固定和可變壓縮機系統容量控制的製作方法

2023-05-30 13:50:56 2

專利名稱：固定和可變壓縮機系統容量控制的製作方法
技術領域：
本發明原理一般地涉及壓縮機系統，更具體地涉及壓縮機系統的結構和控制。
背景技術：
壓縮機在工業和民用領域有著廣泛的應用，用於將製冷劑在製冷或加熱泵系統內循環，從而提供所需的加熱或冷卻作用。壓縮機也用於充氣或者還對外界物體施加流體作用力，例如輪胎、噴灑系統或氣動工具。在任何的上述應用中，需要壓縮機提供前後一致的和高效的工作，從而保證特殊應用(即，製冷系統或氣動工具)恰當工作。為此，監測和控制壓縮機性能有助於保證壓縮機及系統的可靠和高效工作。渦旋壓縮機在製冷和加熱泵領域的應用變得越來越普遍，這主要是由於其能夠極為高效和一致地工作。這種壓縮機通常具有接收和壓縮流體的一對相互嚙合的渦旋齒。在運行時，使一個渦旋齒相對另一個沿軌道運動，從而形成一個或多個運動腔室，當它們從外側吸入口朝中心排出口運動時尺寸逐漸減小。隨著運動腔室的尺寸減小，其中的流體在被壓縮機從排出口排出之前被壓縮。通常，一個渦旋件由置於渦旋壓縮機外殼內的電機驅動， 並由外部控制器控制調節電機功率。電機與控制器一起工作時，通過適當的驅動軸驅動一個渦旋件，從而根據指令壓縮各個渦旋齒之間的流體。一些渦旋壓縮機能夠響應於變動指令調節容量，並且這一般稱為「可變容量」或 「可變速度」渦旋壓縮機。可變容量渦旋壓縮機是通過操縱相互嚙合的渦旋齒調節的，從而各個渦旋齒之間的相對位置是可變的，並且基本處於每個渦旋齒之間的流體體積增大或減小。可變速度渦旋壓縮機達到相似的目的，但在運行時沒有調節渦旋齒的相對位置。可變速度渦旋壓縮機監測系統和/或壓縮機參數，並相應地調節驅動渦旋齒沿軌道運行的電機的速度。這種渦旋齒速度的變動影響壓縮機的輸出，由此改變總容量。在任何上述可變渦旋壓縮機中，壓縮機容量調節使系統控制器，例如製冷系統控制器，調節每臺渦旋壓縮機的單臺容量，優化多壓縮機機組(rack)系統的效率。例如，如果指令是減小，則控制器可以減小壓縮機的容量，因此能減小單臺壓縮機消耗的能量。這種調節有效地將每臺壓縮機的能量消耗控制在僅僅是運動系統所需的最小量。因為每臺可變渦旋壓縮機的能量消耗可以改變，因此可以調節能量，改善系統總效率。在傳統製冷系統中，一個機組的渦旋壓縮機可以編組以起到單一單元的功能，並可以對多個冰箱、冷藏箱或冷凍機提供冷卻作用。但是，在傳統機組中的大多數壓縮機是固定的，並且其開/關循環速率受可靠性需求的限制，因此降低系統效率。在任何上述應用中，壓縮機組一般包括可變渦旋壓縮機和至少一臺其它的固定容量壓縮機。可變壓縮機的容量可以調節，用於增大系統效率，如上所述，而固定渦旋壓縮機包括不可變或固定容量。
控制器傳統上監測不同的製冷狀態並確定系統在給定時間的適當載荷，並相應地將指令信號發送到壓縮機機組。指令信號指示可變壓縮機在特定輸出下運行(即，總容量的到100% )，並根據在指示時刻固定渦旋壓縮機的狀態指示固定壓縮機啟動、繼續或停止。雖然這種控制器足以控制壓縮機的容量，但這種系統被限制在控制每臺單個的渦旋壓縮機，因此不能控制按並行關係連接的一系列壓縮機。雖然控制器可以充分地指示可變壓縮機在總容量的0%到100%之間工作，但控制器僅能指示固定壓縮機啟動或者停止，因此可以指示機組產生高於系統所需的較高容量。例如，如果所需的容量是9噸，並且可用的壓縮機是一臺6噸可變渦旋壓縮機以及兩臺 5噸固定渦旋壓縮機，則控制器指示可變壓縮機在100%下運行並指示一臺固定壓縮機立即啟動。但是，此時可變壓縮機產生6噸，固定壓縮機產生5噸，總共11噸。因此，100%工作的可變壓縮機與固定壓縮機的組合產生2噸過載，由此造成效率損失。雖然控制器最終能平衡可變壓縮機的容量，使總輸出為9噸，但傳統控制器需要充分的時間使可變壓縮機平衡回來，因此不能提供最佳控制算法。因為傳統控制器與每臺壓縮機單獨通訊，因此出現壓縮機容量重疊，並降低系統效率。

發明內容
一種壓縮機控制系統，包括至少一個可變壓縮機，至少一個固定容量壓縮機和控制器。控制器根據系統的吸入壓力讀數調節可變壓縮機。另外，控制器根據可變壓縮機的工作參數選擇性地在運行模式和停止模式之間轉換固定容量壓縮機。從下面提供的詳細說明中，本發明的其它應用領域將變得明顯。應該理解的是，詳細說明和具體例子，在表示出本發明原理優選實施例的同時，僅僅為了解釋的目的，而不是用於限制本發明原理的範圍。


通過詳細說明和附圖，將更加徹底地理解本發明原理。在附圖中圖1是根據本發明原理的製冷系統的示意圖；圖2是圖1製冷系統的示意圖；圖3是根據本發明原理的另一個製冷系統的示意圖；圖4是圖3製冷系統的示意圖；圖5是根據本發明原理的控制器的框圖；圖6是根據本發明原理的屋頂單元的透視圖；圖7是應用於圖1和3的製冷系統的壓縮機控制系統的示意圖；圖8是作為容量和升高吸入壓力的函數的壓縮機階段的圖形表示；圖9是應用於圖1和3的製冷系統的壓縮機控制系統的示意圖；圖10是具有可變渦旋壓縮機和一對固定渦旋壓縮機的壓縮機效率的圖形表示；圖11是可變壓縮機和多個低容量固定壓縮機的容量臺階與載荷的圖形表示；以及圖12是可變壓縮機和多個等容量固定壓縮機的容量臺階與載荷的圖形表示。
