CN101726135B - 具有两种工作模式的空调系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有两种工作模式的空调系统及其控制方法。本发明的具有两种工作模式的空调系统，包括有由冷凝器(10)、蒸发器(11)、膨胀阀、压缩机(15)组成的空调制冷系统及驱动压缩机的电动机(16)，其中空调系统的两种工作模式包括有同步工作模式和变频工作模式，电动机(16)为永磁同步电动机，且电动机(16)的三相绕组与变频器(13)的功率模块相连，并且电动机(16)通过工作模式切换电路(14)与电网相连。本发明应用定频空调和变频空调的工作模式，可以实现小容量的变频器来驱动大容量的压缩机。本发明有利于降低大容量空调系统的成本，提高系统的可靠性。本发明的具有两种工作模式的空调系统的控制方法简单方便。

Description

具有两种工作模式的空调系统及其控制方法

技术领域

本发明是一种具有两种工作模式的空调系统及其控制方法，属于空调系统及其节能控制方法的创新技术。

背景技术

定频空调是目前使用最普遍的一种空调，这种空调压缩机一般由交流感应电机来驱动，其转速由使用于压缩机的电源频率来决定。使用感应电机的定频空调本身不能通过频率变化来控制冷媒，进而达到控制制冷或制热效果、调整负荷的目的。当环境温度和运行工况变化大时，其空调负荷变化也大，如果感应电机长期在低负荷状态下工作，其运行效率很低，而且当负荷特别低时，还会使机组起停频繁，对电网造成较大的冲击。

因为变频空调效率高、对电网的冲击小、使用电压的变化范围宽，目前其应用越来越广泛，变频压缩机中电机类型也逐步由感应电机变成了永磁同步电机，即由交流变频转变为直流变频。变频空调虽然比定频空调效率高，但成本和可靠性是阻碍变频空调推广应用的两大关键因素。通过近几年的努力，小功率的变频空调的可靠性逐步接近了定频空调，成本也大大降低。但当变频空调的功率增大后，系统的硬件电路成本迅速增加，系统的可靠性更难把握。针对这些问题，专利号ZL99236673的《一拖多空调器》公开了一种压缩机的输出功率可随各室内机的需要变化的技术，它是由变频压缩机和定频压缩机并接而成的，以便减小变频器的容量。但是这种方式输出功率的调节范围不够宽，且没有解决定频压缩机起动时对电网冲击大的问题。

在变频空调领域应用的直流电机除了比感应电机效率高外，在性能方面还有其特点。图1、2、3是某一款机座型号的压缩机分别采用永磁同步电机与感应电机驱动时输出特性的对比图。图1为电机输入电流与输出功率的关系曲线，图2为电机效率与输出功率的关系曲线，图3为电机功率因素与输出功率的关系曲线，图中实线代表永磁同步电机的特性曲线，虚线代表感应电动机的特性曲线。如图1所示，永磁同步电机的空载和轻负载的电流很小，而感应电机的空载电流较大。虽然如图2所示两种电机都具有效高的效率，但如图3所示永磁同步电机在半额定工作点到额定工作点较宽的输出功率范围内，都有很高的功率因素(PF)值，而感应电动机在低于额定工作点后，功率因素(PF)值迅速下降。感应电机采用变频调速，实际上就是改变额定工作点的位置，从而可以在较宽的输出功率范围内都获得高的效率和功率因素。而永磁同步电机，速度保持恒定，同样可以在较宽的输出功率范围获得高效率和高功率因素。

与感应电机相比，永磁同步电动机有一个很大的缺点，就是自己不具备起动能力。永磁同步电机要解决起动问题一种常用方法是采用异步起动同步运行方式，另一种常用方法是变频起动方式。

