专利名称：具有两种工作模式的混合式变频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混合式变频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技术。
背景技术：
定频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。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。这种方式多适用于10匹以上的大功率空 调器，对3 5匹的空调柜机而言性能价格比不高。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空调系统只具有同步运行模式，压缩机起动频繁，对电网冲击 大；②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，可以实现小容量变频器与大容量压缩机匹配的具有两种工作模式的混合式变频空调 系统。本发明有利于提高系统在额定工作点的效率，降低大容量变频空调系统中变频器 的成本，同时提高变频器的可靠性。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混合式变频空 调系统的控制方法。本发明的技术方案是本发明具有两种工作模式的混合式变频空调系统，包括 有由冷凝器、蒸发器、节流阀、压缩机组成的空调制冷系统及驱动压缩机的电动机，其 中电动机为具有自起动能力的永磁同步电动机，电动机在系统以额定能力输出时通过工作模式切换电路直接与供电电网相连，电动机在系统以中间能力输出时通过工作模式切 换电路与驱动其运行的变频器连接，变频器与供电电网相连。上述电动机是具有自起动能力的三相永磁同步电动机。上述电动机的极对数为1，同步转速为3000转/分。本发明具有两种工作模式的混合式变频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)驱动压缩机工作的电动机直接由三相四线制的电网供电，由于电动机具有自起动 功能，直接牵入到同步转速而进入到同步工作模式；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；
3)当室内环境温度没有达到用户设定的值时，压缩机维持在同步工作模式下运行； 当室内环境温度达到用户设定的值时，压缩机由变频器驱动，以便维持室内的环境温 度；
4)如果压缩机由变频器驱动维持室内的环境温度，则系统维持在变频工作模式；如 果驱动压缩机的变频器输出功率不足，系统不能维持室内的环境温度，则由电网供电， 系统又回到同步工作模式。上述步骤1)中，系统接到控制信号开始工作，驱动压缩机工作的电动机利用 自身的起动功能牵入到同步转速，压缩机及电动机通过自起动功能进入同步转速运行阶 段。上述步骤2)中，刚开始系统进入在同步运行模式，在这个运行阶段，虽然压缩 机恒定在同步转速运行，但根据永磁同步电机的特性，电动机的输出功率随着压缩机吸 气排气口压差的增大而逐渐增大。上述步骤3)中，系统运行进入在同步运行模式阶段，冷媒循环过程快速建立起 动态平衡，室内环境温度逼近用户设定的温度；系统判断是否有停机信号，如果有则系 统停机；如果没有停机信号，则判断室内环境温度是否达到设定值。当室内环境温度没 有达到用户设定的值时，压缩机将维持在同步工作模式下运行，提供额定的制冷或制热 的能力输出；当室内环境温度达到设定值时，压缩机改由变频器驱动，空调系统工作在 变频工作模式，以便维持室内的环境温度。上述步骤4)中，空调系统工作在变频工作模式，压缩机工作在变频运行模式， 通过调节电动机的速度，以在较宽范围内调节系统的输出功率，系统保持高效率和高功 率因素；系统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，系统判断通过变频器驱动的压缩机的输出功率是否能维持室内设定的环境温度，当 室内环境温度能维持在设定值时，压缩机将维持在变频工作模式下运行，系统提供较小 的制冷或制热的能力输出；当室内环境温度达不到设定值，表明变频工作模式下压缩机 的输出能力不足，系统又工作在同步运行模式，以获得更大的能力输出。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，其中电动机为具有自起动 能力的永磁同步电动机的结构，且电动机的三相绕组通过工作模式切换电路，既可与变 频器相连，又可与电网相连。本发明应用定频空调和变频空调的工作模式，可以实现小容量变频器与大容量压缩机的匹配。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。
图1为目前常规变频空调系统的结构图。图2为本发明混合式变频空调系统的结构图。图3为本发明空调系统工作模式转换流程图。
具体实施例方式实施例
