通風系統和方法
2023-07-29 06:42:46
專利名稱：通風系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種通風系統以及用於連續調節流經通風系統的氣體 溫度的方法。
背景技術：
通風系統通常包括加熱經過通風系統的氣體的電阻加熱元件。加
熱器通常包括與電源(通常為230- 480V、 50- 60Hz的主電壓)連接 的一個或多個電阻加熱元件，例如導電金屬絲或導電金屬箔。當電流 經過所述電阻加熱元件時，由於所述元件電阻的原因， 一些能量以熱 量的形態散發。流經電阻加熱元件的電流越多，產生的熱量就越多。
如果電阻加熱器包括多個電阻加熱元件，則使用熔絲和繼電器連 接不同數目的電阻加熱元件，以便增大或減小電阻加熱器的加熱能力 (也即電阻加熱器產生的可用熱量)。這類方案意味著電阻加熱器的加 熱能力僅可以逐步調節。步進式調節意味著不能連續控制或優化電阻 加熱器的加熱能力，也不能精確地與特定的和變動的需要相匹配，這 就限制了在減少能量消耗時進行精確調節處理的可能性。用戶擁有越 多的溫度調節選項/步驟，就需要越多的電元件，這就增加了通風系統 溫度控制單元的大小、成本和複雜性。
發明內容
本發明的目標是提供一種通風系統，該通風系統具有簡單的和有 成本效益的的裝置，用於調節流經其中的氣體(例如空氣)的溫度。
該目標通過一種通風系統來實現，該通風系統包括對流經(也即， 進出或通過至少 一部分)通風系統的氣體進行加熱的電阻加熱裝置， 以及被設置成給通風系統的電阻加熱裝置的至少 一部分提供可控的、連續變化的交流電壓/電流的裝置，用於調製供給到該電阻加熱裝置的 至少一部分的功率，從而能夠連續調節流經通風系統的氣體溫度。
依照本發明的一個實施例，設置變頻驅動器(VFD)或矩陣驅動 器來調製供給到電阻加熱裝置的至少一部分上的功率，從而能夠連續 調節流經通風系統的氣體溫度。
"電阻加熱裝置"的表述是指包括被設置成主要傳導熱量的加熱元 件並且不包括主要^皮設置成電/F茲感應生熱的感應加熱元件。電阻加熱 裝置可被設置成直接或間接加熱所述氣體，也即，電阻加熱裝置可與 所述氣體直接接觸或者可將它們設置成將熱量傳導到至少一個其它部 件，例如圍繞所述電阻加熱裝置的金屬管，該金屬管與所述氣體直接 接觸。
VFD (也被稱為調速驅動器、調頻驅動器(AFD)、變速驅動器 (VSD)、交流驅動器、頻率驅動器和逆變驅動器)是使用例如整流橋 首先將交流輸入功率轉換為直流中間功率的電子控制器。然後利用例 如脈沖寬度調製將直流中間功率轉換為可變交流電壓輸出，由此使用 逆變開關將準正弦輸出波形分成一連串的窄電壓脈沖並且調製脈沖寬 度。
矩陣驅動器在沒有中間直流鏈的情況下直接將 一 個頻率下的交流 功率轉換為另一頻率下的交流功率。矩陣驅動器利用雙向高功率半導 體開關，該雙向高功率半導 體開關可利用背靠背的絕緣柵雙極電晶體 (IGBTs)和二極體來實現。
本發明利用來自VFD或矩陣驅動器的可變交流電壓/電流輸出來 將功率供給到一個、 一些或所有電阻加熱裝置的電阻元件上，並且因 而利用VFD或矩陣驅動器改變所述電阻加熱元件的加熱能力。
VFD或矩陣驅動器能夠改變其輸出信號的電壓(不僅是頻率)， 並且可因而被設置成以比傳統技術方案更簡單和更具有成本效益的方 式提供連續(也即，無級)的溫度調節。無級調節意味著電阻加熱裝 置的加熱能力能夠被連續控制和優化，並且與特定的和變動的需要都 能夠精確匹配，從而在減少能量消耗的同時使操作者能夠進行精確的調節處理。無級調節還意味著能夠將通風系統的溫度控制單元設置成 具有較簡單並且因而較廉價的構造，這是因為僅僅需要一個且相對較 簡單的電路對流經通風系統的氣體溫度進行調節。
應當注意的是傳統的通風系統常常包括用於改變異步電機旋轉速
