CN112524853B - 变频空调器中压缩机的控制方法与变频空调器 - Google Patents

变频空调器中压缩机的控制方法与变频空调器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种变频空调器中压缩机的控制方法与变频空调器。其中压缩机的驱动电路中设置有用于对电源电压进行整流的整流电路以及用于对整流电路的输出电压进行升压的PFC升压电路，PFC升压电路的输出连接直流母线，并且控制方法包括：获取压缩机的力矩电流以及电源电压；根据力矩电流与预设比例的乘积设置PFC升压电路的升压系数；根据升压系数以及电源电压计算得到驱动电路的直流参考电压；将直流参考电压作为目标值对PFC升压电路进行反馈控制，以调整直流母线电压。本发明方案有效降低了PFC升压电路及相关电路元件的损耗，提高了能耗效率，尤其适用于智能空调或者智慧空调产品中，在满足用户各种智能需求的同时，满足产品的能耗效率要求。

Description

变频空调器中压缩机的控制方法与变频空调器
技术领域
本发明涉及空调器控制，特别是涉及变频空调器中压缩机的控制方法与变频空调器。
背景技术
随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，人们对于可持续发展也越来越重视，其中能源消耗是其中最为重要的方面。目前国家相关部门已经批准颁布了GB21455-2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》的强制性国家标准。该标准实施日期为2020年7月1日。
在上述背景下，空调的能效要求也随之提高，也即要求在提高空调的制冷量和制热量的情况下尽量降低空调的功耗。功率因数校正电路(Power Factor Correction，简称PFC)，主要用于直流变频空调的外机电源主回路上，对交流直流变换环节进行功率因数校正，其对空调器的能耗有直接影响。
PFC电路直接影响了驱动电路的直流母线电压，现有的控制方法往往采用固定阈值控制开关管的开闭时间。这种固定调节方式，PFC电路电压输出无法跟随压缩机的运行状态变化，这显然会导致某些运行场景下能耗效率的升高。基于这一问题有些现有技术中，也提出了PFC电路根据输入电压或者压缩机运行状态进行调整，然而这些现有技术一方面的控制目的较为单一，不能完全满足提升能耗效率的要求，另一方面控制计算复杂实现困难。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种能够有效降低变频空调器中PFC电路运行损耗，提高能耗效率。
本发明一个进一步的目的是要使得变频空调器运行更加稳定。
根据本发明的一个方面，提供了一种变频空调器中压缩机的控制方法，其中压缩机的驱动电路中设置有用于对电源电压进行整流的整流电路以及用于对整流电路的输出电压进行升压的PFC升压电路，PFC升压电路的输出连接直流母线，并且控制方法包括：
获取压缩机的力矩电流以及电源电压；
根据力矩电流与预设比例的乘积设置PFC升压电路的升压系数；
根据升压系数以及电源电压计算得到驱动电路的直流参考电压；
将直流参考电压作为目标值对PFC升压电路进行反馈控制，以调整直流母线电压。
可选地，根据力矩电流与预设比例的乘积设置PFC升压电路的升压系数的步骤包括：计算得出力矩电流与预设比例的乘积；获取预设的最小升压系数，将乘积与最小升压系数进行叠加，得到升压系数。
可选地，最小升压系数和/或预设比例分别为预设固定值；或者
最小升压系数和/或预设比例分别为与压缩机的运行频率对应的设定值，并且
获取预设的最小升压系数的步骤包括：获取压缩机的运行频率，通过查找预设的第一对应关系得到最小升压系数，第一对应关系用于记录不同运行频率范围对应的最小升压系数；
确定预设的预设比例的步骤包括：获取压缩机的运行频率，通过查找预设的第二对应关系得到最小升压系数，第二对应关系用于记录不同运行频率范围对应的预设比例。
可选地，获取压缩机的力矩电流的步骤包括：获取压缩机的目标转速以及实际转速；根据目标转速与实际转速的偏差估算得到力矩电流。
可选地，获取电源电压的步骤包括：对整流电路的输入交流电压进行采样，得到交流电压采样值；根据交流电压采样值计算交流电压的最大值，将最大值作为电源电压。
