1 引言

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)住宅建筑標(biāo)準(zhǔn)和居住者對(duì)房間熱舒適要求不斷提高。然而隨著能源供應(yīng)日益趨緊，傳統(tǒng)房間采暖方式已經(jīng)難以滿足用戶自行調(diào)節(jié)室溫和相關(guān)節(jié)能減排的要求。因而新型的房間采暖方式已經(jīng)受到人們的極大關(guān)注，并將迅速成為建筑行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)。

　　當(dāng)前房間采暖按照供暖系統(tǒng)終端的不同，可分為自然對(duì)流、輻射、熱風(fēng)三種方式。通常看到的暖氣片便是通過(guò)自然對(duì)流供暖。輻射供暖包括電熱膜、電纜以及地板采暖等。熱風(fēng)供暖主要是空調(diào)機(jī)。

　　新型房間采暖多采用輻射供暖技術(shù)，它是一種利用建筑物內(nèi)部的墻面、頂面或其他表面進(jìn)行供暖的方式。輻射供暖技術(shù)具有舒適性好、溫度場(chǎng)均勻、可利用熱源多等優(yōu)點(diǎn)，并已得到了廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的輻射供暖技術(shù)包括天棚供暖、壁掛式供暖以及地板供暖等。

　　天棚電力供暖系統(tǒng)要求對(duì)室溫的變化反應(yīng)迅速。天棚供暖部件要安裝在天花板吊頂上面的天花板結(jié)構(gòu)里。天棚供暖構(gòu)件將天花板吊頂加熱到30℃ ~40℃。天花板吊頂將熱散發(fā)到房間內(nèi)，這意味著熱量并不停留在房間的頂部，反之，它象陽(yáng)光一樣將熱散發(fā)到房間內(nèi)，當(dāng)放射遇到物體時(shí)，如地板、家具及室內(nèi)的人時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)變成熱。天棚供暖由一個(gè)室內(nèi)溫控器控制。溫控器的作用在于測(cè)量室內(nèi)的溫度并使之保持平衡。

　　壁掛式電力供暖系統(tǒng)以極高的效率提供一個(gè)溫暖舒適的高水平居住環(huán)境，因?yàn)榉块g內(nèi)的電能可以被轉(zhuǎn)變成為熱能。內(nèi)置于散熱器的的溫控器對(duì)室溫變化和溫度要求反應(yīng)迅速。壁掛式散熱器通常置于窗戶下面，用以阻止來(lái)自窗戶的冷空氣。壁掛式電力供暖系統(tǒng)通常有一個(gè)與散熱器本身相連的溫控器控制。在儲(chǔ)藏室、商店、大型的購(gòu)物商廈、運(yùn)動(dòng)大廳、工業(yè)廠房及車(chē)站可采用高溫輻射器供熱。

　　地板輻射采暖作為一種新型的供暖方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如熱舒適性高、衛(wèi)生、保健、熱穩(wěn)定性好、節(jié)能效果好等。地板輻射采暖在住宅和公共建筑中，得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。地板采暖系統(tǒng)常見(jiàn)的方法有太陽(yáng)能地板供暖、地板電采暖和地板水供暖。

　　本文重點(diǎn)對(duì)地板采暖系統(tǒng)的特性進(jìn)行闡述，并對(duì)設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題進(jìn)行探討。

　　2 太陽(yáng)能地板供暖技術(shù)

