CN101142406A - 固定和可变压缩机系统容量控制 - Google Patents
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Abstract
一种压缩机控制系统，包括至少一台可变压缩机、至少一台固定容量压缩机和控制器。所述控制器根据可变速度压缩机的吸入压力读数调节可变压缩机。另外，控制器根据可变压缩机的运行参数在运行模式和停止模式之间选择性地转换固定容量压缩机。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2004年4月30日提交的美国临时申请60/567171以及2005年3月22日提交的美国专利申请No.11/086787的优先权。上述申请的内容通过引用并入本申请。
技术领域
本发明原理一般地涉及压缩机系统，更具体地涉及压缩机系统的结构和控制。
背景技术
压缩机在工业和民用领域有着广泛的应用，用于将制冷剂在制冷或加热泵系统内循环，从而提供所需的加热或冷却作用。压缩机也用于充气或者还对外界物体施加流体作用力，例如轮胎、喷洒系统或气动工具。在任何的上述应用中，需要压缩机提供前后一致的和高效的工作，从而保证特殊应用(即，制冷系统或气动工具)恰当工作。为此，监测和控制压缩机性能有助于保证压缩机及系统的可靠和高效工作。
涡旋压缩机在制冷和加热泵领域的应用变得越来越普遍，这主要是由于其能够极为高效和一致地工作。这种压缩机通常具有接收和压缩流体的一对相互啮合的涡旋齿。在运行时，使一个涡旋齿相对另一个沿轨道运动，从而形成一个或多个运动腔室，当它们从外侧吸入口朝中心排出口运动时尺寸逐渐减小。随着运动腔室的尺寸减小，其中的流体在被压缩机从排出口排出之前被压缩。通常，一个涡旋件由置于涡旋压缩机外壳内的电机驱动，并由外部控制器控制调节电机功率。电机与控制器一起工作时，通过适当的驱动轴驱动一个涡旋件，从而根据指令压缩各个涡旋齿之间的流体。
一些涡旋压缩机能够响应于变动指令调节容量，并且这一般称为“可变容量”或“可变速度”涡旋压缩机。可变容量涡旋压缩机是通过操纵相互啮合的涡旋齿调节的，从而各个涡旋齿之间的相对位置是可变的，并且基本处于每个涡旋齿之间的流体体积增大或减小。可变速度涡旋压缩机达到相似的目的，但在运行时没有调节涡旋齿的相对位置。可变速度涡旋压缩机监测系统和/或压缩机参数，并相应地调节驱动涡旋齿沿轨道运行的电机的速度。这种涡旋齿速度的变动影响压缩机的输出，由此改变总容量。
在任何上述可变涡旋压缩机中，压缩机容量调节使系统控制器，例如制冷系统控制器，调节每台涡旋压缩机的单台容量，优化多压缩机机组(rack)系统的效率。例如，如果指令是减小，则控制器可以减小压缩机的容量，因此能减小单台压缩机消耗的能量。这种调节有效地将每台压缩机的能量消耗控制在仅仅是运动系统所需的最小量。因为每台可变涡旋压缩机的能量消耗可以改变，因此可以调节能量，改善系统总效率。
在传统制冷系统中，一个机组的涡旋压缩机可以编组以起到单一单元的功能，并可以对多个冰箱、冷藏箱或冷冻机提供冷却作用。但是，在传统机组中的大多数压缩机是固定的，并且其开/关循环速率受可靠性需求的限制，因此降低系统效率。在任何上述应用中，压缩机组一般包括可变涡旋压缩机和至少一台其它的固定容量压缩机。可变压缩机的容量可以调节，用于增大系统效率，如上所述，而固定涡旋压缩机包括不可变或固定容量。