在空调应用领域，专利ZL02132084.5提出了一种自起动式(永磁)同步电机及使用这种电机的压缩机，这种起动方案实际上是先利用感应电机的起动原理将同步电机由静止升速到同步转速的，这种系统结构简单可靠，系统效率比感应电机更高。但是这种方案存在的缺点是：①起动时对电网冲击大；②这种自动式电机的起动能力比一般的感应电动机要差一些，不适合电网电压波动大的情况；③永磁同步电机在输出功率过小时，效率、功率因素下降过多，因此系统输出功率的调节范围较窄。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种应用定频空调和变频空调的工作模式，可以实现小容量的变频器来驱动大容量的压缩机的具有两种工作模式的空调系统。本发明有利于降低大容量空调系统的成本，提高系统的可靠性。

本发明的另一目的在于提供一种简单方便的具有两种工作模式的空调系统的控制方法。

本发明的技术方案是：本发明的具有两种工作模式的空调系统，包括有由冷凝器、蒸发器、膨胀阀、压缩机组成的空调制冷系统及驱动压缩机的电动机，其中空调系统的两种工作模式包括有同步工作模式和变频工作模式，电动机为永磁同步电动机，且电动机的三相绕组与变频器的功率模块相连，并且电动机通过工作模式切换电路与电网相连。

上述工作模式切换电路包括有工作模式判别及转换逻辑电路及由双向可控硅构成的电力电子开关，电动机的三相绕组与变频器的功率模块相连，并且电动机通过电力电子开关与电网相连，工作模式判别及转换逻辑电路分别与电力电子开关及变频器的功率模块连接，且工作模式判别及转换逻辑电路在判别系统满足并网条件时，控制封锁变频器的功率模块，同时触发电力电子开关导通，电动机通过电力电子开关直接由电网供电运行。

上述电动机的并网条件是：电动机的端电压与电网电压相位相同；两电压的幅值之差不超过5％；两面电压的频率之差不超过0.25Hz。

本发明具有两种工作模式的空调系统的控制方法，控制空调系统在同步工作模式下或/和在变频工作模式下运行，工作模式切换电路包括有工作模式判别及转换逻辑电路及由双向可控硅构成的电力电子开关，电动机的三相绕组与变频器的功率模块相连，并且电动机通过电力电子开关与电网相连，工作模式判别及转换逻辑电路分别与电力电子开关及变频器的功率模块连接，且工作模式判别及转换逻辑电路在判别系统满足并网条件时，控制封锁变频器的功率模块，同时触发电力电子开关导通，电动机通过电力电子开关直接由电网供电运行，变频工作模式是压缩机由变频器驱动的转速可变化的工作模式，在系统要求输出1/4～1/3的额定功率的小功率范围内的时候，压缩机由变频器直接驱动，通过调节压缩机转速来实现输出功率的调节，同步工作模式是压缩机直接由电网直接供电，压缩机转速为同步转速的工作模式，在系统要求输出半额定输出功率到额定输出功率的大功率范围内时，压缩机中电动机不是由变频器驱动，而是通过双向可控硅电路，由电网直接供电，同步转速是指当电动机由电网直接供电时，电机转速严格由电网电压频率决定，定子三相绕组电流产生的旋转磁场与转子永磁体转动产生的旋转磁场同步，同步转速＝(电网电压频率Hz)×60/(永磁电机极对数)。

上述具有两种工作模式的空调系统的控制方法，其包括如下步骤：

1)系统接到控制信号开始工作；

2)变频器作为起动装置将压缩机中的电动机牵入到同步转速；

3)压缩机切入到同步工作模式；

4)冷媒循环快速建立起蒸发过程与冷凝过程的平衡，压缩机输出功率迅速增大；

5)压缩机维持在同步工作模式下运行；

6)判断系统是否有停机信号，如果有则停机，如果没有则继续运行；

7)根据实际工况及用户要求，调节压缩机输出功率的大小；

8)根据系统实际输出功率的大小，决定工作模式：

如果输出功率在小于1/3倍额定功率的小功率区域，则系统进入变频工作模式；

如果输出功率在半额定功率到额定功率的大功率区域，则系统进入同步工作模式。

上述步骤1)中，系统接到控制信号开始工作，首先变频器作为起动装置将压缩机中的电动机牵入到同步转速，进入100阶段，该100阶段根据空调器的负载特性，在起动阶段还没有建立起正常的冷媒循环过程之前，压缩机吸气排气口的压力差很小，压缩机负载很轻，这时一个压缩机容量(1/4～1/3)的变频器是可以驱动压缩机到达同步转速的。

