具有兩種工作模式的變頻變容空調系統的製作方法

2023-10-31 06:52:42 2

專利名稱：具有兩種工作模式的變頻變容空調系統的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種具有同步運行模式和變頻運行模式兩種工作模式的變頻變容空調系統，屬於空調系統的創新技術。
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。變頻空調的綜合效率高、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。近年來隨著對變頻空調的深入研究，發現變頻空調雖然季節能效比高，但在額定能力輸出和最大能力輸出工況，系統的能效比低。例如，某款一級能效變頻空調櫃機的季節能效比為4. 3，但額定製冷能力輸出工況的能效比為3. 3，而最大製冷能力輸出工況的能效比僅為2. 6。造成變頻空調額定能力輸出和最大能力輸出工況能效比低的原因，是空調系統中的變頻器在重負載情況下自身消耗的功率比較大。針對變頻空調重負載工況下能效低的問題，目前國內外有效的解決方案報導不多。
發明內容本實用新型的目的在於考慮上述問題而提供一種利用永磁同步電動機有別於感應電動機的輸出特性，利用可變容量的壓縮機，有效提高變頻空調重負載工況下的能效比， 且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變頻變容空調系統。
3本實用新型具有同步運行模式和變頻運行模式兩種工作模式的變頻變容空調系統有利於提高系統在額定能力輸出工況和最大能力輸出工況的效率，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。本實用新型的技術方案是本實用新型具有兩種工作模式的變頻變容空調系統， 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，其中壓縮機採用可變容量的壓縮機，電動機為具有自起動能力的單相或三相永磁同步電動機；電動機在系統以額定能力輸出或最大能力輸出時通過工作模式切換電路直接與供電電網相連；電動機在系統低於額定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。上述壓縮機採用可變容量的壓縮機。上述電動機的極對數為1，同步轉速為3000轉/分。本實用新型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，其中壓縮機為可變容量壓縮機，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。本實用新型具有同步運行模式和變頻運行模式兩種工作模式，可以提高系統在額定能力輸出工況和最大能力輸出工況的效率，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。

圖1為目前常規變頻空調系統的結構圖。圖2為本實用新型實施例變頻變容空調系統的結構圖。圖3為本實用新型實施例空調系統工作模式轉換流程圖。
具體實施方式
實施例本實用新型實施例變頻變容空調系統的結構圖如圖2所示，本實施例為一臺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、雙缸變容壓縮機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，本實用新型壓縮機15採用雙缸結構的可變容量壓縮機，其中一個氣缸的壓縮工作容量是恆定的，構成壓縮機的基本氣缸容量，另一個氣缸為可進行變容量控制的氣缸， 該可變容氣缸可根據需求關閉或啟動；另外，本實用新型多了一個工作模式切換電路14， 本實用新型實施例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。在本實用新型實例提出的變頻變容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)X60 / (永磁電機極對數)。本實用新型變頻變容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的最大輸出功率，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況和超額定工況處的效率。如圖3為本實用新型變頻變容空調系統的「同步運行模式」和「變頻運行模式」兩種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；這時的壓縮機15的兩個氣缸同時工作，這時的壓縮機容量最大，冷媒循環以最快的速度建立起蒸發過程與冷凝過程的平衡。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，這時壓縮機的容量是可變的，即根據系統輸出能力的需求決定壓縮機是單缸或雙缸工作；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驅動可以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能力輸出不足，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維持在同步工作模式下運行，這時壓縮機的容量是可變的，即根據系統輸出能力的需求決定壓縮機的氣缸容量，採用單缸工作時壓縮機的容量為基本工作容量，採用雙缸工作時對應最大工作容量；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。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，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的輸出能力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。本實用新型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三相永磁同步電機，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是本實施例電動機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。本實用新型實施例變頻變容空調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 30HZ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。
權利要求1.一種具有兩種工作模式的變頻變容空調系統，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)，其特徵在於壓縮機(15)採用可變容量的壓縮機，電動機(16)為具有自起動能力的單相或三相永磁同步電動機；電動機(16)在系統以額定能力輸出或最大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)在系統低於額定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變頻變容空調系統，其特徵在於上述壓縮機(15 )採用可變容量的壓縮機。
3.根據權利要求1所述的具有兩種工作模式的變頻變容空調系統，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。
專利摘要本實用新型是一種具有兩種工作模式的變頻變容空調系統，本實用新型空調系統包括由冷凝器、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，其中壓縮機採用可變容量的壓縮機，電動機為具有自起動能力的單相或三相永磁同步電動機；電動機在系統以額定能力輸出或最大能力輸出時通過工作模式切換電路直接與供電電網相連；電動機在系統低於額定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。本實用新型的空調系統，既可以提高額定能力輸出和超過額定能力輸出時空調系統的能效比；也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，降低空調系統的成本，提高系統可靠性。
文檔編號F24F1/00GK202066123SQ20112015478
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月16日 優先權日2011年5月16日
發明者劉智平, 徐杜, 王鴻貴, 童懷, 黃國宏 申請人:廣東工業大學