CN116772469A - 一种热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法及热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法，包括以下步骤：获取热泵系统开机的回水温度和环境温度，并对回水温度和环境温度进行修正进而得到热泵主机开机膨胀阀的基准开度；每间隔一调阀周期就获取热泵主机当前的压缩机频率值，并根据上一调阀周期的压缩机频率值计算得到当前的压缩机频率上升值；对压缩机频率上升值进行修正；根据膨胀阀的基准开度、修正的压缩机频率上升值和频率变化系数确定膨胀阀的当前开度值。本发明所述的热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法可使膨胀阀开度的设置更符合压缩机开机阶段不同频率下系统冷媒流量的变动，使冷媒流量的控制更精准，可有效避免机组开机阶段膨胀阀开度与系统冷媒流量极不匹配的问题，进而避免压缩机出现回液现象的问题。
Description
技术领域
本发明涉及热泵领域，尤其涉及一种热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法及热泵系统。
背景技术
现有的空气源热泵主机，在热泵主机运行的开机初期均会给膨胀阀设置一个基准开度来满足机组的正常运行。基准开度设置的精准度会直接影响机组系统的稳定性和节能性，不恰当的基准开度会影响机组的运行，甚至机组有回液和回油风险，影响机组可靠性，给机组的质量带来安全隐患，特别在机组频繁启停的应用中会加大机组烧毁的概率。
目前大部分变频系统的开机过程的机组控制方案都是通过设置机组在固定的基准开度(开机初期固定的膨胀阀开度)下运行的。在制热模式下，压缩机启动后会根据环境温度(TE)和回水温度(TRW)范围来决定膨胀阀的开度值，从而满足机组基本运行。如表1所示的一根据相应的环境温度和回水温度预设的膨胀阀开度值表(根据实验室测验确认)，其是对应环境温度范围和回水温度范围下的初定值，相较于冷媒流量控制而言并不精准。由于空调机组在不同环温和水温下，最佳的冷媒流量控制是不一样的，对应的膨胀阀的开度值也是不同的。
表1.常见开机阶段膨胀阀基准开度表
另一方面，请参阅图1，由于压缩机在启动过程中，须在2个平台频率点各保持1至2分钟，常见的机组开机下压缩机的升频逻辑如下：
1)当目标频率小于平台1时，压缩机频率升至平台1运行1至2分钟后，再降频至目标频率；
2)当目标频率大于等于平台1且小于平台2时，压缩机频率升至平台1运行1至2分钟后，再升至目标频率；
3)当目标频率大于等于平台2时，压缩机频率升至平台1运行1分钟后，再升至平台2运行1至2分钟后，再升至目标频率。
压缩机启动运行在第一平台内，按表1所示的基准开度表运行，运行完第一平台后，再进入PID调节控制；在这个过程中，压缩机频率是逐步增加的，冷媒循环量亦一直在增大，而膨胀阀开度始终是一个固定的基准开度，此时系统冷媒流量与膨胀阀开度极不匹配，压缩机有很大概率出现回液问题。
因此，需要研究压缩机开机升频阶段如何精确控制膨胀阀开度使其与所需冷媒流量匹配，避免压缩机出现回液问题。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法，通过精确控制压缩机开机升频阶段的膨胀阀开度，从而精确控制冷媒流量以满足目标频率所需，避免压缩机出现回液问题。
一种热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法，包括以下步骤：
S10获取热泵系统开机时的回水温度TRW和环境温度TE，并对所述回水温度TRW和环境温度TE进行修正，并根据修正的回水温度TRW和环境温度TE确定膨胀阀的基准开度C1；
S20每间隔Δt时间获取热泵主机当前的压缩机频率值FN，并根据上一调阀周期的压缩机频率值FL计算得到当前的压缩机频率上升值ΔF，其中Δt为一调阀周期；
S30对所述的压缩机频率上升值ΔF进行修正，得到修正压缩机频率上升值ΔF′；
S40根据所述膨胀阀基准开度C1、所述修正压缩机频率上升值ΔF′和频率变化系数Q计算得到膨胀阀当前开度值C1′。
进一步地，步骤S40所述的膨胀阀当前开度值C1′满足下述关系式：
C1′＝Q*ΔF′+C1
式中，ΔF′表示修正压缩机频率上升值，Q为频率变化系数，C1表示膨胀阀的基准开度。
进一步地，所述的频率变化系数Q采用下述方式确定：
当相邻调阀周期的频率上升值小于48Hz时，频率变化系数Q＝1；
当相邻调阀周期的频率上升值大于等于48Hz且小于65Hz时，频率变化系数Q＝1.5；