　　太陽(yáng)能地板供暖是將太陽(yáng)能作為熱源的一種新型采暖方式。但是，由于太陽(yáng)能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，因此在太陽(yáng)能應(yīng)用中必須與其他熱源聯(lián)合運(yùn)行。熱泵作為熱源具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它可以節(jié)省高品位的電能，減少化石類(lèi)能源的消耗，減少環(huán)境的污染。由此可見(jiàn)，利用太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合運(yùn)行作為熱源的地板供暖系統(tǒng)是一種有效利用太陽(yáng)能供暖的理想方式。太陽(yáng)能-熱泵地板供暖系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)以及地板輻射供暖系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)優(yōu)先利用太陽(yáng)能供暖，熱量不足時(shí)，啟動(dòng)熱泵進(jìn)行供暖。集熱器是太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)中重要的部分，其性能和成本對(duì)整個(gè)供熱系統(tǒng)成本起主要作用。太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)的一般采用了價(jià)格便宜、構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低的低溫平板集熱器。集熱器采光面積可以根據(jù)房間熱負(fù)荷、熱泵性能系數(shù)和當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)，并對(duì)集熱器性能做適當(dāng)假設(shè)來(lái)確定。蓄熱系統(tǒng)是為了適應(yīng)太陽(yáng)能不穩(wěn)定性和間斷性的特點(diǎn)，把太陽(yáng)能集熱器在白天吸收的部分太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，以備夜間和陰雨天使用。在實(shí)際使用的蓄熱介質(zhì)中，由于水的傳熱性能和流動(dòng)性能較好，體積比熱大，因而在低溫條件下常選用水為蓄熱介質(zhì)。太陽(yáng)能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)主要通過(guò)地下輻射換熱盤(pán)管，利用地面自身的蓄熱輻射將熱量向地面空間散發(fā)，維持該空間具有較穩(wěn)定的舒適狀態(tài)。低溫地板輻射供暖給人以腳暖頭涼的舒適感，符合人體生理學(xué)調(diào)節(jié)特點(diǎn)，提高了室內(nèi)環(huán)境的舒適度。太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)利用了太陽(yáng)能，可以減少對(duì)常規(guī)能源的消耗，為開(kāi)發(fā)利用新能源提供了新途徑。熱泵可以在輸入一份高位能條件下，輸出三份左右的熱能，節(jié)約部分高位能。低溫地板輻射供暖可以在比室內(nèi)正常設(shè)計(jì)溫度低2～3℃情況下，達(dá)到與對(duì)流散熱系統(tǒng)相同的舒適度，比傳統(tǒng)的采暖方式節(jié)省能源。由于受到太陽(yáng)能資源、建筑物的類(lèi)別、氣候條件、系統(tǒng)的投資成本等因素的限制，太陽(yáng)能熱泵技術(shù)的利用目前還沒(méi)有得到普及?？墒?，隨著太陽(yáng)能熱泵技術(shù)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷提高，太陽(yáng)能地板供暖系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于解決能源和環(huán)境問(wèn)題具有極其深遠(yuǎn)的意義。

圖1 太陽(yáng)能熱泵地板供暖系統(tǒng)原理圖

　　3 地板電采暖技術(shù)

　　地板電采暖通常又分為電熱膜地板供暖系統(tǒng)和電纜地板供暖系統(tǒng)。

　　3.1 電熱膜地板供暖系統(tǒng)

　　隨著傳統(tǒng)供暖方式的弊端日益突出，電熱膜地板供暖以其舒適、美觀、節(jié)能、環(huán)保、健康等諸多優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的青睞。目前市場(chǎng)上的電熱膜大致分為四種類(lèi)型，即印刷油墨型、超薄金屬片型、碳纖維型和以新宇陽(yáng)為代表的功能性高分子電熱新材料型，其中只有碳纖維型和功能性高分子電熱材料型電熱膜在通電后整個(gè)表面能夠均勻發(fā)熱。不同的電熱膜技術(shù)含量不同，也具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，如：印刷油墨型電熱膜主要用于頂棚供暖，超薄金屬片型主要用于電熱畫(huà)、防霧鏡，碳纖維型主要用于大功率電熱板等，新宇陽(yáng)高分子電熱膜主要應(yīng)用于電熱地板供暖系統(tǒng)，且大部分是用于木地板供暖，參見(jiàn)圖2～3。

圖2 電熱膜地板供暖

圖3 電熱膜地板供暖系統(tǒng)

　　3.1.1 新宇陽(yáng)高分子電熱膜的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

　　新宇陽(yáng)高分子電熱膜在地板電采暖應(yīng)用領(lǐng)域具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):

