用於控制壓縮機馬達的變速驅動器的系統和方法

2023-10-06 11:22:44

用於控制壓縮機馬達的變速驅動器的系統和方法
【專利摘要】一種變速驅動器（VSD）可以被用來改變供應到加熱、通風、空調或製冷（HVACR）系統的壓縮機馬達的電壓-頻率比（V/f），以使該馬達更強地或更弱地補償該HVACR系統中的變化的條件。該VSD和對應的控制系統或算法可以監測該HVACR系統的運行參數，諸如由該馬達所吸收的kW，繼而升高或降低該VSD的V/f，以獲得來自該馬達的最低可能的功率消耗。
【專利說明】用於控制壓縮機馬達的變速驅動器的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求享有於2011年8月31日提交的題為「VARIABLE SPEED DRIVE CONTROLSYSTEM AND METHOD」的美國臨時申請N0.61/529，437的優先權權益，該美國臨時申請通過引用整體納入本文。
【背景技術】
[0003]本申請總體涉及變速驅動器(variable speed drive)。本申請更具體地涉及控制變速驅動器或變頻驅動器(variable frequency drive)輸出的電壓-頻率比。
[0004]在壓縮機與變頻驅動器(VFD)或變速驅動器(VSD)聯接的深冷器(chiller)系統或其他加熱、通風、空調或製冷(HVAC&R)系統中，壓縮機馬達通常被定尺寸為以特定的電壓-頻率(V/f)比和特定的負載點來運行。因為實際系統中的壓縮機可以在多種條件下運行，所以馬達通常未以峰效率運行。
[0005]因此，需要的是能夠改變電壓-頻率比以補償變化的負載條件的變速驅動器或變頻驅動器。

【發明內容】

[0006]本發明針對一種系統，該系統包括壓縮機、冷凝器、膨脹設備和蒸發器，它們連接在閉合的冷凝劑迴路中。該系統包含:馬達，該馬達連接到該壓縮機以為該壓縮機提供動力；以及，變速驅動器，該變速驅動器連接到該馬達以為該馬達提供動力。該變速驅動器能夠運行以向該馬達提供可變電壓且向該馬達提供可變頻率。該系統還包含:控制面板，以控制該變速驅動器的運行以及該系統的一個或更多個部件的運行；以及，傳感器，以測量該系統的運行參數。該傳感器能夠運行以向該控制面板傳達所測得的運行參數。該控制面板能夠運行以執行控制算法，從而使用所測得的運行參數來確定待由該變速驅動器輸出的電壓-頻率比，且該電壓-頻率比基於所測得的運行參數而變化。
[0007]本發明還針對一種用於控制變速驅動器的方法。該方法包含:測量HVAC&R系統的運行參數；以及，使用所測得的運行參數來確定待由變速驅動器輸出的電壓-頻率比。該變速驅動器為該HVAC&R系統的壓縮機馬達提供動力。該方法還包含:基於所確定的電壓-頻率比來生成用於該變速驅動器的控制指令；以及，用所生成的控制指令來調節由該變速驅動器向該壓縮機馬達所提供的輸出電壓-頻率比。
[0008]在本申請中，VFD或VSD可以改變供應到馬達的V/f，以使馬達更強或更弱地補償HVAC&R系統中的變化的條件。VFD或VSD以及對應的控制裝置可以監測馬達的被該馬達吸收的功率消耗(kW)，繼而升高或降低該VFD或VSD的V/f，從而從該馬達獲得最低可能的功
率消耗。
[0009]本申請的一個優勢是壓縮機馬達的較低的功率消耗，這實現了節能。
[0010]本申請的另一個優勢是基於壓縮機上的負載條件來對應所提供給壓縮機馬達的電壓-頻率比的能力。電壓-頻率比與負載條件的對應使得壓縮機馬達能夠以峰效率運行，從而降低了功率消耗。
[0011]本發明的其他特徵和優勢將從下文結合附圖給出的對優選實施方案的更詳細的描述中明了，這些附圖以實施例的方式例示了本發明的原理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1示出了用於加熱、通風和空調系統的一個示例性實施方案。
[0013]圖2示出了一個示例性蒸氣壓縮系統的等軸視圖。