控制器传统上监测不同的制冷状态并确定系统在给定时间的适当载荷，并相应地将指令信号发送到压缩机机组。指令信号指示可变压缩机在特定输出下运行(即，总容量的1％到100％)，并根据在指示时刻固定涡旋压缩机的状态指示固定压缩机启动、继续或停止。虽然这种控制器足以控制压缩机的容量，但这种系统被限制在控制每台单个的涡旋压缩机，因此不能控制按并行关系连接的一系列压缩机。
虽然控制器可以充分地指示可变压缩机在总容量的0％到100％之间工作，但控制器仅能指示固定压缩机启动或者停止，因此可以指示机组产生高于系统所需的较高容量。例如，如果所需的容量是9吨，并且可用的压缩机是一台6吨可变涡旋压缩机以及两台5吨固定涡旋压缩机，则控制器指示可变压缩机在100％下运行并指示一台固定压缩机立即启动。但是，此时可变压缩机产生6吨，固定压缩机产生5吨，总共11吨。因此，100％工作的可变压缩机与固定压缩机的组合产生2吨过载，由此造成效率损失。
虽然控制器最终能平衡可变压缩机的容量，使总输出为9吨，但传统控制器需要充分的时间使可变压缩机平衡回来，因此不能提供最佳控制算法。因为传统控制器与每台压缩机单独通讯，因此出现压缩机容量重叠，并降低系统效率。
发明内容
一种压缩机控制系统，包括至少一个可变压缩机，至少一个固定容量压缩机和控制器。控制器根据系统的吸入压力读数调节可变压缩机。另外，控制器根据可变压缩机的工作参数选择性地在运行模式和停止模式之间转换固定容量压缩机。
从下面提供的详细说明中，本发明的其它应用领域将变得明显。应该理解的是，详细说明和具体例子，在表示出本发明原理优选实施例的同时，仅仅为了解释的目的，而不是用于限制本发明原理的范围。
附图说明
通过详细说明和附图，将更加彻底地理解本发明原理。在附图中：
图1是根据本发明原理的制冷系统的示意图；
图2是图1制冷系统的示意图；
图3是根据本发明原理的另一个制冷系统的示意图；
图4是图3制冷系统的示意图；
图5是根据本发明原理的控制器的框图；
图6是根据本发明原理的屋顶单元的透视图；
图7是应用于图1和3的制冷系统的压缩机控制系统的示意图；
图8是作为容量和升高吸入压力的函数的压缩机阶段的图形表示；
图9是应用于图1和3的制冷系统的压缩机控制系统的示意图；
图10是具有可变涡旋压缩机和一对固定涡旋压缩机的压缩机效率的图形表示；
图11是可变压缩机和多个低容量固定压缩机的容量台阶与载荷的图形表示；以及
图12是可变压缩机和多个等容量固定压缩机的容量台阶与载荷的图形表示。
具体实施方式
以下的描述本质上仅是例证性的，根本不是用于限制原理、应用或用途。
参考附图，压缩机控制系统200将在两个例证性制冷系统10、110中进行描述。但是，应该注意的是，本发明原理的控制系统200可以用于控制与至少一台其它固定压缩机处于并行关系的一台或多台可变压缩机，从而保持任何其它系统中的吸入压力设置点。
参看图1，根据本发明原理的制冷系统10的详细框图包括多台压缩机12，在压缩机室6中通过管道连接，并具有公共吸入歧管14和排出集管16，所有这些装在压缩机机组18内。压缩机机组18将输送到室外冷凝器20的制冷剂蒸气压缩，在此处制冷剂蒸气在高压下液化。此高压液体制冷剂通过管道24输送到杂货店地面空间8中的多个冷藏箱22。
每个冷藏箱22设置在由多个冷藏箱22组成的单独管路26中，在相近的温度范围内工作。图1表示4个管路26，标记为管路A、管路B、管路C和管路D。图示的每个管路26包括4个冷藏箱22。但本领域一般技术人员应该意识到，制冷系统10可以使用任意数量的管路26，管路26可以使用任意数量的冷藏箱22。如图所示，每个管路26一般工作在某个温度范围内。例如，管路A可以用于冷冻食品，管路B可以用于奶制品，管路C可以用于肉类等等。