本发明混合式变频空调系统的结构图如图2所示，实施例为一台3匹的高能效柜式空 调，包括有由冷凝器10、蒸发器11、膨胀阀12、压缩机15组成的空调制冷系统及驱动压 缩机的电动机16，其中电动机16为具有自起动能力的永磁同步电动机，通过工作模式切 换电路14，在系统额定能力输出时电动机16直接由电网供电运行，在系统中间能力输出 时电动机16由变频器13驱动。与目前常用变频空调系统的结构示意图1相比，本发明 多了一个工作模式切换电路14，本发明中的压缩机电动机的三相绕组通过工作模式切换 电路，既可与变频器相连，又可与电网直接相连，而常规变频空调系统中压缩机电机只 与变频器相连。图2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。在本发明提出的混合式变频空调系统中所使用的电动机16是具有自起动能力 的永磁同步电动机，电机的极对数为1，同步转速为3000转/分。同步转速是指当永 磁同步电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) X 60 / (永磁电机极对数)。本发明提出的混合式变频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，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，系统通过调节压缩机转速来实现输出功率的调节，变频器13的输出功率 只需为(1/4 1/2)的额定功率，降低变频器的容量既降低了系统的硬件成本，又提高 了系统的可靠性；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，压缩机中的永磁同步电机由电网直接供电运行可以消除变频器本身的损耗，这 样提高了系统在额定工作点的效率。如图3为本发明提出的混合式变频空调系统的工作模式转换流程图，具体的控 制方法包括如下步骤
1)系统接到控制信号开始工作；
2)驱动压缩机15工作的电动机16直接由三相四线制的电网供电，由于电动机16具 有自起动功能，直接牵入到同步转速而进入到同步工作模式；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；
3)当室内环境温度没有达到用户设定的值时，压缩机15维持在同步工作模式下运 行；当室内环境温度达到用户设定的值时，压缩机15由变频器13驱动，以便维持室内的环境温度；
4)如果压缩机15由变频器13驱动维持室内的环境温度，则系统维持在变频工作模 式；如果驱动压缩机15的变频器13输出功率不足，系统不能维持室内的环境温度，则由 电网供电，系统又回到同步工作模式。上述步骤1)中，系统接到控制信号开始工作，驱动压缩机15工作的电动机16 利用自身的起动功能牵入到同步转速，压缩机15及电动机16通过自起动功能进入同步转 速运行阶段。上述步骤2)中，刚开始系统进入在同步运行模式，在这个运行阶段，虽然压缩 机15恒定在同步转速运行，但根据永磁同步电机的特性，电动机16的输出功率随着压缩 机15吸气排气口压差的增大而逐渐增大。上述步骤3)中，系统运行进入在同步运行模式阶段，冷媒循环过程快速建立起 动态平衡，室内环境温度逼近用户设定的温度；系统判断是否有停机信号，如果有则系 统停机；如果没有停机信号，则判断室内环境温度是否达到设定值。当室内环境温度没 有达到用户设定的值时，压缩机15将维持在同步工作模式下运行，提供额定的制冷或制 热的能力输出；当室内环境温度达到设定值时，压缩机15改由变频器13驱动，空调系统 工作在变频工作模式，以便维持室内的环境温度。上述步骤4)中，空调系统工作在变频工作模式，压缩机15工作在变频运行模 式，通过调节电动机16的速度，以在较宽范围内调节系统的输出功率，系统保持高效率 和高功率因素；系统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，系统判断通过变频器13驱动的压缩机15的输出功率是否能维持室内设定的环境 温度，当室内环境温度能维持在设定值时，压缩机15将维持在变频工作模式下运行，系 统提供较小的制冷或制热的能力输出；当室内环境温度达不到设定值，表明变频工作模 式下压缩机15的输出能力不足，系统又工作在同步运行模式，以获得更大的能力输出。本发明实施例中所采用的电动机16是一种可以异步起动同步运行的永磁同步 电机，电机的定子绕组采用分布绕组结构，在转子铁心的外圆周安放了铸铝成型的鼠笼 型线圈，在鼠笼型线圈的内周侧嵌入了弧形形状的永磁体，定子绕组产生的旋转磁场与 鼠笼型线圈作用可以产生异步转矩，使电机起动加速，当达到同步速度时异步转矩变为 零，定子绕组产生的旋转磁场与转子永磁体作用产生同步转矩维持电机的运行，即同步运 行。如表1是实施例电动机(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，额定设计功率为2500瓦。本发明实施例混合式变频空调3匹柜 机所采用的变频器额定功率为1.5千瓦，驱动压缩机在(15 30) HZ的频率范围内运 行，变频器的前级设置了功率因数校正PFC电路。表1本发明实验用压缩机永磁同步电动机·参教
