具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統及其控制方法
2024-02-19 08:22:15
專利名稱：具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統及其控制方法
技術領域：
本發明是一種具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統及其控制方法，屬於空 調系統及其節能控制方法的技術。
背景技術：
定頻空調壓縮機一般由交流感應電機來驅動，其轉速由使用於壓縮機的電源頻 率來決定。使用感應電機的定頻空調本身不能通過頻率變化來控制冷媒，進而達到控 制製冷或制熱效果、調整負荷的目的。當環境溫度和運行工況變化大時，其空調負荷變 化也大，如果感應電機長期在低負荷狀態下工作，其運行效率很低，而且當負荷特別低 時，還會使機組起停頻繁，對電網造成較大的衝擊。變頻空調效率高、對電網的衝擊小、使用電壓的變化範圍寬，目前其應用越來 越廣泛，變頻壓縮機中電機類型也逐步由感應電機變成了永磁同步電機，即由交流變頻 轉變為直流變頻。變頻空調雖然比定頻空調效率高，但成本和可靠性是阻礙變頻空調推 廣應用的兩大關鍵因素。通過近幾年的努力，小功率的變頻空調的可靠性逐步接近了定 頻空調，成本也大大降低。但當變頻空調的功率增大後，系統的硬體電路成本迅速增 加，系統的可靠性更難把握。針對這些問題，專利號ZL99236673的《一拖多空調器》 公開了一種壓縮機的輸出功率可隨各室內機的需要變化的技術，它是由變頻壓縮機和定 頻壓縮機並接而成的，以便減小變頻器的容量。這種方式多適用於10匹以上的大功率空 調器，對3 5匹的空調櫃機而言性能價格比不高。在空調應用領域，專利ZL02132084.5提出了一種自起動式(永磁)同步電機及 使用這種電機的壓縮機，這種起動方案實際上是先利用感應電機的起動原理將同步電機 由靜止升速到同步轉速的，這種系統結構簡單可靠，系統效率比感應電機更高。但是這 種方案存在的缺點是①空調系統只具有同步運行模式，壓縮機起動頻繁，對電網衝擊 大；②永磁同步電機在輸出功率過小時，效率、功率因素下降過多，因此系統輸出功率 的調節範圍較窄。
發明內容
本發明的目的在於考慮上述問題而提供一種應用定頻空調和變頻空調的工作模 式，可以實現小容量變頻器與大容量壓縮機匹配的具有兩種工作模式的混合式變頻空調 系統。本發明有利於提高系統在額定工作點的效率，降低大容量變頻空調系統中變頻器 的成本，同時提高變頻器的可靠性。本發明的另一目的在於提供一種簡單方便的具有兩種工作模式的混合式變頻空 調系統的控制方法。本發明的技術方案是本發明具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統，包括 有由冷凝器、蒸發器、節流閥、壓縮機組成的空調製冷系統及驅動壓縮機的電動機，其 中電動機為具有自起動能力的永磁同步電動機，電動機在系統以額定能力輸出時通過工作模式切換電路直接與供電電網相連，電動機在系統以中間能力輸出時通過工作模式切 換電路與驅動其運行的變頻器連接，變頻器與供電電網相連。上述電動機是具有自起動能力的三相永磁同步電動機。上述電動機的極對數為1，同步轉速為3000轉/分。本發明具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統的控制方法，其包括如下步 驟
1)系統接到控制信號開始工作；
2)驅動壓縮機工作的電動機直接由三相四線制的電網供電，由於電動機具有自起動 功能，直接牽入到同步轉速而進入到同步工作模式；冷媒循環快速建立起蒸發過程與冷 凝過程的平衡，壓縮機輸出功率迅速增大；
3)當室內環境溫度沒有達到用戶設定的值時，壓縮機維持在同步工作模式下運行； 當室內環境溫度達到用戶設定的值時，壓縮機由變頻器驅動，以便維持室內的環境溫 度；