[0014]圖3和圖4示意性地示出了蒸氣壓縮系統的示例性實施方案。
[0015]圖5示意性地示出了變速驅動器的一個示例性實施方案。
[0016]圖6-圖11示出了對於用在一個示例性HVAC&R系統中的不同V/f比，馬達溫度和壓縮機效率與頻率的關係圖表。
[0017]圖12示出了對於圖6-圖11中的不同V/f比，馬達溫度與頻率的關係圖表。
[0018]圖13示出了對於圖6-圖11中的不同V/f比，壓縮機效率與頻率的關係圖表。
[0019]圖14示出了對於用在一個示例性HVAC&R系統中的不同V/f比，峰聲音(peaksound)水平與頻率的關係圖表。
[0020]圖15示出了圖14的圖表的一個放大的部分。
[0021]圖16示出了用於調節變速驅動器的V/f比的過程的一個示例性實施方案。
[0022]只要可能，在所有附圖中將使用相同的參考數字來指代相同或相似的部分。
【具體實施方式】
[0023]圖1示出了用於典型商業環境的建築物12中的加熱、通風和空調(HVAC)系統10的一個示例性環境。系統10可以包含蒸氣壓縮系統14，蒸氣壓縮系統14可以供應可被用來使建築物12冷卻的深冷液體。系統10可以包含:鍋爐16，以供應可被用來給建築物12加熱的加熱液體；以及，空氣分配系統，其使得空氣循環經過建築物12。該空氣分配系統系統還可以包含空氣返回管道18、空氣供應管道20和空氣處理器22。空氣處理器22可以包含熱交換器，該熱交換器通過導管24連接到鍋爐16和蒸氣壓縮系統14。空氣處理器22中的熱交換器可以根據系統10的運行模式接收來自鍋爐16的加熱液體或者接收來自蒸氣壓縮系統14的深冷液體。系統10被示為在建築物12的每一層上具有分立的空氣處理器，但應意識到，這些部件可以在兩個樓層或更多樓層之間共享。
[0024]圖2和圖3示出了可以被用在HVAC系統10中的示例性蒸氣壓縮系統14。蒸氣壓縮系統14可以使製冷劑循環經過如下迴路，該迴路以壓縮機32開始，且包含冷凝器34、膨脹閥或設備36，以及蒸發器或液體深冷器(chiller) 38。蒸氣壓縮系統14還可以包含控制面板40，該控制面板40可以包含模數(A/D)轉換器42、微處理器44、非易失性存儲器46和接口板48。可以被用作蒸氣壓縮系統14中的製冷劑的流體的一些實施例是:氫氟烴(HFC)類製冷劑，例如R-410A、R-407、R-134a ;氫氟烯烴(HF0);「天然」製冷劑，比如氨(順3)、R-717、二氧化碳(C02)、R-744、或碳氫類製冷劑、水蒸氣；或任何其他合適類型的製冷劑。在一個示例性實施方案中，蒸氣壓縮系統14可以在一個或多個製冷劑迴路中使用下列中的一個或多個:變速驅動器(VSD) 52、馬達50、壓縮機32、冷凝器34、膨脹閥36和/或蒸發器38中的每一個。[0025]與壓縮機32 —起使用的馬達50可以由VSD52提供動力。該VSD52從AC電源接收具有特定的固定線電壓(line voltage)和固定線頻率(line frequency)的AC功率,且向馬達50提供具有可變電壓和頻率的功率。馬達50可以包含任何類型的可以由VSD提供動力的電動馬達。馬達50可以是任何合適的馬達類型，例如開關磁阻馬達、感應馬達或電子整流永磁馬達。
[0026]壓縮機32壓縮製冷劑蒸氣，且經過排出通道將蒸氣輸送到冷凝器34。在一個示例性實施方案中，壓縮機32可以是螺杆壓縮機。然而，壓縮機32可以是任何合適類型的正排量壓縮機或離心壓縮機。由壓縮機32輸送到冷凝器34的製冷劑蒸氣將熱傳遞到流體，例如水或空氣。製冷劑蒸氣因與流體的熱傳遞而在冷凝器34中冷凝成製冷劑液體。來自冷凝器34的液體製冷劑流經膨脹設備36到達蒸發器38。在圖3中示出的示例性實施方案中，冷凝器34是水冷式的，且包含連接到冷卻塔56的管束54。