可选地，根据交流电压采样值计算交流电压的最大值的步骤包括：将交流电压采样值进行低通滤波；对经过低通滤波后的交流电压采样值进行积分平均运算得到交流电压平均值；将交流电压平均值与设定的平均最大转换系数相乘，得到交流电压的最大值。
可选地，低通滤波的时间系数设置为3s。
可选地，将直流参考电压作为目标值对PFC升压电路进行反馈控制的步骤包括：将直流参考电压与限幅值进行比较；若直流参考电压小于限幅值，则将直流参考电压作为电压反馈闭环控制器的目标值，对PFC升压电路进行反馈控制，电压反馈闭环控制器用于通过调整PFC升压电路中开关管的斩波率来改变PFC升压电路的输出电压。
可选地，限幅值为预设值，或者限幅值为变频空调器的输入交流电压检测值与设定倍数的乘积。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种变频空调器，包括：
变频压缩机；
驱动电路，用于向变频压缩机提供驱动信号；
PFC升压电路，设置于驱动电路中；
控制装置，其具有处理器以及存储器，存储器内存储有控制程序，并且控制程序被处理器执行时用于实现根据上述任一种变频空调器中压缩机的控制方法。
本发明的变频空调器中压缩机的控制方法，利用压缩机的力矩电流以及电源电压动态确定PFC升压电路的升压系数，进一步计算得到驱动电路的直流参考电压，将直流参考电压作为目标值对PFC升压电路进行反馈控制，由于压缩机的运行状态以及电源电压变化可以及时动态地反映到升压系数上，并将升压系数进一步作为PFC升压电路的调控依据，使得PFC升压电路的输出电压动态调整，综合考虑到输入电压以及压缩机的运行状态，有效降低了PFC升压电路及相关电路元件的损耗，提高了变频空调器的整体电能利用效率。
进一步地，本发明的变频空调器中压缩机的控制方法，调控运算量小，控制效率更高。
本发明方案尤其适用于智能空调或者智慧空调产品中，在满足用户各种智能需求的同时，满足产品的能耗效率要求，综合提高用户的使用体验。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的变频空调器的示意框图；
图2是根据本发明一个实施例的变频空调器中压缩机的控制方法的示意图；以及
图3是根据本发明一个实施例的变频空调器中压缩机的控制方法的控制流示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的变频空调器的示意框图，该变频空调器一般性地可以包括：变频压缩机30、驱动电路10、控制装置40、PFC升压电路120等。
如本领域技术人员所习知的，空调器最大的耗电部件是压缩机。变频空调器是利用变频压缩机的空调器，通过调整变频压缩机的运转速度，使得变频压缩机始终处于最佳的工作状态下，可以大大提高空调器的能耗比。
驱动电路10，用于向变频压缩机30提供驱动信号，其一般可以包括：整流电路110、功率因数校正电路(PFC电路)120、逆变电路130等。其工作原理为：外部输入的交流电源20经过整流电路110的整流滤波后变换为直流。PFC电路一方便用于限制空调器电源电路向电网注入谐波，提高功率因数，提高电能的利用率；另一方面PFC电路还可以通过对整流后的电压进行调整，保证输出直流电压的稳定。在本实施例中PFC电路使用PFC升压电路120，可以提升直流电压。PFC升压电路120的输出连接直流母线131，利用直流母线131向后续电路提供所需的直流电源。
PFC升压电路120中具有开关管，通过调整开关管(一般可以使用大功率IGBT或MOSFET等)的斩波率(或称为导通率或者开断率)来改变PFC升压电路120的输出电压(直流母线电压)。PFC升压电路120可以使用BOOST拓扑结构，由于PFC升压电路120的电路拓扑结构为本领域技术人员易于习知的，在此不做赘述。
本实例的变频空调器主要对PFC升压电路120的控制逻辑及其策略进行了优化和改进。其中控制装置40用于对PFC升压电路120提供控制信号。控制装置40具有处理器410以及存储器420。存储器420内存储有控制程序421，并且控制程序421被处理器410执行时用于实现本实施例提供的变频空调器中压缩机的控制方法。控制装置40可以使用变频空调器室外机主控板上的控制器，通过对各种检测信号的处理运算，对PFC升压电路120进行控制。
以下对本实施例的变频空调器中压缩机的控制方法进行重点说明。图2是根据本发明一个实施例的变频空调器中压缩机的控制方法的示意图，该变频空调器中压缩机的控制方法一般性地包括以下步骤：