具體實施例方式以下的描述本質上僅是例證性的，根本不是用於限制原理、應用或用途。參考附圖，壓縮機控制系統200將在兩個例證性製冷系統10、110中進行描述。但是，應該注意的是，本發明原理的控制系統200可以用於控制與至少一臺其它固定壓縮機處於並行關係的一臺或多臺可變壓縮機，從而保持任何其它系統中的吸入壓力設置點。參看圖1，根據本發明原理的製冷系統10的詳細框圖包括多臺壓縮機12，在壓縮機室6中通過管道連接，並具有公共吸入歧管14和排出集管16，所有這些裝在壓縮機機組 18內。壓縮機機組18將輸送到室外冷凝器20的製冷劑蒸氣壓縮，在此處製冷劑蒸氣在高壓下液化。此高壓液體製冷劑通過管道M輸送到雜貨店地面空間8中的多個冷藏箱22。每個冷藏箱22設置在由多個冷藏箱22組成的單獨管路沈中，在相近的溫度範圍內工作。圖1表示4個管路沈，標記為管路A、管路B、管路C和管路D。圖示的每個管路沈包括4個冷藏箱22。但本領域一般技術人員應該意識到，製冷系統10可以使用任意數量的管路沈，管路沈可以使用任意數量的冷藏箱22。如圖所示，每個管路沈一般工作在某個溫度範圍內。例如，管路A可以用於冷凍食品，管路B可以用於奶製品，管路C可以用於肉
大寸寸。因為每個管路沈的溫度需求是不同的，因此每個管路沈包括壓力調節器觀，通常是電子步進調節器(ESR)或閥，用於控制蒸發器壓力，由此控制冷藏箱22的製冷空間的溫度。優選地，每個冷藏箱22還包括其自身的蒸發器和自身的膨脹閥(都未圖示)，這可以是控制製冷劑過熱的機械或電子閥。在這一方面，製冷劑通過管道M輸送到每個冷藏箱 22的蒸發器。製冷劑經過膨脹閥，在此處壓力降低，將高壓液體製冷劑轉變成低壓的液體和蒸氣混合物。當較溫暖的空氣從冷藏箱22穿過蒸發器線圈時，低壓液體轉變成氣體。這種低壓氣體輸送到與該特定管路沈相連的壓力調節器觀。在壓力調節器觀，壓力隨著氣體通過公共吸入歧管14返回到壓縮機機組18而下降。在壓縮機機組18，低壓氣體被壓縮到較高壓力並輸送到冷凝器20，由此再次形成高壓液體，再次開始製冷循環。冷卻系統的設置，例如上述製冷系統，將壓縮機機組或多個壓縮機機組裝在零售大賣場的後面，或者可能在地下室或屋頂頂層。在每種情況下，系統需要吸入和液體管道經過商店或建築物，輸送到冷藏陳列箱、冷卻器和/或空調系統。從圖2可以更好地看出，每個壓縮機機組A-E的液體和吸入管道必須連接到其管路中的相應冷藏箱(由交叉陰影線表示)。此系統還包括冷凝器，它通常位於零售大賣場外部，並且同樣需要管道輸送到冷藏箱、 冷卻器和/或空調系統。參看圖1，每個冷藏箱22、壓力調節器觀和傳感器36、40的通訊和控制線連接到模擬輸入板50，或者從輸入/輸出板32或驅動器板接收，例如ESR板38，用於優化冷卻系統的性能。例如，為了控制製冷系統10的各種性能，主製冷控制器30控制每個壓力調節器 (ESR) 28的工作，以及整個壓縮機機組18的吸入壓力設置點。每個冷藏箱22可以使用單獨的箱控制器通過通訊網絡或總線控制經過電子膨脹閥到達每個冷藏箱22的製冷劑的過熱。此外，為了監測壓縮機機組18的吸入壓力，在壓縮機機組18的入口或剛剛經過壓力調節器觀的位置優選地安裝壓力傳感器40。壓力傳感器40將模擬信號輸送到模擬輸入板38，模擬輸入板38測量模擬信號並通過通訊總線34將此信息輸送到主製冷控制器30。 而且，為了改變每個壓力調節器觀的開口，電子步進調節器(ESR)板50驅動多達8個電子步進調節器28。ESR板38包括能通過主製冷控制器30的控制驅動步進閥28的8個驅動器。再次參看圖1，壓縮機機組18的吸入壓力取決於每個管路沈的溫度要求。例如，假定管路A工作在10° F，管路B工作在15° F，管路C工作在20° F，管路D工作在25° F。 通過壓力傳感器40檢測的壓縮機機組18的吸入壓力，要求吸入壓力設置點是基於所有管路26的最低溫度需要，對於這個例子，是管路A，或者前導管路。因此，將壓縮機機組18的吸入壓力設置為達到管路A的10° F工作溫度，這能在幾乎100%打開壓力調節器觀下最有效地工作。但因為每個管路沈工作在不同溫度，管路B、C和D的壓力調節器觀關閉一定百分數的每個管路26，從而控制特定管路沈的相應溫度。為了使管路B的溫度上升到 15° F，管路B的步進調節器閥28輕微關閉，管路C的閥28關閉稍多一些，管路D的閥28 關閉更多一些，從而得到不同需求的溫度。參看圖3，根據本發明原理的另一個製冷系統110包括多個屋頂單元100A-D，每個通過管道連接到相應的製冷管路126A-D。製冷系統110優選地是受讓人共同擁有的、2004 年3月15日提交的美國專利申請No. 60/533056中披露的類型，該專利在此引用作為參考。每個屋頂單元100包括多臺壓縮機112、冷凝單元120和控制器132，集中安裝到或安裝在屋頂單元100的外殼上。壓縮機112通過公共吸入歧管114和排出集管116連接在一起，為冷凝單元120提供加壓的製冷劑，製冷劑氣體在壓縮機中在高壓下液化。每個製冷管路126A-D的管道IM將高壓液體製冷劑輸送到零售大賣場地面空間108的多個冷藏箱。屋頂單元100放置在屋頂空間106。