4)如果壓縮機由變頻器驅動維持室內的環境溫度，則系統維持在變頻工作模式；如 果驅動壓縮機的變頻器輸出功率不足，系統不能維持室內的環境溫度，則由電網供電， 系統又回到同步工作模式。上述步驟1)中，系統接到控制信號開始工作，驅動壓縮機工作的電動機利用 自身的起動功能牽入到同步轉速，壓縮機及電動機通過自起動功能進入同步轉速運行階 段。上述步驟2)中，剛開始系統進入在同步運行模式，在這個運行階段，雖然壓縮 機恆定在同步轉速運行，但根據永磁同步電機的特性，電動機的輸出功率隨著壓縮機吸 氣排氣口壓差的增大而逐漸增大。上述步驟3)中，系統運行進入在同步運行模式階段，冷媒循環過程快速建立起 動態平衡，室內環境溫度逼近用戶設定的溫度；系統判斷是否有停機信號，如果有則系 統停機；如果沒有停機信號，則判斷室內環境溫度是否達到設定值。當室內環境溫度沒 有達到用戶設定的值時，壓縮機將維持在同步工作模式下運行，提供額定的製冷或制熱 的能力輸出；當室內環境溫度達到設定值時，壓縮機改由變頻器驅動，空調系統工作在 變頻工作模式，以便維持室內的環境溫度。上述步驟4)中，空調系統工作在變頻工作模式，壓縮機工作在變頻運行模式， 通過調節電動機的速度，以在較寬範圍內調節系統的輸出功率，系統保持高效率和高功 率因素；系統判斷是否有停機信號，如果有停機信號，則系統停機；如果沒有停機信 號，系統判斷通過變頻器驅動的壓縮機的輸出功率是否能維持室內設定的環境溫度，當 室內環境溫度能維持在設定值時，壓縮機將維持在變頻工作模式下運行，系統提供較小 的製冷或制熱的能力輸出；當室內環境溫度達不到設定值，表明變頻工作模式下壓縮機 的輸出能力不足，系統又工作在同步運行模式，以獲得更大的能力輸出。本發明的具有兩種工作模式的空調系統由於採用包括有由冷凝器、蒸發器、膨 脹閥、壓縮機等組成的空調製冷系統及驅動壓縮機的電動機，其中電動機為具有自起動 能力的永磁同步電動機的結構，且電動機的三相繞組通過工作模式切換電路，既可與變 頻器相連，又可與電網相連。本發明應用定頻空調和變頻空調的工作模式，可以實現小容量變頻器與大容量壓縮機的匹配。本發明有利於降低大容量空調系統的成本，提高系 統的可靠性。
圖1為目前常規變頻空調系統的結構圖。圖2為本發明混合式變頻空調系統的結構圖。圖3為本發明空調系統工作模式轉換流程圖。
具體實施例方式實施例
本發明混合式變頻空調系統的結構圖如圖2所示，實施例為一臺3匹的高能效櫃式空 調，包括有由冷凝器10、蒸發器11、膨脹閥12、壓縮機15組成的空調製冷系統及驅動壓 縮機的電動機16，其中電動機16為具有自起動能力的永磁同步電動機，通過工作模式切 換電路14，在系統額定能力輸出時電動機16直接由電網供電運行，在系統中間能力輸出 時電動機16由變頻器13驅動。與目前常用變頻空調系統的結構示意圖1相比，本發明 多了一個工作模式切換電路14，本發明中的壓縮機電動機的三相繞組通過工作模式切換 電路，既可與變頻器相連，又可與電網直接相連，而常規變頻空調系統中壓縮機電機只 與變頻器相連。圖2中沒有標出作為空調系統的其它核心部件四通閥、室內風機、室外 風機、冷媒流通的管路及邏輯控制電路等。在本發明提出的混合式變頻空調系統中所使用的電動機16是具有自起動能力 的永磁同步電動機，電機的極對數為1，同步轉速為3000轉/分。同步轉速是指當永 磁同步電機由電網直接供電時，電機轉速嚴格由電網電壓頻率決定，定子三相繞組電流 產生的旋轉磁場與轉子永磁體轉動產生的旋轉磁場同步，同步轉速=(電網電壓頻率 Hz) X 60 / (永磁電機極對數)。本發明提出的混合式變頻空調系統的控制方法，控制空調系統在同步工作模式 下或/和在變頻工作模式下運行，變頻工作模式是壓縮機15由變頻器13驅動的轉速可變 化的工作模式，系統通過調節壓縮機轉速來實現輸出功率的調節，變頻器13的輸出功率 只需為(1/4 1/2)的額定功率，降低變頻器的容量既降低了系統的硬體成本，又提高 了系統的可靠性；而同步工作模式是壓縮機直接由電網供電，壓縮機轉速為同步轉速的工 作模式，壓縮機中的永磁同步電機由電網直接供電運行可以消除變頻器本身的損耗，這 樣提高了系統在額定工作點的效率。如圖3為本發明提出的混合式變頻空調系統的工作模式轉換流程圖，具體的控 制方法包括如下步驟
1)系統接到控制信號開始工作；
2)驅動壓縮機15工作的電動機16直接由三相四線制的電網供電，由於電動機16具 有自起動功能，直接牽入到同步轉速而進入到同步工作模式；冷媒循環快速建立起蒸發 過程與冷凝過程的平衡，壓縮機15輸出功率迅速增大；