当相邻调阀周期的频率上升值大于65Hz时，频率变化系数Q＝2。
进一步地，步骤S10所述的膨胀阀的基准开度C1满足下述关系式：
C1＝MAX[a*TR′W,0]+MAX[b*TE′,0]+c1
式中，TR′W表示修正回水温度，a表示修正回水温度的控制系数，TE′表示修正环境温度，b表示修正环境温度的控制系数，c1表示膨胀阀基准开度的补偿值，MAX表示取最大值的函数式。
与现有技术相比，本发明根据获取的热泵主机当前的压缩机频率值FN和上一调阀周期的压缩机频率值FL的差值并结合频率变化系数对压缩机开机膨胀阀基准开度进行微调；使膨胀阀开度的设置更符合压缩机开机阶段不同频率下系统冷媒流量的变动，使冷媒流量的控制更精准，可有效避免机组开机阶段膨胀阀开度与系统冷媒流量极不匹配的问题，进而避免压缩机出现回液现象的问题。
同时，本发明还提供一种热泵系统，包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、水循环单元和控制单元，所述压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器依次通过冷媒管路循环连接；所述水循环单元与冷凝器通过水管路连接；所述控制单元与压缩机、膨胀阀电性连接；所述控制单元包括测温部件和控制器，所述测温部件采集环境温度和水循环单元的回水温度并将采集的温度信号传输至控制器，所述控制器采集压缩机的频率信号，并经存储在控制器上的上述膨胀阀开度控制方法的程序计算得出膨胀阀当前开度值后，向膨胀阀发出调节开度的信号，进而控制膨胀阀的开度调节。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为现有技术中热泵主机开机下压缩机的升频模式示意图；
图2为热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法适用的热泵系统示意图；
图3为热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚完整的描述。
本申请实施例使用的术语仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上；本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别，而非用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
为解决热泵主机开机时，控制机组压缩机冷媒流量的膨胀阀基准开度与压缩机频率上升所需冷媒流量不匹配的问题，本发明提供一种热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法，该控制方法不局限于热泵热水器、热泵地暖等场景，涉及到变频系统的主机都可以应用。
在具体实施中，请参阅图2，热泵主机开机升频中膨胀阀开度控制方法应用于热泵系统时，所述的热泵系统包括压缩机10、冷凝器20、膨胀阀30、蒸发器40、水循环单元50和控制单元60。所述压缩机10、冷凝器20、膨胀阀30和蒸发器40依次通过冷媒管路循环连接；所述水循环单元50与冷凝器20通过水管路连接；所述控制单元60与压缩机10、膨胀阀30电性连接。
具体地，所述压缩机10的排气口11依次经过冷凝器20、膨胀阀30、蒸发器40与压缩机10的回气口12连接，形成冷媒循环管路。所述水循环单元50的水箱51提供的水源进入进水管路52后通过冷凝器20，吸收高温冷媒冷凝时释放的热量，进入用水管路53释放热量后，再经回水管路54回到水箱51，形成水循环管路。所述控制单元60包括测温部件61和控制器62，所述测温部件61包括第一温度传感器611、第二温度传感器612，所述第一温度传感器611、第二温度传感器612、压缩机10、膨胀阀30分别与控制器62电连接。所述第一温度传感器61设置在回水管路54进入水箱51的端口上用于探测回水温度并将回水温度信号传输给控制器63；所述第二温度传感器62用于探测环境温度并将环境温度信号传输给控制器63；所述控制器63用于接收第一温度传感器61、第二温度传感器62的温度信号及压缩机10的频率信号，并经存储在控制器63上的开机升频中膨胀阀开度控制方法的程序计算得出膨胀阀30当前开度值后，向膨胀阀30发出调节开度的信号，控制膨胀阀30的开度调节。
本发明提供的膨胀阀开度控制方法主要控制变频压缩机在下述阶段中升频时对应的膨胀阀开度：
1)压缩机频率从0Hz开始升频至第一平台，并以平台频率运行1～2min，所述第一平台的频率在40Hz～60Hz；
