专利名称：：精密空调的制作方法
技术领域：
：本实用新型公开了调，可广泛应用于试验室、计术范畴。
背景技术：
：众所周知，空调系统从总体应用上分类，可分为舒适性空调和工艺用空调两大类。对于舒适性空调而言，对温度控制的精度要求并不高。而对于工艺用空调，其温度控制精度因工艺环境及工艺要求的不同而有着不同的要求。对于某些试验室、计量测量室，由于温度的变化对其试验、测量的结果有很大的影响。为了保证量值传递的准确性，所以对温度控制的要求也极为严格。要求试验温度的波动在±0.5t:以内，更有许多特殊试验领域对温度精度的要求甚至更高。目前，对于空调系统的设计应用，其控温方式大致采用以下两种方式方法1、传统空调系统采用传统的制冷压縮机，搭建而成传统空调系统，配用传统控制模式。其控温方式是在温度和能量调节上采用通过控制压縮机的运行数量和启停来进行调节。当温度到达设定值时，压縮机停止工作；当温度高于或低于设定值时，压縮机又开始工作，如此反复实现目标温度的调节。以图1所示的传统空调系统为例，采用传统的制冷压縮机(某国际著名公司61KC型涡旋压縮机，输入功率4.43Kw，ARI工况下的制冷量为14.6Kw)，配以适当的冷凝器、膨胀阀、直膨式蒸发器，组成一个制冷/制热的空调系统。控制方式采用传统的当温度逼近设定温度时，压縮机停止工作；当温度高于或低于设定值时，压縮机又开始工作的方式(与具体的制冷/制热工况相对应)。具体的试验数据如下试验对象面积为100平方米的房间。试验结果如表1、表2所示测试项目制热环境温度9t:测试室温12。C目标温度20±0.2°C。表1、制热状态下传统空调压縮机状态与温度变化表序号时间室内温度CC)压縮机状态19:5012.20N29:5513.8ON310:0015.6ON3一种用伺服电机驱动压縮机以达到高精度控制温度的精密空量测量室等具有高精度控温要求的空调应用领域，属于空调技<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>[0012]测试项目制冷测试室温14"目标温度l(TC表2、制冷状态下传统空调压縮机状态与温度变化表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由以上的试验数据分析可得对于传统的压縮机为核心组成的空调系统，由于压縮机只有开启、停止两种状态，制冷量要么是零，要么是100%。所以测试房间的温度一直在目标值的范围内波动，而且波动的范围相当大，特别是在制热的工况下，由于热泵系统必须具有的除霜工况，使得温度波动的范围更加大。这样的控制模式，在对控温精度要求不高的情况下，是可以满足使用要求的，但对于像试验室、计算机房等要求高的场所，一般温度精度要求控制在±0.5°C。传统的空调由于只有开/关压縮机两种状态，制冷量要么是零，要么是100%，显然无法实现。这种空调系统和控制模式，是远远不能满足要求的。方法2、变频空调系统为解决方法1温度波动大的问题，部分压縮机生产厂家提出了变频的概念，即在方法一的基础上，将压縮机的电机采用变频电机，再由变频器驱动压縮机。通过改变压縮机的转速来改变系统的制冷量，从而达到调节温度和能量的目的。如图2所示的一种变频空调，将传统的压縮机改成变频压縮机(某国际著名公司401DHV-64型变频涡旋压縮机，输入功率5.6Kw，ARI工况下的制冷量为18Kw)，配以适当的冷凝器、膨胀阀、直膨式蒸发器，组成一个制冷/制热的空调系统。即压縮机的电机采用变频电机，再由变频器驱动压縮机。采用改变压縮机的转速来改变系统的制冷量，从而达到调节温度和能量的目的。具体的试验数据如下试验对象面积为100平方米的房间。试验结果如表3、表4所示测试项目制热测试室温14。C目标温度20±0.2°C。