CN109357436B - 变频热泵控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频热泵控制方法，包括以下步骤：S1、设定有针对功率器件的目标温度值K1，通过温度控制补偿部输出有第一前馈控制量ω_{temp_comp}和/或设定有针对变频器的目标输出功率值P1，通过功率控制补偿部输出有第二前馈控制量ω_{pwr_comp}；S2、设定有压缩机的目标转速ω_{M_ref}，该目标转速ω_{M_ref}通过与所述第一前馈控制量ω_{temp_comp}和/或第二前馈控制量ω_{pwr_comp}进行加法运算以获取有压缩机的目标补偿转速ω_{M_ref_adj}；S3、将所述目标补偿转速ω_{M_ref_adj}输出至变频调速控制模块，使该变频热泵按照所述目标补偿转速ω_{M_ref_adj}运行；本发明能针对变频热泵的应用情况，无需预留较宽的禁升频区和降频区，能最大程度发挥变频热泵的性能，具备较高的实用性。

Description

变频热泵控制方法

技术领域

本发明涉及变频热泵技术领域，尤其涉及一种变频热泵控制方法。

背景技术

随着变频压缩机和变频驱动技术在暖通空调设备领域的进步，热泵产品正在快速地向变频技术方向发展。变频热泵的运行能力可以适应工况的变化而动态调整，因此在技术上优于定速热泵产品，不需要频繁的启动和停机。

由于热泵产品的传热媒介是水，具有比较大的温度惯性，并且热泵以其在采暖、热水制备、水路制冷等应用场景特点，决定了热泵机组比传统空调产品需要更长时间地运行在极端的工作条件下、输出最大能力以满足要求。

然而变频热泵产品所能输出的最大能力，受其电控器硬件电路中的功率器件的性能上限制约，器件若超负荷使用会影响产品整体安全性和可靠性。并且功率器件的选型也决定了变频热泵电控器的成本。

因此，在既定的硬件平台上，如何通过得体的控制方法、既发挥出热泵系统最大的输出能力，同时能兼顾产品安全可靠和经济成本，就是一个重要的课题。

变频热泵可以通过控制压缩机的转速的高低，进而控制热泵设备的输出能力的大小。我们可以使用变频热泵的压缩机所输出的机械功率P_M来近似表达热泵设备的输出能力，如式(1)所示。

P_M＝T_e×ω_M(1)

其中Te是压缩机输出的电磁转矩，在平稳运行时等价于热泵系统的负载转矩，可用来衡量当前热泵设备的负荷轻重。

ω_M是压缩机的转速。变频热泵的压缩机运行范围一般是10转/秒～120转/秒。

可见功率P_M随着压缩机转速ω_M的升高而增大，控制ω_M的高低就控制了热泵整机产品的功率高低。

然而，变频热泵产品的功率输出上限依赖于变频驱动电路硬件，进一步是指电路中的电子功率器件如整流桥、IGBT、IPM的性能参数规格，主要关注的指标有两个：整机输出功率，以及器件表面温度。当变频热泵整机输出的功率过大，或者器件表面温度过高时，电子器件就将处于临界失效状态，从而影响产品的安全可靠。

当前业内厂家普遍的做法是根据压缩机运行电流或者运行功率的危险值，依次人为设定压缩机运行的禁升频区间、降频区间和停机保护区间；如图1所示；这种做法无法充分利用电路硬件的运行范围；因为为了保证电流和功率不经常触碰停机线，会设置较宽的禁升频区间和降频区间；这就容易在实际运行时发生：要么压缩机的转速止步于禁升频区间，不能再往上提速以输出更大能力(如图2所示)；要么压缩机反复触碰降频区间然后又降速下来，如此反复地升频和降频，形成了输出功率反复波动(如图3所示)。

所以，如何设计一种控制方法确定压缩机的目标转速，使其在安全的前提下输出尽可能大的功率，是本技术领域所急需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变频热泵控制方法。

变频热泵控制方法，包括以下步骤：

S1、设定有针对功率器件的目标温度值K1，通过温度控制补偿部输出有第一前馈控制量ω_{temp_comp}和/或设定有针对变频器的目标输出功率值P1，通过功率控制补偿部输出有第二前馈控制量ω_{pwr_comp}；

S2、设定有压缩机的目标转速ω_{M_ref}，该目标转速ω_{M_ref}通过与所述第一前馈控制量ω_{temp_comp}和/或第二前馈控制量ω_{pwr_comp}进行加法运算以获取有压缩机的目标补偿转速ωM_{_ref_adj}；

S3、将所述目标补偿转速ω_{M_ref_adj}输出至变频调速控制模块，使该变频热泵按照所述目标补偿转速ω_{M_ref_adj}运行。

进一步地，于所述温度控制补偿部内，通过获取有功率器件的实际温度值K2，并使所述目标温度值K1与所述实际温度值K2相减，获取有温度差值；所述温度差值经由PI控制器运算得到温差运算结果，并使所述温差运算结果的数值大小位于以第一限幅器限定的取值范围内，得出所述第一前馈控制量ω_{temp_comp}。

