轴流风机的控制方法、轴流风机控制装置和空调器与流程

本申请涉及压缩机技术领域，具体涉及一种轴流风机的控制方法、轴流风机控制装置和空调器。

背景技术：

受应用环境的制约，空调外机往往安装在受风的位置。而风的方向、速度和持续时间等都是时变的。这些风对空调外机风叶带来了强大的干扰，强干扰会影响风叶的转速稳定性、外风机的风叶效率，甚至会导致空调外风机风叶异常反转。为了提高空调外风机的抗扰能力，同时增强外风机的风叶效率，部分学者和技术人员提出了相应的解决方案。

珠海格力电器股份有限公司苏运宇等在《空调轴流风叶强度分析与优化》一文分析离心力和气流对风叶的应力的影响，说明了离心力和气流对风叶受力起作用，提出采用加强筋和加厚受力区域的方法提高风叶应力强度。该方法很好地提升了风叶强度，使风机能良好地运行在高转速的状态，最终提高了空调的性能，但其并未涉及强风对风叶的抗扰能力和外风机散热能力。

宁波奥克斯空调有限公司林娟等在《空调轴流风叶的参数化设计研究及其应用》一文采用fortran程序设计的翼型数据，并通过creo软件直接控制风叶的弯掠角、安装角(即桨距角)以设定风机风叶形状的方法。该方法较好地实现风叶设计的人交互设计水平，但设计的风叶翼型固定，无法实现整机运行过程中动态调整。

广东美的制冷设备有限公司黄愉太等在《空调用轴流风叶优化设计方法研究》一文通过fluent分析并优化轴流风叶的安装角(即桨距角)，最终将风叶效率提升3.42％，即说明了通过改变桨距角可优化风叶效率。但该方法同样存在风叶翼型固定，无法实现整机运行过程中动态调整的问题。

综上，通过调整桨距角能有效地提升空调的风叶效率，但现有的空调设备风叶翼型却相对固定，无法实现整机运行过程中动态调整。

技术实现要素：

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种轴流风机的控制方法、轴流风机控制装置和空调器，能够降低强风对风机的干扰，提高风机的运行稳定性。