度的VFD，該異步電機驅動諸如風機或泵這樣的部件。異步電機被設 計成以固定的旋轉速度運行，該固定的旋轉速度與極數和功率頻率(在 歐洲通常是50Hz而在美國通常是60Hz)成比例。這意味著與較高的 旋轉速度相比，電機不能在較低的旋轉速度下產生這樣的大的軸馬力， 這是由於如果功率輸出相對於旋轉速度大得不相稱，則會迅速出現電 流湧過電機繞組的現象並且導致過熱。因而不得不將VFD構造成隨著 輸出頻率的變化而及時改變輸出電壓。藉助於大多數VFD能夠實現與 供給到電機的電壓和頻率之間的純粹線性關係的小的偏離，例如，為 了補償對於泵電機的向下調節所必需的功率需求之間的非線性，例如 從而使得電壓的減小超過對於從標稱旋轉速度向下調節的頻率。
可利用VFD在O到100%之間調節電壓的事實來調節從電阻加熱 器供給的功率，該電阻加熱器包括耐熱電阻金屬絲，通過迫使電流通 過所述金屬絲的電壓對該耐熱電阻金屬絲加熱，然後該電阻金屬絲變 暖並且經由圍繞該金屬絲的電絕緣金屬遮蓋物將其熱量散發給經過的 空氣。由於對於正常發生的小於1000Hz的頻率，金屬絲的電阻完全 獨立於電源電壓(歐姆定律)，因此與這種VFD連接的電阻金屬絲將 會獨立於電源頻率而與電源電壓成比例地散發熱量。即使VFD具有在 低頻下限制電壓的功能(由於上一段所給出的解釋的原因)，它也不會 影響空間的加熱調節，這是因為其自身的加熱控制僅僅是在實際值和 目標值之間進行比較。如果房間沒有變得足夠溫暖，則只不過是必須 將VFD設定在更高的調製頻率上，該更高的調製頻率導致升高的輸出 電壓及隨之而來的更高的功率供給到空氣加熱器。
當然也可以利用採用不同半導體部件形式的其它裝置來在不改變 頻率的情況下改變電壓，例如能夠以不同方式給加熱金屬絲供給功率 並且使其散發可變的加熱能力。但是這種裝置遠比VFD昂貴，這是由於VFD比這些裝置應用更廣泛，這些裝置因而產量更少。而且這種裝 置必須與先進的電過濾器結合使用以避免對周圍環境和供給網絡的 EMC幹擾。這類電過濾器是VFD的標準部件。VFD還標準地包括不 同類型的電流限制保護，從而排除對單獨的這種部件的需要。
因此本發明以全新的、有利的且成本有效的方式利用現有技術。
依照本發明的一個實施例，通風系統包括VFD，該VFD不僅被 設置成調製供給到通風系統的至少部分電阻加熱裝置的功率，而且被 設置成調節至少一個電機例如驅動至少一個部件(例如容納在通風系 統中的或在其附近的風扇或泵)的電機的旋轉速度。因此通風系統的 單一部件可用在兩個不同的應用中；也即調節至少一個電機的旋轉速 度和調節至少一個電阻加熱裝置的至少一部分的加熱能力。以這種方 式可以獲得非常經濟的加熱調節。甚至可以具有包括空氣供給風扇的 系統，後面跟著空氣加熱器，接著是空氣排出風扇，從而維持系統中 的壓力平衡，由此兩個風扇和空氣加熱器均由同一個VFD驅動。
依照本發明的一個實施例，通風系統包括控制器，例如VFD或矩 陣驅動控制器，和用於給所述控制器提供手動或自動輸入的目標值， 例如期望的屋子或房間溫度的裝置，由此根據所述手動或自動輸入的 目標值調製供給到電阻加熱裝置的至少 一部分的功率。
依照本發明的另一實施例，通風系統包括傳感器，該傳感器被設 置成檢測或監控指示電阻加熱裝置的加熱能力的參數。例如，這類參 數可以是經過通風系統的氣體溫度、通風系統一部分或其周圍環境的 溫度、或者是電阻加熱裝置的溫度或電阻值。該傳感器的讀數給控制 器提供指示加熱裝置的加熱能力的實際值。然後調製供給到電阻加熱 裝置的至少一部分的功率，從而獲得或維持與所述手動或自動輸入的 目標值一致的加熱能力，也即，調製所供給的功率，從而使實際加熱 能力與目標加熱能力相對應。
依照本發明的又一 實施例，VFD或矩陣驅動器被設置成給電阻加 熱裝置供給200 - 700VAC、 50 - 60Hz之間的標稱電壓。