每個冷藏箱122設置在由多個冷藏箱122組成的單獨管路126中，在相近的溫度範圍內工作，並通過管道1 連接到相應的屋頂單元100。圖3表示4個管路126，標記為管路U6A、管路U6B、管路126C和管路126D。圖示的每個管路1 包括4個冷藏箱122。 但本領域一般技術人員應該意識到，製冷系統110可以包括任意數量的管路126，每個管路 1 可以包括任意數量的冷藏箱122。每個管路1 一般工作在某個溫度範圍內。例如，管路126A可以用於冷凍食品，管路126B可以用於奶製品，管路126C可以用於肉類等等。因為每個管路126的溫度需求是不同的，因此每個管路通過管道IM獨立連接到屋頂單元100。 例如，管路126A連接到屋頂單元100A，類似地，管路126B連接屋頂單元100B等等。通過分配輸送高壓液體製冷劑的容量，並且獨立連接每個管路1 使其工作在某個溫度範圍內，將獲得一定效率並節約費用。例如，不需要壓力調節器觀控制蒸氣壓力，由此不需要控制傳統設置的製冷管路沈的冷藏箱22的製冷空間溫度。此外，由於分布排列屋頂單元100，冷凝單元120與壓縮機112集成裝在屋頂單元100中，從而保證管道和電線滿足工廠規格。每個屋頂單元100的單獨製冷管路126的分布排列，提供與中央工廠結構相同的並行壓縮機工作的容量控制，但這樣做明顯降低了管道和製冷劑需求，並且效率相當高，因為去除了 ESR並使用較短的管線(壓力損失小)。由於排列簡單，分布排列還降低零售大賣場所有者的初始建造成本，並縮短建造時間。在系統使用過程中，減小能量消耗和製冷數量。
如圖4所示，通過利用屋頂單元100分布壓縮機容量，由於屋頂單元100設置在零售大賣場屋頂的便利位置，靠近製冷管路126設置在零售大賣場內的位置，因此需要較短的管道和電線。此外，多個較小屋頂單元100的這種屋頂排列與中央工廠方法相比節約成本，中央工廠方法常常需要超過40000到50000磅的大中央頂層重量，並需要很多鋼結構支撐此重量，或者需要零售大賣場內的相當大的空間，以及相當長的現場管道連接到安裝在零售大賣場屋頂升高的鋼平臺上的冷凝器。相比之下，具有集成壓縮機112、冷凝器120和控制器132的屋頂單元100，重量約1000到3000磅，一旦最佳定位後，將不再需要額外的結構，通常僅是需要增加梁式桁架和託梁尺寸。與中央工廠方法的頂層的每單元總額外結構成本約$25，000相比，分布方法的額外結構成本每單元約$700。分布結構得到的效率從建造就開始了，建造要在較短時間周期內完成，因為冷凝器120的管道和電線連接是在製造設施內完成的，並且屋頂單元100設置在它們連接在製冷管路126附近。這種設置不但縮短安裝時間，而且減少與管道安裝相關的人工成本。此外，管道(特別是近些年銅管成本增高)、懸架和絕緣成本下降，因為屋頂單元100和製冷管路1 之間的較短連接需要的較少。並且，由於連接較短，製冷劑需要較少，有助於零售大賣場所有者滿足日益嚴格的環保標準。在運行效率方面，作為較短連接管以及為每個製冷管路1 設置屋頂單元100提供的目標工作溫度的直接結果，實現了減小吸入管線壓力損失和提高能量效率。當使用傳統系統時，將高壓液體製冷劑輸送到相應製冷管路1261內的每個冷藏箱122。冷藏箱122包括蒸發器(未圖示)和膨脹閥(未圖示)，膨脹閥可以是控制製冷劑過熱的機械或電子閥。製冷劑通過管道1 輸送到每個冷藏箱122的蒸發器，製冷劑在此經過膨脹閥並且壓力降低，將高壓液體製冷劑轉變成低壓的液體和蒸氣混合物。當較溫暖的空氣從冷藏箱122穿過蒸發器線圈時，低壓液體復原成氣體，這種氣體輸送到屋頂單元100 內的壓縮機112的公共吸入歧管114。像先前一樣，壓縮機112將低壓氣體壓縮到較高壓力並將高壓氣體輸送到冷凝器120，由此再次形成高壓液體，再次開始製冷循環。屋頂單元100的控制器132包括輸入/輸出板134、微處理器136、存儲器138和通訊埠 140，圖5更好地表示這些。控制器132安裝在屋頂單元100的外殼上，圖6更好地表示這些。控制器132控制壓縮機容量，也控制冷凝單元120的變速風扇，並利用通訊埠 140通過通訊總線1；34進行通訊。製冷系統110還包括製冷控制器130，它與不同屋頂單元100的控制器132通訊。 優選地，製冷控制器130是Georgia Atlanta CPC公司提供的Einstein面積控制器，或者是可以編程的其它任何類型控制器。在本發明原理的一個變型中，屋頂單元控制器132可以包括存儲於存儲器138中的操作算法，用於壓縮機容量和冷凝器風扇控制，其程序是由處理器136執行，這將在下面描述。然後，控制器132通過通訊埠 140將工作狀態和測量參數數據傳送到主製冷控制器130，通訊埠 140可以連接到通訊總線134，這將在下面進一步描述。這種通訊通常是有線的，但更有效地可以通過無線通訊協議完成。對於無線通訊，每個屋頂單元控制器132可以包括發送和接收無線信號的收發器 144(如圖5所示)。主製冷控制器130類似地包括發送和接收信號的收發器144。每個收發器142、144可以包括能發射和接收射頻(RF)參數數據的發射器和接收器。此外，每個收發器142、144可以包括信號調理電路。收發器可以是與屋頂單元控制器132或製冷控制器 130獨立設置的裝置。