CN100541048C - 变速驱动器控制 - Google Patents

Abstract

压缩机由马达提供动力，而马达则由变速驱动器(VSD)提供动力。考虑到VSD和马达，可动态调节VSD的电压/频率关系，以使效率最大化或允许在压缩机性能范围中实施，否则不能实现。

Description

变速驱动器控制

相关申请的交叉引用

本申请要求序号为60/623,355、提交于2004年10月29日、名称为“VSC控制”的美国专利申请的优先权，通过引用将其全部内容并入于此。

技术领域

本发明涉及马达控制。尤其是，本发明涉及对用于压缩机马达的变速驱动器的控制。

背景技术

在制冷应用中，压缩机用于将工作流体(制冷剂)从初始(吸入)状态压缩到压缩(排出)状态。初始状态以饱和吸入温度(SST)为特征而排出状态以饱和排出温度(SDT)为特征。对于给定的制冷剂，压缩机(不包括为其提供动力的马达)将具有由多种考虑因素决定的性能范围，这些因素包括效率和耐久性。该性能范围可由三维空间近似表示，其维度是SST、SDT以及第三维度(例如，压缩机速度或功率参数)，该第三维度表现考虑了其他两个维度的输出。涉及马达和其他组件的考虑因素将在压缩机的运行范围中进一步限定系统的运行范围。

典型的压缩机由密封的马达提供动力，而马达则由变速驱动器(VSD)提供动力。VSD以输出频率供给交流电输出电压。VSD从电源(例如，460VAC，60Hz)接收动力。在基本的VSD中，输出电压和输出频率间的关系是大致固定和近似线性的。由于这样的基本VSD和密封马达，使得马达的速度是驱动频率的大致固定且近似线性的函数。在没有可变比率传动的情况下，马达速度与压缩机速度的比率将是固定的并且可以是简单的1∶1的比率。

压缩机所需转矩(并且因此由马达供给)将基本上是SDT和SST的函数，并且将基本上独立于第三压缩机性能范围参数。在基本的运行中，在给定的SST和SDT下，马达和压缩机速度将由负载(例如，空气调节负载)决定。给定的马达速度与驱动器的固定电压/频率曲线(直线)上成比例的频率位置相关联。然而，在电压/频率曲线的给定点上，驱动器的电流消耗(current draw)将相应地由SST值和SDT值决定。例如，在给定的电压和频率下，如果SDT突然增加，转矩将会在给定的速度下增加，从而迫使来自VSD的动力增加和相应的电流增加。

某些VSD允许电压/频率关系的选择。当驱动器与其马达相关联用于给定的应用时，这些通常是预设的。

发明内容

本发明的一方面是动态改变电压/频率特征曲线(线)，意图在于允许压缩机/马达/VSD系统在SST/SDT/速度运行谱的较宽部分中运行。

因此，本发明的实施会涉及控制VSD的方法，VSD为马达供给电力以驱动压缩机。在压缩机性能范围的一部分中，VSD以动态改变的电压与频率间关系运行。可基本上由驱动器的最大电流对这部分中的该关系进行电流限制。该运行可包含第一状态下的运行，所述第一状态有第一转矩、具有第一值的电压与频率间比率以及第一电流消耗，所述第一电流消耗是最大目标电流消耗。运行从第一状态转换到第二状态，该第二状态有大于第一转矩的第二转矩和具有大于第一值的第二值的电压与频率间比率。在第二状态中，第二电流消耗可基本不大于第一电流消耗。第二电压可大于第一电压且/或第二频率可小于第一频率。

本发明的各种实施可涉及压缩机系统，该压缩机系统具有压缩机、与压缩机结合以驱动压缩机的马达、以及与马达结合为马达供给电力的VSD。控制系统与VSD结合，该控制系统被编程成运行VSD以提供动力。

本发明的一个或更多实施例的细节在下面的附图与描述中予以阐明。本发明其他的特征、目标及优点将从该描述和附图以及权利要求中得以显现。

附图说明

图1是压缩机运行参数的曲线图。

在各图中，相同的附图编号和标记表示相同的元件。

具体实施方式

在制冷系统中，如果给定压缩机的物理和运行参数，那么对马达和VSD运行参数的控制可被用于提供扩展的运行范围。例如，压缩机的物理参数可包括压缩机的构造和尺寸以及其工作流体的性质。运行参数可包括对应于某个目标或其他运行环境的饱和吸入温度(SST)和饱和排出温度(SDT)。这些值可以用作吸入和排出压力的替代。

对于给定的压缩机，所需马达转矩将是SST和SDT的函数。如果这些值是固定的，转矩将基本上是固定的。如果马达转矩是固定的，则马达的功率输出与马达(旋转)速度成比例。在典型的系统中，具有固定的线性的标准或默认电压/频率曲线(轴速度和频率借助恒定因数基本上相互关联)。

