根據美國能源部（DOE）的規定，HVAC系統的能源效率，在2006年1月前，季節能源效率比（Seasonal Energy Efficiency Ratio；SEER）必須達到13。此一13 SEER效率比的標準，促使HVAC系統的耗電必須減少30％，如此一來尖峰耗電量可降至現在的70％。

每個冷暖空調設備系統，最少必須使用兩個由電力驅動的馬達。其中一個用於壓縮機的控制，另一個負責為服務區域吹送冷暖空氣。以往這些馬達的開啟與關閉，都是以實際溫度偏離設定溫度來當作觸發條件，並於恆溫器本身設定一組滯後設定。這些馬達在冷暖空調設備系統的耗電中，佔有極大的比重。

不像以往馬達的「立即開啟」與「立即關閉」模式，以電子元件妥善控制馬達的速度，能大幅提升HVAC系統的能源效率，以符合甚至超越13 SEER標準。

半導體技術的演進，讓業者開發出各種微控制器與電力電子切換器，能用來輕易建構可變速的馬達驅動器。包括像8位元PIC18F2431微控制器系列，以及16位元dsPIC30F2010數位訊號控制器系列，皆擁有許多馬達控制的周邊元件，包括用來驅動多相馬達的專屬PWM、支援即時系統監控的高速ADC，以及支援封閉迴路應用的正交編碼器介面。本文將介紹電力驅動馬達控制技術如何協助OEM廠商，運用馬達驅動的專用控制器，達到13 SEER的規範。

什麼是 13 SEER？

每部HVAC系統都有一個能源比，名為季節能源效率比（Seasonal Energy Efficiency Ratio；SEER）。就技術定義而言，SEER是系統在正常年度使用期間的總冷卻輸出（單位為British Thermal Units或BTU），除以同時期內的消耗能源總量（單位為瓦特-小時），當SEER效率比越高的時候，代表設備耗用的電力較少，效率卻較高。

從1992年開始，HVAC系統的最低效率標準就定為10 SEER。13 SEER的效率比12 SEER單元（過渡標準）高出8％，比10 SEER高出30％。

HVAC系統中最耗電的元件?

每個HVAC系統中都有一個冷卻用的壓縮機、一個電熱元件，以及一個氣流處理系統，將暖氣或冷氣送到欲調節的區域。壓縮機和氣流處理機，各自有至少一個馬達，這些馬達消耗的電力佔去相當大的比例。另外，也根據系統的尺寸，決定採用一個單相或三相的感應馬達，用來支援壓縮機控制與氣流循環功能。

為馬達配置電子式速度控制元件，能大幅節省耗電量。根據Affinity定律，降低流體系統中的馬達速度，例如壓縮機馬達，省電的效果以三次方的比例增加。速度減少20％，系統的耗電量可降低48％。電子式馬達控制還有額外的優點，像是速度的變化較為順暢，降低噪音、以及增加系統壽命。在壓縮機和氣流循環組件中設置可變速馬達控制元件，能讓耗電量節省30％以上，符合13 SEER的規範。

《圖一　On-Off控制與可變速控制》

如(圖一)顯示一組範例溫度Ts，比較其運作模式。在On-Off控制情況下，當溫度落在圖示的範圍時，馬達就會被開啟或關閉。而透過可變速控制功能，馬達進行緩啟動，當實際溫度向設定溫度移動時，速度就會降低。即使在使用可變速控制元件後，必須花更長的時間讓目標區域的溫度降低，但平均耗電量會降低很多。曲線可加以修改，以讓馬達在全速模式下運轉，進行初期的降溫，然後再視需要降低速度。運用可變速控制元件，溫度範圍比採用on-off控制技術的系統更加緊縮。結果讓溫度變化範圍縮小，為最終使用者提供更舒適的應用。

以下章節介紹HVAC馬達系統的元件與功能特色，以及微控制器介面。

速度控制理論

感應馬達在定子（stator）和鼠籠式轉子上有線圈。其運作是依據定子（stator）和轉子的磁通量。感應馬達的速度，和電源頻率以及定子產生的磁極的數量成正比，其關係如(公式一)。

