變頻干衣機能效提升電控方案研究

陳桂平 張偉 劉子薦 劉可

（無錫小天鵝股份有限公司 江蘇無錫 214028）

1 引言

隨著人們物質生活水平的提高，家用干衣機已經越來越受到人們的歡迎。在西方國家干衣機尤為盛行。在我國南方陰雨較多的地區，空氣相對濕度較大，衣服晾曬時間較長給人們帶來不便，干衣機也開始受到人們的青睞。市面上的干衣機按照烘干所使用的能源可以分為燃氣式、電熱絲加熱式、PTC自限溫元件加熱。燃氣式干衣機在歐美國家較為流行。電加熱干衣機的干衣效果受環境的影響較大，時有未干透就停機或干燥過頭而損壞衣物及浪費能源的現象產生。隨著自動化控制技術的發展，國外開始將PTC 自限溫發熱元件用于家用干衣機領域，通過電加熱的方式，把空氣溫度加熱至一定溫度，在風機作用下使熱空氣流經衣物表面，通過熱濕交換帶走衣物的水分，實現衣物的快速干燥。按照外形分為柜式和滾筒式。按照控制方式可分為機械式和電腦程控式，還可按照水分排除方式分為排氣式和排水式等等。

2 干衣機的工作原理及空氣處理過程

傳統干衣機依靠內部的加熱元件對進入機體內的外界空氣進行加熱，同時依靠電機帶動滾筒或葉輪轉動，使加熱后的空氣與衣物接觸，增濕后經過濾排出機外。這類干衣機存在很多不足：首先，能源浪費嚴重，大量的高品質能源(電能)被直接轉換為熱能；其次，通過衣物的較高溫高濕的氣流直接排入室內，影響室內空氣品質。如果設置排氣管道將其排到室外，則安裝較為麻煩且不利于移動。市場上較受推崇的冷凝式干衣機，其工作原理如圖1所示。

它是通過干衣桶(滾筒)的空氣循環是封閉的，不排放。在熱交換器處，通過衣物后的高溫高濕空氣被室內空氣或自來水冷卻，水分冷凝排出。如果是室內空氣冷卻方式，則干衣機的使用不影響室內空氣濕度；如果是自來水冷卻方式，則室內空氣的溫度和濕度都不受影響。因此，冷凝式干衣機的優勢是對室內空氣品質的影響較小甚至無影響或不用設置排氣管道，且能耗比直排式干衣機的會低一些，但其仍采用電加熱方式，能耗還是偏大。熱泵式干衣機中空氣可以形成循環流動。熱泵是一種高效加熱裝置，它通過消耗少量高品位能源(電、燃料燃燒、高溫蒸汽等)，可把大量低溫熱能變為高溫熱能(即把熱能由低溫泵送到高溫)，用于生活供暖、提供干燥熱風等。熱泵式干衣機的工作原理如圖2所示。在整個熱泵干衣機系統中，熱泵循環與空氣循環在蒸發器與冷凝器處相關聯，進行熱量交換。熱泵循環中，通過壓縮機做功，消耗少量的電能，驅動制冷劑循環，使得制冷劑在蒸發器中以較低的溫度吸收來自桶內的排氣廢熱合并壓縮機的耗能，在冷凝器中以較高的溫度排出熱量給將進入衣柜的空氣。工作原理圖如圖2及圖3所示。

圖1 冷凝式干衣機結構與原理示意圖

圖2 熱泵式干衣機的結構及工作原理圖

圖3 空氣循環焓濕圖

①在空氣循環中，在風機的推動下，經過衣物的濕熱空氣首先在輔助冷卻器中放出部分熱量后降溫，含濕量不變（過程1→2）。②吸收衣物水分之后的潮濕空氣流過熱泵系統的蒸發器，實現降溫除濕過程。即：空氣的干球溫度t降低，同時空氣中攜帶的水蒸氣在蒸發器表面凝結成水，絕對含濕量d降低（過程2→3）；③降溫除濕后的空氣經過冷凝器，實現等濕升溫。即：空氣的干球溫度t升高，絕對含濕量d不變，相對濕度降低（過程3→4）；④由冷凝器吹出的高溫低濕空氣流過衣物，等焓增濕降溫后再回到蒸發器（過程4→1），重新開始循環。熱泵是能量轉移裝置，與現有干衣機相比能夠節約能源。按保守估計，以熱泵系統能效比僅為2.5計，要提供2359kJ的汽化潛熱，只需要耗費943.6kJ的電能。如假設風機、漏熱、旋轉運動部件等因素所導致的耗電量與原有干衣機相同，則最大耗電量為3985kJ，實現節能26.2%。如對這些因素進行適當優化，則節能效果更為明顯。由于流經冷凝器的空氣的絕對含濕量d很小，熱泵系統在比較低的冷凝溫度下即可降低空氣的相對濕度，提高空氣的吸濕能力，從而有利于擴大干衣機適用衣料的范圍。無須設置排風管，也不會將熱濕空氣排至室內，不會影響室內裝修及室內空氣環境。