当考虑到不同的转矩时，会出现各种可能性。图1示出了典型的压缩机运行状态，其特征在于被压缩制冷剂的饱和排出温度60和饱和吸入温度62。闭合曲线70包含实际用于给定的压缩机/流体的运行点。可选择不同的驱动器和马达组合，以允许在该性能范围的某些或全部部分中运行。在这些组合作为该性能范围的重叠部分的情况下，它们可具有不同的效率、成本或其他属性。作为例子，图1示出了与最高转矩需要相对应的最大点72。点74表示所需的标准运行状态。例如，在建筑物空调系统中，该标准状态可与内部和外部温度相关联，而每个温度与各SST和SDT相关联。该运行范围可包括作为附加维度的压缩机速度性能范围。

马达的功率输入由如下等式给出：

${\stackrel{\·}{W}}_{\mathrm{in}}=V\·I\·\mathrm{PF}\sqrt{3}$

这里V表示电压，I表示电流，而PF表示功率因数。如果功率因数是恒定的，那么，在固定的功率下，电压和电流的乘积是恒定的。

功率输出是：

${\stackrel{\·}{W}}_{\mathrm{out}}={\mathrm{\η}}_m{\stackrel{\·}{W}}_{\mathrm{in}}$

这里η_m表示马达效率。

合并这些结果：

${\stackrel{\·}{W}}_{\mathrm{out}}={\mathrm{\η}}_{m}V\·I\·\mathrm{PF}\sqrt{3}$

如果将马达理想化为具有固定的电阻R，则电流I就是简单的V/R，所以：

${\stackrel{\·}{W}}_{\mathrm{out}}={\mathrm{\η}}_m\frac{V^2}{R}\mathrm{PF}\sqrt{3}=\mathrm{T\ω}$

这里T表示马达转矩而ω表示轴速度。

求解R，结果为：

$R={\mathrm{\η}}_m\frac{V^2}{\mathrm{T\ω}}\mathrm{PF}\sqrt{3}$

作为近似值，R被看作是恒定的，尽管其基于运行状态(尤其是基于马达线圈温度)会有稍微的变化。因此，在第一和第二运行状态中：

${\mathrm{\η}}_{m1}\frac{{V_1}^2}{T_1{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{PF}}_1\sqrt{3}={\mathrm{\η}}_{m2}\frac{{V_2}^2}{T_2{\mathrm{\ω}}_2}P{F}_2\sqrt{3}$

如果功率因数和效率也被看作是恒定的(其可以是用于微小变化的允许近似值)，那么：

$\frac{{V_1}^2}{T_1{\mathrm{\ω}}_1}=\frac{{V_2}^2}{T_2{\mathrm{\ω}}_2}$

与所采用的近似值一致，在固定的马达速度下，所需转矩有微小的变化：

$\frac{T_2}{T_1}={\left(\frac{V_2}{V_1}\right)}^2$

在固定的输入功率下，由马达输出的转矩将与马达速度成反比地变化。因此，对于第一和第二运行状态：

$\frac{T_2}{T_1}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_2}$

通常，对于给定供给电压(例如，230-3-60或460-3-60VAC)，VSD按照最大电流输出定级并相应地定价。最大输出电压将受供给电压限制。可选择VSD以具有在最高转矩和压缩机功率下运行的能力，或者具有在沿曲线70的SDT限制部分75或曲线70的SST限制部分76的另一极限状态下运行的能力。例如，如果这个最大设计点是点72，则可以选择在该点下提供所需功率的VSD。如果驱动器的电压/频率比率是固定的，那么该驱动器将提供足够的功率以在该运行范围中的任何其他点以相同或较低的速度运行马达。

但是，可选的是，可以选择较小的VSD。在这样的情形中，VSD可正常运行直到检测到最大电流状态(例如，从点78开始，该点78较接近原点，或许稍微超出标准点74但不到曲线70)。例如，图1示出了分别通过前述标准点74和增加了的SDT点78的恒定转矩曲线80和82。若试图通过沿标准V/f曲线移动而超出该点78(例如，朝向点72)使用，将导致电流过载。然而，该提高的转矩可通过提高电压和减小驱动器频率来实现。如果所需转矩以1.5的因数增加，那么电压将必须以该因数的平方根增加，而速度将与该因数成反比变化(减小)。驱动器和/或马达效率会降低，这可能需要进一步的速度降低以保持电流低于过载状态。因此，在该性能范围的线82上方的部分中，将以降低了的功率输出运行。在该性能范围的这一部分中可以动态控制V/f曲线，以提供不会使驱动器或马达过载的最大功率。在该曲线下方，可沿该标准V/f曲线或沿另外的替代V/f曲线运行。