步骤S202，获取压缩机的力矩电流以及电源电压。其中力矩电流可以通过压缩机的目标转速和实际转速的偏差估算得到。获取压缩机的力矩电流的步骤可以包括：获取压缩机的目标转速以及实际转速；根据目标转速与实际转速的偏差估算得到力矩电流。具体的估算方式可以为计算目标转速与实际转速的偏差，通过压缩机转速闭环反馈控制器的计算得到力矩电流。压缩机转速闭环反馈控制器可以使用比例积分控制算法(PI算法)。经过发明人的研究发现，在压缩机转速闭环反馈控制器可以不设置微分环节，依靠比例积分运算的结果即可以满足调控需要，简化了控制算法。
获取电源电压的步骤可以包括：对整流电路的输入交流电压进行采样，得到交流电压采样值；根据交流电压采样值计算交流电压的最大值，将最大值作为电源电压。其中，计算交流电压的最大值的步骤可以包括：将交流电压采样值进行低通滤波；对经过低通滤波后的交流电压采样值进行积分平均运算得到交流电压平均值；将交流电压平均值与设定的平均最大转换系数相乘，得到交流电压的最大值。
由于交流电压的最大值直接影响了整流电路的输出电压，本实施例中直接使用交流电压的最大值来反映电源电压，更加直接地反映了PFC升压电路的输入电压。另外在计算最大值前对交流电压采样值进行低通滤波，可以使得计算值更加平稳，减小了了暂时波动对于计算值影响。低通滤波的时间系数可设置为3s，既可以避免波动影响，又可以使得输入电压变化及时得到反映。
例如对于常用的220V、50Hz的工频交流电源，经过采样和低通滤波，得到的平均值约为198V，而平均最大转换系数为1.57，其得到的交流电压的最大值约为311V。
由于上述参数的检测以及获取的手段本身(传感装置、检测设备，例如电流检测设备、电压检测设备、转速检测设备本身)均为本领域技术人员所习知，在此不对参数的检测手段本身进行赘述。
步骤S204，根据设置PFC升压电路的升压系数。根据力矩电流与预设比例的乘积设置PFC升压电路的升压系数的步骤包括：计算得出力矩电流与预设比例的乘积；获取预设的最小升压系数，将乘积与最小升压系数进行叠加，得到升压系数。
预设比例可以为预设固定值，例如设置为0.7至1.9的范围。在另一些实施例中，预设比例可以根据压缩机的运行频率设置。在确定压缩机的运行频率后，对应得出预设比例，该预设比例可以随压缩机的运行频率的增大相应增大。例如确定预设的预设比例的步骤包括：获取压缩机的运行频率，通过查找预设的第二对应关系得到所述最小升压系数，第二对应关系用于记录不同所述运行频率范围对应的所述预设比例。
第二对应关系的一种设置示例为：在压缩机频率小于等于30Hz时，预设比例设置为0.7；在压缩机频率在30-50Hz时，预设比例设置为1.0；在压缩机频率在50-80Hz时，预设比例设置为1.5；在压缩机频率在80-100Hz时，预设比例设置为1.7；在压缩机频率在大于100Hz时，预设比例设置为1.9。上述具体的第二对应关系的数值可以根据压缩机的特性进行设置，上述数值以及范围仅为举例。
上述最小升压系数也可以根据PFC升压电路的构造进行设置，例如可以设置为1.1，从而使得升压系数的范围为1.1-2.1，使得PFC升压电路可以稳定输出。
在另一些实施例中，最小升压系数也可以为与压缩机的运行频率对应的设定值，并且获取预设的最小升压系数的步骤包括：获取压缩机的运行频率，通过查找预设的第一对应关系得到最小升压系数，第一对应关系用于记录不同运行频率范围对应的最小升压系数。第一对应关系的一种设置示例为：在压缩机频率小于等于30Hz时，最小升压系数设置为1.0；在压缩机频率在30-50Hz时，最小升压系数设置为10.5；在压缩机频率在50-80Hz时，最小升压系数设置为1.1；在压缩机频率在80-100Hz时，最小升压系数设置为1.2；在压缩机频率在大于100Hz时，最小升压系数设置为1.25。上述具体的第一对应关系的数值以及范围可以根据压缩机的特性进行设置，上述数值仅为举例。
在获取到压缩机的运行频率后，即可以通过上述第一对应关系和/或第二对应关系得到最小升压系数和预设比例。
步骤S206，根据升压系数以及电源电压计算得到驱动电路的直流参考电压。将升压系数与电源电压相乘得到直流参考电压。