3 普通干衣機控制方法

下面是不同類型的干衣機主要控制方法。

3.1 傳統直排式干衣機—溫度傳感器NTC控制

在干衣機的適當位置上放置NTC感知溫度變化，利用溫度采樣的變化規律，推斷負載烘干時間或烘干溫度點。烘干曲線如圖4所示。

通常將溫度傳感器NTC通常放置在排風口處，在機器運行過程中，空氣被加熱元件加熱后進入桶內，通過滾筒的轉動與衣物接觸，帶走衣物中的水分，是桶內溫度不斷上升，在達到時間t之后溫度逐漸趨于平衡，基本變化不大，隨著衣物的含水量越來越少，在時間t1后桶內溫度呈上升趨勢，當溫度上升到溫度T時，則判斷衣物已達到標準的烘干精度范圍內。但是此方法穩定性差，受環境影響波動較大，軟件控制難度大。

3.2 冷凝式干衣機—濕度傳感器控制

濕度傳感器的工作原理是當雙金屬條與衣物接觸，負載的含水率不同，電阻值也不相同，利用負載接觸電阻值的變化規律，推斷出負載的烘干濕度值。通過調整濕度值，使其烘干精度在標準范圍內的同時減少機器的耗電量，從而減少能量的損失。按熱泵式干衣機的實驗數據顯示，濕度值降低100，烘干含水率降低5%的同時節省0.01kWh的耗電量。除單純利用調整濕度值來提高能效外，也可結合加熱管的開關控制烘干精度。拿冷凝式干衣機來說，始終用兩根加熱管加熱的前提下，在烘干時間達到T或達到濕度值X的時，負載所蒸發出的水量已經趨于穩定，此時如果繼續使用兩根加熱管加熱，既達不到好的烘干效果也浪費了能量，還可能對衣物造成一定的損害。這時我們采取如圖5的控制方法，此控制方法對應的濕度值與功率關系如圖6所示。

圖4 傳統干衣機烘干曲線圖

圖5 加熱管控制流程圖

圖6 加熱管開關控制的功率圖

圖7 雙變頻與普通熱泵對比圖

圖8 普通熱泵的功率圖

圖9 雙變頻熱泵式干衣機的功率

機器開始運行時，采用兩根加熱管同時加熱，隨著負載含水率下降，桶內溫度不斷升高，在達到濕度值A時，切換成單根1800W功率的加熱管，在濕度值達到B時，切換到700W加熱，這樣在不同濕度情況下，使得熱量的使用效率更高，提高能效。

4 雙變頻熱泵式干衣機控制方法

4.1 變頻式電機及變頻壓縮機

4.1.1 變頻電機

普通電機都是按恒頻恒壓設計的。變頻電動機是變頻器驅動的電動機的統稱。變頻電機可以在變頻器的驅動下實現不同的轉速與轉矩，以適應負載變化的需求。根據不同的負載調節電機的頻率，提高電機的工作效率，合理利用能源，減少損耗。

4.1.2 變頻壓縮機

變頻壓縮機是較轉速恒定的壓縮機而言，可通過某種控制方法或手段使其轉速在一定的范圍內連續調節，連續改變輸出的能量。目前，變頻式壓縮機廣泛應用于空調及冰箱領域，不再單純利用壓縮機的關停來降低溫度，大大減少能量的浪費。我們利用這一特點將變頻式壓縮機用于熱泵式干衣機中，提升能效。

4.2 雙變頻熱泵干衣機控制原理

雙變頻式干衣機與普通熱泵干衣機控制原理對比圖如圖7所示。

普通熱泵式干衣機直接控制壓縮機及電機，壓縮機及電機的功率恒定，在整個烘干過程中，當桶內衣物濕度較小時，熱循環系統的溫度就會上升，恒功率輸出就會在一定程度上會造成熱能的浪費。另外，壓縮機的溫升增大會減低壓縮機的效率，導致熱循環系統的能效下降。

雙變頻熱泵式干衣機引入了變頻電機和變頻壓縮機。通過控制變頻壓縮機的驅動頻率，能夠使壓縮機的輸出功率連續變化，在熱循環系統的某一環節條件發生改變時，能夠迅速調整變頻壓縮機的輸出功率，使熱循環系統維持工作在高效率的平衡工作狀況。從而到達提高熱循環系統能效的目的。而變頻壓縮機的自身效率較普通電機高。數據表明，普通壓縮機的效率在50%～60%之間，而變頻壓縮機的效率則高達70%～80%。由此可見，雙變頻熱泵干衣機能效可高效率提升。

在烘干過程中，衣物中的水分不斷減少，變頻電機會根據不同時間段衣物的不同含水量來調節電機的頻率，通過不同時間段對頻率的調節，使干衣機運行在一個穩定高效的工作狀態。數據顯示，普通感應電機的效率在40%～60%之間，而變頻電機的效率則可達到60%～80%。足可看出，熱泵干衣機引用變頻電機可帶來的能效水平的提升。

上述的說明都可從整機的運行功率中顯示出來。如圖8及圖9是普通熱泵與雙變頻熱泵的功率對比圖，如圖可看出，普通熱泵干衣機的功率在600～1000W之間，而雙變頻干衣機的整機功率在不同的頻率段可均控制在600W左右，大大降低了整機功率，從而提升了整機能效。

5 結語

以上對干衣機工作原理及控制方法的介紹顯示，熱泵型干衣機與現有類型干衣機相比在節能、環保、適應性廣等方面都有一定的優勢，其中使用變頻壓縮機式熱泵干衣機的在資源利用方面更占有優勢，有一定的發展空間。

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