並且，根據距離和通訊環境，製冷系統110可以需要一個或多個RF中繼器146，用於克服有限的發射範圍。在這種情況下，每個中繼器146作為控制器132的收發器142和主製冷控制器130的收發器144之間的橋。控制器132根據製冷控制器130內建立的設定點控制屋頂單元100。因為控制器 132配置RAM晶片、微處理器和快閃記憶體，因此即使在失去與製冷控制器130通訊時也能執行所有控制功能。此外，這個相同的配置允許控制器132在重新建立通訊之後將大部分最近的控制設置點下載到製冷控制器130。類似於製冷控制器130，控制器132具有用預設設置點預先編程的不同存儲晶片。控制器132能在其一連接到屋頂單元100並接收輸入數據時就操作相關屋頂單元100。設置點也可以由手持終端在任意時刻改變，並且起到控制器132 和製冷控制器130之間形成連接之前有效。控制器132從直接與其連接的傳感器監測輸入數據，並接收從連接到其它控制器或輸入板的傳感器路由到製冷控制器130的另外輸入數據。每個屋頂單元100根據其管道連接的製冷管路1 的所需容量包括一臺或多臺壓縮機112。並且，每個屋頂單元100包括至少一臺可變容量壓縮機112』。因此，如果屋頂單元100包括僅一臺壓縮機112，則它是可變容量壓縮機112』。在屋頂單元100包括兩臺、三臺、四臺或多臺壓縮機112的情況下，至少一臺壓縮機112是可變容量壓縮機112』。可變容量壓縮機112，，例如美國專利No. 6120255、No. 6213731和美國專利申請 No. 10/619767，允許壓縮機輸出有效而精確地匹配所需的管路容量，上述每個專利在此特別引用作為參考。控制器132使用壓縮機112吸入側的傳感器150的壓力測量值對比用戶定義的設置點。通過壓力測量和設置點的PID對比，控制器132選擇壓縮機階段，這將在下面進一步描述。控制器132還控制冷凝單元120的風扇速度，進行時序安排、登錄和監測。控制器 132支撐三個基本冷卻方案(1)空氣冷卻；( 蒸發；和C3)溫差。對於這三種方案的每一種，控制器132使用PID控制到達用戶定義的設置點從而控制風扇的運行。對於空氣冷卻，可以使用多個風扇160，在這種情況下它們是根據所需冷卻進行工作的。結果控制成幾個風扇160的運行時間相等。所需冷卻數量是通過對比壓縮機排出側的壓力(傳感器152測量的)與用戶定義設置點確定的。可以使用可變速度風扇160』，並且控制器132根據相同的對比設置風扇160』的速度。而且，可以使用兩速風扇160」，在這種情況下控制器132根據所需的冷卻選擇速度，像從相同的對比導出的一樣。對於冷凝單元120的蒸發冷卻，控制器132根據冷凝單元120所需的冷卻操縱水閥(未圖示)。並且，控制器132操縱將蒸發冷卻水經過冷凝盤管的風扇160，並可以進一步裝有閘板(未圖示)，其開口由控制器132改變。再者，為了確定所需的冷卻數量，將傳感器152的壓縮機排出壓力測量值與用戶定義的設置點進行對比。對於冷凝單元120的溫差方案，控制器132獲取環境溫度傳感器154的環境溫度測量值與傳感器152的排出壓力測量值之差。此差轉換成溫度。雖然對比的溫度對於此方案是不同的，但冷卻通常是空氣冷卻，但可以選擇蒸發。參看圖6，屋頂單元100包括外殼170，外殼170分成冷凝單元室172、壓縮機室174和電子室176。冷凝單元室172裝有冷凝單元120和冷凝器風扇160。壓縮機室174裝有一臺或多臺壓縮機112、112』，以及吸入歧管114和排出集管116。電子室176將控制器 132封閉在封閉空間中，從外殼170外部可以觸及。至少一臺壓縮機112可以是可變壓縮機 112』。並且，圖示出一對冷凝器風扇160，但可以使用一臺或多臺冷凝器風扇160，並且冷凝器風扇160可以是可變速度冷凝器風扇160』或兩速冷凝器風扇160」。特別參看圖7-12，下面將詳細描述壓縮機控制系統200。壓縮機控制系統200可以用於上述的製冷系統10、110的任一個，但下面將參考製冷系統110進行描述。壓縮機控制系統200包括控制器132和數字集成控制模塊(IDCM) 202。控制器132 和IDCM202根據可變或數字壓縮機112』的容量共同控制固定壓縮機112。圖7表示與控制器132和可變渦旋壓縮機112』通訊的IDCM202。控制器132從外部來源接收設置點，例如冷藏展示箱122的恆溫器，指示箱122高於或低於預定的溫度。可以理解的是，如果箱122不在預定溫度範圍，則壓縮機112、112』在增多或減少對箱122的製冷劑供應時需要增大容量或者減小容量。控制器132具有使用PID (比例-積分-微分)或其它「模糊邏輯」處理電路，響應於接收的設置點確定可變壓縮機112』的運行百分數(即，在總容量的0%到100%之間)， 由此PID輸出是需要達到設置點的容量百分數。這種PID或「模糊邏輯」優選地是受讓人共同擁有的美國專利No. 6601397中披露的類型，其內容在此引用作為參考。雖然披露了 PID 和「模糊邏輯」，但應該理解的是，能計算設置點與控制值(即，可變壓縮機112』的運行百分數)之間誤差，從而改變可變壓縮機112』的容量達到設置點的任何數學模擬是可以預料到的，並且應該認為是本發明原理的一部分。