步骤S208，将直流参考电压作为目标值对PFC升压电路进行反馈控制，以调整直流母线电压。考虑到过压保护，进行反馈控制的步骤可以包括：将直流参考电压与限幅值进行比较；若直流参考电压小于限幅值，则将直流参考电压作为电压反馈闭环控制器的目标值，对PFC升压电路进行反馈控制。电压反馈闭环控制器用于通过调整PFC升压电路中开关管的斩波率来改变PFC升压电路的输出电压。
通过限幅比较，可以保证PFC升压电路的输出不会高于限幅值，保证了电路安全。在一些实施例中，限幅值可以为预设值，例如对于220V50Hz的工频交流电源，限幅值可以设置为350V。在另一些实施例中，限幅值为变频空调器的输入交流电压检测值与设定倍数的乘积，例如设定倍数可以设定改为输入交流电压检测最大值的1.129倍。
电压反馈闭环控制器用于电压环反馈控制，其可以同样使用比例积分控制算法(PI算法)，其控制算法计算简单便于实现。
本实施例的变频空调器中压缩机的控制方法，利用压缩机的力矩电流以及电源电压动态确定PFC升压电路的升压系数，进一步计算得到驱动电路的直流参考电压，将直流参考电压作为目标值对PFC升压电路进行反馈控制，由于压缩机的运行状态以及电源电压变化可以及时动态地反映到升压系数上，并将升压系数进一步作为PFC升压电路的调控依据，使得PFC升压电路的输出电压动态调整，既考虑到了输入电压的影响，又考虑到了压缩机的运行状态，从而有效降低了PFC升压电路及相关电路元件的损耗，提高了变频空调器的整体电能利用效率。
图3是根据本发明一个实施例的变频空调器中压缩机的控制方法的控制流程图。该图示出了控制过程中的信息流，最终输出PFC升压电路的直流参考电压Vref_out。该直流参考电压Vref_out可以动态跟随交流输入电压和压缩机运行情况变化，降低PFC升压电路及相关电路元件的损耗，提高能耗效率。
力矩电流Iq采集和处理可以通过压缩机的目标转速ω*和实际转速ω计算得到偏差Δω(估算的转速误差)，通过压缩机转速闭环反馈控制(转速PI)计算得来。
PI控制运算的传递函数为：(KPS+KIS/s)，其中，KPS为比例系数，KIS为积分系数。KPS和KIS可以根据调节要求进行设置。
力矩电流Iq与预设比例k的乘积P_out＝Iq*K，其中预设比例k可以为预设固定值，例如设置为0.7至1.9的范围。在另一些实施例中，预设比例可以根据压缩机的运行频率设置，表1示出了压缩机运行频率范围与预设比例k的第一对应关系。
表1
频率 ≤30HZ 30-50HZ 50-80HZ 80-100HZ ＞100HZ
k 0.7 1.0 1.5 1.7 1.9
升压系数R由最小升压比ratio加上对弱磁电流的PI输出得到，ratio可以设定为1.1(具体可以根据电路情况进行调整)。
ratio也可以为与压缩机的运行频率对应的设定值，表2示出了压缩机运行频率范围与最小升压比ratio的第二对应关系。
表2
频率 ≤30HZ 30-50HZ 50-80HZ 80-100HZ ＞100HZ
k 1.0 1.05 1.1 1.2 1.25
上述的第一对应关系、第二对应关系的数值以及范围可以根据压缩机的特性进行设置，上述数值仅为举例。在一些优选实施例中，可以选择最小升压比ratio以及预设比例k中的一个设置为固定值，另一个设置为与与压缩机的运行频率对应的设定值，例如将最小升压比ratio设定为1.1，使预设比例k随频率升高而相应提升，满足随运行频率升高，直流母线电压相应提高的控制目标。
PFC升压电路的电压控制环参考值Vref等于交流输入电压的最大值Vpeak乘以升压系数R，即Vref＝Vpeak*R。
VAC_ave由交流输入交流电压的瞬时值VAC经过一个时间常数为3S的低通滤波Lpf后，通过积分平均运算得到。时间常数为3S的低通滤波可以使得VAC_ave波动较小，控制更加稳定。
Vpeak为VAC_ave乘以平均值和峰值间的变换系数1.57，即Vpeak＝15.7*VAC_ave。
Vref经过限幅后得到Vref_out，限幅值Vref_max可以设为350V(在使用220V50Hz的交流电源的情况下)。另一种设置限幅值的方式为Vref_max为变频空调器的输入交流电压检测值(Vac_detect)与设定倍数的乘积，例如Vref_max＝Vac_detect*1.129，设定倍数为1.129。通过限幅可以保证避免电压超限，提高电路的稳定性和可靠性。
Vref_out与直流母线的电压检测值通过闭环反馈控制，得到PFC升压电路中开关管的斩波率(导通管段时间)，通过控制开关管的开闭来实现电压的调节。通过PFC升压电路的调节，将直流母线的电压提升至Vref_out，为后续压缩机的弱磁控制提供了更稳定的运行条件。