上述步骤2)中，刚开始工作的系统，将需要较大的压缩机功率来建立冷媒的蒸发冷凝动态平衡，因此这时将直接切换到由电网直接供电的同步运行模式，进入110阶段，在这个运行阶段，压缩机恒定在同步转速运行，但输出功率会随着压缩机吸气排气口的压差的增大而逐渐增大。

上述步骤3)中，系统运行进入120阶段，该阶段冷媒循环过程快速建立起动态平衡，电动机采用2极电机。

上述步骤4)中，系统接着进入130运行阶段，该阶段电动机工作在同步运行方式，电动机速度保持恒定，在较宽的输出功率范围获得较高的效率和功率因素，空调压缩机输出半额定输出功率到额定输出功率的大功率的工作区域。

上述步骤5)中，空调系统存在一个与同步工作模式并列的变频工作模式运行阶段，即140运行阶段；

上述步骤6)中，控制程序在每一个循环过程中，都要判断是否有停机信号，如果有停机信号则系统停机，如果没有停机信号则进入下一个程序段160，该阶段根据实际工况及用户要求调节压缩机输出功率大小；与变频空调通过改变压缩机转速来调节压缩机的输出功率不同，系统在同步工作模式时调节输出功率有两种情况：①系统负载随着室内外工况不同而变化，输出功率和输入功率进行自动调节，系统仍保持较高的效率和功率因素；②当用户设置温度变化时，控制板通过采用调节膨胀阀的开启度、调节室内外风机转速的方法，达到调节压缩机的输出功率和输入功率的目的；

上述步骤7)中，循环进入170阶段，该阶段控制程序将根据当前压缩机输出功率的范围，决定采用哪种工作模式。

本发明的具有两种工作模式的空调系统由于采用包括有由冷凝器、蒸发器、膨胀阀、压缩机等组成的空调制冷系统及驱动压缩机的电动机，其中电动机为永磁同步电动机的结构，且电动机的三相绕组与变频器的功率模块相连，并通过工作模式切换电路与电网相连。本发明应用定频空调和变频空调的工作模式，可以实现小容量的变频器来驱动大容量的压缩机。本发明有利于降低大容量空调系统的成本，提高系统的可靠性。

附图说明

图1为永磁同步电机电流与输出功率的关系曲线，图中实线对应永磁同步电动机、虚线对应感应电机。

图2为永磁同步电机效率与输出功率的关系曲线，图中实线对应永磁同步电动机、虚线对应感应电机。

图3为永磁同步电机功率因素与输出功率的关系曲线。

图4为本发明两种工作模式下系统的效率曲线。

图5本发明空调系统的原理框图。

图6本发明系统工作模式转换示意图。

具体实施方式

实施例：

本发明空调系统的原理框图如图5所示，本发明的具有两种工作模式的空调系统，包括有由冷凝器10、蒸发器11、膨胀阀、压缩机15组成的空调制冷系统及驱动压缩机的电动机16，其中空调系统的两种工作模式包括有同步工作模式和变频工作模式，电动机16为永磁同步电动机，且电动机16的三相绕组与变频器13的功率模块相连，并且电动机16通过工作模式切换电路14与电网相连。图5中没有标出作为空调系统的其它核心部件四通阀、室内风机、室外风机、冷媒流通的管路及逻辑控制电路等。