因为每个管路26的温度需求是不同的，因此每个管路26包括压力调节器28，通常是电子步进调节器(ESR)或阀，用于控制蒸发器压力，由此控制冷藏箱22的制冷空间的温度。优选地，每个冷藏箱22还包括其自身的蒸发器和自身的膨胀阀(都未图示)，这可以是控制制冷剂过热的机械或电子阀。在这一方面，制冷剂通过管道24输送到每个冷藏箱22的蒸发器。
制冷剂经过膨胀阀，在此处压力降低，将高压液体制冷剂转变成低压的液体和蒸气混合物。当较温暖的空气从冷藏箱22穿过蒸发器线圈时，低压液体转变成气体。这种低压气体输送到与该特定管路26相连的压力调节器28。在压力调节器28，压力随着气体通过公共吸入歧管14返回到压缩机机组18而下降。在压缩机机组18，低压气体被压缩到较高压力并输送到冷凝器20，由此再次形成高压液体，再次开始制冷循环。
冷却系统的设置，例如上述制冷系统，将压缩机机组或多个压缩机机组装在零售大卖场的后面，或者可能在地下室或屋顶顶层。在每种情况下，系统需要吸入和液体管道经过商店或建筑物，输送到冷藏陈列箱、冷却器和/或空调系统。从图2可以更好地看出，每个压缩机机组A-E的液体和吸入管道必须连接到其管路中的相应冷藏箱(由交叉阴影线表示)。此系统还包括冷凝器，它通常位于零售大卖场外部，并且同样需要管道输送到冷藏箱、冷却器和/或空调系统。
参看图1，每个冷藏箱22、压力调节器28和传感器36、40的通讯和控制线连接到模拟输入板50，或者从输入/输出板32或驱动器板接收，例如ESR板38，用于优化冷却系统的性能。例如，为了控制制冷系统10的各种性能，主制冷控制器30控制每个压力调节器(ESR)28的工作，以及整个压缩机机组18的吸入压力设置点。每个冷藏箱22可以使用单独的箱控制器通过通讯网络或总线控制经过电子膨胀阀到达每个冷藏箱22的制冷剂的过热。
此外，为了监测压缩机机组18的吸入压力，在压缩机机组18的入口或刚刚经过压力调节器28的位置优选地安装压力传感器40。压力传感器40将模拟信号输送到模拟输入板38，模拟输入板38测量模拟信号并通过通讯总线34将此信息输送到主制冷控制器30。而且，为了改变每个压力调节器28的开口，电子步进调节器(ESR)板50驱动多达8个电子步进调节器28。ESR板38包括能通过主制冷控制器30的控制驱动步进阀28的8个驱动器。
再次参看图1，压缩机机组18的吸入压力取决于每个管路26的温度要求。例如，假定管路A工作在10，管路B工作在15，管路C工作在20，管路D工作在25。通过压力传感器40检测的压缩机机组18的吸入压力，要求吸入压力设置点是基于所有管路26的最低温度需要，对于这个例子，是管路A，或者前导管路。因此，将压缩机机组18的吸入压力设置为达到管路A的10工作温度，这能在几乎100％打开压力调节器28下最有效地工作。但因为每个管路26工作在不同温度，管路B、C和D的压力调节器28关闭一定百分数的每个管路26，从而控制特定管路26的相应温度。为了使管路B的温度上升到15，管路B的步进调节器阀28轻微关闭，管路C的阀28关闭稍多一些，管路D的阀28关闭更多一些，从而得到不同需求的温度。
参看图3，根据本发明原理的另一个制冷系统110包括多个屋顶单元100A-D，每个通过管道连接到相应的制冷管路126A-D。制冷系统110优选地是受让人共同拥有的、2004年3月15日提交的美国专利申请No.60/533056中披露的类型，该专利在此引用作为参考。
每个屋顶单元100包括多台压缩机112、冷凝单元120和控制器132，集中安装到或安装在屋顶单元100的外壳上。压缩机112通过公共吸入歧管114和排出集管116连接在一起，为冷凝单元120提供加压的制冷剂，制冷剂气体在压缩机中在高压下液化。每个制冷管路126A-D的管道124将高压液体制冷剂输送到零售大卖场地面空间108的多个冷藏箱。屋顶单元100放置在屋顶空间106。