本發明還涉及用於連續調節流經包括電阻加熱裝置的通風系統的氣體溫度的方法。該方法包括向通風系統的電阻加熱裝置的至少 一部 分提供可控的、連續變化的交流電壓/電流的步驟，以調製供給到電阻 加熱裝置的至少一部分的功率，從而能夠連續調節流經通風系統的氣 體溫度。
依照本發明的一個實施例，該方法還包括使用VFD或矩陣驅動器 來調製供給到電阻加熱裝置的至少一部分的功率的步驟。
依照本發明的 一 個實施例，該方法還包括給控制器提供手動或自 動輸入目標值以及根據所述目標值調製供給到電阻加熱裝置的至少一 部分的功率的步驟。
依照本發明的另 一 實施例，該方法包括檢測或監控指示電阻加熱 裝置的加熱能力的參數並調節供給到電阻加熱裝置至少一部分的功率 的步驟，從而獲得或維持與所述手動或自動輸入目標值相符的加熱能 力。
本發明還涉及一種電腦程式產品，該電腦程式產品包括計算 機程序，該電腦程式包括電腦程式編碼裝置，該電腦程式編碼
裝置被設置成使計算機或處理器執行依照本發明任一實施例的、存儲 於計算機可讀介質或載波上的方法的步驟中的至少一個步驟，本發明
還涉及包括這種電腦程式產品的電子控制單元(ECU)上。該ECU 可包括被預先編程的加熱/冷卻時間表的資料庫和/或可保存有關VFD 或矩陣驅動器功率輸入和輸出的信息和/或電阻加熱裝置的性能的日 志，以協助故障檢修和維護工作。
本發明的通風系統、方法、電腦程式產品和ECU旨在特別(但 不排它)地用在例如客船的海輪上、被分成多個隔離單元例如船艙、 公共空間和/或非公共空間(比如機艙、存儲空間和/或升降梯)的其 它移動的或固定的離岸設施上。
下文將進一 步參照附圖藉助於非限制性示例說明本發明，其中 圖1示意性示出了依照本發明一個實施例的通風系統，圖2示意性示出了依照本發明另一實施例的通風系統，
圖3示出了依照本發明一個實施例的變頻驅動器的電路，
圖4示出了具有矩陣變換器拓樸的三相交流到三相交流頻率轉換
器的理想的開關等效電路，
圖5示出了圖4所示矩陣驅動器開關每一極的固態開關的實現，
圖6是依照本發明一個實施例的方法所含步驟的流程圖。
應當注意的是附圖未按比例繪製並且為了清楚起見放大了某些特
徵的尺寸。
具體實施例方式
圖1示出了包括純電阻加熱元件12的通風系統10,純粹的電阻
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成，對傳送到客船船艙的供給空氣進行加熱。VFD14為電阻加熱元件 12的至少一部分供給電力，並且因而控制電阻加熱元件12的總加熱 能力。VFD控制器16上的控制面板呈現允許自動或手動控制VFD14 的各種不同構件且包括顯示裝置，例如LCD，以提供有關VFD14和/ 或電阻加熱元件12的操作的信息。
在該例子中，VFD控制器僅設置有目標值而非指示電阻加熱元件 12的加熱能力的實際值。校準通風系統IO，以便使VFD控制器根據 目標值的大小來將預定量的功率供給到電阻加熱元件12。
通風系統10中的每個VFD14可被設置成調節一個或多個電阻加 熱元件12的加熱能力。本發明的通風系統10因而可用於調節、循環 和分配通過若干不同的隔離單元的空氣。可為每個隔離單元提供單獨 的電阻加熱元件12，從而可分別或同時將多個單元加熱到單獨選擇的 溫度，以適應其居住者的要求或需要。每個單元也可包括恆溫器，以 保證通風系統使每個單元維持在預定的溫度。可選擇的是，每個 VFD14也可被設置成調節位於通風系統10內的或在其附近的一個或 多個電機的旋轉速度。
圖2示出了通風系統10的另一實施例，其中在電阻加熱元件12附近設置溫度傳感器17，例如熱電耦或紅外照相機，以測量從電阻加
熱元件12上方經過的氣體溫度和給VFD控制器16提供有關電阻加熱