如图6所示，上述工作模式切换电路14包括有工作模式判别及转换逻辑电路1401及由双向可控硅构成的电力电子开关1402，电动机16的三相绕组与变频器13的功率模块相连，并且电动机16通过电力电子开关1402与电网相连，工作模式判别及转换逻辑电路1401分别与电力电子开关1402连接及与变频器13的功率模块连接，在压缩机的起动过程中，变频器将电动机16升速到同步转速，工作模式判别及转换逻辑电路1401判别并网条件是否成立。当系统满足并网条件时，工作模式判别及转换逻辑电路1401将封锁变频器功率模块，同时触发电力电子开关1402导通，这样永磁同步电机将通过电力电子开关直接由电网供电运行。

上述永磁同步电机并网的条件：同步电机端电压与电网电压相位相同；两电压的幅值之差不超过5％；两面电压的频率之差不超过0.25Hz。

如图7为系统工作模式转换流程图。系统接到控制信号开始工作，首先变频器作为起动装置将压缩机中的电动机16牵入到“同步转速”，进入100阶段。该阶段根据空调器的负载特性，在起动阶段还没有建立起正常的冷媒循环过程之前，压缩机吸气排气口的压力差很小，压缩机负载很轻，这时一个压缩机容量(1/4～1/3)的变频器是可以驱动压缩机到达同步转速的。

刚开始工作的系统，将需要较大的压缩机功率来建立冷媒的蒸发冷凝动态平衡，因此这时将直接切换到由电网直接供电的“同步运行模式”，进入110阶段。在这个运行阶段，压缩机恒定在同步转速运行，但输出功率会随着压缩机吸气排气口的压差的增大而逐渐增大。

接着系统运行进入120阶段，该阶段冷媒循环过程快速建立起动态平衡。压缩机的同步转速实际上是较低的，因此在应用本发明的方案时，压缩机中的电动机16不是设计为目前变频空调压缩机所普遍采用的4极或6极，而是设计为2极电机，这样电机同步转速为3000转/分。除了提升电动机16的同步转速以外，为了达到变频空调类似的快速制冷或制热的效果，本方案在刚开始运行时将取合理的膨胀阀开启度，以便较快建立冷凝器与蒸发器之间的压力差，冷媒循环系统建立动态平衡后，冷媒在蒸发器内的蒸发量和在冷凝器内的冷凝量都增大，系统压力差增大、冷媒流量增大，所需的压缩机输出功率增加，系统的制冷或制热能力提高。

系统接着进入130运行阶段，在该阶段，电动机16仍然工作在同步运行方式。电动机16虽然速度保持恒定，同样可以在较宽的输出功率范围获得较高的效率和功率因素。因此这个运行阶段是空调压缩机输出大功率，如半额定输出功率到额定输出功率的工作区域，也是本系统最常用到的工作模式。

本发明所述的空调系统最突出的特点是，还存在一个与“同步工作模式”并列的“变频工作模式”运行阶段，即140运行阶段。“变频工作模式”的原理与变频空调的原理相同，系统通过调节压缩机的转速来调节功率输出。因为变频模式对应的是系统输出小功率的工作区域，因此，压缩机的转速通过变频器一般只往下调节，使系统在低于同步转速的范围内工作。如果往上调节压缩机的转速，要注意不超出变频器的承受能力。

