CN106208897A - 基于smart算法的变频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提了一种基于SMART算法的变频控制方法，主要包括初次运行判断步骤、系统稳定状态的判断步骤、转速调节步骤。本发明的变频控制方法引入了SMART算法，以当前及之前至少M个开停机周期作为计算依据，同时引入了负载情况、环境温度、冰箱及压缩机的COP曲线，并考虑了系统的总体运行状况。采用本发明的技术方案可以使控制系统对冰箱运行环境及负载的变化反应速度明显加快，相对于只是基于温控器开停机时间的控制方式，其控制精程度及控制效率都大大提升。

Description

基于SMART算法的变频控制方法

技术领域

本发明属于电动机控制领域，具体涉及一种空调、冰箱压缩机的变频控制方法，特别是一种采用了SMART算法的、基于机械式温控开关信号的压缩机变频控制方法。

背景技术

近年来，随着人们对于生活品质的追求越来越高，加上低碳节能的生活理念逐步成为社会的共识，家电的变频化也渐渐成为趋势。对于冰箱而言，变频冰箱相对于普通的定速冰箱而言有着很多的优势，比如综合能耗更低，温控更精准，冷冻能力更强等。

目前变频空调、变频冰箱的市场占有率还很小，大部分还都是定速空调、冰箱，特别是由机械式温控开关或称之为机械温控器来控制压缩机运行与停止的定速空调、冰箱。以下以冰箱为例进行相应的文字描述。要想把这类冰箱转变为变频冰箱，通常的做法是按照变频冰箱的构造重新设计，很多的零部件包括箱体的结构都要做变更，不仅设计周期长，产线的改造费用也非常昂贵。这也造成了很对的企业未能将他们的产品变频化。

目前也有极个别的企业提出了基于机械式温控开关信号的变频算法，但基本不能实现产品化，即使做成产品，也远达不到变频冰箱的要求和性能。主要有以下几类：

1、控制算法过于简单，只是根据机械温控器开关信号的时间长短，按照预先设定好的固定的控制流程，以几个固定的频率点驱动压缩机，控温精度低；固定的运行模式无法满足不同的运行环境和负载情况，导致响应速度低，温度调节时间长，节能效果不明显；

2、引入了迭代的算法，采用逐步逼近的原理，根据前一周期的压缩机的开机率以及当前的开关机的时间来逐步调整压缩机的转速，每次根据需要稍稍增加或降低压缩机的运行频率。这种算法最大的问题是没有考虑到机械式温控器自身以及安装上不可避免的差别，对于不同的冰箱箱体，即使是同一批次生产的产品，其温控器的输出信号也可能存在较大的差异，因此单从开机率的角度来设计，是无法覆盖不同冰箱之间的差异的；另外，这种算法把冰箱放在一个静态的环境中去考虑，希望采用逐步逼近的方法，最终找到一个理想的运行频率，可是一旦运行的环境或是负载发生变化时，再要找到另一个理想的运行频率可能好花很长的时间，响应速度非常慢。

3、另外，所有这些被提出的设计概念中，都没有考虑到压缩机或冰箱整机的COP曲线，导致很多情况下计算出的工作频率点并不是在当前状态下能耗最优的工作点，节能效果不理想。

因此，急需设计一种基于机械式温控信号的冰箱压缩机变频控制方法，可以帮助空调、冰箱生产企业在最短时间内，做最少的改动就能够实现机械式定速冰箱的变频化。

发明内容

针对目前解决方案的缺点，本发明提出了一种以自学习为基础的稳定平衡控制算法，在压缩机负载增大能够快速响应制冷，压缩机负载减小则对应采取节能措施。本发明可用于各种机械式空调、冰箱产品的变频化改造，相对于现有技术有很大提升。

本发明的技术方案如下：

基于SMART算法的变频控制方法，主要包含以下步骤：

步骤一，初次运行判断步骤：

如果压缩机的运行时间超过了设定的开机周期Ton1_1，则将压缩机的运行转速提高△Si1，本运行周期内之后的各阶段运行时间每超过Ton1_2，则同样将压缩机运行转速提高△Si1，直至调高到压缩机的最高转速；Ton1_1为开机周期，△Si为转速增加值，Ton1_2为参照时间；

