一种大功率单相热泵热水机启动控制装置

摘要

一种大功率单相热泵热水机启动控制装置，涉及用于启动电动机或机电变换器的装置。包括接触器，单片微控制器和软启动驱动模块，软启动驱动模块设有电流调节元件，电压采样元件和电流采样元件，电压采样元件和电流采样元件的采样输出端连接到单片微控制器的采样输入端，单片微控制器设有启动电流控制单元，启动电流控制单元的输出端连接到所述电流调节元件的输入控制端，电流调节元件的可调电流输出端，通过主绕组连接端连接到压缩机电机主绕组。通过软启动驱动模块和高低压力极速平衡装置相结合，使启动电流从原有的7～8倍降到2～3倍，解决压缩机待机时高低压力平衡缓慢和在高低压力未平衡状态下启动电流过大、压缩机启动失败无法保护的问题。

权利要求

1.一种大功率单相热泵热水机启动控制装置，包括接触器，单片微控制器和软启动驱动模块，连接在热泵热水机的压缩机电机供电电路中，其特征在于：所述的接触器串联连接在电源火线和压缩机电机的公共端之间，单片微控制器通过软启动驱动模块的接触器控制端连接到接触器线圈；

所述的软启动驱动模块设有电流调节元件，电压采样元件和电流采样元件，所述的电压采样元件并联连接在电源零线端和电源供电端之间，所述的电流采样元件串联连接在压缩机主绕组供电回路中；所述的电压采样元件和电流采样元件的采样输出端连接到所述单片微控制器的采样输入端；

所述单片微控制器设有启动电流控制单元，所述启动电流控制单元的输出端连接到所述电流调节元件的输入控制端，所述电流调节元件的可调电流输出端，通过主绕组连接端连接到压缩机电机主绕组。

2.根据权利要求1所述的大功率单相热泵热水机启动控制装置，其特征在于所述的软启动驱动模块还设有启动继电器，所述启动继电器通过常开触点连接到启动绕组连接端，在启动过程中常开触点闭合，将第二电容并联连接到启动电容上；在启动结束后常开触点断开，切断第二电容的连接回路。

3.根据权利要求2所述的大功率单相热泵热水机启动控制装置，其特征在于所述的启动继电器通过常闭触点并联连接到主绕组连接端，在启动结束后，常闭触点旁路连接电流调节元件，将压缩机电机主绕组通过常闭触点直接连接到电源零线端。

4.根据权利要求1、2或3所述的大功率单相热泵热水机启动控制装置，其特征在于所述热泵热水机的工质循环回路的高压侧和低压侧之间，设有高低压力极速平衡装置，所述的高低压力极速平衡装置包括压力/压差传感器和压力平衡电磁阀；所述的单片微控制器设有压力传感输入端和压力平衡输出端；所述的压力/压差传感器的压力信号输出端连接到所述的压力传感输入端；所述的压力平衡输出端连接到压力平衡电磁阀的驱动信号输入端。

5.根据权利要求1、2或3所述的大功率单相热泵热水机启动控制装置，其特征在于所述的电流调节元件是晶闸管，所述单片微控制器的启动电流控制单元的输出端，通过电平转换和隔离电路连接到晶闸管的栅极回路。

6.根据权利要求1、2或3所述的大功率单相热泵热水机启动控制装置，其特征在于所述的电流调节元件是IGBT功率元件，所述单片微控制器的启动电流控制单元的输出端，通过电平转换和隔离电路连接到IGBT功率元件的栅极回路。

7.根据权利要求1、2或3所述的大功率单相热泵热水机启动控制装置，其特征在于所述的单片微控制器和软启动驱动模块组装为一体，所有元器件组装后用环氧树脂进行固化，外壳材料采用环保型阻燃材料制作，形成一体化固化组件。