每个冷藏箱122设置在由多个冷藏箱122组成的单独管路126中，在相近的温度范围内工作，并通过管道124连接到相应的屋顶单元100。图3表示4个管路126，标记为管路126A、管路126B、管路126C和管路126D。图示的每个管路126包括4个冷藏箱122。但本领域一般技术人员应该意识到，制冷系统110可以包括任意数量的管路126，每个管路126可以包括任意数量的冷藏箱122。每个管路126一般工作在某个温度范围内。例如，管路126A可以用于冷冻食品，管路126B可以用于奶制品，管路126C可以用于肉类等等。因为每个管路126的温度需求是不同的，因此每个管路通过管道124独立连接到屋顶单元100。例如，管路126A连接到屋顶单元100A，类似地，管路126B连接屋顶单元100B等等。
通过分配输送高压液体制冷剂的容量，并且独立连接每个管路126使其工作在某个温度范围内，将获得一定效率并节约费用。例如，不需要压力调节器28控制蒸气压力，由此不需要控制传统设置的制冷管路26的冷藏箱22的制冷空间温度。此外，由于分布排列屋顶单元100，冷凝单元120与压缩机112集成装在屋顶单元100中，从而保证管道和电线满足工厂规格。
每个屋顶单元100的单独制冷管路126的分布排列，提供与中央工厂结构相同的并行压缩机工作的容量控制，但这样做明显降低了管道和制冷剂需求，并且效率相当高，因为去除了ESR并使用较短的管线(压力损失小)。由于排列简单，分布排列还降低零售大卖场所有者的初始建造成本，并缩短建造时间。在系统使用过程中，减小能量消耗和制冷数量。
如图4所示，通过利用屋顶单元100分布压缩机容量，由于屋顶单元100设置在零售大卖场屋顶的便利位置，靠近制冷管路126设置在零售大卖场内的位置，因此需要较短的管道和电线。此外，多个较小屋顶单元100的这种屋顶排列与中央工厂方法相比节约成本，中央工厂方法常常需要超过40000到50000磅的大中央顶层重量，并需要很多钢结构支撑此重量，或者需要零售大卖场内的相当大的空间，以及相当长的现场管道连接到安装在零售大卖场屋顶升高的钢平台上的冷凝器。相比之下，具有集成压缩机112、冷凝器120和控制器132的屋顶单元100，重量约1000到3000磅，一旦最佳定位后，将不再需要额外的结构，通常仅是需要增加梁式桁架和托梁尺寸。与中央工厂方法的顶层的每单元总额外结构成本约$25,000相比，分布方法的额外结构成本每单元约$700。
分布结构得到的效率从建造就开始了，建造要在较短时间周期内完成，因为冷凝器120的管道和电线连接是在制造设施内完成的，并且屋顶单元100设置在它们连接在制冷管路126附近。这种设置不但缩短安装时间，而且减少与管道安装相关的人工成本。此外，管道(特别是近些年铜管成本增高)、悬架和绝缘成本下降，因为屋顶单元100和制冷管路126之间的较短连接需要的较少。并且，由于连接较短，制冷剂需要较少，有助于零售大卖场所有者满足日益严格的环保标准。在运行效率方面，作为较短连接管以及为每个制冷管路126设置屋顶单元100提供的目标工作温度的直接结果，实现了减小吸入管线压力损失和提高能量效率。