为了解决上述问题，本申请提供一种轴流风机的控制方法，包括：

获取风机的工作状态；

当风机处于风量等级上升状态时，控制风机由停机状态切换至抗强风干扰状态，或控制风机由抗强风干扰状态切换至大风量追踪状态；

当风机处于风量等级下降状态时，控制风机由大风量追踪状态切换至抗强风干扰状态，或控制风机由抗强风干扰状态切换至停机状态。

优选地，控制风机由停机状态切换至抗强风干扰状态的步骤包括：

获取风速v风；

将风速v风与风速设定值vdir进行比较，获取比较结果；

根据比较结果确定风机的启动状态；

控制风机启动。

优选地，根据比较结果确定风机的启动状态的步骤包括：

当v风＜vdir时，确定风机正转出风；

当v风≥vdir时，确定风机反转进风；

确定风机出风方向后调整桨距角，使得气流攻角最小。

优选地，vdir为高低风速的临界值。

优选地，控制风机由抗强风干扰状态切换至大风量追踪状态的步骤包括：

在风机启动成功后，控制风机进入大风量追踪状态；

启用变桨距外管温控制，根据外管温的温度值动态调整桨距角。

优选地，根据外管温的温度值动态调整桨距角的步骤包括：

获取外管温t外与设定外管温t外设；

获取温度偏差ek＝t外设-t外；

计算桨距角其中，k代表第k次采样；kp为比例参数；ki为积分参数；kd为微分参数；ek为本次偏差值；ek-1为上一次偏差值；a0为静差调整系数。

优选地，控制风机由大风量追踪状态切换至抗强风干扰状态的步骤包括：

获取风机转速；

当风机转速下降至设定值时，控制风机退出大风量追踪状态，进入抗强风干扰状态；

获取风速v风，

当v风＜vdir时，确定风机正转出风；

当v风≥vdir时，确定风机反转进风。

优选地，控制风机由抗强风干扰状态切换至停机状态的步骤包括：

降低风机转速；同时调整气流攻角为0，关闭风机。

优选地，风速v风通过如下步骤获得：

关闭风机，开启压缩机并设定频率；

检测外环境温度t外、冷凝器温度t冷；

计算温度差δt

δt＝t外-t冷

根据温度差δt计算风速v风

v风＝k·δt+vb

其中k为不同风速下测定实际风速与温度差δt的比例系数，vb为风速矫正系数。

根据本申请的另一方面，提供了一种轴流风机控制装置，用于实施上述的控制方法。

优选地，轴流风机控制装置包括供电系统、控制系统、传动系统、电机、轴流风叶、变桨距系统和温度检测装置，供电系统为控制系统、传动系统、电机、变桨距系统和温度检测装置提供电能，传动系统接收控制系统提供的驱动信号以控制电机运动，电机控制轴流风叶的主轴运动，变桨距系统安装在轴流风叶上，接收控制系统的驱动信号以调节轴流风叶的桨距角，温度检测装置检测外环境温度和冷凝器温度。

优选地，变桨距系统包括支撑内圈、主动齿轮、内齿圈和支撑外圈，支撑外圈与轴流风叶固定连接，支撑外圈内侧设置有内齿圈，支撑内圈相对于设置在支撑外圈内侧，对支撑外圈形成支撑，主动齿轮安装在支撑内圈上，并与内齿圈啮合传动。

根据本申请的另一方面，提供了一种空调器，包括轴流风机控制装置，该轴流风机控制装置为上述的轴流风机控制装置。

本申请提供的轴流风机的控制方法包括：获取风机的工作状态；当风机处于风量等级上升状态时，控制风机由停机状态切换至抗强风干扰状态，或控制风机由抗强风干扰状态切换至大风量追踪状态；当风机处于风量等级下降状态时，控制风机由大风量追踪状态切换至抗强风干扰状态，或控制风机由抗强风干扰状态切换至停机状态。上述的轴流风机的控制方法，不管是在风机处于风量等级上升状态还是下降状态时，在进行风机控制时，均使得风机进入到抗强风干扰状态，之后再由抗强风干扰状态进入其他状态，因此可以利用抗强风状态作为中间过渡状态，在抗强风状态实现对风机转向以及桨距角的调节，使得风机能够与当前的风相匹配，降低风对风机的运行的干扰，提高风机的运行稳定性。

附图说明

图1为本申请一个实施例的轴流风机控制装置的结构原理图；

图2为本申请一个实施例的轴流风机控制装置的变桨距系统的结构图；

图3为本申请一个实施例的轴流风机控制方法的流程图；

图4为本申请一个实施例的轴流风机控制方法的风速计算流程图；

图5为本申请一个实施例的轴流风机控制方法的转换过程图；

图6为本申请一个实施例的轴流风机的变桨距外管温控制流程图。

附图标记表示为：

1、供电系统；2、控制系统；3、传动系统；4、电机；5、轴流风叶；6、变桨距系统；7、温度检测装置；8、支撑内圈；9、主动齿轮；10、内齿圈；11、支撑外圈。

具体实施方式

结合参见图1至图6所示，根据本申请的实施例，轴流风机的控制方法包括：获取风机的工作状态；当风机处于风量等级上升状态时，先控制风机由停机状态切换至抗强风干扰状态，然后控制风机由抗强风干扰状态切换至大风量追踪状态；当风机处于风量等级下降状态时，先控制风机由大风量追踪状态切换至抗强风干扰状态，然后控制风机由抗强风干扰状态切换至停机状态。

上述的轴流风机的控制方法，不管是在风机处于风量等级上升状态还是下降状态时，在进行风机控制时，均使得风机进入到抗强风干扰状态，之后再由抗强风干扰状态进入其他状态，因此可以利用抗强风状态作为中间过渡状态，在抗强风状态实现对风机转向以及桨距角的调节，使得风机能够与当前的风相匹配，降低风对风机的运行的干扰，提高风机的运行稳定性。