3)當室內環境溫度沒有達到用戶設定的值時，壓縮機15維持在同步工作模式下運 行；當室內環境溫度達到用戶設定的值時，壓縮機15由變頻器13驅動，以便維持室內的環境溫度；
4)如果壓縮機15由變頻器13驅動維持室內的環境溫度，則系統維持在變頻工作模 式；如果驅動壓縮機15的變頻器13輸出功率不足，系統不能維持室內的環境溫度，則由 電網供電，系統又回到同步工作模式。上述步驟1)中，系統接到控制信號開始工作，驅動壓縮機15工作的電動機16 利用自身的起動功能牽入到同步轉速，壓縮機15及電動機16通過自起動功能進入同步轉 速運行階段。上述步驟2)中，剛開始系統進入在同步運行模式，在這個運行階段，雖然壓縮 機15恆定在同步轉速運行，但根據永磁同步電機的特性，電動機16的輸出功率隨著壓縮 機15吸氣排氣口壓差的增大而逐漸增大。上述步驟3)中，系統運行進入在同步運行模式階段，冷媒循環過程快速建立起 動態平衡，室內環境溫度逼近用戶設定的溫度；系統判斷是否有停機信號，如果有則系 統停機；如果沒有停機信號，則判斷室內環境溫度是否達到設定值。當室內環境溫度沒 有達到用戶設定的值時，壓縮機15將維持在同步工作模式下運行，提供額定的製冷或制 熱的能力輸出；當室內環境溫度達到設定值時，壓縮機15改由變頻器13驅動，空調系統 工作在變頻工作模式，以便維持室內的環境溫度。上述步驟4)中，空調系統工作在變頻工作模式，壓縮機15工作在變頻運行模 式，通過調節電動機16的速度，以在較寬範圍內調節系統的輸出功率，系統保持高效率 和高功率因素；系統判斷是否有停機信號，如果有停機信號，則系統停機；如果沒有停 機信號，系統判斷通過變頻器13驅動的壓縮機15的輸出功率是否能維持室內設定的環境 溫度，當室內環境溫度能維持在設定值時，壓縮機15將維持在變頻工作模式下運行，系 統提供較小的製冷或制熱的能力輸出；當室內環境溫度達不到設定值，表明變頻工作模 式下壓縮機15的輸出能力不足，系統又工作在同步運行模式，以獲得更大的能力輸出。本發明實施例中所採用的電動機16是一種可以異步起動同步運行的永磁同步 電機，電機的定子繞組採用分布繞組結構，在轉子鐵心的外圓周安放了鑄鋁成型的鼠籠 型線圈，在鼠籠型線圈的內周側嵌入了弧形形狀的永磁體，定子繞組產生的旋轉磁場與 鼠籠型線圈作用可以產生異步轉矩，使電機起動加速，當達到同步速度時異步轉矩變為 零，定子繞組產生的旋轉磁場與轉子永磁體作用產生同步轉矩維持電機的運行，即同步運 行。如表1是實施例電動機(16)的特性參數，電機極對數為1，同步轉速為3000轉/ 分，額定電壓為380伏，額定設計功率為2500瓦。本發明實施例混合式變頻空調3匹櫃 機所採用的變頻器額定功率為1.5千瓦，驅動壓縮機在(15 30) HZ的頻率範圍內運 行，變頻器的前級設置了功率因數校正PFC電路。表1本發明實驗用壓縮機永磁同步電動機·參教
權利要求
1.一種具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統，包括有由冷凝器(10)、蒸發器 (11)、節流閥(12)、壓縮機(15)組成的空調製冷系統及驅動壓縮機(15)的電動機(16)，其特徵在於電動機(16)為具有自起動能力的三相永磁同步電動機，電動機 (16)在系統以額定能力輸出時通過工作模式切換電路(14)直接與供電電網相連，電 動機(16)在系統以中間能力輸出時通過工作模式切換電路(14)與驅動其運行的變頻 器(13)連接，變頻器(13)與供電電網相連。
2.根據權利要求1所述的具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統，其特徵在於上述 電動機(16)是具有自起動能力的永磁同步電動機。
3.根據權利要求1所述的具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統，其特徵在於上述 電動機(16)的極對數為1，同步轉速為3000轉/分。