当使用传统系统时，将高压液体制冷剂输送到相应制冷管路1261内的每个冷藏箱122。冷藏箱122包括蒸发器(未图示)和膨胀阀(未图示)，膨胀阀可以是控制制冷剂过热的机械或电子阀。制冷剂通过管道124输送到每个冷藏箱122的蒸发器，制冷剂在此经过膨胀阀并且压力降低，将高压液体制冷剂转变成低压的液体和蒸气混合物。当较温暖的空气从冷藏箱122穿过蒸发器线圈时，低压液体复原成气体，这种气体输送到屋顶单元100内的压缩机112的公共吸入歧管114。像先前一样，压缩机112将低压气体压缩到较高压力并将高压气体输送到冷凝器120，由此再次形成高压液体，再次开始制冷循环。
屋顶单元100的控制器132包括输入/输出板134、微处理器136、存储器138和通讯端口140，图5更好地表示这些。控制器132安装在屋顶单元100的外壳上，图6更好地表示这些。控制器132控制压缩机容量，也控制冷凝单元120的变速风扇，并利用通讯端口140通过通讯总线134进行通讯。
制冷系统110还包括制冷控制器130，它与不同屋顶单元100的控制器132通讯。优选地，制冷控制器130是Georgia Atlanta CPC公司提供的Einstein面积控制器，或者是可以编程的其它任何类型控制器。
在本发明原理的一个变型中，屋顶单元控制器132可以包括存储于存储器138中的操作算法，用于压缩机容量和冷凝器风扇控制，其程序是由处理器136执行，这将在下面描述。然后，控制器132通过通讯端口140将工作状态和测量参数数据传送到主制冷控制器130，通讯端口140可以连接到通讯总线134，这将在下面进一步描述。这种通讯通常是有线的，但更有效地可以通过无线通讯协议完成。
对于无线通讯，每个屋顶单元控制器132可以包括发送和接收无线信号的收发器144(如图5所示)。主制冷控制器130类似地包括发送和接收信号的收发器144。每个收发器142、144可以包括能发射和接收射频(RF)参数数据的发射器和接收器。此外，每个收发器142、144可以包括信号调理电路。收发器可以是与屋顶单元控制器132或制冷控制器130独立设置的装置。并且，根据距离和通讯环境，制冷系统110可以需要一个或多个RF中继器146，用于克服有限的发射范围。在这种情况下，每个中继器146作为控制器132的收发器142和主制冷控制器130的收发器144之间的桥。
控制器132根据制冷控制器130内建立的设定点控制屋顶单元100。因为控制器132配置RAM芯片、微处理器和闪存，因此即使在失去与制冷控制器130通讯时也能执行所有控制功能。此外，这个相同的配置允许控制器132在重新建立通讯之后将大部分最近的控制设置点下载到制冷控制器130。类似于制冷控制器130，控制器132具有用缺省设置点预先编程的不同存储芯片。控制器132能在其一连接到屋顶单元100并接收输入数据时就操作相关屋顶单元100。设置点也可以由手持终端在任意时刻改变，并且起到控制器132和制冷控制器130之间形成连接之前有效。控制器132从直接与其连接的传感器监测输入数据，并接收从连接到其它控制器或输入板的传感器路由到制冷控制器130的另外输入数据。
每个屋顶单元100根据其管道连接的制冷管路126的所需容量包括一台或多台压缩机112。并且，每个屋顶单元100包括至少一台可变容量压缩机112’。因此，如果屋顶单元100包括仅一台压缩机112，则它是可变容量压缩机112’。在屋顶单元100包括两台、三台、四台或多台压缩机112的情况下，至少一台压缩机112是可变容量压缩机112’。
可变容量压缩机112’，例如美国专利No.6120255、No.6213731和美国专利申请No.10/619767，允许压缩机输出有效而精确地匹配所需的管路容量，上述每个专利在此特别引用作为参考。
控制器132使用压缩机112吸入侧的传感器150的压力测量值对比用户定义的设置点。通过压力测量和设置点的PID对比，控制器132选择压缩机阶段，这将在下面进一步描述。