8.根据权利要求1、2或3所述的大功率单相热泵热水机启动控制装置，其特征在于所述的单片微控制器，通过电压采样元件和电流采样元件，采集单相压缩机的实时启动电压和启动电流信号，并且根据压缩机启动时的瞬态电流，产生电流调节元件的输入控制信号，使启动电流控制在其额定电流的1.5-3倍之间；若启动电压低于预定的保护电压，通过接触器控制端控制接触器切断压缩机的电源，实现低电压保护；所述的单片微控制器检测到压缩机处于待机状态时，启动高低压力极速平衡装置，使高低压力在1分钟内达到平衡状态，保证压缩机无负荷启动，降低启动电流；所述的单片微控制器通过检测压力/压差传感器的压力信号，判断压缩机的启动状态，若单片微控制器检测到压缩机正常工作后，高低压力极速平衡装置停止，若启动加电2-10秒压缩机未能正常启动，启动控制装置自动进入断电保护状态，通过接触器控制端控制接触器切断压缩机供电，等待90-180秒重新启动。

说明书

一种大功率单相热泵热水机启动控制装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于启动电动机或机电变换器的装置，尤其涉及一种用于启动大功率单相热泵热水机的启动控制装置。

背景技术

[0002] 常规的单相超低温空气源热泵热水器的电源型式为：220V，50HZ，接线方式见图1，这种接线方式为压缩机直接启动，优点是接线简单，缺点是启动电流很大，大约是运行电流的7～8倍，例如：单相5P空气源热泵热水器的额定电流一般为20A，若直接启动电流将会达到100A-120A，过大的启动电流导致启动时电源压降较大，对电网瞬间冲击较大，会造成照明电瞬间变暗，不但影响其他单相电器设备的正常运行，而且压缩机启动后压降过大，会出现压缩机接触器通电后出现触点吸合缓慢。触点不能完全闭合。触点频繁吸合等情况，由于控制电路电压低于额定电压，线圈产生的电磁吸力较弱，不能将动铁芯吸向静铁芯，造成接触器吸合不正常。一般应调整实际工作电压，推荐工作电压应在(85％-105％)U的范围可正常吸合。其中U为线圈额定电压，在单相超低温空气源热泵热水器中，U为220V。
线圈电压低于85％U，不仅可造成接触器不能正常吸合，甚至造成接触器线圈的烧毁。中国实用新型专利“单相电机软启动器及具有该软启动器的空调”（中国实用新型专利号：ZL
200920237903.6，授权公告号：CN201518467U）公开了一种单相电机软启动器,单相电机的运行绕组与启动绕组串联后与运行电容并联，软启动器的启动电容与第一继电器串联后与运行电容并联,软启动器的双向晶闸管与第二继电器并联后与运行绕组串联,软启动器还包括第三继电器,与第二继电器并联。该实用新型还公开一种空调器,其压缩机的运行通过单相电机软启动器控制。采用双继电器保险运行方式,可消除因继电器损坏而导致压缩机烧毁的隐患，解决空调由于软启动器损坏而停机待修的问题。但是，该实用新型虽然在压缩机的启动电路上加上了软启动器，可以以降低压缩机的启动电流，但是该实用新型的软启动器无法对压缩机是否正常启动进行判断，也没有针对接触器频繁吸合的情况下进行保护，长期的频繁吸合会大大减少压缩机的寿命。