表3、制热状态下变频空调压縮机频率与温度变化表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>序号时间室内温度(°C)压縮机频率1117:109.3301217:158.9451317:2010.5661417:251250由以上的试验数据进行分析变频调速技术适应于节能降耗和舒适性的要求，目前已应用于新一代的空调系统上。其核心是变频器、微控制器、和变频压縮机的电机。由变频器驱动的压縮机为核心构成的空调系统，在控温精度上要明显优于传统的空调系统。但由于变频器的特性①.在低速时扭矩很小0.5HZ(2转左右)，变频器实际上是一个调节频率的控制器，频率太低，感应磁场变弱，能量传递效率低，扭矩小，所以大部分变频压縮机真正有利用价值的是压縮机在高于一定频率运转时制冷量大这一点，而并不是在低速时的调节性能好。②.变频调节属于开环控制，无反馈信号。变频器的上述特性会导致以下缺陷①.在低速时，感应特性变弱，扭矩小，无法驱动压縮机旋转；②、转矩有脉动，噪声和震动较大，转速的稳态精度不够高，容易造成系统振荡而无法稳定；③、变频速度是开环控制，转速精度不高，由于在温差大时(如环境35度，目标IO度)，压縮机负荷很重，但速度很低，这时，变频器无法达到工作要求。综上，采用变频空调可以节能，但在精确控温方面，仍然无法达到目标要求。申请人:于2006年7月开始，研制控温范围在±0.2°C的精密温控系统，通过在面积为IOO平方米的房间内，对现有的传统空调系统和变频空调系统进行多次试验，获得了大量试验数据，申请人对这些数据进行统计、分析后发现，上述现有空调的温度控制，始终在目标温度的上下来进行浮动，其温度调节始终处于一个动态变化，具体如图3、图4所示，这就导致其温度控制始终处于一个不稳定的状态，无法达到精确控温的目标。
实用新型内容基于提供一种能实现精确、稳定控温的空调系统的实用新型目的，申请人经过反复试验和摸索，最终研制出了一种精密空调，其采用伺服电机驱动压縮机和高精度空调控制器控制，实现高精度空调的无级能量调节，使空调机组的控制精度更高、更加节能。本实用新型为实现上述目的采取的技术方案如下，一种精密空调，包括空调执行机构、压縮机、伺服电机、高精度空调控制器、传感器单元、状态输入输出装置，传感器单元、状态输入输出装置与高精度空调控制器相连，高精度空调控制器分别与空调执行机构执、伺服电机相连，压縮机与伺服电机相连，空调执行机构与压縮机相连。本实用新型的进一步设置如下状态输入输出装置与高精度空调控制器相连，用户根据需求通过状态输入输出装置设定目标温度给高精度空调控制器。传感器单元包括若干组温度传感器，安装于工作空间的多点位置，感应工作空间的实时温度，并输入给高精度空调控制器。可根据空间的大小来设置如4组、6组等安装于空间的多点位置。空调执行机构分别与高精度空调控制器及压縮机相连，实现制冷或制热量的实时准确调节。压縮机优选采用线性蜗旋压縮机，即制冷或制热量与转速成线性关系的压縮机，线性蜗旋压縮机一方面与伺服电机相连，另一方面与空调执行机构相连，通过伺服电机调节线性蜗旋压縮机的转速，从而使空调执行机构实现制冷或制热量的实时准确调节。伺服电机是一种根据高精度空调控制器的控制信号以恒转矩调节压縮机的转速、转速范围实现0几万转/分的电机，伺服电机包括伺服驱动器、速度装置，永磁电机，伺服驱动器与高精度空调控制器相连，速度装置、永磁电机分别与伺服驱动器相连，永磁电机与速度装置相连，压縮机与永磁电机相连，伺服驱动器根据高精度空调控制器的控制信号和速度装置的速度信号，通过内部运算实时调节永磁电机的转速，以驱动压縮机。