控制器132还控制冷凝单元120的风扇速度，进行时序安排、登录和监测。控制器132支撑三个基本冷却方案：(1)空气冷却；(2)蒸发；和(3)温差。对于这三种方案的每一种，控制器132使用PID控制到达用户定义的设置点从而控制风扇的运行。
对于空气冷却，可以使用多个风扇160，在这种情况下它们是根据所需冷却进行工作的。结果控制成几个风扇160的运行时间相等。所需冷却数量是通过对比压缩机排出侧的压力(传感器152测量的)与用户定义设置点确定的。可以使用可变速度风扇160’，并且控制器132根据相同的对比设置风扇160’的速度。而且，可以使用两速风扇160”，在这种情况下控制器132根据所需的冷却选择速度，像从相同的对比导出的一样。
对于冷凝单元120的蒸发冷却，控制器132根据冷凝单元120所需的冷却操纵水阀(未图示)。并且，控制器132操纵将蒸发冷却水经过冷凝盘管的风扇160，并可以进一步装有闸板(未图示)，其开口由控制器132改变。再者，为了确定所需的冷却数量，将传感器152的压缩机排出压力测量值与用户定义的设置点进行对比。
对于冷凝单元120的温差方案，控制器132获取环境温度传感器154的环境温度测量值与传感器152的排出压力测量值之差。此差转换成温度。虽然对比的温度对于此方案是不同的，但冷却通常是空气冷却，但可以选择蒸发。
参看图6，屋顶单元100包括外壳170，外壳170分成冷凝单元室172、压缩机室174和电子室176。冷凝单元室172装有冷凝单元120和冷凝器风扇160。压缩机室174装有一台或多台压缩机112、112’，以及吸入歧管114和排出集管116。电子室176将控制器132封闭在封闭空间中，从外壳170外部可以触及。至少一台压缩机112可以是可变压缩机112’。并且，图示出一对冷凝器风扇160，但可以使用一台或多台冷凝器风扇160，并且冷凝器风扇160可以是可变速度冷凝器风扇160’或两速冷凝器风扇160”。
特别参看图7-12，下面将详细描述压缩机控制系统200。压缩机控制系统200可以用于上述的制冷系统10、110的任一个，但下面将参考制冷系统110进行描述。
压缩机控制系统200包括控制器132和数字集成控制模块(IDCM)202。控制器132和IDCM202根据可变或数字压缩机112’的容量共同控制固定压缩机112。
图7表示与控制器132和可变涡旋压缩机112’通讯的IDCM202。控制器132从外部来源接收设置点，例如冷藏展示箱122的恒温器，指示箱122高于或低于预定的温度。可以理解的是，如果箱122不在预定温度范围，则压缩机112、112’在增多或减少对箱122的制冷剂供应时需要增大容量或者减小容量。
控制器132具有使用PID(比例-积分-微分)或其它“模糊逻辑”处理电路，响应于接收的设置点确定可变压缩机112’的运行百分数(即，在总容量的0％到100％之间)，由此PID输出是需要达到设置点的容量百分数。这种PID或“模糊逻辑”优选地是受让人共同拥有的美国专利No.6601397中披露的类型，其内容在此引用作为参考。虽然披露了PID和“模糊逻辑”，但应该理解的是，能计算设置点与控制值(即，可变压缩机112’的运行百分数)之间误差，从而改变可变压缩机112’的容量达到设置点的任何数学模拟是可以预料到的，并且应该认为是本发明原理的一部分。
