制原理对比图如图7所示。

普通热泵式干衣机直接控制压缩机及电机，压缩机及电机的功率恒定，在整个烘干过程中，当桶内衣物湿度较小时，热循环系统的温度就会上升，恒功率输出就会在一定程度上会造成热能的浪费。另外，压缩机的温升增大会减低压缩机的效率，导致热循环系统的能效下降。

双变频热泵式干衣机引入了变频电机和变频压缩机。通过控制变频压缩机的驱动频率，能够使压缩机的输出功率连续变化，在热循环系统的某一环节条件发生改变时，能够迅速调整变频压缩机的输出功率，使热循环系统维持工作在高效率的平衡工作状况。从而到达提高热循环系统能效的目的。而变频压缩机的自身效率较普通电机高。数据表明，普通压缩机的效率在50%～60%之间，而变频压缩机的效率则高达70%～80%。由此可见，双变频热泵干衣机能效可高效率提升。

在烘干过程中，衣物中的水分不断减少，变频电机会根据不同时间段衣物的不同含水量来调节电机的频率，通过不同时间段对频率的调节，使干衣机运行在一个稳定高效的工作状态。数据显示，普通感应电机的效率在40%～60%之间，而变频电机的效率则可达到60%～80%。足可看出，热泵干衣机引用变频电机可带来的能效水平的提升。

上述的说明都可从整机的运行功率中显示出来。如图8及图9是普通热泵与双变频热泵的功率对比图，如图可看出，普通热泵干衣机的功率在600～1000W之间，而双变频干衣机的整机功率在不同的频率段可均控制在600W左右，大大降低了整机功率，从而提升了整机能效。