高精度空调控制器包括温度信号输入单元、外部状态输入单元、开关信号输出单元、控制信号输出单元、运算单元，其中，温度信号输入单元与传感器单元相连，接收传感器单元感应到的温度信号，外部状态输入单元与状态输入输出装置相连，以接收状态输入输出装置中用户设定的温度等工作参数，温度信号输入单元、外部状态输入单元通过总线与运算单元相连，把上述接收到的数据输入到运算单元，运算单元进行PID运算处理后，通过总线输出开关信号到开关信号输出单元，开关信号输出单元与空调执行机构的电磁四通阀相连，输出模拟电压信号到控制信号输出单元，控制信号输出单元与伺服电机的伺服驱动器相连。从而分别执行电磁四通阀和驱动伺服电机实现转速无级调整。由上述可知，本实用新型的精密空调，由于实现了对伺服电机的准确速度控制，也就实现了对压縮机的准确速度控制，从而可以实现对空调机组的制冷(热)量的实时准确控制，实现高精度空调的调节。作为本实用新型的一种变例在压縮机和伺服电机之间连接有减速机，增加对压縮机的转矩。本实用新型的主要控制原理如下热量的传递相对压力、流量等传递是比较缓慢的，从控制学的角度来说是一个大惯量控制系统，所以用一般的PID控制算法是无法达到高精度稳定控制，因此我们从系统的角度出发结合温度控制以及伺服电机控制的特点，开发一种基于专用伺服压縮机的高精度空调控制器。PID控制规律为u":i=A;("n+丄fei7"D因此它的传递函数为G{"=|^=V:1+^+7d'"其中kp为比例系数；T工为积分时间常数；T。为微分时间常数如果给一个阶跃信号，输出肯定是一个震荡输出过程，最后达到稳态，经过分析如果给一个一阶信号Y(u)=X(i^a+(l-a^Yl(u)，那么他的输出震荡过程明显减小，如果给一个二阶信号信号那么他的输出震荡过程更小，由此可以推出将信号进行一阶或二阶运算后系统的稳定性会很快，但是如果单纯一阶或二阶运算会导致系统相位滞后，必须加入相位校正环节。经过这样控制后系统控制震荡输出过程很短了，但稳态时抗干扰性不好，所以8又提出将kp，ki经过温度变化趋势及变化速度判断让其在稳态时和动态时系数不一样，在稳态时加大提高抗干扰性，在动态时根据目标值来自动调整，从而达到快速稳定控制。经过这样控制后稳定没有问题了，但要想实现精密控制必须让制冷量变的很小才有可能，因为一个固定的空间它有一定的热容，热容就是温度每升高rc它所吸收的热量(卡或焦尔)。如果压縮机输出最小热量(或冷量)是热容的l/io那么，理论温度变化量就是o.rc，因此选用专用伺服压縮机，控制伺服电机的转速，从而控制压縮机的制冷量，例如压縮机的制冷量是1000大卡，伺服电机转速为2000，那么伺服电机每转的制冷量为1000/2000=0.5大卡。如果电机每次调整1转也就是每次调整0.5大卡的制冷量。另外实际的空调控制系统本身有很大的热损耗J，所以实际的每转输出量为0.5-J，因此系统控制最小控制量是很小的。由于温度变化滞后性强，一般的通用伺服电机高低速刚性过强容易导致控制不稳定，因此采用专用伺服，针对温度控制的特点将伺服算法改成相对柔且又具有一定的刚性输出，以适合压縮机低速特点。从而达到高精度温度控制。具体控制过程如下例所示用户先通过状态输入输出装置输入一个目标温度值tO，并通过外部状态输入单元由总线输入到运算单元；传感器单元检测到实际的环境温度t，并将该温度信号通过温度信号输入单元由总线输入到运算单元45，运算单元45将检测的实际环境温度t和用户设定的温度t0通过数据运算做比较，当t-to>0时，通过开关信号输出单元控制空调执行机构1的1-9电磁四通阀的切换实施制冷，当t-tO<0时，通过开关信号输出单元控制空调执行机构的电磁四通阀的切换实施制热；同时进行PID算法运算，通过控制信号输出单元输出一个PID控制值，并将该控制值以模拟信号0-10V或数字信号的方式传输给伺服电机，伺服电机的伺服驱动器根据控制信号输出单元的控制信号和速度装置的速度信号，通过内部运算实时调节永磁电机的转速，以驱动压縮机实现对压縮机的实时调速，当t-to差值大时提高转速、t-to差值小时降低转速，直到伺服电机维持一个较低的转速带动压縮机恰好补偿环境温差的热量损失，从而达到控制所需的目标值，实现高精度空调的闭环调节。