2)压缩机持续升频到第二平台，并以平台频率运行1～2min，所述第二平台的频率在70Hz～90Hz；
3)压缩机持续升频至目标频率，完成机组开机升频阶段。
对于压缩机后续阶段的膨胀阀开度控制由PID执行主控膨胀阀的控制方案。
请参阅图3，本发明提供的热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法包括以下步骤：
S10获取热泵系统开机时的回水温度TRW和环境温度TE，并对所述回水温度TRW和环境温度TE进行修正，并根据修正的回水温度TRW和环境温度TE确定膨胀阀的基准开度C1；
S20每间隔Δt时间获取热泵机组当前的压缩机频率值FN，并根据上一调阀周期的压缩机频率值FL计算得到当前的压缩机频率上升值ΔF，其中Δt为一调阀周期；
S30对所述的压缩机频率上升值ΔF进行修正，得到修正压缩机频率上升值ΔF′；
S40根据所述膨胀阀基准开度C1、所述修正压缩机频率上升值ΔF′和频率变化系数Q计算得到膨胀阀当前开度值C1′。
在具体实施例中，在步骤S10中，采用定值补偿的方式将回水温度TRW修正到TR′W，使TR′W＝TRW-B；将环境温度TE修正到TE′，使TE′＝-(TE-C)。进一步地，所述回水温度TRW的补偿值B的定值为7；所述环境温度TE的补偿值C的定值为30。
采用最大值的方式通过所述的修正回水温度TR′W和修正环境温度TE′确定膨胀阀的基准开度C1，所述的基准开度C1为机组开机时的起步开度，其值满足下述关系式：
C1＝MAX[a*TR′W,0]+MAX[b*TE′,0]+c1 (1)
(1)式中，a表示修正回水温度的控制系数，b表示修正环境温度的控制系数，c1表示膨胀阀基准开度的补偿值。其中，a和b为机组的实验验证参数。
进一步地，所述修正回水温度的控制系数a的数值范围在0.5～2；所述修正环境温度的控制系数b的数值范围在0.5～2；所述膨胀阀基准开度的补偿值c1依据不同电子膨胀阀流量曲线来定义，常规的补偿值c1取值为55。
在步骤S20中，压缩机频率上升值ΔF满足ΔF＝FN-FL，其中FL表示压缩机在对应的膨胀阀的上一调阀周期内获取的频率值。进一步地，膨胀阀的调阀周期在开机阶段设置为T＝5s，其后设置T＝20s。
在步骤S30中，采用定值补偿的方式将将压缩机频率上升值ΔF修正到ΔF′，使ΔF′＝ΔF-A。进一步地，所述压缩机频率上升值ΔF的补偿值A的定值为2。
在步骤S40中，采用线性相加的方式通过膨胀阀基准开度C1、修正压缩机频率上升值ΔF′和频率变化系数Q计算得到膨胀阀当前开度值C1′，所述膨胀阀当前开度值C1′满足下述关系式：
(2)式中，Q为频率变化系数。
进一步地，本申请根据相邻调阀周期频率上升值的范围确定频率变化系数Q的数值，具体地为：
当相邻调阀周期的频率上升值小于48Hz时，频率变化系数Q＝1；
当相邻调阀周期的频率上升值大于等于48Hz且小于65Hz时，频率变化系数Q＝1.5；
当相邻调阀周期的频率上升值大于65Hz时，频率变化系数Q＝2。
如表2所示。
表2
| 频率上升值范围 | <48(Hz) | 48～65(Hz) | >65(Hz) |
| Q值 | 1 | 1.5 | 2 |
举例说明，当环境温度TE为14℃，回水温度TRW为35℃时，取A＝7、B＝30、a＝1.2、b＝0.8、c1＝55，计算膨胀阀的基准开度C1：
C1＝55+MAX[1.2*(14-7),0]+MAX[0.8*(30-35),0]＝63.4。
启动压缩机，其频率由初始调阀周期的0Hz上升到10Hz，对应的压缩机频率上升值ΔF为10，根据表2的频率上升范围划分，40Hz对应的频率变化系数Q＝1，取C＝2，计算膨胀阀的当前开度C1′：
C1′＝1*(10-2)+63.4＝71.4。
当环境温度TE为14℃，回水温度TRW为35℃时，现有技术的热泵主机开机升频中膨胀阀的基准开度值可参考表1中膨胀阀的基准开度值为3371，其是以热泵主机当前最高频率来确定基准开度。本发明提供的方法计算得到膨胀阀基准开度值与表1中的基准开度值相比，能更精确的控制热泵主机在开机升频中膨胀阀的开度，且膨胀阀开度能随压缩机频率的变化而做匹配性调整，使冷媒的流量变化匹配主机频率变化。
本发明方法根据获取的热泵主机当前的压缩机频率值FN和上一调阀周期的压缩机频率值FL的差值并结合频率变化系数对压缩机开机膨胀阀基准开度进行微调；使膨胀阀开度的设置更符合压缩机开机阶段不同频率下系统冷媒流量的变动，使冷媒流量的控制更精准，可有效避免机组开机阶段膨胀阀开度与系统冷媒流量极不匹配的问题，进而避免压缩机出现回液现象的问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (10)