除了使用設置點確定可變壓縮機112』的運行百分數，控制器132還從IDCM202 接收可變壓縮機112』的當前工作狀態(即，所用總容量的百分數)。IDCM202監測可變壓縮機112』的吸入壓力，確定可變壓縮機112』的工作狀態，保證壓縮機112』能增大容量。 IDCM202本質上翻譯可變壓縮機112』的信號，並將指示壓縮機運行百分數的脈衝返回到控制器132。雖然將IDCM202描述為獨立模塊，但系統200還可以將IDCM202的功能直接結合到控制器132中，從而簡化該系統200。IDCM202監測可變壓縮機112』預定的時間周期，保證讀數是準確的並且表示真實的壓縮機工作狀態。可變壓縮機112』在工作過程中沒有前後一致的吸入壓力，因為製冷系統需要起伏。因此，在一定時間周期內獲取吸入壓力讀數，為控制器132提供可變壓縮機 112』的平均吸入壓力，並且在大多數情況下，更加可靠地表示出壓縮機性能。例如，圖7表示具有大約20秒反饋循環的控制環。這意味著IDCM202監測可變壓縮機112』的吸入壓力，並且每20秒將平均吸入壓力值返回到控制器132。一旦控制器132 接收可變壓縮機112』的工作狀態(即，平均吸入壓力)，控制器132考慮設置點或需求方面分析壓縮機112』的運行百分數。應該理解的是，雖然控制環已經描述為20秒持續時間，但控制環可以為特殊應用調節，並可以甚至獲取壓縮機吸入壓力的即時讀數。在這種狀況下， IDCM202持續地將壓縮機運行百分數數據輸送回到控制器132進行繼續分析。一旦控制器132從IDCM202收到更新的可變壓縮機數據，控制器132就將可變控制器的平均運行百分數與所需設置點對比。如果運行百分數不足，需要增大容量，則控制器 132增大可變渦旋壓縮機112』的容量，保證可以滿足設置點。例如，如果所需的設置點不能單獨用可變壓縮機112』實現，則控制器將啟動一臺固定壓縮機112補償不足。當載荷增大時，並且PID達到可變壓縮機112』的100%容量時，將啟動最小的固定壓縮機112提供另外的容量。如圖8所示，可變壓縮機112』在100%容量時的運行與啟動固定壓縮機112之間的關係基本是線性的。在這種方式下，隨著吸入壓力增大，需求增大， 因此必須增大容量。例如，如果一個特定機組18的可變渦旋壓縮機112』是6馬力壓縮機，另外有兩臺分別為4馬力和5馬力的固定壓縮機112，機組18的總容量為15馬力(S卩，可變和固定壓縮機的容量之和)。因此，如果需求小於6馬力，則可變渦旋壓縮機112』是惟一運行的壓縮機。但是，如果需求超過6馬力，則控制器132將啟動最小的固定壓縮機112。應該注意的是，決定啟動固定壓縮機112與可變壓縮機112』 一起使用，是根據一段預定時間內可變渦旋壓縮機112』的運行百分數確定的，如上所述。如果製冷系統10、110所需的需求是7馬力，則控制器132將啟動4馬力固定壓縮機112提供另外的容量。控制器132將根據在100%容量下運行預定時間的可變壓縮機 112』啟動固定壓縮機112。此時，如果可變壓縮機112』運行在100%容量，並且固定壓縮機是4馬力，則提供10馬力的總容量。因此，所提供的10馬力超過7馬力需要量3馬力。額外的3馬力容量使系統效率下降，因為使用了比需求量多的能量。因此，一旦控制器132確定可變壓縮機112』在100%容量運行預定時間，則在啟動4馬力固定壓縮機112 之前，PID將根據壓縮機尺寸和需求量將可變壓縮機112』的運行百分數調節到一個較低數值。可變壓縮機112』的運行百分數減小之前都不啟動固定壓縮機112。因為可以控制可變速度壓縮機112』僅提供其一部分馬力，因此在與固定壓縮機一起使用時，它們用於仔細調節容量，找到與所需百分數最接近的匹配。但是，固定壓縮機112 被當作是數字開關。當壓縮機112啟動時，輸出設定為高值。因此，固定壓縮機112僅能在 100%或0% (即，停止)下運行。基於此原因，上述例子中的固定壓縮機112在啟動時提供4馬力。因此，在啟動固定壓縮機112之前減小可變壓縮機112』的運行百分數，將使提供的總容量等於7馬力。因為可變壓縮機112』的運行百分數控制固定壓縮機啟動，因此控制器132能在可變壓縮機112』充分減小的準確時刻啟動固定壓縮機112。在上述例子中，如果減小的運行百分數需要6馬力可變壓縮機112』在50%容量下(即，3馬力)運行，並且固定壓縮機112 需要幾秒鐘達到4馬力輸出，則控制器132能在可變壓縮機到達50%容量之前啟動固定壓縮機112。因此，當可變壓縮機112』達到50%容量時，固定壓縮機112處於100%容量並且提供4馬力的性能。因此，相應的製冷系統10、110收到與需求準確匹配的7馬力壓縮機容量，並且系統的綜合效率優化。6馬力可變壓縮機112』將繼續在減小50%容量下運行，直到控制器132利用PID 或「模糊邏輯」算法更新運行百分數。控制器132在10%到100%之間調節可變壓縮機112』， 用於匹配容量負荷；而4馬力固定壓縮機112繼續運行。但是，一旦可變壓縮機112』下降到10%容量20秒，控制器132就停止固定壓縮機112，並且PID將相應地增大可變壓縮機 112』的運行百分數。