本实用新型的有益效果如下1、本实用新型采用伺服电机与高精度空调控制器来实现精密空调的温度控制，因为伺服电机低速扭矩大，转速精度高(每转可分割成1/10000转)，可以精密的控制制冷或制热量从而达到精密控制温度的目的。例如压縮机每转的制冷量为iooo大卡，那么伺服电机可控制的最小制冷量为1000大卡/10000=0.1大卡。2、本实用新型采用线性蜗旋压縮机(线性蜗旋压縮机是制冷或制热量与转速成线性的压縮机)，配合伺服电机与高精度空调控制器，控温精度可达±o.rc。3、本实用新型与传统采用定频压縮机的空调相比，节能在30%以上，并且噪音小。以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。图1为传统空调系统的结构示意图；图2为变频空调系统的结构示意图；图3为现有普通空调的制热曲线图；图4为现有普通空调的制冷曲线图；[0063]图5为本实用新型高精度空调系统的结构示意图；图6为本实用新型高精度空调系统一种变例的结构示意图；图7为本实用新型高精度空调控制器的组成框图；图8为本实用新型高精度空调系统的控制原理框图；图9本实用新型高精度空调系统的制热曲线图；图10为本实用新型高精度空调系统的制冷曲线图。附图标号1、空调执行机构1-1气液分离器，l-2逆止阀，l-3第一充气阀，l-4第一风冷冷凝(蒸发)器，l-5第二充气阀，l-6低压开关，1-7高压开关，l-8第三充气阀，1-9四通电磁阀，1-10第二风冷冷凝(蒸发)器，1-11膨胀阀，1-12视液镜，1-13干燥器；20、压縮机，30、控制器，40、传感器50、压縮机，60、变频器，70、控制器，80、传感器2、线性蜗旋压縮机，3、伺服电机，3-l、伺服驱动器，3-2、速度装置，3_3、永磁电机，4、高精度空调控制器，5、传感器单元，6、状态输入输出接口，7、减速机具体实施方式如图5所示，本实用新型的高精度空调系统，包括空调执行机构1、线性蜗旋压縮机2、伺服电机3、高精度空调控制器4、传感器单元5、状态输入输出装置6，其中空调执行机构l采用常规设置，包括气液分离器l-l，逆止阀l-2，第一充气阀l-3，第一风冷冷凝(蒸发)器l-4，第二充气阀l-5，低压开关l-6，高压开关l-7，第三充气阀l-8，四通电磁阀l-9，第二风冷冷凝(蒸发)器1-10，膨胀阀1-11，视液镜1-12，干燥器1-13;空调执行机构l分别与高精度空调控制器4及线性蜗旋压縮机2相连，实现制冷或制热量的实时准确调节。本实用新型的压縮机可以采用普通压縮机或者线性蜗旋压縮机，线性蜗旋压縮机2是指一种制冷或制热量与转速成线性关系的压縮机。线性蜗旋压縮机2—方面与伺服电机3相连，另一方面与空调执行机构1相连，通过伺服电机3调节线性蜗旋压縮机2的转速，从而使空调执行机构1实现制冷(热)量的实时准确调节。伺服电机3是一种可以根据控制信号以恒转矩调节线性蜗旋压縮机2的转速，转速范围可实现0-几万转/分的电机，伺服电机3包括伺服驱动器31、速度装置32，永磁电机33，伺服驱动器31与高精度空调控制器4相连，速度装置32、永磁电机33分别与伺服驱动器31相连，永磁电机33与速度装置32相连，线性蜗旋压縮机2与永磁电机33相连，3_1伺服驱动器根据上位机(本实用新型中的上位机为高精度空调控制器4和速度装置32)的控制信号和速度信号，通过内部运算实时调节永磁电机33的转速，以驱动线性蜗旋压縮机2。