非首次运行时，判定系统的稳定状态，并根据系统状态的变化而动态的调节压缩机的转速；

步骤二，系统稳定状态的判断步骤：

将当前的压缩机开停机周期和之前的M次压缩机开停机周期的平均值进行比较，如果差值不超过p％，则判定为系统处于稳定状态；其中M为正整数，p为任意数值；

如果系统原本处于稳态，而当前的压缩机开停机周期和之前的N次压缩机开停机周期的平均值差值超过q％，则判定为退稳状态；其中N为正整数，q为任意数值；

步骤三，转速调节步骤：

系统进入稳态后，根据当前转速与基准转速的关系，下调压缩机的目标转速，如果导致退稳，则向上调节基准转速；

当系统再次进入稳态，再按照同样的方式调整压缩机的目标转速和基准转速，直至压缩机运行在一个既能够维持系统稳定状态，COP又能够达到预期值的转速之下。

进一步地，在上述步骤一之前还包括环境温度检测步骤。

进一步地，上述步骤一中还包括温控器异常检测步骤：当系统检测到温控器异常的情况，则压缩机采用固定的开停机时间，以固定的转速运行。

进一步地，上述退稳状态分为如下四种情况：

1、长运退稳，是指当前压缩机运行的时间过长，达到了上述的退稳状态条件，说明系统冷量需求变大，需要提高压缩机转速，此时将压缩机目标转速提高△Si2，本运行周期内之后的各阶段运行时间每超过Ton2_2，则再次将压缩机运行转速提高△Si2，直至调高到压缩机的最高转速；

2、短运退稳，是指当前压缩机运行的时间过短，达到了上述的退稳状态条件，说明系统冷量需求变小，需要降低下一个运行周期的压缩机运行转速，此时将下一个运行周期第一阶段的压缩机目标转速降低△Sd2；如果受限于基准转速，则基准转速同样下调，直至压缩机所允许的最低运行转速；△Sd为转速减小值；

3、长停退稳，是指当前压缩机停机的时间过长，达到了上述的退稳状态条件，说明系统冷量需求变小，需要降低下一个运行周期的压缩机运行转速，此时将下一个运行周期第一阶段的压缩机目标转速降低△Sd2，本停机周期内之后的各阶段停机时间每超过Toff2_2，则再次将下一个运行周期第一阶段的压缩机目标转速降低△Si2；如果受限于基准转速，则基准转速同样下调，直至压缩机所允许的最低运行转速；

4、短停退稳，是指当前压缩机停机的时间过短，达到了上述的退稳状态条件，说明系统冷量需求变大，需要提高压缩机转速，此时将压缩机目标转速提高△Si2。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

采用本发明的技术方案，可以使冰箱企业在最短的时间内，以最低的费用实现采用机械式温控器的普通定速冰箱的变频化。

本技术方案采用的SMART算法，可以使控制系统对冰箱运行环境及负载的变化反应速度明显加快，相对于只是基于温控器开停机时间的控制方式，其控制精程度及控制效率都大大提升。

本发明的技术方案实时检测环境温度，并应用于SMART算法之中，能够及时补偿因环境温度的变化而造成的系统冷量需求的变化，从而降低能耗。

本发明的技术方案引入了压缩机及冰箱的COP曲线参数，在同样的运行工况下，冰箱将更加节能。

本发明的技术方案引入了针对温控器异常的安全运行模式，避免因温控器故障而可能产生的风险。

附图说明

附图1是本发明变频控制方法的首次运行流程图；

附图2是本发明的系统稳态判定流程图；

附图3是本发明的退稳状态判定流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案、工作原理进行详细阐述。

系统上电后，持续检测环境温度，根据环境温度的高低，设定压缩机首次运行的转速，设定的原则是：环境温度高，则设定的压缩机转速高；环境温度低，则设定的压缩机转速低。这样做的好处是兼顾了节能效果和制冷速度，避免了因固定转速导致的制冷量与系统需求的不匹配。

参见附图1，首次运行时，如果压缩机的运行时间超过了设定的开机周期Ton1_1，则将压缩机的运行转速提高△Si 1，本运行周期内之后的各阶段运行时间每超过Ton1_2，则同样将压缩机运行转速提高△Si 1，直至调高到压缩机的最高转速。其中，Ton1_1为开机周期，△Si为转速增加值，Ton1_2为参照时间。