控制程序在每一个循环过程中，都要判断是否有停机信号，如果有停机信号则系统停机，如果没有停机信号则进入下一个程序段160，该阶段根据实际工况及用户要求调节压缩机输出功率大小。与变频空调通过改变压缩机转速来调节压缩机的输出功率不同，系统在同步工作模式时调节输出功率有两种情况：①系统负载随着室内外工况不同而变化，输出功率和输入功率进行自动调节，系统仍保持较高的效率和功率因素。②当用户设置温度变化时，控制板通过采用调节膨胀阀的开启度、调节室内外风机的转速等方法，可以达到调节压缩机的输出功率和输入功率的目的。其中调节膨胀阀的开启度是最有效的方法，只要系统设计合理，当冷媒蒸发和冷凝达到动态平衡时，膨胀阀的开启度小对应压缩机的输出功率大，而膨胀阀的开启度大对应压缩机的输出功率小。实验表明，调节膨胀阀的开启度时要特别注意开启度的调节速度问题：①开启度的调节速度过快，可能导致压缩机的回气温度高于冷媒介质的过热温度，出现液态冷媒进入压缩机的情况；②只有合理的调节速度，才能保证压缩机的排气温度与冷凝器之间存在一定的温差。系统同时要检测压缩机的输出功率，对永磁同步电动机而言，通过检测压缩机电机的相电流和相电压就可以方便地推算出电机的输出功率。

循环进入170阶段，该阶段控制程序将根据当前压缩机输出功率的范围，决定采用哪种工作模式。在图4的输出功率较大的B～C区域时，系统采用“同步运行模式”，而在输出功率较小的A～B区域，系统采用“变频工作模式”。系统稳态运行时，实际就是在这两种模式之间不断转换的过程。同时要指出的是，由“变频工作模式”转换到“同步运行方式”，先要将电动机16的转速升到同步转速，然后才能切换。

本发明考虑到空调器中变频器除作为起动装置外，同时还可以让系统在小功率输出时工作在“变频工作模式”，因此电动机16的额定输出功率设计为变频器13额定输出功率的3～4倍。如下表1是本发明实验用电动机16的特性参数，电机极对数为1，同步转速为3000转/分，额定电压为380伏，额定功率为2500瓦。

表1本发明实验用压缩机永磁同步电动机特性参数

当选择变频器的容量为600瓦时，压缩机容量为变频器的容量的4.1倍，在“同步工作模式”区域系统效率为60％～88％，系统功率因素为65％～95％。

当选择变频器的容量为800瓦时，压缩机容量为变频器的容量的3.1倍，在“同步工作模式”区域系统效率为72％～88％，系统功率因素为81％～95％。

Claims (9)

1.一种具有两种工作模式的空调系统，包括有由冷凝器(10)、蒸发器(11)、膨胀阀、压缩机(15)组成的空调制冷系统及驱动压缩机的电动机(16)，其特征在于空调系统的两种工作模式包括有同步工作模式和变频工作模式，变频工作模式是压缩机(15)由变频器(13)驱动的转速可变化的工作模式，在系统要求输出1/4～1/3的额定功率的小功率范围内的时候，压缩机(15)由变频器(13)驱动，通过调节压缩机转速来实现输出功率的调节；而同步工作模式是压缩机直接由电网供电，压缩机转速为同步转速的工作模式，在系统要求输出半额定输出功率到额定输出功率的大功率范围时，压缩机中电动机(16)不是由变频器驱动，而是通过双向可控硅电路由电网直接供电，同步转速是指当电动机(16)由电网直接供电时，电动机(16)转速严格由电网电压频率决定，定子三相绕组电流产生的旋转磁场与转子永磁体转动产生的旋转磁场同步，同步转速＝(电网电压频率Hz)×60/(永磁电机极对数)，上述电动机(16)为永磁同步电动机，且电动机(16)的三相绕组与变频器(13)的功率模块相连，并且电动机(16)通过工作模式切换电路(14)与电网相连。

2.根据权利要求1所述的具有两种工作模式的空调系统，其特征在于上述工作模式切换电路(14)包括有工作模式判别及转换逻辑电路(1401)及由双向可控硅构成的电力电子开关(1402)，电动机(16)的三相绕组与变频器(13)的功率模块相连，并且电动机(16)通过电力电子开关(1402)与电网相连，工作模式判别及转换逻辑电路(1401)分别与电力电子开关(1402)及变频器(13)的功率模块连接，且工作模式判别及转换逻辑电路(1401)在判别系统满足并网条件时，控制封锁变频器(13)的功率模块，同时触发电力电子开关(1402)导通，电动机(16)通过电力电子开关(1402)直接由电网供电运行。