高精度空调控制器4分别与传感器单元5、状态输入输出装置6、空调执行机构执1的1-9电磁四通阀以及伺服电机3的伺服驱动器31相连。结合图7所示，本实用新型高精度空调控制器4包括温度信号输入单元41、外部状态输入单元42、开关信号输出单元43、控制信号输出单元44、运算单元45，其中外部状态输入单元42接收状态输入输出装置6中用户设定的温度等工作参数，温度信号输入单元41接收传感器单元5感应到的温度信号，10然后两者通过总线输入到运算单元45，与设定的目标信号进行PID运算处理后，通过总线输出单元开关信号到开关信号输出单元43去执行电磁阀或继电器动作；输出模拟电压信号到控制信号输出单元44去驱动伺服电机3实现转速无级调整。传感器单元5实现将感应到室内的实时温度，输入给高精度空调控制器4。传感器单元5可由若干组温度传感器组成，可根据空间的大小来设置如4组、6组温度传感器等安装于工作空间的多点位置，以准确感应室内实时温度。状态输入输出装置6为用户根据需求设定相应参数。图6示出了本实用新型的一种变例，通过在线性蜗旋压縮机2和伺服电机3之间增加减速机7，增加对线性蜗旋压縮机2的转矩，以适应大型的高精度空调系统的需要。结合图8所示，本实用新型的控制方法如下本实用新型通过传感器单元5感应到室内的实时温度，通过状态输入输出装置6用户根据需求设定目标控制温度，然后输入到高精度空调控制器4，高精度空调控制器4的外部状态输入单元42接收状态输入输出装置6中用户设定的温度等工作参数，温度信号输入单元41接收传感器单元5感应到的温度信号，然后两者通过总线输入到运算单元45，与设定的目标信号进行PID运算处理后，通过总线输出单元开关信号到开关信号输出单元43去执行电磁阀或继电器动作；输出模拟电压信号到控制信号输出单元44去驱动伺服电机3，伺服电机3的伺服驱动器31根据高精度空调控制器4的控制信号和速度装置32的速度信号，通过内部运算实时调节永磁电机33的转速，以驱动线性蜗旋压縮机2，由于实现了对伺服电机3的准确速度控制，也就实现了对线性蜗旋压縮机2的准确速度控制，从而可以实现对空调机组的制冷(热)量的实时准确控制，实现高精度空调的调节。具体操作过程如下用户先通过状态输入输出装置6输入一个目标温度值t0，并通过外部状态输入单元42由总线输入到运算单元45;传感器单元5检测到实际的环境温度t，并将该温度信号通过温度信号输入单元41由总线输入到运算单元45，运算单元45将检测的实际环境温度t和用户设定的温度t0通过数据运算做比较，当t-t0>0时，通过开关信号输出单元43控制空调执行机构1的1-9电磁四通阀的切换实施制冷，当t-t0<0时，通过开关信号输出单元43控制空调执行机构1的电磁四通阀19的切换实施制热；同时进行PID算法运算，通过控制信号输出单元44输出一个PID控制值(比例积分微分值)，并将该控制量以模拟信号0-10V或数字信号的方式传输给伺服电机3，伺服电机3根据此信号来调节线性蜗旋压縮机2的转速，实现对线性蜗旋压縮机2的实时调速，当t-t0差值大时提高转速、t-t0差值小时降低转速，直到伺服电机3维持一个较低的转速带动线性蜗旋压縮机2恰好补偿环境温差的热量损失，从而达到控制所需的目标值，实现高精度空调的调节，本实用新型的控制系统是一个闭环调节系统。以下在
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所述环境下，采用本实用新型的技术方案，结合