4.一種根據權利要求1所述的具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統的控制方法， 其特徵在於包括如下步驟1)系統接到控制信號開始工作；2)驅動壓縮機(15)工作的電動機(16)直接由三相四線制的電網供電，由於電 動機(16)具有自起動功能，直接牽入到同步轉速而進入到同步工作模式；冷媒循環快 速建立起蒸發過程與冷凝過程的平衡，壓縮機(15)輸出功率迅速增大；3)當室內環境溫度沒有達到用戶設定的值時，壓縮機(15)維持在同步工作模式下 運行；當室內環境溫度達到用戶設定的值時，壓縮機(15)由變頻器(13)驅動，以便 維持室內的環境溫度；4)如果壓縮機(15)由變頻器(13)驅動能夠維持室內的環境溫度，則系統維持 在變頻工作模式；如果驅動壓縮機(15)的變頻器(13)輸出功率不足，系統不能維持 室內的環境溫度，則由電網供電，系統又回到同步工作模式。
5.根據權利要求4所述的具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統的控制方法，其特 徵在於上述步驟1)中，系統接到控制信號開始工作，驅動壓縮機(15)工作的電動機(16)利用自身的起動功能牽入到同步轉速，壓縮機(15)及電動機(16)通過自起動 功能進入同步轉速運行階段。
6.根據權利要求4所述的具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統的控制方法，其特 徵在於上述步驟2)中，剛開始系統進入在同步運行模式，在這個運行階段，雖然壓縮機(15)恆定在同步轉速運行，但根據永磁同步電機的特性，電動機(16)的輸出功率隨 著壓縮機(15)吸氣排氣口壓差的增大而逐漸增大。
7.根據權利要求4所述的具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統的控制方法，其 特徵在於上述步驟3)中，系統運行進入在同步運行模式階段，冷媒循環過程快速建立起 動態平衡，室內環境溫度逼近用戶設定的溫度；系統判斷是否有停機信號，如果有則系 統停機；如果沒有停機信號，則判斷室內環境溫度是否達到設定值；當室內環境溫度沒 有達到用戶設定的值時，壓縮機(15)將維持在同步工作模式下運行，提供額定的製冷 或制熱的能力輸出；當室內環境溫度達到設定值時，壓縮機(15)改由變頻器(13)驅 動，空調系統工作在變頻工作模式，以便維持室內的環境溫度。
8.根據權利要求4所述的具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統的控制方法，其特 徵在於上述步驟4)中，空調系統工作在變頻工作模式，壓縮機(15)工作在變頻運行模式，通過調節電動機(16)的速度，以在較寬範圍內調節系統的輸出功率，系統保持高 效率和高功率因素；系統判斷是否有停機信號，如果有停機信號，則系統停機；如果沒 有停機信號，系統判斷通過變頻器(13)驅動的壓縮機(15)的輸出功率是否能維持室 內設定的環境溫度，當室內環境溫度能維持在設定值時，壓縮機(15)將維持在變頻工作模式下運行，系統提供較小的製冷或制熱能力輸出；當室內環境溫度達不到設定值， 表明變頻工作模式下壓縮機(15)的輸出能力不足，系統又工作在同步運行模式，以獲 得更大的能力輸出。
全文摘要
本發明是一種具有兩種工作模式的混合式變頻空調系統及其控制方法。本發明的具有兩種工作模式的空調系統，包括有由冷凝器(10)、蒸發器(11)、節流閥(12)、壓縮機(15)組成的空調製冷系統及驅動壓縮機的電動機(16)，其中電動機(16)為具有自起動能力的三相永磁同步電動機，電動機(16)的三相繞組通過工作模式切換電路(14)，既可與變頻器(13)的功率模塊相連，也可與電網直接相連。本發明應用定頻空調和變頻空調的工作模式，可以實現小容量的變頻器與大容量壓縮機的空調系統相匹配。本發明有利於降低空調系統的成本，提高系統的可靠性。本發明的具有兩種工作模式的混合式空調系統的控制方法簡單方便。
文檔編號F24F11/00GK102022861SQ20101056796
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月1日 優先權日2010年12月1日
發明者劉智平, 李志忠, 申柏華, 童懷, 黃國宏 申請人:廣東工業大學