在风机进入到抗强风干扰状态，并进行适应性调节之后，可以将风机从抗强风干扰状态调节到目标状态，使得风机运行状态与环境侧风的状态匹配，避免强风状态下风机反转，使得风机在目标状态下能够保持良好的运行效率，提高风叶效率，提升电机能效。

上述的风机工作状态为三个，分别为停机状态、抗强风干扰状态和大风量追踪状态，根据系统制冷需求，以上三个状态，停机状态等级最低，抗强风干扰状态等级第二，大风量追踪状态等级最高。提高工作状态是指由停止到运行的状态等级升高；降低工作状态是指由运行状态到停止状态的等级降低。调整的对象根据每一个状态确定，包括浆距角角度、风机旋转方向。

控制风机由停机状态切换至抗强风干扰状态的步骤包括：获取风速v风；将风速v风与风速设定值vdir进行比较，获取比较结果；根据比较结果确定风机的启动状态；控制风机启动。

其中的风速设定值vdir与风机效率相关，通过将当前的风速v风与风速设定值vdir进行比较，能够准确判断风机转向，使得风机在该转向下能够达到较高的出风效率，并且不会发生风机反转的问题。

根据比较结果确定风机的启动状态的步骤包括：当v风＜vdir时，确定风机正转出风；当v风≥vdir时，确定风机反转进风；确定风机出风方向后调整桨距角，使得气流攻角最小。

风机尝试启动时，风机根据风速v风确定风机的旋转方向。当风速v风＜vdir时，则判定风速较小且干扰较小，因此在小干扰的情况下使风机正转出风，完成对冷凝器的散热；当v风≥vdir时，则判断风速较大且干扰较大，因此使风叶反转进风，利用自然风结合风叶进风完成对冷凝器的散热。具体过程可以表述如下公式：

其中的vdir为高低风速的临界值。

在确定出风方向后可以调整桨距角，使桨距角气流攻角最小，以避免风机旋转方向与设定方向相反，然后启动风机，保证风机的正常运行，降低强风对风机的干扰，提高风机效率。当风与风叶形成一个角度(即攻角)，风叶会受到向上的升力f升，升力f升大于阻力时，风叶会受力旋转。本申请通过测定风叶旋转速度判断气流攻角是否已经最小，当旋转速度低于一个较小的设定值(例如：30rpm)时，则判定气流攻角已经达到较小的状态。

vdir作为高低风速的临界值与风叶效率相关，高低风速临界值由实际测试的出风速度vout决定，vdir＝(vout/2)。

另风叶效率可以通过实际测试得到，其计算公式为：

其中，pst为风叶出风静压为实际测试值，q为风叶出口流量，s为出风口面积(取0.125m^2)，ρ为空气密度常数(取标准空气密度1.225kg/(m^3))，w为风机轴功率为实际测试值(例如100w)，vout为出风口速度为实际测试值(例如10m/s)。

风叶出风静压pst取0pa，风机轴功率w取100w，空气密度常数ρ取1.225kg/(m^3)，s出风口面积取0.125m^2，测试得出风口速度为vout＝10m/s，由此计算得风叶效率为76.7％。此时，风叶效率为一个较高的值，即在出风口风速达到vout＝10m/s时能有较高的风叶效率。由此，确定高低风速的临界值vdir＝vout/2＝5m/s。

控制风机由抗强风干扰状态切换至大风量追踪状态的步骤包括：在风机启动成功后，控制风机进入大风量追踪状态；启用变桨距外管温控制，根据外管温的温度值动态调整桨距角。在此过程中，风机能够具有较高的抗强风性能，同时可以根据外管温调整桨距角，能够实时调整风量桨距角，使得桨距角时刻处于最优状态，从而能够提高风叶效率，最终提升风机能效。

根据外管温的温度值动态调整桨距角的步骤包括：

获取外管温t外与设定外管温t外设；

获取温度偏差ek＝t外设-t外；

计算桨距角其中，k代表第k次采样；kp为比例参数；ki为积分参数；kd为微分参数；ek为本次偏差值；ek-1为上一次偏差值；a0为静差调整系数。

控制风机由大风量追踪状态切换至抗强风干扰状态的步骤包括：获取风机转速；当风机转速下降至设定值时，控制风机退出大风量追踪状态，进入抗强风干扰状态；获取风速v风，当v风＜vdir时，确定风机正转出风；当v风≥vdir时，确定风机反转进风。