权利要求
1.一种具有两种工作模式的混合式变频空调系统，包括有由冷凝器(10)、蒸发器 (11)、节流阀(12)、压缩机(15)组成的空调制冷系统及驱动压缩机(15)的电动机(16)，其特征在于电动机(16)为具有自起动能力的三相永磁同步电动机，电动机 (16)在系统以额定能力输出时通过工作模式切换电路(14)直接与供电电网相连，电 动机(16)在系统以中间能力输出时通过工作模式切换电路(14)与驱动其运行的变频 器(13)连接，变频器(13)与供电电网相连。
2.根据权利要求1所述的具有两种工作模式的混合式变频空调系统，其特征在于上述 电动机(16)是具有自起动能力的永磁同步电动机。
3.根据权利要求1所述的具有两种工作模式的混合式变频空调系统，其特征在于上述 电动机(16)的极对数为1，同步转速为3000转/分。
4.一种根据权利要求1所述的具有两种工作模式的混合式变频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)驱动压缩机(15)工作的电动机(16)直接由三相四线制的电网供电，由于电 动机(16)具有自起动功能，直接牵入到同步转速而进入到同步工作模式；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；3)当室内环境温度没有达到用户设定的值时，压缩机(15)维持在同步工作模式下 运行；当室内环境温度达到用户设定的值时，压缩机(15)由变频器(13)驱动，以便 维持室内的环境温度；4)如果压缩机(15)由变频器(13)驱动能够维持室内的环境温度，则系统维持 在变频工作模式；如果驱动压缩机(15)的变频器(13)输出功率不足，系统不能维持 室内的环境温度，则由电网供电，系统又回到同步工作模式。
5.根据权利要求4所述的具有两种工作模式的混合式变频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，驱动压缩机(15)工作的电动机(16)利用自身的起动功能牵入到同步转速，压缩机(15)及电动机(16)通过自起动 功能进入同步转速运行阶段。
6.根据权利要求4所述的具有两种工作模式的混合式变频空调系统的控制方法，其特 征在于上述步骤2)中，刚开始系统进入在同步运行模式，在这个运行阶段，虽然压缩机(15)恒定在同步转速运行，但根据永磁同步电机的特性，电动机(16)的输出功率随 着压缩机(15)吸气排气口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混合式变频空调系统的控制方法，其 特征在于上述步骤3)中，系统运行进入在同步运行模式阶段，冷媒循环过程快速建立起 动态平衡，室内环境温度逼近用户设定的温度；系统判断是否有停机信号，如果有则系 统停机；如果没有停机信号，则判断室内环境温度是否达到设定值；当室内环境温度没 有达到用户设定的值时，压缩机(15)将维持在同步工作模式下运行，提供额定的制冷 或制热的能力输出；当室内环境温度达到设定值时，压缩机(15)改由变频器(13)驱 动，空调系统工作在变频工作模式，以便维持室内的环境温度。
8.根据权利要求4所述的具有两种工作模式的混合式变频空调系统的控制方法，其特 征在于上述步骤4)中，空调系统工作在变频工作模式，压缩机(15)工作在变频运行模式，通过调节电动机(16)的速度，以在较宽范围内调节系统的输出功率，系统保持高 效率和高功率因素；系统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，系统判断通过变频器(13)驱动的压缩机(15)的输出功率是否能维持室 内设定的环境温度，当室内环境温度能维持在设定值时，压缩机(15)将维持在变频工作模式下运行，系统提供较小的制冷或制热能力输出；当室内环境温度达不到设定值， 表明变频工作模式下压缩机(15)的输出能力不足，系统又工作在同步运行模式，以获 得更大的能力输出。
全文摘要
本发明是一种具有两种工作模式的混合式变频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)、节流阀(12)、压缩机(15)组成的空调制冷系统及驱动压缩机的电动机(16)，其中电动机(16)为具有自起动能力的三相永磁同步电动机，电动机(16)的三相绕组通过工作模式切换电路(14)，既可与变频器(13)的功率模块相连，也可与电网直接相连。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与大容量压缩机的空调系统相匹配。本发明有利于降低空调系统的成本，提高系统的可靠性。本发明的具有两种工作模式的混合式空调系统的控制方法简单方便。
文档编号F24F11/00GK102022861SQ20101056796
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者刘智平, 李志忠, 申柏华, 童怀, 黄国宏 申请人:广东工业大学