應該注意的是，20秒的時間是一個可調節參數，可以根據特定的系統 10、110增大或減小。像增加固定壓縮機112 —樣，控制器132同樣能停止固定壓縮機112，並提高可變壓縮機112』的運行百分數而不中斷系統10、110。例如，如果可變壓縮機112』在10%容量下運行(預定的時間)，則控制器132將指示壓縮機112』提高容量，同時停止固定壓縮機 112。可變壓縮機112』提高容量匹配了固定壓縮機112產生的容量下降，並且正好在固定壓縮機112達到0%容量時達到所需的容量百分數。例如，如果需求減小到3馬力，6馬力可變壓縮機112』將在10%容量下運行，並且指示控制器132停止4馬力固定壓縮機112。控制器132將使用PID或「模糊邏輯」指示可變壓縮機112』將運行百分數增大到50% (即，3馬力)，並且指示固定壓縮機112停止，從而可變壓縮機112』在固定壓縮機112剛剛達到0%容量時達到50%容量。因此，相應的製冷系統10、110收到準確匹配需求的壓縮機容量，並且優化系統的綜合效率。應該注意的是，相同的順序可以應用於每個額外增加的壓縮機。例如，如果所需的需求超過10馬力，則啟動第三(下一個較大的)5馬力固定壓縮機112，並且PID將相應地調節可變壓縮機112』的運行百分數，如前所述。因此，僅啟動第三固定壓縮機112，當4馬力固定壓縮機112運行並且可變壓縮機112』在100%容量下運行預定時間。此時，控制器 132啟動另外的固定壓縮機112，為系統10、110提供所需的容量。雖然給出了三臺壓縮機的系統，但應該理解的是，本發明原理的控制系統200可以應用於具有並行關係的可變壓縮機112』和多臺固定壓縮機112的系統。特別參看圖9-10，表示用於製冷系統10、110的總控制方案。在此例子中，示意性表示形成並行關係的一臺可變容量渦旋壓縮機112』和兩臺固定渦旋壓縮機112。可變壓縮機112』具有比任一臺固定壓縮機112高的容量，從而可變壓縮機112』能在增加或去除另外的固定壓縮機112時(即，在過渡過程中)應對容量需求，如圖11所示。雖然給出了固定渦旋壓縮機112，但可以理解的是，固定壓縮機112可以是其它的固定往復壓縮機，並且應該認為是本發明原理的一部分。往復壓縮機112可以通過安裝選擇性調節壓縮機112容量的阻擋吸入卸荷器(blocked suction unloader)提供額外的容量。特別是，阻擋吸入卸荷器允許壓縮機112在兩個不同容量下運行，因此，具有阻擋吸入卸荷器的一臺往復壓縮機基本等於兩臺另外的固定壓縮機112。如圖9所示，控制器132從可變壓縮機112』接收即時的吸入壓力數據以及諸如冷藏箱溫度的系統參數。控制器132利用從可變壓縮機112』和相應製冷系統10、110到控制器的輸入確定可變壓縮機112』的設置點吸入壓力。特別是，控制器132使用PID或「模糊邏輯」，根據系統需求和可變壓縮機112』的當前運行百分數確定可變壓縮機112』的運行百分數。應該注意的是，雖然這裡給出冷藏箱的溫度作為控制器132的輸入，但指示系統運行狀態的其它系統運行狀態，例如製冷劑流量或空氣流量傳感器，也是可以使用的，並且應該認為是本發明原理的一部分。一旦控制器132確定了新的運行百分數，控制算法就將可變壓縮機112』在用戶定義時間內從10%調節(PWM)到100%，圖9更好地表示這一點。PWM輸入到可變壓縮機112』， 操縱卸荷器並設置壓縮機112』的渦旋之間的相對位置，從而根據需要設置壓縮機112』的容量。此時，可變壓縮機112』的渦旋之間的相對位置保持彼此固定，直到控制模塊132從可變壓縮機112』收到運行百分數數據，並根據輸入或需求計算運行百分數。控制模塊從可變壓縮機112』或者接收即時的吸入壓力數據，或者可以接收「過濾的」吸入壓力數據。如圖9所示，控制器132的輸入也可以連接到過濾的吸入壓力讀數。過濾的吸入壓力讀數使控制器132在用戶定義時間內接收可變壓縮機112』的平均吸入壓力。 控制器132將吸入壓力，或者是過濾的設置的平均吸入壓力，與系統需求對比，確定可變壓縮機112』的運行百分數，以及是否啟動固定壓縮機112。因此，可變壓縮機112』的運行百分數本質上控制固定壓縮機112的運行。此時，可變壓縮機112』在控制器132根據當前系統狀態和當前壓縮機112』運行百分數確定的運行百分數下運行。但是，當系統需要額外容量時，可變壓縮機112』將響應於額外需求而增大其運行百分數(即，在總容量的10%到100%之間)。一旦可變壓縮機 112』在100%容量運行預定時間，控制器132就指示固定壓縮機112啟動，並同時減小可變壓縮機112』的運行百分數。在啟動固定壓縮機112時，控制器132將首先確定各個固定壓縮機112的尺寸，從而首先可以啟動組內的最小壓縮機。如同可以理解的，控制器132努力使系統10、110的效率最大化，因此僅是想要啟動恰當尺寸的壓縮機112。在大多數情況下，所需的額外容量比較小，因此控制器132搜索最小容量的壓縮機112啟動。但是，在一些情況下，控制器132 在系統需要明顯增大容量時(例如，隨後是除霜循環或隨後是降低模式)將啟動較大的固定壓縮機112。