对于压缩机非首次运行时，则实施SMART算法。SMART算法的核心是以自学习的方式判定系统的稳定状态，并根据系统状态的变化而动态的调节压缩机的转速。

参见附图2，上述的系统稳定状态的判断方法是：将当前的压缩机开停机周期和之前的M次压缩机开停机周期的平均值进行比较，如果差值不超过p％，则判定为系统处于稳定状态；如果系统原本处于稳态，而当前的压缩机开停机周期和之前的N次压缩机开停机周期的平均值差值超过q％，则判定为退出稳定状态。其中的其中M、N为正整数，p、q为任意数值；参数M、N、p和q是可变的，随着压缩机及冰箱系统的不同而不同，该参数在系统调试的时候确定。如图2中，参数M、N、p和q随着压缩机及冰箱系统的不同而不同，在系统调试过程中确认这些参数。

系统进入稳态后，还需根据当前转速与基准转速的关系，适当下调压缩机的目标转速，如果导致退稳，则需要向上调节基准转速。之后再逐步进入稳态，再按照同样的方式调整压缩机的目标转速和基准转速，直至压缩机运行在一个既能够维持系统稳定状态，COP又较高的转速之下。

参见附图3，上述的系统退稳分为四种情况：

1、长运退稳，是指当前压缩机运行的时间过长，达到了上面所述的退稳条件，说明系统冷量需求变大，需要提高压缩机转速，此时将压缩机目标转速提高△Si2，本运行周期内之后的各阶段运行时间每超过Ton2_2，则再次将压缩机运行转速提高△Si2，直至调高到压缩机的最高转速。

2、短运退稳，是指当前压缩机运行的时间过短，达到了上面所述的退稳条件，说明系统冷量需求变小，需要降低下一个运行周期的压缩机运行转速，此时将下一个运行周期第一阶段的压缩机目标转速降低△Sd2。如果受限于基准转速，则基准转速同样下调，直至压缩机所允许的最低运行转速。△Sd为转速减小值。

3、长停退稳，是指当前压缩机停机的时间过长，达到了上面所述的退稳条件，说明系统冷量需求变小，需要降低下一个运行周期的压缩机运行转速，此时将下一个运行周期第一阶段的压缩机目标转速降低△Sd2，本停机周期内之后的各阶段停机时间每超过Toff2_2，则再次将下一个运行周期第一阶段的压缩机目标转速降低△Si2。如果受限于基准转速，则基准转速同样下调，直至压缩机所允许的最低运行转速。

4、短停退稳，是指当前压缩机停机的时间过短，达到了上面所述的退稳条件，说明系统冷量需求变大，需要提高压缩机转速，此时将压缩机目标转速提高△Si2。

本发明的基于SMART算法的变频控制方法的工作原理描述如下：

用户在使用冰箱过程中，加入负载或者减小负载，24小时中白日和夜晚，冰箱对于制冷的需求都是不一样的。负载增大需要快速响应制冷，负载减小需要对应采取节能措施，环境温度的变化同样要求冰箱能够响应这种变化，从而达到制冷迅速而又节能的目的。针对这种需求，本发明设计了基于系统稳定运行状态监测与控制的SMART算法。

SMART算法中引入了压缩机和冰箱的COP曲线参数，这里的COP是指压缩机或压缩机的性能系数，是制冷量与输入功率的比值。COP越高，对于相同的制冷量，需要的输入功率就越小，也就越节能。由于压缩机与冰箱的COP曲线并不是一条直线，而是通常在压缩机中低运行频率段相对较高。对于压缩机或冰箱而言，通常压缩机的运行频率越低，其输入功率就越低，但输入功率越低并不意味着越节能，而是在相同的制冷量或制热量的前提下，输入功率越低才越节能。

本发明的SMART算法中，根据COP曲线设置一个压缩机转速的最低基准值，这个基准转速就对应COP曲线中最高点，通常位于中低转速区域。压缩机运行时，如果因为负载及环境的变化而需要调低运行转速时，转速向下调节的下限就是这个基准转速。之后随着系统运行状态的变化，动态调节该基准转速，使其在一定范围内变化，但都位于COP高点区域范围内。基准转速调节的方法是：压缩机以基准转速运行时，开机时间明显偏小，说明转速偏高，冷量偏大，因此需要向下调节基准转速；如果压缩机以基准转速运行时，开机时间明显偏长，或者原本处于稳态，但降低运行频率至基准转速时立即退出稳态，则说明冷量偏低，需要向上调节基准转速。

在本发明的SMART算法中还设计了一种安全运行模式，这种运行模式是基于温控器异常的情况来设计的。温控制异常是指温控器信号长时间没有发生变化，而这种时间长度是要远远超过正常运行过程中可能会出现的开停机时间。控制器检测到温控器异常的情况，则采用固定的开停机时间，以固定的转速运行，这样做的好处是不会因温控器异常而导致冰箱不工作及持续高速工作的状况，以及由此而产生的风险。