元件12的實際加熱能力的信息。將實際溫度與目標溫度進行比較並且
對供給到電阻加熱元件12的功率進行調製，直到實際溫度與目標溫度
相等。因而通風系統保證VFD14為電阻加熱元件12供給所需的功率，
並且保證通風系統的部件正確地工作。
圖3示出了 (為清楚起見)配置成使用單相輸入功率的變頻驅動
器14的電路，其可用於實施依照本發明實施例的方法。VFD14的輸
入部分包括設置成整流橋的兩個二極體18，以將交流輸入功率20轉
換成直流中間功率。後面的部分-直流母線(bus)部分-加載(see)
固定的直流電壓並對波形進行濾波整形。然後使用包括兩個絕緣柵雙 。曰。汰^ f TCRT ) 77 A^t W亦緊異^由.政;I吝畝*間:c力虛祐逾虛》佳it
弦交流功率。逆變開關電路通過以特定間隔切換直流母線的接通和斷 開來將固定直流電壓轉換回可變交流電壓輸出。這就是所謂的脈沖寬 度調製。可變交流電壓輸出24從VFD (例如可以是230- 690VAC) 饋送到通風系統的電阻加熱元件12的至少一部分上，從而由此改變電 阻加熱元件12的加熱能力(例如如圖3中的塊箭頭所表示的從1到 50kW )。
VFD的整流橋通常是二極體橋，但也可以是可控整流電路。逆變 開關電路可包括可控矽整流器(SCR)或半導體開關，例如圖3所示 的IGBT。
圖4示意性示出了矩陣變換器23，該示矩陣變換器利用單刀三擲 開關26來直接將一個頻率下的交流輸入電壓轉換成另一頻率下的交 流輸出電壓。
圖5示出了可用於實現圖4所示雙向高功率半導體開關26的背對 背IGBT和二極體。交流輸入從三擲開關轉換為可變交流電壓輸出24。 然後將可變交流電壓輸出24從矩陣驅動器饋送到(至少饋送到)通風 系統的電阻加熱元件12的至少一部分，因而改變加熱元件12的加熱 能力。由於這些開關必須應對的相對較高的電流和電壓的原因，半導體開關相對較昂貴並且會限制變換器系統的可靠性，但是矩陣驅動器不需要直流鏈電容器，該直流鏈電容器構成限制變換器的使用壽命的部件並且增大了變換器的體積。
圖6是依照本發明實施例的方法的流程圖，該方法的至少一些步驟可由計算機或處理器來執行。該方法包括在VFD或矩陣驅動器的控制器中輸入目標值(例如期望的房間溫度)的步驟。然後由VFD或矩陣驅動器將交流功率提供給電阻加熱裝置，從而使得該電阻加熱裝置
能夠將經過通風系統的空氣加熱到期望的溫度。該方法還包括例如使用溫度傳感器來檢測或監控指示電阻加熱裝置的加熱能力的參數的步驟。連續調製供給到電阻加熱裝置的交流功率，直到獲得期望的房間;s唐 一a竑;^罷加智的危閉、;s唐.則凍娃^嶽1 ^ 、;希,:p力梟.i;義^^;t鮑梧
期望的房間溫度。
在權利要求範圍內進一步修正本發明對本領域技術人員而言將是顯而易見的。例如，本發明還適於調節由通風系統的電阻加熱裝置所加熱的液體的溫度。
權利要求
1. 一種通風系統(10)，該通風系統(10)包括用於對流經通風系統(10)的氣體進行加熱的電阻加熱裝置(12)，其特徵在於，所述通風系統(10)包括被設置成將可控的、連續變化的交流電壓/電流提供給所述通風系統(10)的至少一部分所述電阻加熱裝置(12)的裝置，以便調製供給到所述至少一部分電阻加熱裝置(12)的功率(24)，從而能夠連續調節流經所述通風系統(10)的氣體溫度。
2. 如權利要求1所述的通風系統(10)，其特徵在於，該通風系統 包括變頻驅動器VFD ( 14 )或矩陣驅動器(23 )，所述變頻驅動器VFD(14)或矩陣驅動器(23)被設置成調製供給到所述至少一部分電阻 加熱裝置(12)的所述功率(24)，從而能夠連續調節流經所述通風系 統(10)的氣體溫度。
3. 如權利要求1或2所述的通風系統(10),其特徵在於，該通風 系統包括控制器(16)和為所述控制器提供手動或自動輸入目標值的 裝置，由此根據所述手動或自動輸入目標值調製供給到所述至少一部 分電阻加熱裝置(12)的所述功率。