速度= 120 × 頻率 / 磁極

馬達磁極的數量在設計時就已決定，在開始製造後就不能改變。馬達的速度可透過改變頻率來控制。為避免因頻率變化導致磁通量飽和，電源電壓亦須進行等比例的改變。簡而言之，為改變馬達的速度，需利用一個可變電壓、可變頻率的電源供應器，讓V/F比值維持固定。

可調式電源供應器可由以下運作方式得到：

●首先，利用一個單相二極體橋式整流器，將交流電轉換成直流電；

●利用電容組，過濾電壓漣波；

●將這個直流電壓轉換成可變電壓與可變頻率，饋送到馬達。運用脈衝寬調變（PWM），直流匯流排進行調變，從變頻橋接器輸出正弦波電壓。

《圖二　用來控制感應馬達的系統方塊圖》

硬體方塊圖

輸入轉換器部份

這個部份的主要元件，是一個輸入橋式整流器，將來自插座的交流電壓轉換成直流電壓。可按實際需要，系統中可加入抑制EMI電磁干擾的元件。一般是利用一個NTC電阻來保護湧浪電流。氧化金屬變阻器（metal-oxide variaster；MOV）用來抑制高電壓突波。在雙極橋接器的輸出端，利用一個電容組來抑制直流漣波。

輸出變頻器部份

輸出部份有一個電壓源變頻器。每個相有兩個電源切換器，每個切換器連結至飛輪二極體。馬達繞線連結至切換器的中心。「輸入轉換器區塊」輸出的直流電壓進行合成，使用這個輸出變頻器得到可變電壓與頻率的電源，用來控制馬達。

控制與偵測部份

微控制器（例如PIC MCU）或數位訊號控制器（例如dsPIC DSC）是整個系統的大腦。通常，馬達控制應用使用的控制器，擁有專屬的周邊，像是馬達控制PWM、高速類比至數位轉換器（ADC）、以及偵測接腳。Microchip的PIC18F2431 與dsPIC30F2010 都內建了這些功能，以降低成本、佔用的機板空間、以及元件數量。

微控制器介面

運用微控制器的專業化晶片內建周邊元件，讓業者更容易建置控制演算法。(圖三)顯示一個範例，是PIC18F2431或dsPIC30F2010的硬體介面。

ADC通道用來量測馬達電流、馬達溫度和散熱片溫度（連結至電源切換器）。額外的ADC通道可用在HVAC，用來量測不同區域的溫度，如圖三所示。

《圖三　微控制器介面範例》

通用輸入與輸出（I/O）用來連接開關與LCD或LED螢幕。這讓系統能使用單一控制器來控制馬達與恆溫設定。包括序列埠、I2C或SPI連結埠等介面用來連結HVAC控制板與其他機板，或連結至電腦。這些連接埠可讓服務人員用來進行系統調校，偵測或分析各種錯誤。

錯誤與偵測介面包括數個具特殊功能的輸入線，像是當系統發生嚴重故障時能關閉PWM。例如，累積的灰塵或線頭積在鼓風機，會讓風扇葉片無法轉動。這種堵塞現象，可透過馬達控制系統電流過高來偵測出。運用各種偵測功能，這類故障可記錄與/或顯示在LCD螢幕，或著傳送到負責故障排除人員的PC。這種功能通常可避免故障或降低產品的停機時間，進而降低服務成本。

PWM是控制馬達的主要周邊元件。利用上述的輸入，微控制器的馬達控制演算法，會研判PWM的工作週期以及輸出模式。PWM最寶貴的功能，是具備互補輸出並有可程式化的短路防止時間（dead time）。PWM可邊緣對齊或置中對齊。置中對齊的PWM，其優點是降低HVAC控制系統發出的電磁干擾（EMI）。

結論

根據美國能源部（DOE）的規範，HVAC系統的省電效率，在2006年1月之前，必須符合13 SEER的規定。控制馬達速度的電子元件，能大幅增進HVAC系統的能源效率，符合甚至超越13 SEER標準。像8位元PIC18F2431微控制器系列，以及16位元dsPIC30F2010數位訊號控制器系列，都有許多內建於晶片的周邊元件，能大幅簡化電子式馬達控制的設計，協助OEM廠商達到13 SEER的規範。

---作者任職於Microchip Technology---