[0003] 常规的单相超低温空气源热泵热水器的系统原理图见图2，工作在零下20度以上的环境温度中，机器待机时，由于单相压缩机的结构特性，系统高低压力不能通过压缩机内部进行平衡，只能通过热力膨胀阀进行平衡，由于膨胀阀的节流孔径相当小，所以高低压力平衡速度相当慢，导致平衡时间很长，在系统的高压处于未平衡状态下当压缩机需要再次启动时，急剧加大了压缩机的启动负荷，使压缩机带载启动，压缩机即使在加上软启动器的情况下，启动电流仍然很大，5P压缩机达到100A，导致压降过大，从而导致启动失败。中国发明专利申请“一种制冷系统压缩机的快速卸压启动方法”（中国发明专利申请号：
201110410301.8，公开号：CN102494445A）公开了一种制冷系统压缩机的快速卸压启动方法，该方法包括以下步骤：当压缩机停机和/或启动时，将膨胀阀开启至预定的开度,并持续预定的时间。由于在压缩机停机和/或启动时,膨胀阀开启至预定开度并持续预定的时间，膨胀阀两侧的高压区和低压区快速导通，使制冷系统的高压区和低压区之间压力差快速减小乃至达到压力平衡,当压缩机重新启动时只需等待短暂的时间,即可正常启动,从而实现了压缩机的快速启动。该方法具有简单易用、成本低廉的优点，尤其适用于热泵热水器等需要频繁启动压缩机的应用场合。但是，该技术方案仅适用于使用电子膨胀阀的系统，同时也没有考虑压缩机频繁启动的启动控制问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是要提供一种大功率单相热泵热水机启动控制装置，通过优化的单相压缩机软启动驱动模块和高低压力极速平衡装置相结合，以解决压缩机待机时高低压力平衡缓慢和在高低压力未平衡状态下启动电流过大、压缩机启动失败无法保护的技术问题。

[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 一种大功率单相热泵热水机启动控制装置，包括接触器，单片微控制器和软启动驱动模块，连接在热泵热水机的压缩机电机供电电路中，其特征在于：

[0007] 所述的接触器串联连接在电源火线和压缩机电机的公共端之间，单片微控制器通过软启动驱动模块的接触器控制端连接到接触器线圈；

[0008] 所述的软启动驱动模块设有电流调节元件，电压采样元件和电流采样元件，所述的电压采样元件并联连接在电源零线端和电源供电端之间，所述的电流采样元件串联连接在压缩机主绕组供电回路中；所述的电压采样元件和电流采样元件的采样输出端连接到所述单片微控制器的采样输入端；

[0009] 所述单片微控制器设有启动电流控制单元，所述启动电流控制单元的输出端连接到所述电流调节元件的输入控制端，所述电流调节元件的可调电流输出端，通过主绕组连接端连接到压缩机电机主绕组。

[0010] 本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的软启动驱动模块还设有启动继电器，所述启动继电器通过常开触点连接到启动绕组连接端，在启动过程中常开触点闭合，将第二电容并联连接到启动电容上；在启动结束后常开触点断开，切断第二电容的连接回路。

[0011] 本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一种更好的技术方案，其特征在于所述的启动继电器通过常闭触点并联连接到主绕组连接端，在启动结束后，常闭触点旁路连接电流调节元件，将压缩机电机主绕组通过常闭触点直接连接到电源零线端。

[0012] 本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一种改进的技术方案，其特征在于所述热泵热水机的工质循环回路的高压侧和低压侧之间，设有高低压力极速平衡装置，所述的高低压力极速平衡装置包括压力/压差传感器和压力平衡电磁阀；所述的单片微控制器设有压力传感输入端和压力平衡输出端；所述的压力/压差传感器的压力信号输出端连接到所述的压力传感输入端；所述的压力平衡输出端连接到压力平衡电磁阀的驱动信号输入端。

[0013] 本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的另一种改进的技术方案，其特征在于所述的电流调节元件是晶闸管，所述单片微控制器的启动电流控制单元的输出端，通过电平转换和隔离电路连接到晶闸管的栅极回路。

[0014] 本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的再一种改进的技术方案，其特征在于所述的电流调节元件是IGBT功率元件，所述单片微控制器的启动电流控制单元的输出端，通过电平转换和隔离电路连接到IGBT功率元件的栅极回路。

[0015] 本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述的单片微控制器和软启动驱动模块组装为一体，所有元器件组装后用环氧树脂进行固化，外壳材料采用环保型阻燃材料制作，形成一体化固化组件。