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的试验例子进行对比试验，试验结果如表5、表6所示试验对象面积为100平方米的房间，测试项目制热测试室温14。C目标温度20。C表5、制热状态下高精度空调压縮机转速与温度变化表11<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>[0094]结合表5、表6可知从测试的数据上看，本实用新型的高精度空调的制冷(热)量和转速具有一定的线性关系。这样通过高精度空调控制器调节就很容易实现高精度控制，控温精度可达±0.rc。申请人:将上述试验结果进行统计分析得图9、图10所示，由图9、图10可以看出高精度空调控制温度是一条逐渐逼近目标温度的平滑曲线，一般在4-5分钟就可以到达平稳温度值.此时伺服电机维持一个较低的转速，带动线性蜗旋压縮机恰好补偿环境温差的热量损失，实现逐渐逼近目标温度而且无过冲的高精度空调的调节。权利要求一种精密空调，包括空调执行机构、压缩机、伺服电机、高精度空调控制器、传感器单元、状态输入输出装置，传感器单元、状态输入输出装置与高精度空调控制器相连，高精度空调控制器分别与空调执行机构执、伺服电机相连，压缩机与伺服电机相连，空调执行机构与压缩机相连。2.如权利要求1所述的一种精密空调，其特征在于状态输入输出装置与高精度空调控制器相连，通过状态输入输出装置设定目标温度给高精度空调控制器。3.如权利要求1所述的一种精密空调，其特征在于传感器单元包括若干组温度传感器，安装于工作空间的多点位置，感应工作空间的实时温度，并输入给高精度空调控制器。4.如权利要求1所述的一种精密空调，其特征在于空调执行机构分别与高精度空调控制器及压縮机相连，实现制冷或制热量的实时准确调节。5.如权利要求1所述的一种精密空调，其特征在于压縮机为线性蜗旋压縮机即制冷或制热量与转速成线性关系的压縮机，线性蜗旋压縮机一方面与伺服电机相连，另一方面与空调执行机构相连，通过伺服电机调节线性蜗旋压縮机的转速，从而使空调执行机构实现制冷或制热量的实时准确调节。6.如权利要求1所述的一种精密空调，其特征在于伺服电机是一种根据高精度空调控制器的控制信号以恒转矩调节压縮机的转速、转速范围实现0几万转/分的电机，伺服电机包括伺服驱动器、速度装置，永磁电机，伺服驱动器与高精度空调控制器相连，速度装置、永磁电机分别与伺服驱动器相连，永磁电机与速度装置相连，压縮机与永磁电机相连，伺服驱动器根据高精度空调控制器的控制信号和速度装置的速度信号，通过内部运算实时调节永磁电机的转速，以驱动压縮机。7.如权利要求1所述的一种精密空调，其特征在于高精度空调控制器包括温度信号输入单元、外部状态输入单元、开关信号输出单元、控制信号输出单元、运算单元，其中，温度信号输入单元与传感器单元相连，外部状态输入单元与状态输入输出装置相连，开关信号输出单元与空调执行机构的电磁四通阀相连，控制信号输出单元与伺服电机的伺服驱动器相连。8.如权利要求17所述的一种精密空调，其特征在于在压縮机和伺服电机之间连接有减速机，增加对压縮机的转矩。专利摘要本实用新型公开了一种精密空调，可广泛应用于试验室、计量测量室等具有高精度控温要求的空调应用领域，属于空调技术范畴。包括空调执行机构、压缩机、伺服电机、高精度空调控制器、传感器单元、状态输入输出装置，传感器单元、状态输入输出装置与高精度空调控制器相连，高精度空调控制器分别与空调执行机构执、伺服电机相连，压缩机与伺服电机相连，空调执行机构与压缩机相连。本实用新型由于采用伺服电机驱动压缩机和高精度空调控制器控制，实现高精度空调的无级能量调节，使空调机组的控制精度更高、更加节能。文档编号F25B31/02GK201463396SQ20092012275公开日2010年5月12日申请日期2009年6月18日优先权日2009年6月18日发明者刘胜,李招海,李海根申请人:浙江大成电气有限公司