如果壓縮機是「一致的」，即每臺固定壓縮機112本質相同，則控制器132可以選擇任一臺固定壓縮機112與可變壓縮機112』一起工作，如圖12所示。但是，如果固定壓縮機 112具有不同的容量，即壓縮機112是「不一致的」，則控制器132選擇組內的額定值最小的壓縮機，如前所述。一旦選定固定壓縮機112，則固定壓縮機112略微延遲啟動，使可變壓縮機112 』將其容量從100%減小到較小的數值。如前所述，可變壓縮機112』減小的容量很大程度取決於系統需求以及所啟動固定壓縮機112的尺寸和容量。因為固定壓縮機112具有固定容量並且僅在100%容量下運行，因此可變壓縮機112』必須補足所需數值與固定壓縮機112輸出之間的差值。例如，如果固定壓縮機112是4馬力壓縮機並且需求是7馬力，則6馬力可變壓縮機112』將在50%總容量下運行，從而補足固定壓縮機112與所需數值之間的容量差。建立與啟動固定壓縮機112相關的延遲是為了給可變壓縮機112』一定時間，使其從100%容量運行下降到50%容量運行。控制器132的目標是啟動固定壓縮機112，使固定壓縮機112在可變壓縮機112』剛剛達到50%容量時以100%容量運行。此時，優化了系統效率和壓縮機容量。可變壓縮機112』的運行百分數反饋到控制器132，與系統需求進行對比。控制器 132使用PID或「模糊邏輯」根據所需數值繼續更新可變壓縮機112』的運行百分數。如果可變壓縮機112』已經在100%容量下運行了預定時間，則控制器132將啟動固定壓縮機112， 如前所述。但是，如果可變壓縮機112』在10%容量運行了預定時間，則控制器132將停止固定壓縮機112，調節系統的總容量。在可變壓縮機112』提高容量的同時，固定壓縮機112停止。因為可變壓縮機112』 升高到較高容量需要一定時間，因此固定壓縮機112直到可變壓縮機112』增大到容量才停止。也就是，固定壓縮機112的停止是延遲的，使可變壓縮機112』達到所需運行百分數時， 固定壓縮機112達到0%容量。
例如，如果需求是3馬力，並且6馬力可變壓縮機112』處於10%，4馬力固定壓縮機處於100%，則控制器132將可變壓縮機的百分數增大到50%，然後停止固定壓縮機，從而所提供的容量滿足需求。再者，延遲停止固定壓縮機112，使固定壓縮機112在可變壓縮機112』達到所需運行百分數時達到0%容量。此時，優化了系統效率和壓縮機容量。蒸氣噴射系統可以用於任何上述的壓縮機112、112』，作為優化壓縮機效率的另外控制。蒸氣噴射系統利用基本較高壓力的氣化製冷劑，使每臺壓縮機將此增壓的製冷劑在其經過僅僅一部分壓縮機112、112』的同時壓縮到其正常輸出壓力。因此，蒸氣噴射系統改善每臺單獨壓縮機112、112』的容量，並且優選的是2003年12月9日提交的、受讓人共同擁有的美國專利申請No. 60/5觀157中披露的類型，該專利申請的內容在此引用作為參考。壓縮機控制系統200可以使用蒸氣噴射系統在啟動固定壓縮機112或增大可變壓縮機112』運行百分數之前改進每臺壓縮機112、112』的容量。例如，如果可變壓縮機112』 在100%容量運行了預定時間，則控制器132可以選擇啟動固定壓縮機112提供另外的容量，或者可以能簡單地啟動蒸氣噴射系統。此蒸氣噴射系統可以為可變壓縮機112』提供剛好夠的另外容量(增大壓縮機效率)，並可以避免啟動固定壓縮機112的需要。參看圖10，其中提供表示實驗數據的表。該表反映壓縮機控制系統200通過根據可變壓縮機112』的運行百分數控制固定壓縮機112從而優化系統效率的能力。該表給出了通過在0%到100%之間調節可變壓縮機112』並且僅當可變壓縮機112』保持100%容量預定時間時啟動固定壓縮機112獲得的效率。也就是，根據可變壓縮機112』的運行百分數控制固定壓縮機112得到系統效率提高和優化。本發明原理的說明本質上僅是例證性的，因此不偏離原理要旨的變化將包括在本發明原理範圍內。這些變化不能被認為是偏離了本發明原理的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於具有至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機和至少一臺固定容量壓縮機的系統的控制器，所述控制器包括處理電路，所述處理電路可操作以將所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機調節至基本在百分之十容量與百分之百容量之間的任何容量，所述處理電路根據所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的負載傳感器信號和當前運行百分數來確定所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的期望容量，並且可操作以根據所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的所述期望容量來在運行模式和停止模式之間轉換所述至少一臺固定容量壓縮機。
2.根據權利要求1所述的控制器，還包括檢測壓縮機運行狀態的模塊。