示例

一个特别的工程应用指定变速冷却器将在90％的时间内以42/100(SST＝42F或51.7psia吸入压，而SDT＝100F或140psia排出压)的比率运行，但也必须能够在某些时间内以42/122(SDT＝122F或191psia排出压)的比率运行。这个部分时间的状态能以减小的能力实现。对于这些运行状态，典型的压缩机性能值如下。在42/100下，W₁＝61KW，I₁＝93A，在ω₁(完全能力下的速度)下的T₁＝112ft-lbf。在42/122下，W₂＝80KW，I₂＝122A，在ω₂(完全能力下的速度)下的T₂＝146.9ft-lbf。由于冷却器事实上不需要在ω₁下以42/122的比率运行，所以与其选择基于较大的122安培电流状态的VSD(变速驱动器)，不如选择基于93安培电流状态的VSD。在这种做法下，由于VSD的成本与驱动器的电流输出成比例，所以可以节省开支。例如，如果驱动器额定的固定电压/频率比率是460V/60Hz，那么该比率能够被动态地改变，以满足降低了的速度下的较高转矩需求。表1示出了其如何实现。

表1

第一行表示初始低转矩42/100的状态：112ft·lbf是马达能够在460/60的电压/频率比率下输出的最大转矩。第二行表示42/122的高转矩状态：马达需要输出146.9ft·lbf。然而，电流的需要可能超过经济地选择驱动器的需要。第三行状态示出在恒定ω下增加的电压的结果，以确定输出必需的146.9ft·lbf所需要的新的V/ω比率(与460/52.39相同的526.8/60)。电流因此减少到106.5V。第四行状态示出在460/52.39的比率下设定为460V的VSD电压。第五行示出在460V/52.39Hz比率(转矩比率乘以60(也即，60*112/146.9)以得到45.75Hz的频率)下低转矩功率等级(61KW)的保持。然而，为在给定的速度下保持93安培电流并对其确认，电压与电流成反比，新电压是401.7(460*93/106.5)。马达能够输出的最大转矩实际上是192.6ft·lbf(((60/45.75)*460/460)2*112)。第六行示出在122安培电流下马达能够另外实际输出的最大转矩。

已经描述了本发明的一个或多个实施例。然而，应当理解的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变形。例如，驱动器/马达控制可考虑除那些讨论过的因素之外的其它因素，并且因而，进一步平衡所获得的结果。因此，其他实施例落入下列权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种控制变速驱动器的方法，所述驱动器为马达供给有电压和频率的电力以驱动在压缩机性能范围中运行的压缩机，该方法包括：

在该性能范围的一部分中，以所述电压和所述频率之间的动态变化的关系运行该驱动器，使得压缩机在以固定的默认电压频率关系不能获得的相关的吸入和排出状态的范围中运行。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述部分中的所述关系受到驱动器最大电流的限制。

3.如权利要求1所述的方法，其中该运行包括：

在第一状态下运行，该第一状态下有第一转矩、具有第一值的所述电压与所述频率间比率、和第一电流消耗，所述第一电流消耗是最大目标电流；以及

从该第一状态向第二状态转换，该第二状态下有第二转矩、和具有第二值的所述电压与所述频率间比率，所述第二转矩大于第一转矩，所述第二值大于第一值。

4.如权利要求3所述的方法，其中：

在第二状态下，第二电流消耗不大于所述第一电流消耗。

5.如权利要求3所述的方法，其中具有下述特征中的至少一个：

第二电压大于第一电压；第二频率小于第一频率。

6.一种控制变速驱动器(VSD)的系统，所述驱动器为马达供给电力以驱动性能范围中的负载，该系统包括被编程成运行VSD以提供电力的电子控制器；

在该性能范围的第一部分中，低于该驱动器的电流消耗的极限值运行VSD；以及

在该性能范围的第二部分中，基本以电流消耗的极限值，并且以变化的电压与频率间比率运行VSD。

7.如权利要求6所述的系统，其中：

在第一部分中，所述运行是以具有基本固定的第一值的电压与频率间比率进行；以及

在第二部分中，所述运行至少部分处于下述马达转矩状态下，在该状态下驱动器不能以所述比率的第一值有效地驱动马达。

8.如权利要求6所述的系统，其中：

在第一部分中，所述运行是以具有基本固定的第一值的电压与频率间比率进行；以及

在第二部分中，所述运行是以大于第一值的电压与频率间比率进行。

9.如权利要求6所述的系统，其中电子控制器被编程成运行VSD以提供电力：

在第一状态下运行，该第一状态下有第一转矩、具有第一值的所述电压与所述频率间比率、和第一电流消耗，所述第一电流消耗是最大目标电流；以及

从该第一状态向第二状态转换，该第二状态下有第二转矩、和具有第二值的所述电压与所述频率间比率，所述第二转矩大于第一转矩，所述第二值大于第一值。

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