进一步地，所述温度差值为正值或零时，所述第一前馈控制量ω_{temp_comp}的输出数值为0。

进一步地，所述第一限幅器取值范围为负值区间，所述第一限幅器取值范围的上限值为0。

进一步地，所述目标温度值K1低于所述变频热泵的最大耐受温度值K3。

进一步地，于所述功率控制补偿部内，通过获取有变频器的实际输出功率值P2，并使所述目标输出功率值P1与所述实际输出功率值P2相减，获取有功率差值；所述功率差值经由PI控制器运算得到功差运算结果，并使所述功差运算结果的数值大小位于以第二限幅器限定的取值范围内，以得出所述第二前馈控制量ω_{pwr_comp}。

进一步地，所述功率差值为正值或零时，所述第二前馈控制量ω_{pwr_comp}的输出数值为0。

进一步地，所述第二限幅器取值范围为负值区间，所述第二限幅器取值范围的上限值为0。

进一步地，所述目标输出功率值P1低于所述变频热泵的最大输出输出功率值P3。

本发明提出的一种变频热泵控制方法，具有以下有益效果：

1、能针对变频热泵的应用情况，无需预留较宽的禁升频区和降频区，能最大程度发挥变频热泵的性能，具备较高的实用性。

2、通过设定目标温度值K1和目标输出功率值P1与压缩机的转速直接挂钩，使得控制过程简单高效。

3、通过本发明变频热泵控制方法的应用，使变频热泵输出的功率安全且平稳，无大幅波动，具备实用性和经济性。

附图说明

图1为传统的变频热泵控制的过电流和过功率保护做法的应用原理示意图；

图2为传统的变频热泵控制的不良电流或功率效果其一示意图；

图3为传统的变频热泵控制的不良电流或功率效果其二示意图；

图4为本发明实施例中的变频热泵控制的应用原理示意图；

图5为本发明实施例中的变频热泵控制的温度控制补偿部的应用原理示意图；

图6为本发明实施例中的变频热泵控制的功率控制补偿部的应用原理示意图；

图7为本发明实施例中的变频热泵控制的温度控制补偿效果示意图；

图8为本发明实施例中的变频热泵控制的功率控制补偿效果示意图；

图9为本发明实施例中的5匹变频热泵控制的温度控制补偿部的具体应用示意图；

图10为本发明实施例中的5匹变频热泵控制的功率控制补偿部的具体应用示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、目的及其优点更清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的解释说明。

本发明假定变频热泵的电控器已具备获得变频器实时功率的能力，并已部署了温度传感器以检测电路中所含功率器件表面温度。

由于变频热泵的变频驱动电路中含有整流器、IGBT、集成功率模块IPM等好几个功率器件，我们根据实践经验选取IPM的表面温度作为具有代表性的控制量，因为IPM承担了逆变器所有的功率转换与输出，最能反映变频热泵产品的负荷高低。

本发明提出的控制方法是：针对变频热泵的压缩机的目标转速ω_{M_ref}，添加两个前馈控制量：

(1)以功率器件IPM发热温度不超过某一上限值为控制目标的补偿量ω_{temp_comp}；

(2)以变频器输出功率不超过某一上限值为控制目标的补偿量ω_{pwr_comp}；

以最终获得补偿调整后的压缩机目标转速ω_{M_ref_adj}，用于后续的变频调速驱动功能模块的目标转速，也即压缩机最终真正按此转速运行。

其具体的应用原理如图4所示。

所述温度控制补偿部的应用原理如图5所示，具体而言，首先，我们可设定功率器件的目标温度值K1为90℃，则控制目标90℃减去当前功率器件的实际温度值K2；相减的结果经过PI控制器运算后，以第一限幅器限制运算结果的上限与下限；第一限幅器的取值范围为负值区间且其上限设定为0；如第一限幅器的下限设计为-30转/秒，以表示本控制的补偿值的取值范围为[-30,0]；第一限幅器的输出结果去往图3中的加法器单元，以满足本发明的变频热泵控制方法应用。

所述温度控制补偿部的工作原理为：当功率器件的真实温度低于或等于90℃时，与目标温度值K1相减结果为正值或零，经过PI控制器和第一限幅器后，输出数值为0，即不影响当前压缩机的目标转速ω_{M_ref}，压缩机处于正常调速状态；当功率器件真实温度某一时刻超出90℃，与控制目标相减结果为负，经过PI控制器和第一限幅器后，将逐步输出一个介于[-30,0]区间的负值，也即压缩机会比目标转速降频后平稳运行，并且所稳定的转速有利于使得功率器件温度稳定于目标90度的附近，既不超出太高也不下降太低。