3.根據權利要求2所述的控制器，其中，所述模塊可操作以將所述壓縮機的運行狀態傳送到所述處理電路。
4.根據權利要求2所述的控制器，其中，所述壓縮機的運行狀態包括從包括運行模式和停止模式的組中選擇的所述至少一臺固定壓縮機的運行狀態。
5.根據權利要求4所述的控制器，其中，所述壓縮機的運行狀態包括所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的吸入壓力。
6.根據權利要求2所述的控制器，其中，所述模塊監測所述可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機一段預定時間，以保證所述壓縮機的運行狀態指示的是真實的壓縮機運行狀態。
7.根據權利要求6所述的控制器，其中，所述預定時間大約等於所述可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的工作循環。
8.根據權利要求1所述的控制器，其中，所述處理電路使用比例-積分-微分控制或模糊邏輯以確定所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的所述當前運行百分數。
9.根據權利要求1所述的控制器，其中，所述當前運行百分數是所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的運行百分數，並且所述調製根據所述運行百分數與設置點的對比。
10.根據權利要求9所述的控制器，其中，所述設置點是吸入壓力設置點。
11.根據權利要求1所述的控制器，其中，所述處理電路延遲所述至少一臺固定容量壓縮機進入所述運行模式，以允許所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機實現所述期望容量。
12.根據權利要求1所述的控制器，其中，所述處理電路延遲所述至少一臺固定容量壓縮機進入所述停止模式，以允許所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機實現所述期望容量。
13.根據權利要求1所述的控制器，其中，在所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機實現所述期望容量的情況下，所述處理電路為所述至少一臺固定容量壓縮機進入所述運行模式和所述停止模式安排時間。
14.一種方法，包括監測包括至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的製冷系統的運行狀態； 根據所述系統的機運行狀態調節所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的容量；當所述可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機處於大約百分之百容量一段預定時間時，指令所述至少一臺固定容量壓縮機進入運行模式；以及當所述可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機處於大約百分之十容量一段預定時間時，指令所述至少一臺固定容量壓縮機進入停止模式。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述指令所述至少一臺固定容量壓縮機進入運行模式包括按照與所述至少一臺固定容量壓縮機升高容量大約相同的速率減小所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的容量，直到所述至少一臺固定容量壓縮機處於大約百分之百容量。
16.根據權利要求14所述的方法，其中，所述指令所述至少一臺固定容量壓縮機進入停止模式包括按照與所述至少一臺固定容量壓縮機減小容量大約相同的速率增大所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的容量，直到所述至少一臺固定容量壓縮機處於所述停止模式。
17.根據權利要求14所述的方法，其中，所述監測包括檢測所述至少一臺可變容量的脈衝寬度調節的壓縮機的吸入壓力。
18.根據權利要求14所述的方法，其中，所述監測包括檢測壓縮機的運行百分數。
19.根據權利要求14所述的方法，還包括確定所述至少一臺固定容量壓縮機中的每臺的尺寸。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述指令所述至少一臺固定容量壓縮機進入運行模式包括選擇容量最小的固定容量壓縮機。
全文摘要
一種壓縮機控制系統，包括至少一臺可變壓縮機、至少一臺固定容量壓縮機和控制器。所述控制器根據可變速度壓縮機的吸入壓力讀數調節可變壓縮機。另外，控制器根據可變壓縮機的運行參數在運行模式和停止模式之間選擇性地轉換固定容量壓縮機。
文檔編號F25B49/02GK102493945SQ201110408080
公開日2012年6月13日 申請日期2005年4月14日 優先權日2004年4月30日
發明者亨·M·潘姆, 小歐內斯特·P·赫斯特 申請人:電腦程式控制公司