[0027]輸送到蒸發器38的液體製冷劑從另一流體吸收熱，且經歷相變成為製冷劑蒸氣，該另一流體可以與用於冷凝器34的流體類型相同或不同。在圖3中示出的示例性實施方案中，蒸發器38包含管束，該管束具有連接到冷卻負載62的供應管線60S和返回管線60R。過程流體(process fluid)(例如水、乙二醇、氯化I丐鹽水、氯化鈉鹽水或任何其他合適的液體)經由返回管線60R進入蒸發器38，並經由供應管線60S離開蒸發器38。蒸發器38降低了這些管中的過程流體的溫度。蒸發器38中的管束可以包含多個管和多個管束。該蒸氣製冷劑通過抽吸管線離開蒸發器38並返回到壓縮機32，以完成該循環。
[0028]與圖3相似，圖4示出了具有中間迴路64的蒸氣壓縮系統14，中間迴路64被納入在冷凝器34與膨脹設備36之間。中間迴路64具有入口管線68，入口管線68可以直接連接到冷凝器34或與冷凝器34流體連通。如所示，入口管線68包含膨脹設備66，膨脹設備66定位在中間容器70的上遊。在一個示例性實施方案中，中間容器70可以是閃蒸罐(flash tank),還被稱為閃蒸中間冷卻器(flash intercooler)。在一個替代的示例性實施方案中，中間容器70可以被配置為熱交換器或「表面經濟器(surface economizer)」。在圖4中示出的配置中，中間容器70是閃蒸罐，且膨脹設備66運行以降低從冷凝器34接收的液體的壓力。在膨脹過程中，液體的一部分蒸發。中間容器70可以被用來將蒸氣與從膨脹設備66接收的液體分離，且還可以允許液體的進一步膨脹。所述蒸氣可以由壓縮機32以處於抽吸和排出之間的中間壓力或壓縮的中間級從中間容器70穿過管線74抽吸至抽吸入口、埠。中間容器70中收集的液體因該膨脹過程處於較低的焓。來自中間容器70的液體在管線72中流經第二膨脹設備36到達蒸發器38。
[0029]在一個示例性實施方案中，壓縮機32可以包含壓縮機殼體，該壓縮機殼體容納壓縮機32的工作零件。來自蒸發器38的蒸氣可以被引導到壓縮機32的進口通道。壓縮機32通過壓縮機構壓縮蒸氣，且將已壓縮的蒸氣經過排出通道輸送到冷凝器34。馬達50可以通過驅動杆連接到壓縮機32的壓縮機構。
[0030]蒸氣從正排量壓縮機32的進口通道流動，並進入壓縮機構的壓縮槽(compression pocket)。通過壓縮機構的運行,壓縮槽在尺寸上減小，以壓縮蒸氣。已壓縮的蒸氣可以被排出到排出通道中。例如，對於螺杆壓縮機，壓縮槽被限定在壓縮機的轉子的表面之間。當壓縮機的轉子彼此接合時，壓縮機的轉子之間的壓縮槽(還被稱為凸齒)在尺寸上減小，且軸向地移位到該壓縮機的排出側。[0031]圖5示出了 VSD的一個示例性實施方案。VSD52從AC電源接收具有特定的固定線電壓和固定線頻率的AC功率，並向馬達50提供處於期望電壓和期望頻率(二者都可以被改變以滿足特定要求)的AC功率。VSD52可以具有三個部件:整流器/轉換器222、DC鏈路224和反相器226。整流器/轉換器222將來自AC電源的固定頻率、固定幅度的AC電壓轉換成DC電壓。DC鏈路224過濾來自轉換器222的DC功率，並提供能量存儲部件，諸如電容器和/或電感器。最後，反相器226將來自DC鏈路224的DC電壓轉換成用於馬達50的可變頻率、可變幅度的AC電壓。
[0032]在一個示例性實施方案中，整流器/轉換器222可以是三相脈衝寬度調製升壓整流器，它具有絕緣柵雙極型電晶體，以向DC鏈路224提供已升壓的DC電壓，從而從VSD52獲得比VSD52的輸入電壓大的最大RMS輸出電壓。替代地，轉換器222可以是沒有電壓升壓能力的無源二極體或晶閘管整流器。
[0033]VSD52可以向馬達50提供可變幅度的輸出電壓和可變頻率，以允許馬達50響應於特定負載條件的有效運行。控制面板40可以向VSD52提供控制信號，以針對由控制面板40接收的特定傳感器讀數，以適當的運行設置運行VSD52和馬達50。例如，控制面板40可以向VSD52提供控制信號，以響應於蒸氣壓縮系統14中的變化的條件來調節由VSD52提供的輸出電壓和輸出頻率。在一個不例性實施方案中，控制面板40可以響應於壓縮機32上的增大的或減小的負載條件，來提供增大或減小由VSD52提供的輸出電壓和輸出頻率同時維持相同的V/f比的指令。