　　(1) 物理性能良好。高分子電熱材料型電熱膜地板供暖系統(tǒng)可因發(fā)熱體、載流條和絕緣保護(hù)層的不同而具有不同的物理形態(tài)和性能。在彎曲、折壓的情況下，不會(huì)影響其正常工作。在局部受到破壞時(shí)，如劃傷、局部洞穿等情況下也不會(huì)影響其正常加熱功能。甚至可以加工成 些特殊形狀，對(duì)某些特殊的部件進(jìn)行加熱或保溫。

　　(2) 衰減慢，壽命長(zhǎng)。高分子電熱材料型電熱膜的功能性高分子導(dǎo)電材料熱穩(wěn)定性優(yōu)良，正常使用下不發(fā)生分子脫變及異化裂化反應(yīng)，這一特點(diǎn)保證了新宇陽(yáng)遠(yuǎn)紅外電加熱系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大面積均勻、低溫發(fā)熱， 不產(chǎn)生局部高溫點(diǎn)，因而壽命特別長(zhǎng)。該材料經(jīng)熱模擬試驗(yàn)（110℃下），30年內(nèi)平均功率波動(dòng)小于±5％，此特性是面狀發(fā)熱體能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證。

　　(3) 運(yùn)行安全可靠。高分子電熱材料型電熱膜具有良好的絕緣性能、密封防水性、阻燃性，其抗老化等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到并超過(guò)了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置有過(guò)熱保護(hù)和電子溫控裝置雙重保護(hù)，可防止異常升溫，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。在建筑供暖領(lǐng)域，高分子電熱材料型電熱膜地板供暖系統(tǒng)應(yīng)用獨(dú)特的覆蓋技術(shù)解決了電熱膜埋于地下的電氣安全性問(wèn)題，使電熱膜可以長(zhǎng)期正常工作。

　　(4)具有保健功能。高分子電熱材料型電熱膜具有較強(qiáng)的遠(yuǎn)紅外輻射功能，其波長(zhǎng)5~15m，易為人體所吸收，使人倍感舒適，增進(jìn)血液循環(huán)，對(duì)人體具有較好的保健作用。

　　3.1.2 電熱膜必須需要解決的問(wèn)題

　　電熱膜在地板采暖應(yīng)用中也有一些必須需要解決的問(wèn)題：

　　(1) 產(chǎn)品適用性問(wèn)題。并非所有類(lèi)型電熱膜都適用于地板采暖，這是設(shè)計(jì)者必須認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題，沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)的論證和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，盲目使用電熱膜，一旦出問(wèn)題，危害性很大；

　　(2) 局部過(guò)熱問(wèn)題。電熱膜地采暖與發(fā)熱電纜相比，缺點(diǎn)是易于造成局部過(guò)熱現(xiàn)象；

　　(3) 泄漏電流問(wèn)題。電熱膜運(yùn)行中由于電容效應(yīng)，會(huì)泄漏電流。如同日常生活中的靜電對(duì)人體并無(wú)多大損害一樣，當(dāng)電熱膜單位面積泄漏電流小于一定值時(shí)，不影響人體健康。目前電熱膜泄漏電流的多少是參照電子產(chǎn)品的要求進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)計(jì)者可以通過(guò)施工工藝來(lái)解決泄漏電流問(wèn)題；

　　(4)電磁輻射問(wèn)題。電熱膜的電磁輻射現(xiàn)象也是不容忽視的問(wèn)題。對(duì)此我們國(guó)家目前還沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.2 電纜地板供暖系統(tǒng)

　　發(fā)熱電纜供暖系統(tǒng)安裝接近地表面，可以快速提高房間溫度。由于室內(nèi)舒適的溫度場(chǎng)，用戶甚至可以將溫度調(diào)低2℃，而不影響人體舒適感。該系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)地板或房間均勻加熱，避免了冷風(fēng)產(chǎn)生。尤其是為敏感的靠近地面的地方，室內(nèi)灰塵也因此減少。而在浴室或潮濕的房間里，由于潮濕地面可以快速干燥，電纜地板供暖系統(tǒng)還有避免真菌、螨蟲(chóng)滋生的優(yōu)勢(shì)。為了減少系統(tǒng)電磁場(chǎng)的放射強(qiáng)度，電纜可以采用雙導(dǎo)線設(shè)計(jì)。另外，電纜地板供暖系統(tǒng)適用于絕大部分地面類(lèi)型（瓷磚、大理石、木地板、復(fù)合板），且不會(huì)占用寶貴的室內(nèi)空間，如圖4所示。