本领域技术人员均应知悉，上述实施例中的具体参数以及数值范围均可以根据变频控制器以及PFC升压电路的具体功能及性能要求进行灵活设置。由于压缩机的力矩电流以及电源电压变化可以及时动态的反映到升压系数上，并将升压系数进一步作为PFC升压电路的调控依据，使得PFC升压电路的输出电压动态调整，有效降低了PFC升压电路及相关电路元件的损耗，提高了变频空调器的整体电能利用效率。
通过对实际应用本实施例方案的试制产品的测试，本发明方案满足了变频空调器中压缩机的控制性能要求，提高了压缩机的运行稳定性，超出预期的控制效果。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种变频空调器中压缩机的控制方法，其中所述压缩机的驱动电路中设置有用于对电源电压进行整流的整流电路以及用于对整流电路的输出电压进行升压的PFC升压电路，所述PFC升压电路的输出连接直流母线，并且所述控制方法包括：
获取所述压缩机的力矩电流以及所述电源电压；
根据所述力矩电流与预设比例的乘积设置所述PFC升压电路的升压系数；
根据所述升压系数以及所述电源电压计算得到所述驱动电路的直流参考电压；
将所述直流参考电压作为目标值对所述PFC升压电路进行反馈控制，以调整所述直流母线电压；其中，
根据所述力矩电流与预设比例的乘积设置所述PFC升压电路的升压系数的步骤包括：
计算得出所述力矩电流与所述预设比例的乘积；
获取预设的最小升压系数，
将所述乘积与所述最小升压系数进行叠加，得到所述升压系数；
其中获取所述压缩机的力矩电流的步骤包括：
获取所述压缩机的目标转速以及实际转速；
根据所述目标转速与所述实际转速的偏差估算得到所述力矩电流；
所述最小升压系数和/或预设比例分别为与所述压缩机的运行频率对应的设定值，并且
获取预设的最小升压系数的步骤包括：获取所述压缩机的运行频率，通过查找预设的第一对应关系得到所述最小升压系数，所述第一对应关系用于记录不同所述运行频率范围对应的所述最小升压系数；
确定预设的预设比例的步骤包括：获取所述压缩机的运行频率，通过查找预设的第二对应关系得到所述最小升压系数，所述第二对应关系用于记录不同所述运行频率范围对应的所述预设比例。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，获取所述电源电压的步骤包括：
对所述整流电路的输入交流电压进行采样，得到交流电压采样值；
根据所述交流电压采样值计算所述交流电压的最大值，将所述最大值作为所述电源电压。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其中，所述根据所述交流电压采样值计算所述交流电压的最大值的步骤包括：
将所述交流电压采样值进行低通滤波；
对经过所述低通滤波后的交流电压采样值进行积分平均运算得到交流电压平均值；
将所述交流电压平均值与设定的平均最大转换系数相乘，得到所述交流电压的最大值。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其中
所述低通滤波的时间系数设置为3s。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其中，将所述直流参考电压作为目标值对所述PFC升压电路进行反馈控制的步骤包括：
将所述直流参考电压与限幅值进行比较；
若所述直流参考电压小于所述限幅值，则将所述直流参考电压作为电压反馈闭环控制器的目标值，对所述PFC升压电路进行反馈控制，所述电压反馈闭环控制器用于通过调整所述PFC升压电路中开关管的斩波率来改变所述PFC升压电路的输出电压。
6. 根据权利要求5所述的控制方法，其中，
所述限幅值为预设值，或者
所述限幅值为所述变频空调器的输入交流电压检测值与设定倍数的乘积。
7.一种变频空调器，包括：
变频压缩机；
驱动电路，用于向所述变频压缩机提供驱动信号；
PFC升压电路，设置于所述驱动电路中；
控制装置，其具有处理器以及存储器，所述存储器内存储有控制程序，并且所述控制程序被所述处理器执行时用于实现根据权利要求1至6中任一项所述的变频空调器中压缩机的控制方法。
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