[0034]然而，在另一個示例性實施方案中，控制面板40可以單獨地增大或減小來自VSD52的輸出電壓和/或輸出頻率，以獲得來自VSD52的不同的V/f比。在一個示例性實施方案中，控制面板可以基於馬達的功率消耗(kW)來調節V/f比。然而，在其他實施方案中，除了馬達的功率消耗以外或代替馬達的功率消耗，可以使用不同的運行參數(例如，壓縮機排出溫度或馬達溫度)。基於馬達和/或系統的當前的或所測得的運行條件或參數，控制面板可以從一個或多個查找表中選擇用於VSD的適當V/f比。該查找表可以作為系統啟動過程的一部分而生成(在工廠處或在使用現場處)，且涉及在變化的條件下運行該系統，以確定用於特定條件的最優V/f比。在另一個實施方案中，控制面板可以使用容量控制算法來確定用於該VSD的運行頻率，用該馬達和/或系統的當前的或所測得的運行條件或參數作為輸入，繼而從提供最大效率的容量控制算法選擇對應於那個運行頻率的適當電壓。在另一個實施方案中，控制面板可以控制VSD以反覆地循環經過多個V/f比，並選擇提供最佳效率的那個V/f比。在又一個實施方案中，V/f比可以基於馬達和/或系統的所測得的運行條件或參數從控制算法(諸如模糊邏輯算法)來計算。
[0035]圖16示出了由控制面板執行的以改變VSD的V/f比的控制過程的一個示例性實施方案。該過程開始於測量來自HVAC&R系統的一個或多個運行參數(步驟302)。在一個實施方案中，所測得的運行參數可以是馬達的功率消耗(kW)。然而，在其他實施方案中，除了馬達的功率消耗以外或代替馬達的功率消耗，可以使用不同的運行參數(例如，壓縮機排出溫度、馬達溫度或馬達電流)。接下來，從所測得的運行參數確定用於VSD的V/f比(步驟304)。在一個實施方案中，所確定的V/f比可以是從將所測得的運行參數與V/f對應的一個或多個表格中確定的。在其他實施方案中，可以使用一個或多個控制算法，使用所測得的運行參數或其他預先選定的參數來確定或計算V/f比。一旦用於VSD的V/f比已經被確定，控制面板就可以生成用於VSD的控制指令，以實施所確定的V/f比(步驟306)。繼而使用控制指令來調節VSD的輸出，以向壓縮機馬達提供所確定的V/f比(步驟308)。該過程繼而返回到開始以重複該過程。
[0036]對於圖6-圖13，HVAC系統以不同的V/f比運行。該HVAC系統使用R_134a製冷齊U，且在約100°華氏(F)的冷凝器溫度和約40° F的蒸發器溫度下運行。在圖6-圖11的每一個中，針對一個頻率範圍和一個特定的V/f比示出了壓縮機(絕熱)效率(即，針對壓縮機的理論功率消耗與實際功率消耗之比(wtheywac;tual))。另外，針對相同的頻率範圍和特定的V/f比示出了壓縮機馬達的溫度。
[0037]在另一個實施方案中，出於聲音衰減的目的，該V/f比可以被改變，這是因為噪聲可以通過馬達內的振動而生成。如圖14和圖15所示，不同的V/f比在壓縮機中產生了不同的峰噪聲水平，且可以選擇最優V/f以降低壓縮機中的噪聲水平。在圖14和圖15中，「聚合(Poly)」線代表針對所標識的對應電壓的趨勢數據。最優V/f可以以與前述針對馬達/系統效率相似的方式進行選擇，且可以依賴於所選定的馬達和所施加的負載。
[0038]重要的是注意，在多個示例性實施方案中所示出的本申請的構造和布置僅是例示性的。儘管在本申請中僅詳細描述了幾個實施方案，但瀏覽本申請的人員將容易意識到，在不實質上脫離本申請中描述的主題的新穎教導和優勢的前提下，許多修改是可能的(例如，多種元件的尺寸、維度、結構、形狀和比例，參數的值(例如溫度、壓力等)，安裝布置，材料的使用，顏色，取向的變化等)。例如，被示為一體成型的元件可以由多個零件或元件構造，元件的位置可以反轉或以其他方式被改變，且分立元件或位置的性質或數目可以被更改或改變。據此，所有這樣的修改旨在被包含在本申請的範圍內。根據替代的實施方案，任何過程或方法步驟的順序或次序可以被改變或重新排序。在權利要求中，任何裝置加功能條款旨在覆蓋這裡描述的執行所記載的功能的結構，且不僅是結構上的等同物而且還是等同的結構。在不脫離本申請的範圍的前提下，可以在這些示例性實施方案的設計、運行條件和布置中做出其他置換、修改、變化和省略。據此，本申請不限於特定實施方案，而是擴展到多種修改，這些修改仍然落在隨附權利要求的範圍內。