圖4 發(fā)熱電纜供暖系統(tǒng)

圖5 低溫地板熱水輻射供暖系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

　　目前市場(chǎng)上電纜地板供暖系統(tǒng)主要有智能地板電采暖系統(tǒng)和節(jié)能型地板電采暖系統(tǒng)。智能地板電采暖系統(tǒng)采用自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，它可自動(dòng)感知諸如太陽(yáng)輻射、電器和照明裝置等其它熱源，并隨時(shí)隨地調(diào)整系統(tǒng)熱輸出。在靠近窗口或門(mén)等較冷區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，而在地毯和家具下面等較熱的區(qū)域產(chǎn)生較少的熱量輸出，從而不會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)熱。節(jié)能型地板電采暖系統(tǒng)是將自調(diào)控發(fā)熱電纜與均熱保溫鋁板有機(jī)結(jié)合起來(lái)。通過(guò)鋁覆保溫板的保溫功能可以降低熱損耗，并使熱量分布更加均勻。節(jié)能型地板電采暖系統(tǒng)適用于地面鋪實(shí)木地板和復(fù)合地板的房間設(shè)計(jì)。因此發(fā)熱電纜供暖系統(tǒng)具有溫暖舒適、設(shè)計(jì)靈活、節(jié)能高效和安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在地板采暖系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

　　4 地板水供暖

　　4.1 低溫地板熱水供暖系統(tǒng)

　　低溫地板熱水輻射供暖方式近幾年在國(guó)內(nèi)發(fā)展較快。由于這種供暖方式具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，這種供暖方式在一些地區(qū)得到了大力推廣。低溫地板熱水輻射供暖是一種將熱盤(pán)管埋置于混凝土埋管層中，通過(guò)水泵讓40 ℃～60 ℃的低溫?zé)崴诠軆?nèi)循環(huán)流動(dòng)，加熱整個(gè)地面使地表溫度上升至25 ℃～29℃左右，然后通過(guò)輻射和部分對(duì)流方式向室內(nèi)散熱的一種供暖方式。實(shí)際應(yīng)用中，在建筑物地面結(jié)構(gòu)層上，首先鋪設(shè)高效保溫材料，起到單向保溫和隔熱的作用，而后將通水管用特殊方式雙向循環(huán)，按一定管間距固定在保溫材料上，回填豆石混凝土，經(jīng)夯實(shí)平整后再做地面面層。熱媒可采用微型水泵使低溫?zé)崴淮笥?5℃，通過(guò)熱盤(pán)管加熱地表層，以輻射的方式向室內(nèi)傳熱，從而達(dá)到舒適的供暖效果。圖5為低溫地板熱水輻射供暖系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

　　地板供暖的節(jié)能問(wèn)題主要包括減少采暖耗能和減少水泵電耗能。低溫地板熱水輻射供暖方式在采暖節(jié)能方面具有以下特點(diǎn)：

　　(1)降低室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，節(jié)省能耗。利用低溫?zé)崴孛孑椛涔┡蚴覂?nèi)供暖時(shí)，熱量主要以輻射方式傳送，輻射散熱量占總散熱量50％～60％，這種傳送方式直接迅速，熱量無(wú)需通過(guò)任何介質(zhì)便可傳給供對(duì)象，提高了熱效率。因此地板供暖可以用較低的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度得到散熱器較高室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度相當(dāng)?shù)墓┡Ч?。室?nèi)設(shè)計(jì)溫度的降低，意味著室內(nèi)供暖熱負(fù)荷的降低，亦即節(jié)省了供暖能耗，節(jié)約了能源。

