設(shè)計(jì)恒溫控制器時(shí)會(huì)遇到什么問題解析

有沒有想過當(dāng)我們打開或關(guān)閉恒溫器時(shí)會(huì)發(fā)生什么？我們會(huì)聽到咔噠聲，但我們可能實(shí)際上并不知道發(fā)生了什么。一個(gè)簡(jiǎn)單的答案是恒溫器開關(guān)向負(fù)責(zé)維持所需室溫的系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)。但是怎么做？

在供暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 系統(tǒng)中，有根據(jù)恒溫器的輸入控制信號(hào)調(diào)節(jié)供暖和制冷系統(tǒng)的設(shè)備。機(jī)電繼電器通常根據(jù)用戶設(shè)置的輸入向HVAC 系統(tǒng)提供控制信號(hào)。圖 1 顯示了恒溫器用戶界面的示例。

圖 1：帶有數(shù)字用戶界面的恒溫器

用于加熱和冷卻的基本恒溫器使用四根或五根線來控制 HVAC 系統(tǒng)，如圖 1 所示。白色 (W)、綠色 (G) 和黃色 (Y) 線連接到加熱、氣流和冷卻系統(tǒng)， 分別。在圖 2 中，當(dāng)冷卻和加熱系統(tǒng)組合并連接到單個(gè) 24V 交流 (AC) 變壓器時(shí)，紅色的冷卻和加熱（Rc 和 Rh）線被連接以創(chuàng)建一個(gè)四線系統(tǒng)。

單獨(dú)的加熱和冷卻系統(tǒng)將使用單獨(dú)的 24V 交流變壓器。在這種情況下，Rc 線連接到冷卻系統(tǒng)中的變壓器，Rh 線連接到加熱系統(tǒng)中的變壓器。用于單變壓器或雙變壓器系統(tǒng)的基本恒溫器使用三個(gè)機(jī)電繼電器，W、G 和 Y 線各一個(gè)。在帶有多級(jí)壓縮機(jī)、風(fēng)扇和熱泵的高端加熱和冷卻系統(tǒng)中，恒溫器可以有多達(dá) 10 個(gè)機(jī)電繼電器。這些額外的繼電器用于更復(fù)雜的系統(tǒng)算法，以控制額外的加熱/冷卻階段、熱泵、輔助加熱、加濕器和除濕器。

多級(jí)加熱/冷卻系統(tǒng)最大限度地減少環(huán)境溫度變化，同時(shí)最大限度地提高能源效率。這樣的系統(tǒng)包括不同尺寸的設(shè)備。多級(jí)冷卻系統(tǒng)的一個(gè)示例是具有兩個(gè)壓縮機(jī)的系統(tǒng)。主壓縮機(jī)一般在6T范圍內(nèi)，而第二級(jí)要小得多，在2T范圍內(nèi)。6T 壓縮機(jī)可以在短時(shí)間內(nèi)處理大幅度的溫度下降，如圖 3 所示。例如，當(dāng)我們下班回家并希望溫度快速下降到我們想要的水平時(shí)，這是第一階段。第二階段由更節(jié)能的 2T 壓縮機(jī)組成，一旦 HVAC 系統(tǒng)達(dá)到該水平，它就會(huì)保持所需的溫度。

現(xiàn)在我們對(duì) HVAC 系統(tǒng)控制的內(nèi)容有了更好的了解，讓我們關(guān)注恒溫器的開/關(guān)控制 - 以及我們聽到的有趣的咔噠聲。在圖 4 中，我們可以看到恒溫器中的信號(hào)繼電器。該繼電器與 HVAC 系統(tǒng)內(nèi)的 24V AC 變壓器和功率繼電器串聯(lián)。功率繼電器啟用和禁用風(fēng)扇電機(jī)、壓縮機(jī)或燃?xì)忾y等設(shè)備。

當(dāng)信號(hào)繼電器閉合時(shí)，來自 24V 交流變壓器的電流流過功率繼電器的接觸器線圈，激活其機(jī)械觸點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)繼電器打開時(shí)，電流中斷，功率繼電器的觸點(diǎn)失活。因此，功率繼電器的閉合觸點(diǎn)使 HVAC 系統(tǒng)的 120V AC 和使用低壓信號(hào)繼電器的電機(jī)之間成為可能。

HVAC 負(fù)載控制傳統(tǒng)上使用機(jī)電繼電器有兩個(gè)原因。首先，機(jī)電繼電器的導(dǎo)通電阻低，因此無需散熱器。其次，繼電器的功能允許同一設(shè)備（達(dá)到其最大電壓和電流額定值）來控制交流和直流負(fù)載。

不幸的是，機(jī)械接觸并不總是理想的。一個(gè)缺點(diǎn)是在機(jī)電繼電器的激活和停用期間，每次活動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)連接時(shí)都會(huì)發(fā)出咔噠聲。這是我們在恒溫器啟用或禁用 HVAC 系統(tǒng)時(shí)聽到的咔噠聲，這可能會(huì)很煩人。第二個(gè)缺點(diǎn)是這些觸點(diǎn)最終會(huì)失效并限制恒溫器的使用壽命。

即使機(jī)電繼電器的繼電器設(shè)計(jì)正確，由于感應(yīng)負(fù)載的電流中斷，HVAC 系統(tǒng)的故障概率也會(huì)進(jìn)一步增加。電流中斷會(huì)導(dǎo)致電壓尖峰，并會(huì)隨著時(shí)間的推移損壞機(jī)械觸點(diǎn)。繼電器觸點(diǎn)也容易反彈、產(chǎn)生火花并具有較長(zhǎng)的開啟/關(guān)閉時(shí)間，這使得它們相當(dāng)不適合當(dāng)今的智能恒溫器。

幸運(yùn)的是，有一種解決方案可以消除機(jī)電繼電器的負(fù)面特性：一種稱為固態(tài)繼電器 (SSR) 的裝置。SSR 使用晶閘管和功率晶體管通過低電壓或電流輸入執(zhí)行開/關(guān)控制。