[0039]此外，為了提供示例實施方案的簡要說明，可能沒有描述實際實施方案的所有特徵(例如，那些與實施本發明的目前所預期的最佳模式無關的特徵，或那些與使能實現所要求保護的本發明無關的特徵)。應理解的是，在任何該種實際實施方案的開發過程中，如在任何工程或設計項目中，可做出大量的具體實施決策。如此的開發工作可能是複雜和費時的，但對於受益於本公開內容的普通技術人員，仍然是設計、加工和生產的常規任務，而無需過度的實驗。
【權利要求】
1.一種系統，包括: 壓縮機、冷凝器、膨脹設備和蒸發器，連接在閉合的製冷劑迴路中； 馬達，連接到該壓縮機，從而為該壓縮機提供動力； 變速驅動器，連接到該馬達，從而為該馬達提供動力，該變速驅動器能夠運行以向該馬達提供可變電壓且向該馬達提供可變頻率； 控制面板，以控制該變速驅動器的運行以及該系統的一個或多個部件的運行； 傳感器，以測量該系統的運行參數，該傳感器能夠運行以向該控制面板傳達所測得的運行參數；以及 該控制面板能夠運行以執行控制算法，從而使用所測得的運行參數來確定待由該變速驅動器輸出的電壓-頻率比，其中該電壓-頻率比基於所測得的運行參數而變化。
2.根據權利要求1所述的系統，其中該傳感器測量該馬達的功率消耗。
3.根據權利要求1所述的系統，其中該傳感器測量該壓縮機的排出溫度。
4.根據權利要求1所述的系統，其中該傳感器測量該馬達的溫度。
5.根據權利要求1所述的系統，其中該控制算法包含電壓-頻率比和對應的運行參數值的表格。
6.根據權利要求1所述的系統，其中該控制算法包含模糊邏輯算法，以確定該電壓-頻率比。
7.根據權利要求1所述的系統，其中所確定的電壓-頻率比被用來優化壓縮機效率。
8.根據權利要求1所述的系統，其中所確定的電壓-頻率比被用來優化聲音衰減。
9.一種用於控制變速驅動器的方法，該方法包括: 測量HVAC&R系統的運行參數； 使用所測得的運行參數來確定待由變速驅動器輸出的電壓-頻率比，該變速驅動器為該HVAC&R系統的壓縮機馬達提供動力； 基於所確定的電壓-頻率比來生成用於該變速驅動器的控制指令；以及 用所生成的控制指令來調節由該變速驅動器向該壓縮機馬達所提供的輸出電壓-頻率比。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述測量運行參數包含測量該壓縮機馬達的功率消耗。
11.根據權利要求9所述的方法，其中所述測量運行參數包含測量壓縮機的排出溫度。
12.根據權利要求9所述的方法，其中所述測量運行參數包含測量該壓縮機馬達的溫度。
13.根據權利要求9所述的方法，其中所述確定電壓-頻率比包含從電壓-頻率比和對應的運行參數值的表格中選擇電壓-頻率比。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括以變化的條件和電壓-頻率比運行該HVAC&R系統，從而填充該表格。
15.根據權利要求9所述的方法，其中所述確定電壓-頻率比包含執行模糊邏輯算法，以確定該電壓-頻率比。
16.根據權利要求9所述的方法，還包括用所確定的電壓-頻率比來優化壓縮機效率。
17.根據權利要求9所述的方法，還包括用所確定的電壓-頻率比來優化聲音衰減。
【文檔編號】F04B35/04GK103765011SQ201280042468
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年8月31日 優先權日:2011年8月31日
【發明者】小P·奈米特 申請人:江森自控科技公司