本发明的SMART算法具有如下特点：

1、不仅仅以当前及前一个开停机周期的温控器开停机信号作为计算依据，而是以当前及之前至少M个开停机周期作为计算依据；M可选择大于等于5；

2、不仅仅只考虑温控器的开停机信号数据，还同时引入了负载情况、环境温度、冰箱及压缩机的COP曲线；根据电源的输入功率及压缩机转速确定压缩机的负载情况；引入环境温度检测功能，有助于提高控制系统的相应速度；引入冰箱及压缩机COP参数，有助于降低能耗，提升节能效果；

3、考虑系统的总体运行状况，是否处于稳定平衡状态以及是否退出稳定平衡状态；引入这种系统状态的变化能够使控制的响应速度显著提高。

以上对本发明的说明仅是优选范例，并不能被理解为对本发明技术方案内容的限制。以上内容在具体应用中，技术人员有可能需要根据具体情况作个别调整和改变，所述调整和改变均应落入本发明所附权利要求的保护范围之中。

Claims (4)

1.基于SMART算法的变频控制方法，其特征在于，主要包含以下步骤：

步骤一，初次运行判断步骤：

如果压缩机的运行时间超过了设定的开机周期Ton1_1，则将压缩机的运行转速提高△Si1，本运行周期内之后的各阶段运行时间每超过Ton1_2，则同样将压缩机运行转速提高△Si1，直至调高到压缩机的最高转速；Ton1_1为开机周期，△Si为转速增加值，Ton1_2为参照时间；

非首次运行时，判定系统的稳定状态，并根据系统状态的变化而动态的调节压缩机的转速；

步骤二，系统稳定状态的判断步骤：

将当前的压缩机开停机周期和之前的M次压缩机开停机周期的平均值进行比较，如果差值不超过p％，则判定为系统处于稳定状态；其中M为正整数，p为任意数值；

如果系统原本处于稳态，而当前的压缩机开停机周期和之前的N次压缩机开停机周期的平均值差值超过q％，则判定为退稳状态；其中N为正整数，q为任意数值；

步骤三，转速调节步骤：

系统进入稳态后，根据当前转速与基准转速的关系，下调压缩机的目标转速，如果导致退稳，则向上调节基准转速；

当系统再次进入稳态，再按照同样的方式调整压缩机的目标转速和基准转速，直至压缩机运行在一个既能够维持系统稳定状态，COP又能够达到预期值的转速之下。

2.根据权利要求1所述的基于SMART算法的变频控制方法，其特征在于，在上述步骤一之前还包括环境温度检测步骤。

3.根据权利要求1所述的基于SMART算法的变频控制方法，其特征在于，上述步骤一中还包括温控器异常检测步骤：当系统检测到温控器异常的情况，则压缩机采用固定的开停机时间，以固定的转速运行。

4.根据权利要求1所述的基于SMART算法的变频控制方法，其特征在于，上述退稳状态分为如下四种情况：

1)、长运退稳，是指当前压缩机运行的时间过长，达到了上述的退稳状态条件，说明系统冷量需求变大，需要提高压缩机转速，此时将压缩机目标转速提高△Si2，本运行周期内之后的各阶段运行时间每超过Ton2_2，则再次将压缩机运行转速提高△Si2，直至调高到压缩机的最高转速；

2)、短运退稳，是指当前压缩机运行的时间过短，达到了上述的退稳状态条件，说明系统冷量需求变小，需要降低下一个运行周期的压缩机运行转速，此时将下一个运行周期第一阶段的压缩机目标转速降低△Sd2；如果受限于基准转速，则基准转速同样下调，直至压缩机所允许的最低运行转速；△Sd为转速减小值；

3)、长停退稳，是指当前压缩机停机的时间过长，达到了上述的退稳状态条件，说明系统冷量需求变小，需要降低下一个运行周期的压缩机运行转速，此时将下一个运行周期第一阶段的压缩机目标转速降低△Sd2，本停机周期内之后的各阶段停机时间每超过Toff2_2，则再次将下一个运行周期第一阶段的压缩机目标转速降低△Si2；如果受限于基准转速，则基准转速同样下调，直至压缩机所允许的最低运行转速；

4)、短停退稳，是指当前压缩机停机的时间过短，达到了上述的退稳状态条件，说明系统冷量需求变大，需要提高压缩机转速，此时将压缩机目标转速提高△Si2。