桨距角的变化直接影响气流攻角，进而影响出风风量(即风叶效率)和外管温，由此形成闭环以控制外管温，最终控制外管温局部最优，以实现风叶效率局部最优。

控制风机由抗强风干扰状态切换至停机状态的步骤包括：降低风机转速；同时调整气流攻角为0，此时的桨距角可以为0，也可以不为0，之后可以关闭风机。

在风机运行控制的过程中，风量等级上升状态和风量等级下降状态可能呈现交叉状态，例如，在某个时段风速较大，即v风≥vdir，在另一个时段风速较小，即v风＜vdir，因此，在进行风机工作状态调节的过程中，不管是需要使得风量等级上升，还是风量等级下降，均需要首先将风机工作状态调整至抗强风干扰状态，然后根据当前的风速，对风机的运行状态进行调节，使得风机的运行状态与当前风速匹配之后，再行将风机调整至目标状态，即停机状态或者是大风量追踪状态，如此一来，就可以使得风速不管怎么变化，风机的运行状态始终能够与风速匹配，不会出现调节过程中风机反转的问题，也不会在调节过程中造成风机效率降低的问题，保证了风机的稳定运行。

在风机的风量等级下降过程中，如果接收到的是关机指令，也可以由大风量追踪状态直接调整至停机状态。

在一个实施例中，风速v风通过如下步骤获得：

关闭风机，开启压缩机并设定频率；

检测外环境温度t外、冷凝器温度t冷；

计算温度差δt

δt＝t外-t冷

根据温度差δt计算风速v风

v风＝k·δt+vb

其中k为不同风速下测定实际风速与温度差δt的比例系数，vb为风速矫正系数。

k、vb参数与热对流过程中冷凝器上温度场分布有关系，即与冷凝器感温包安装位置相关。k和vb具体数值通过实际机型按照实验测试确定，更具体的，k为在不同风速下测定实际风速与温度差δt的比例系数，vb为t冷＝t外时的实际风速。

根据本申请的实施例，轴流风机控制装置用于实施上述的控制方法。

轴流风机控制装置包括供电系统1、控制系统2、传动系统3、电机4、轴流风叶5、变桨距系统6和温度检测装置7，供电系统1为控制系统2、传动系统3、电机4、变桨距系统6和温度检测装置7提供电能，传动系统3接收控制系统2提供的驱动信号以控制电机4运动，电机4控制轴流风叶5的主轴运动，变桨距系统6安装在轴流风叶5上，接收控制系统2的驱动信号以调节轴流风叶5的桨距角，温度检测装置7检测外环境温度和冷凝器温度。

变桨距系统6包括支撑内圈8、主动齿轮9、内齿圈10和支撑外圈11，支撑外圈11与轴流风叶5固定连接，支撑外圈11内侧设置有内齿圈10，支撑内圈8相对于设置在支撑外圈11内侧，对支撑外圈11形成支撑，主动齿轮9安装在支撑内圈8上，并与内齿圈10啮合传动。其中主动齿轮9通过电机驱动，电机优选地为步进电机。

在进行轴流风叶的桨距角调节时，可以确定桨距角的调节方向，然后计算所需的调整角度，之后确定步进电机的转动方向以及转动步数，控制步进电机转动，使得步进电机带动主动齿轮9按照预定方向转动，主动齿轮9转动会通过内齿圈10带动支撑外圈11转动，进而带动安装在支撑外圈11上的轴流风叶转动，实现对轴流风叶的桨距角的调节。

根据本申请的实施例，空调器包括轴流风机控制装置，该轴流风机控制装置为上述的轴流风机控制装置。

通过本申请可以实现根据外环温度传感器和冷凝器传感器实现风速的检测功能；通过调整桨距角，能够降低强风对风机的干扰；通过寻找最优风量桨距角，能够提高风叶效率，最终提升能效；通过改装风叶结构并安装变桨距主动齿轮，能够实现外风机风叶的变桨距功能。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。