显然如果功率器件在90℃的表面温度下能安全地长时间运行，变频热泵机组就发挥了自身最大的输出能力而又不至于损坏器件。

本发明中，单独应用所述温度控制补偿部所达到的补偿效果如图7所示。

另外，所述功率控制补偿部的应用原理如图6所示，具体而言，首先，我们可设定变频热泵的目标功率值为6000瓦，则控制目标6000瓦减去当前变频热泵的实际输出功率值P2；相减的结果经过PI控制器运算后，以一个第二限幅器限制运算结果的上限与下限。第二限幅器的取值范围为负值区间且其上限设定为0；第二限幅器的下限设计为-30转/秒，以表示本控制的补偿值的取值范围为[-30,0]；第二限幅器的输出结果去往图3中的加法器单元，以满足本发明的变频热泵控制方法应用。

本模块的工作原理为：当变频热泵的实际输出功率值P2低于或等于6000瓦时，与目标输出功率值P1相减结果为正值或零，经过PI控制器和第二限幅器后，输出数值为0，即不影响当前压缩机的目标转速ω_{M_ref}，压缩机处于正常调速状态；当变频热泵的实际输出功率值P2在某一时刻超出6000瓦，与控制目标相减结果为负，经过PI控制器和第二限幅器后，将逐步输出一个介于[-30,0]区间的负值，也即压缩机会比目标转速降频后平稳运行，并且所稳定的转速有利于使得变频热泵整机的真实输出功率稳定在6000瓦附近，既不超出太高也不下降太低。

显然如果变频热泵控制器的硬件能在6000瓦的输出功率下安全地长时间运行，变频热泵机组就发挥了自身最大的输出能力而又不至于损坏器件。

本发明中，单独应用所述功率控制补偿部所达到的补偿效果如图8所示。

如图9及图10所示，以某5匹变频热泵产品为例，它既可制热，也可制冷；根据常识我们知道，在炎热的夏天制冷时，功率器件表面温度最有可能受到考验，也有可能同时触发最大功率输出的保护；而在冬天室外超低温环境制热时，由于必须保证输出足够的能力，变频热泵整机会长时间处于最大能力输出，此时功率器件表面温度不担心，而输出功率上限最有可能受到考验。

假定其变频电路功率器件IPM最大能耐受的表面温度为100℃，企业内部制定的品质标准是92℃，则我们可以把目标温度值K1设定为90℃；再假定本产品的输出功率保护停机点为6500瓦，则我们可以把目标输出功率值P1设定为6000瓦。

当实际运行中分别触发图9和图10的控制时，最终整机功率和温度运行的稳态结果将如图7和图8所示；从限幅器的设定可知，单种控制的最大补偿量被设定为-30转/秒，意味着最多可以在目标转速ω_{M_ref}基础上降频30Hz；此参数以及PI控制器的参数均可以通过实验室简单地调试获得。

当实际运行中同时触发图9和图10两种控制时(譬如前面所述在炎热的夏天制冷模式下)，可以知道控制效果将进行叠加，并且最终会在其中一种补偿的控制框架下取得稳态平衡。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的实施原理前提下，依然可以对所述实施例进行修改，而相应修改方案也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.变频热泵控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定针对功率器件的目标温度值K1，通过获取功率器件的实际温度值K2，并使所述目标温度值K1与所述实际温度值K2相减，得到温度差值；所述温度差值经由PI控制器运算得到温差运算结果，并使所述温差运算结果的数值大小位于以第一限幅器限定的取值范围内，得出第一前馈控制量ω_{temp_comp}；

或设定针对变频器的目标输出功率值P1，通过获取变频器的实际输出功率值P2，并使所述目标输出功率值P1与所述实际输出功率值P2相减，获取功率差值；所述功率差值经由PI控制器运算得到功差运算结果，并使所述功差运算结果的数值大小位于以第二限幅器限定的取值范围内，以得出第二前馈控制量ω_{pwr_comp}；

S2、设定压缩机的目标转速ω_{M_ref}，该目标转速ω_{M_ref}通过与所述第一前馈控制量ω_{temp_comp}或第二前馈控制量ω_{pwr_comp}进行加法运算以获取压缩机的目标补偿转速ω_{M_ref_adj}；

S3、将所述目标补偿转速ω_{M_ref_adj}输出至变频调速控制模块，使该变频热泵按照所述目标补偿转速ω_{M_ref_adj}运行。

2.如权利要求1所述的变频热泵控制方法，其特征在于，所述温度差值为正值或零时，所述第一前馈控制量ω_{temp_comp}的输出数值为0。

3.如权利要求1所述的变频热泵控制方法，其特征在于，所述第一限幅器取值范围为负值区间，所述第一限幅器取值范围的上限值为0。

4.如权利要求1所述的变频热泵控制方法，其特征在于，所述目标温度值K1低于所述变频热泵的最大耐受温度值K3。

5.如权利要求1所述的变频热泵控制方法，其特征在于，所述功率差值为正值或零时，所述第二前馈控制量ω_{pwr_comp}的输出数值为0。

6.如权利要求1所述的变频热泵控制方法，其特征在于，所述第二限幅器取值范围为负值区间，所述第二限幅器取值范围的上限值为0。

7.如权利要求1所述的变频热泵控制方法，其特征在于，所述目标输出功率值P1低于所述变频热泵的最大输出输出功率值P3。

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