1.一种热泵主机开机升频中膨胀阀开度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10获取热泵系统开机时的回水温度TRW和环境温度TE，并对所述回水温度TRW和环境温度TE进行修正，并根据修正的回水温度TRW和环境温度TE确定膨胀阀的基准开度C1；
S20每间隔Δt时间获取热泵主机当前的压缩机频率值FN，并根据上一调阀周期的压缩机频率值FL计算得到当前的压缩机频率上升值ΔF，其中Δt为一调阀周期；
S30对所述的压缩机频率上升值ΔF进行修正，得到修正压缩机频率上升值ΔF′；
S40根据所述膨胀阀基准开度C1、所述修正压缩机频率上升值ΔF′和频率变化系数Q计算得到膨胀阀当前开度值C1′。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S20所述的压缩机频率上升值ΔF满足下式：
ΔF＝FN-FL
式中，FN表示热泵主机当前的压缩机频率值，FL表示热泵主机上一调阀周期的压缩机频率值；
其中，调阀周期在开机阶段设置为Δt＝5秒，其后设置为Δt＝20秒。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤S30中采用定值补偿的方式对所述压缩机频率上升值ΔF进行修正，所述的修正压缩机频率上升值ΔF′满足下式：
ΔF′＝ΔF-A
式中，A表示压缩机频率上升值的补偿值。
4.根据权利要求1-3任一项所述的控制方法，其特征在于，步骤S40所述的膨胀阀当前开度值C1′满足下述关系式：
C1′＝Q*ΔF′+C1
式中，ΔF′表示修正压缩机频率上升值，Q为频率变化系数，C1表示膨胀阀的基准开度。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述的频率变化系数Q采用下述方式确定：
当相邻调阀周期的频率上升值小于48Hz时，频率变化系数Q＝1；
当相邻调阀周期的频率上升值大于等于48Hz且小于65Hz时，频率变化系数Q＝1.5；
当相邻调阀周期的频率上升值大于65Hz时，频率变化系数Q＝2。
6.根据权利要求1或5所述的控制方法，其特征在于，步骤S10中采用定值补偿的方式对所述回水温度TRW和环境温度TE进行修正，所述的修正回水温度TR′W表示为：
TR′W＝TRW-B
式中，B表示回水温度TRW的补偿值；
所述的修正环境温度TE′表示为：
TE′＝-(TE-C)
式中，C表示环境温度TE的补偿值。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤S10所述的膨胀阀的基准开度C1满足下述关系式：
C1＝MAX[a*TR′W,0]+MAX[b*TE′,0]+c1
式中，TR′W表示修正回水温度，a表示修正回水温度的控制系数，TE′表示修正环境温度，b表示修正环境温度的控制系数，c1表示膨胀阀基准开度的补偿值，MAX表示取最大值的函数式。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述修正回水温度的控制系数a的数值范围在0.5～2；所述修正环境温度的控制系数b的数值范围在0.5～2。
9.一种热泵系统，包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、水循环单元和控制单元，所述压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器依次通过冷媒管路循环连接；所述水循环单元与冷凝器通过水管路连接；所述控制单元与压缩机、膨胀阀电性连接；其特征在于，所述控制单元包括测温部件和控制器，所述测温部件采集环境温度和水循环单元的回水温度并将采集的温度信号传输至控制器，所述控制器采集压缩机的频率信号，并经存储在控制器上的如权利要求1-8所述的膨胀阀开度控制方法的程序计算得出膨胀阀当前开度值后，向膨胀阀发出调节开度的信号，进而控制膨胀阀的开度调节。
10.根据权利要求9所述的热泵系统，其特征在于，所述测温部件包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器设置在水循环单元的回水管路用于探测回水温度并将回水温度信号传输给控制器；所述第二温度传感器用于探测环境温度并将环境温度信号传输给控制器。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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