　　(2) 行為節(jié)能，減少能耗。其一，輻射采暖方式較對(duì)流方式熱效率高，在相同舒適條件下，室內(nèi)計(jì)算溫度一般可比對(duì)流采暖方式低2℃～3℃。其二，地面輻射供暖容易單戶自成系統(tǒng)，只需在分水器旁加裝熱計(jì)量裝置，即可實(shí)現(xiàn)分戶熱計(jì)量，適應(yīng)了供熱方式的變革，可按需供求，實(shí)現(xiàn)行為節(jié)能。其三，采用自動(dòng)分室溫度控制以后，溫控系統(tǒng)能自動(dòng)關(guān)斷環(huán)路，減少熱量浪費(fèi)，有資料認(rèn)為可節(jié)能10％左右。因此地板供暖智能化、分戶計(jì)量、自動(dòng)調(diào)溫可以實(shí)現(xiàn)行為節(jié)能。

　　(3)高度附加熱損失小。根據(jù)《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)要求，人長(zhǎng)期停留房間地表面溫度不得高于28℃，采用地面輻射供暖時(shí)室溫在室內(nèi)垂直方向的變化規(guī)律，地表面溫度接近30℃，垂直溫度開(kāi)始降低，在人的呼吸地帶達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。距地面30cm垂直方向的溫度變化不大。采用地面輻射供暖時(shí)，輻射供暖地面的溫度高于空間溫度，由于上部空間溫度低，因而大大地減少了上部空間向外的無(wú)效熱損失。

　　(4)利用低溫?zé)崴?。低溫?zé)崴匕遢椛涔┡杷疁氐?，而溫度較低的熱水在傳輸過(guò)程中比散熱器傳輸時(shí)散熱損失小?？刹捎脽岜霉?jié)能技術(shù)，廣泛利用地?zé)?、空氣、污水熱量、太?yáng)能等可再生能源和低品位能源。

　　(5)地板材料的蓄熱，熱穩(wěn)定性好。該供暖方式具有熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，尤其是間歇供暖情況下室溫變化緩慢，即使關(guān)斷熱水閥門(mén)或降低供水溫度，填充層的材料蓄熱量能使室溫保持6小時(shí)左右。實(shí)踐證明地板輻射供暖的蓄熱也具有一定的節(jié)能效果。

　　4.2 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)

　　提高地板采暖系統(tǒng)的整體效率，還要考慮管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和水泵本身機(jī)械特性，以便提高管道和水泵效率。同時(shí)還要考慮水泵電拖動(dòng)系統(tǒng)的效率問(wèn)題。下面提出以u(píng)pd78f1213為控制器，采用永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)提高水泵電拖動(dòng)系統(tǒng)效率的解決方案。

　　4.2.1 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的主電路和控制電路

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)速度快和效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在高性能的伺服領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)從改善永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能出發(fā)，采用矢量控制策略，實(shí)現(xiàn)了直軸電流id 和轉(zhuǎn)矩分量iq的解耦，并將開(kāi)關(guān)損耗svpwm和無(wú)速度傳感器原理應(yīng)用到系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，從而既提高了效率又降低了系統(tǒng)成本。

　　設(shè)計(jì)制作了永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的功率電路。其中整流橋采用25a/100℃扁型整流橋，ipm模塊采用東芝的tpd4104k，電解電容選擇220mf/400v，控制器選擇nec 16位mpd18f1213，保護(hù)功能包括，功率開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)、輸出直流電壓過(guò)壓與欠壓保護(hù)、功率開(kāi)關(guān)過(guò)熱保護(hù)、工作電源欠壓保護(hù)等。系統(tǒng)的功率電路見(jiàn)圖6，控制電路見(jiàn)圖7。

圖6 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的功率電路

圖7 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的部分控制電路

圖8 電壓空間矢量的放射形式和6個(gè)扇區(qū)