[0016] 本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一种优选的技术方案，其特征在于所述的单片微控制器，通过电压采样元件和电流采样元件，采集单相压缩机的实时启动电压和启动电流信号，并且根据压缩机启动时的瞬态电流，产生电流调节元件的输入控制信号，使启动电流控制在其额定电流的1.5-3倍之间；若启动电压低于预定的保护电压，通过接触器控制端控制接触器切断压缩机的电源，实现低电压保护；所述的单片微控制器检测到压缩机处于待机状态时，启动高低压力极速平衡装置，使高低压力在1分钟内达到平衡状态，保证压缩机无负荷启动，降低启动电流；所述的单片微控制器通过检测压力/压差传感器的压力信号，判断压缩机的启动状态，若单片微控制器检测到压缩机正常工作后，高低压力极速平衡装置停止，若启动加电2-10秒压缩机未能正常启动，启动控制装置自动进入断电保护状态，通过接触器控制端控制接触器切断压缩机供电，等待90-180秒重新启动。

[0017] 本发明的有益效果是：

[0018] 1、本发明的大功率单相热泵热水机启动控制装置，通过优化的单相压缩机软启动驱动模块和高低压力极速平衡装置相结合，可以解决压缩机待机时高低压力平衡缓慢和在高低压力未平衡状态下启动电流过大、压缩机启动失败无法保护的技术问题。

[0019] 2、本发明的大功率单相热泵热水机启动控制装置，通过优化的软启动驱动模块大幅降低了启动电流，使启动电流从原有的7～8倍降到2～3倍，通过设置继电器旁路功能，在启动结束后自动将启动控制装置的功率元件待机旁路，不仅可以提高可靠性，还起到了节能的效果。

[0020] 3、本发明的大功率单相热泵热水机启动控制装置，通过优化的软启动驱动模块，可以在接线错误或者由于电源线过细或者由于接线接触不良等原因，导致使压缩机启动失败时，起到及时保护压缩机的作用，延长了压缩机的使用寿命。

[0021] 4、本发明使用的大功率单相热泵热水机启动控制装置，通过与高低压力极速平衡装置结合，可以使大功率单相热泵热水机在待机时高压压力较高、低压压力较低的情况下，在1分钟内迅速平衡系统高低压力，使压缩机启动更加可靠。

附图说明

[0022] 图1是现有的大功率单相热泵热水机供电电路原理图，

[0023] 图2是现有的单相超低温空气源热泵热水器的系统原理图，

[0024] 图3是本发明的大功率单相热泵热水机启动控制装置系统原理图，[0025] 图4是带有高低压力极速平衡装置的单相超低温空气源热泵热水器的系统原理图。

[0026] 以上图中的各部件的标号：1-压缩机，2-冷凝器，3-高压储液罐，4-干燥过滤器，5-经济器，6-蒸发器，7-汽液分离器，8-循环水泵，9-保温水箱，10-主电磁阀，11-主膨胀阀，12-辅电磁阀，13-辅膨胀阀，14-注液阀，15-压力/压差传感器，16-压力平衡电磁阀，20-单片微控制器，21-软启动驱动模块，201-压力传感输入端，202-压力平衡输出端，
211-电源零线端，212-启动绕组连接端，213-接触器控制端，214-电源供电端，215-主绕组连接端，KM-接触器，C1-启动电容，C2-第二电容，R2-电阻，C-公共端，R-主绕组，S-启动绕组。