3.根据权利要求2所述的具有两种工作模式的空调系统，其特征在于上述电动机(16)的并网条件是：电动机(16)的端电压与电网电压相位相同；两电压的幅值之差不超过5％；两面电压的频率之差不超过0.25Hz。

4.一种根据权利要求1所述的具有两种工作模式的空调系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)系统接到控制信号开始工作；

2)变频器(13)作为起动装置将压缩机(15)中的电动机(16)牵入到同步转速；

3)压缩机(15)切入到同步工作模式；

4)冷媒循环快速建立起蒸发过程与冷凝过程的平衡，压缩机(15)输出功率迅速增大；

5)压缩机(15)维持在同步工作模式下运行；

6)判断系统是否有停机信号，如果有则停机，如果没有则继续运行；

7)根据实际工况及用户要求，调节压缩机(15)输出功率的大小；

8)根据系统实际输出功率的大小，决定工作模式：

如果输出功率在小于1/3倍额定功率的小功率区域，则系统进入变频工作模式；

如果输出功率在半额定功率到额定功率的大功率区域，则系统进入同步工作模式。

5.根据权利要求4所述的具有两种工作模式的空调系统的控制方法，其特征在于上述步骤1)中，系统接到控制信号开始工作，首先变频器作为起动装置将压缩机中的电动机(16)牵入到同步转速，进入100阶段，该阶段根据空调器的负载特性，在起动阶段还没有建立起正常的冷媒循环过程之前，压缩机吸气排气口的压力差很小，压缩机负载很轻，这时一个压缩机容量(1/4～1/3)的变频器是可以驱动压缩机到达同步转速的。

6.根据权利要求4所述的具有两种工作模式的空调系统的控制方法，其特征在于上述步骤2)中，刚开始工作的系统，将需要较大的压缩机功率来建立冷媒的蒸发冷凝动态平衡，因此这时将直接切换到由电网直接供电的同步运行模式，进入110阶段，在这个运行阶段，压缩机恒定在同步转速运行，但输出功率会随着压缩机吸气排气口的压差的增大而逐渐增大。

7.根据权利要求4所述的具有两种工作模式的空调系统的控制方法，其特征在于上述步骤3)中，系统运行进入120阶段，该阶段冷媒循环过程快速建立起动态平衡，电动机(16)采用2极电机。

8.根据权利要求4所述的具有两种工作模式的空调系统的控制方法，其特征在于上述步骤4)中，系统接着进入130运行阶段，该阶段电动机(16)工作在同步运行方式，电动机(16)速度保持恒定，在较宽的输出功率范围获得较高的效率和功率因素，空调压缩机输出半额定输出功率到额定输出功率的大功率工作区域。

9.根据权利要求4所述的具有两种工作模式的空调系统的控制方法，其特征在于上述步骤5)中，空调系统存在一个与同步工作模式并列的变频工作模式运行阶段，即140运行阶段；

上述步骤6)中，控制程序在每一个循环过程中，都要判断是否有停机信号，如果有停机信号则系统停机，如果没有停机信号则进入下一个程序段160，该程序段160根据实际工况及用户要求调节压缩机输出功率大小；与变频空调通过改变压缩机转速来调节压缩机的输出功率不同，系统在同步工作模式时调节输出功率有两种情况：①系统负载随着室内外工况不同而变化，输出功率和输入功率进行自动调节，系统仍保持较高的效率和功率因素；②当用户设置温度变化时，控制板通过采用调节膨胀阀的开启度、调节室内外风机转速的方法，达到调节压缩机的输出功率和输入功率的目的；

上述步骤7)中，循环进入170阶段，该阶段控制程序将根据当前压缩机输出功率的范围，决定采用哪种工作模式。

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