圖9 逼近圓形時(shí)磁鏈增量軌跡

　　4.2.2 開(kāi)關(guān)損耗svpvm原理

　　空間矢量脈寬調(diào)制（svpwm）利用6個(gè)有效矢量和2個(gè)零矢量的這8個(gè)基本電壓空間矢量合成盡可能多的電壓矢量，以形成盡可能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁鏈圓，可參見(jiàn)圖8和圖9。svpwm是應(yīng)用非常廣泛的一種開(kāi)關(guān)調(diào)制策略，相對(duì)于正弦脈寬調(diào)制（spwm），svpwm技術(shù)有直流電壓高、易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減少的優(yōu)點(diǎn)?？墒浅Ｒ?guī)svpwm仍然在降低開(kāi)關(guān)頻率方面存在著缺陷。通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率的方法可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗的減小，但考慮其開(kāi)關(guān)電流的大小，這種方法并不能使開(kāi)關(guān)損耗。本文提出了一種svpwm優(yōu)化方法，該方法根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)角動(dòng)態(tài)分布零矢量，使得每相電壓正、負(fù)半周各60°的不開(kāi)關(guān)扇區(qū)對(duì)稱分布于負(fù)載電流峰值的兩側(cè)，從而在上減少功率器件的開(kāi)關(guān)電流，達(dá)到開(kāi)關(guān)損耗。

　　功率器件的開(kāi)關(guān)損耗主要包括靜態(tài)損耗和動(dòng)態(tài)損耗具體的表達(dá)式為：

　　ploss=pss+psw=udc×f(i)×fs×k (1)

　　其中pss為靜態(tài)損耗；psw為動(dòng)態(tài)損耗；udc為逆變器直流側(cè)電壓，是系統(tǒng)給定值；f(i)為開(kāi)關(guān)電流的單調(diào)函數(shù)；fs為開(kāi)關(guān)頻率；k為常數(shù)。對(duì)逆變器而言，ploss只與f(i)和fs有關(guān)。

　　當(dāng)相鄰的非零空間矢量導(dǎo)通時(shí)間不足時(shí)，可插入零矢量u0和u7。設(shè)定t0和t7為:

　　t0=(1-k)×tz，t7=k×tz(0≤k≤1) (2)

　　t0、t7分別為零矢量u0、u7的作用時(shí)間；tz為零矢量作用時(shí)間；k不受限制，可取[0,1]區(qū)間內(nèi)的任意值，因而可得到許多空間矢量脈寬調(diào)制方案。如圖10所示，開(kāi)關(guān)損耗方案即把k值的切換點(diǎn)置于每個(gè)扇區(qū)的中點(diǎn)，使每半周60°的開(kāi)關(guān)不動(dòng)作區(qū)盡可能對(duì)稱分布在電流峰值的兩側(cè)，從而既限度地減小了開(kāi)關(guān)頻率又限度地減小了開(kāi)關(guān)電流，達(dá)到了開(kāi)關(guān)損耗的目的。

圖10 開(kāi)關(guān)損耗方案的調(diào)制波形

　　開(kāi)關(guān)損耗方案是一種根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)角動(dòng)態(tài)調(diào)整不開(kāi)關(guān)扇區(qū)位置，使不開(kāi)關(guān)扇區(qū)盡可能落在負(fù)載電流較大區(qū)域的svpwm方法。為了便于討論，定義正半周60°不開(kāi)關(guān)扇區(qū)的中點(diǎn)滯后該相給定電壓正峰值點(diǎn)的角度為該相不開(kāi)關(guān)扇區(qū)滯后角δ，定義逆變器三相對(duì)稱負(fù)載的功率因數(shù)角為φ。當(dāng)δ=φ時(shí)，每相每周期兩個(gè)60°不開(kāi)關(guān)扇區(qū)恰好落在負(fù)載電流正、負(fù)半周電流幅值的兩個(gè)60°扇區(qū)。這樣就減小了功率器件的開(kāi)關(guān)電流，從而進(jìn)一步減少了開(kāi)關(guān)損耗，則在一個(gè)周期內(nèi)δ和φ按如下取值：