具体实施方式

[0027] 为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

[0028] 图3是本发明的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一个实施例的系统原理图，包括接触器KM，单片微控制器20和软启动驱动模块21，连接在所述热泵热水机的压缩机电机供电电路中，接触器KM串联连接在电源火线L和压缩机电机的公共端C之间，单片微控制器20通过软启动驱动模块21的接触器控制端213连接到接触器线圈；软启动驱动模块21设有电流调节元件，电压采样元件和电流采样元件，图中未表示。所述的电压采样元件并联连接在电源零线端211和电源供电端214之间，所述的电流采样元件串联连接在压缩机主绕组R的供电回路中；所述的电压采样元件和电流采样元件的采样输出端连接到所述单片微控制器20的采样输入端，图中表示为双向总线连接方式。单片微控制器20设有启动电流控制单元，图中未表示。所述启动电流控制单元的输出端连接到所述电流调节元件的输入控制端，所述电流调节元件的可调电流输出端，通过主绕组连接端215连接到压缩机电机主绕组R。在本发明的一个实施例中，电源供电端214内部连接一个阻容降压电路，为启动控制装置提供所需的低压电源。阻容降压电路能够承受高压的连续浪涌电压。软启动驱动模块采用这种连接方式，211-215五个连接端中的任何一个接线错误都会使压缩机电机无法加电启动，从而提供了接线错误保护功能。

[0029] 根据本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一个实施例，所述的软启动驱动模块还设有启动继电器，所述启动继电器通过常开触点连接到启动绕组连接端212，在启动过程中常开触点闭合，将第二电容C2并联连接到启动电容C1上；在启动结束后常开触点断开，切断第二电容C2的连接回路。第二电容C2的两端还并联了电阻R2，为第二电容C2提供放电回路。第二电容C2用于启动过程中增加启动绕组S的电流，以提高启动转矩。根据本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一个改进的实施例，所述的启动继电器通过常闭触点并联连接到主绕组连接端215，在启动结束后，常闭触点旁路连接电流调节元件，将压缩机电机主绕组R通过常闭触点直接连接到电源零线端211。通过继电器旁路功能，在启动结束后自动将启动控制装置的功率元件待机旁路，不仅可以提高可靠性，还可以起到节能效果。

[0030] 在图3和图4所示的本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的实施例中，热泵热水机的工质循环回路的高压侧和低压侧之间，设有高低压力极速平衡装置，所述的高低压力极速平衡装置包括压力/压差传感器15和压力平衡电磁阀16；单片微控制器20设有压力传感输入端201和压力平衡输出端202；压力/压差传感器15的压力信号输出端，连接到所述的压力传感输入端201；压力平衡输出端202连接到压力平衡电磁阀16的驱动信号输入端。

[0031] 根据本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一个实施例，所述的电流调节元件是晶闸管，所述单片微控制器的启动电流控制单元的输出端，通过电平转换和隔离电路连接到晶闸管的栅极回路。所述的电流调节元件也可以采用IGBT（绝缘栅双极晶体管）功率元件，所述单片微控制器的启动电流控制单元的输出端，通过电平转换和隔离电路连接到IGBT功率元件的栅极回路。这里，最常见的典型的电平转换和隔离电路可以采用光耦器件。

[0032] 根据本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的实施例，所述的单片微控制器20和软启动驱动模块21可以组装为一体，所有元器件组装后用环氧树脂进行固化，外壳材料采用环保型阻燃材料制作，形成一体化固化组件。采用这种一体化固化组件结构可以从根本上杜绝电气火灾。

[0033] 根据本发明提供的大功率单相热泵热水机启动控制装置的一种优选的实施例，单片微控制器20通过电压采样元件和电流采样元件，采集单相压缩机的实时启动电压和启动电流信号，并且根据压缩机启动时的瞬态电流产生电流调节元件的输入控制信号，使启动电流控制在其额定电流的1.5-3倍之间；若启动电压低于预定的保护电压，通过接触器控制端213控制接触器KM切断压缩机1的电源，实现低电压保护；单片微控制器20检测到压缩机1处于待机状态时，启动高低压力极速平衡装置，使高低压力在1分钟内达到平衡状态，从而保证压缩机1无负荷启动，降低启动电流；单片微控制器20通过检测压力/压差传感器的压力信号，判断压缩机1的启动状态，若单片微控制器20检测到压缩机1正常工作后，高低压力极速平衡装置停止，若启动加电2-10秒压缩机1未能正常启动，启动控制装置自动进入断电保护状态，通过接触器控制端213控制接触器KM切断压缩机1供电，等待90-180秒重新启动。

[0034] 本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。