4. 如權利要求2所述的通風系統(10)，其特徵在於，該通風系統 包括被設置成檢測或監控指示所述電阻加熱裝置(12)的加熱能力的 參數的傳感器(17)，所述參數例如是經過所述通風系統(10)的氣體 溫度或所述通風系統(10) —部分或其周圍環境的溫度，或者是電阻 加熱裝置(12)的溫度或電阻值，由此調製供給到所述至少一部分電 阻加熱裝置(12)的所述功率(24)，以獲得或維持與所述手動或自動 輸入目標值相符的加熱能力。
5. 如權利要求2-4中的任一權利要求所述的通風系統(10)，其 特徵在於，所述變頻驅動器VFD ( 14)還被設置成調節至少一個電機 的旋轉速度。
6. 如權利要求2-5中的任一權利要求所述的通風系統(10)，其 特徵在於，所述變頻驅動器VFD (14)或矩陣驅動器(23)被設置成為電阻加熱裝置(12)供給在200 - 700Vac、 50- 60Hz之間的標稱電壓。
7. —種連續調節流經通風系統(10)的氣體溫度的方法，該通風 系統(IO)包括電阻加熱裝置(12)，其特徵在於，該方法包括以下步 驟將可控的、連續變化的交流電壓/電流提供給通風系統(10)的至 少一部分所述電阻加熱裝置(12 )，以便調製供給到所述至少一部分電 阻加熱裝置的功率(24),從而能夠連續調節流經所述通風系統(10) 的氣體溫度。
8. 如權利要求7所述的方法，其特徵在於，該方法包括使用一變 頻驅動器VFD (14)或一矩陣驅動器(23)來調製供給到所述至少一 部分電阻加熱裝置(12)的功率(24)的步驟。
9. 如權利要求7或8所述的方法，其特徵在於，該方法包括為一 控制器(16)提供手動或自動輸入目標值，並根據所述目標值調製供 給到所述至少一部分電阻加熱裝置(12)的功率(24)的步驟。
10. 如權利要求7-9中的任一權利要求所述的方法，其特徵在於， 該方法包括檢測或監控指示所述電阻加熱裝置(12)的加熱能力的參 數，並調製供給到所述至少一部分電阻加熱裝置(12)的功率(24)， 以獲得或維持與所述手動或自動輸入目標值相符的加熱能力的步驟， 所述參數例如是經過所述通風系統(10)的氣體溫度或所述通風系統(10) —部分或其周圍環境的溫度，或者是所述電阻加熱裝置(12) 的溫度或電阻值。
11. 一種電腦程式產品，其特徵在於，該電腦程式產品包括計 算機程序，該電腦程式包括電腦程式編碼裝置，該電腦程式編 碼裝置被設置成使計算機或處理器執行存儲在計算機可讀介質或載波 上的、如權利要求7-10中的任一權利要求所述方法的步驟中的至少 一個步驟。
12. —種電子控制單元ECU (16)，其特徵在於，該電子控制單元 包括如權利要求11所述的電腦程式產品。
13. 如權利要求1-6中的任一權利要求所述的通風系統、如權利要求7-9中的任一權利要求所述的方法、如權利要求10所述的計算 機程序產品或如權利要求11所述的電子控制單元ECU在例如客船的 海輪、被分成多個隔離單元例如船艙的其它能移動或固定的離岸設施 上的應用。
全文摘要
本發明公開了一種通風系統(10)，該通風系統包括電阻加熱裝置(12)，用於對流經通風系統(10)的氣體進行加熱，以及被設置成將可控的、連續變化的交流電壓/電流提供給通風系統(10)的至少一部分電阻加熱裝置(12)的裝置，以便調製供給到至少一部分電阻加熱裝置(12)的功率(24)，從而能夠連續調節流經通風系統(10)的氣體溫度。
文檔編號F24F11/00GK101479534SQ200780023899
公開日2009年7月8日 申請日期2007年5月18日 優先權日2006年5月19日
發明者M·漢松 申請人:威廉森卡倫貝格弗萊克特股份公司