　　當(dāng)|φ|≤30°(cosφ≥0.866)時(shí)，每個(gè)周期負(fù)載電流幅值的兩個(gè)60°扇區(qū)剛好是不開(kāi)關(guān)扇區(qū)，因而可將開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)電流降低13%（1-sin60°=13%）。只要|φ|≤60°(cosφ≥0.5)，負(fù)載電流的正負(fù)峰值就會(huì)落在不開(kāi)關(guān)扇區(qū)內(nèi)，從而減少開(kāi)關(guān)電流。電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的功率因數(shù)一般在0.8以上，且隨機(jī)械負(fù)荷的變化而變化，因此對(duì)常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，開(kāi)關(guān)損耗方法不僅能使開(kāi)關(guān)損耗，而且還能有效減少開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)電流。圖11為采用開(kāi)關(guān)損耗方案并濾波后的svpwm調(diào)制波和u相電壓實(shí)驗(yàn)波形。

圖11 調(diào)制波和u相電壓實(shí)驗(yàn)波形

　　4.2.3 矢量控制原理

　　正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁通由磁鋼決定，是恒定不變的，可采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，即將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定在轉(zhuǎn)子磁鏈 yr 方向上的矢量控制。矢量控制是建立在坐標(biāo)變換理論下的控制方法，經(jīng)坐標(biāo)變換后，永磁同步電機(jī)具有像直流電機(jī)一樣的調(diào)速性能，為此給出永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。其磁鏈方程分別簡(jiǎn)化為：

　　電壓方程簡(jiǎn)化為

　　轉(zhuǎn)矩方程簡(jiǎn)化為：

　　其中，lsd、lsq分別為等效兩相定子繞組d軸自感、q軸自感；id、iq分別為d、q軸方向的電流分量；ω1為同步角轉(zhuǎn)速；np為定子磁極對(duì)數(shù)。

　　在永磁同步電機(jī)中，id=0，因此有

　　在id=0條件下，電磁轉(zhuǎn)矩te和q軸電流iq成正比，只要對(duì)電流進(jìn)行控制就達(dá)到了控制轉(zhuǎn)矩的目的，同時(shí)也能保證的輸出轉(zhuǎn)矩。

　　其中tl、j分別為電機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωr為轉(zhuǎn)子角速度。通過(guò)對(duì)輸出力矩的控制，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。圖12為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向并使id=0的pmsm矢量控制系統(tǒng)。

　　4.2.4 無(wú)速度傳感器原理

　　pmsm矢量控制系統(tǒng)通常需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和定子電流等相關(guān)物理量，但是當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和成本致使無(wú)法使用位置傳感器檢測(cè)時(shí)，則需要采用無(wú)位置傳感器的控制方法。本文提出一種低成本的無(wú)速度傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制解決方案，利用串聯(lián)在負(fù)母線中的采樣電阻得到負(fù)母線電流信號(hào)，利用分壓電阻取得直流母線的電壓，結(jié)合逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)s(a,b,c)實(shí)現(xiàn)相電流和相電壓的重構(gòu)，采用基于改進(jìn)電壓模型的反電勢(shì)積分方法對(duì)轉(zhuǎn)速和磁鏈進(jìn)行估算，估算得到的轉(zhuǎn)子位置和速度用作反饋，從而實(shí)現(xiàn)了低成本永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制。無(wú)速度傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)采用id=0控制策略，d軸磁鏈全部由永磁體產(chǎn)生。該系統(tǒng)包括電流環(huán)、電壓環(huán)、逆變器和轉(zhuǎn)速估算模塊，如圖13所示。

圖12 轉(zhuǎn)子磁鏈定向并使id=0的pmsm矢量控制系統(tǒng)

圖13 無(wú)速度傳感器的pmsm矢量控制系統(tǒng)

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　隨著矢量控制理論和調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速在地板供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。地板輻射供暖廣泛應(yīng)用于中小功率的場(chǎng)合，以其節(jié)能高效的特性受到社會(huì)的關(guān)注和認(rèn)可，使其成為一種極具發(fā)展前途的供暖方式。但是仍然有一些尚需研究解決的技術(shù)問(wèn)題，這就需要廣大同行進(jìn)一步討論和研究，促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)日益完善。