除了使用设置点确定可变压缩机112’的运行百分数，控制器132还从IDCM202接收可变压缩机112’的当前工作状态(即，所用总容量的百分数)。IDCM202监测可变压缩机112’的吸入压力，确定可变压缩机112’的工作状态，保证压缩机112’能增大容量。IDCM202本质上翻译可变压缩机112’的信号，并将指示压缩机运行百分数的脉冲返回到控制器132。虽然将IDCM202描述为独立模块，但系统200还可以将IDCM202的功能直接结合到控制器132中，从而简化该系统200。
IDCM202监测可变压缩机112’预定的时间周期，保证读数是准确的并且表示真实的压缩机工作状态。可变压缩机112’在工作过程中没有前后一致的吸入压力，因为制冷系统需要起伏。因此，在一定时间周期内获取吸入压力读数，为控制器132提供可变压缩机112’的平均吸入压力，并且在大多数情况下，更加可靠地表示出压缩机性能。
例如，图7表示具有大约20秒反馈循环的控制环。这意味着IDCM202监测可变压缩机112’的吸入压力，并且每20秒将平均吸入压力值返回到控制器132。一旦控制器132接收可变压缩机112’的工作状态(即，平均吸入压力)，控制器132考虑设置点或需求方面分析压缩机112’的运行百分数。应该理解的是，虽然控制环已经描述为20秒持续时间，但控制环可以为特殊应用调节，并可以甚至获取压缩机吸入压力的即时读数。在这种状况下，IDCM202持续地将压缩机运行百分数数据输送回到控制器132进行继续分析。
一旦控制器132从IDCM202收到更新的可变压缩机数据，控制器132就将可变控制器的平均运行百分数与所需设置点对比。如果运行百分数不足，需要增大容量，则控制器132增大可变涡旋压缩机112’的容量，保证可以满足设置点。例如，如果所需的设置点不能单独用可变压缩机112’实现，则控制器将启动一台固定压缩机112补偿不足。
当载荷增大时，并且PID达到可变压缩机112’的100％容量时，将启动最小的固定压缩机112提供另外的容量。如图8所示，可变压缩机112’在100％容量时的运行与启动固定压缩机112之间的关系基本是线性的。在这种方式下，随着吸入压力增大，需求增大，因此必须增大容量。
例如，如果一个特定机组18的可变涡旋压缩机112’是6马力压缩机，另外有两台分别为4马力和5马力的固定压缩机112，机组18的总容量为15马力(即，可变和固定压缩机的容量之和)。因此，如果需求小于6马力，则可变涡旋压缩机112’是惟一运行的压缩机。但是，如果需求超过6马力，则控制器132将启动最小的固定压缩机112。应该注意的是，决定启动固定压缩机112与可变压缩机112’一起使用，是根据一段预定时间内可变涡旋压缩机112’的运行百分数确定的，如上所述。
如果制冷系统10、110所需的需求是7马力，则控制器132将启动4马力固定压缩机112提供另外的容量。控制器132将根据在100％容量下运行预定时间的可变压缩机112’启动固定压缩机112。此时，如果可变压缩机112’运行在100％容量，并且固定压缩机是4马力，则提供10马力的总容量。因此，所提供的10马力超过7马力需要量3马力。
额外的3马力容量使系统效率下降，因为使用了比需求量多的能量。因此，一旦控制器132确定可变压缩机112’在100％容量运行预定时间，则在启动4马力固定压缩机112之前，PID将根据压缩机尺寸和需求量将可变压缩机112’的运行百分数调节到一个较低数值。可变压缩机112’的运行百分数减小之前都不启动固定压缩机112。
因为可以控制可变速度压缩机112’仅提供其一部分马力，因此在与固定压缩机一起使用时，它们用于仔细调节容量，找到与所需百分数最接近的匹配。但是，固定压缩机112被当作是数字开关。当压缩机112启动时，输出设定为高值。因此，固定压缩机112仅能在100％或0％(即，停止)下运行。基于此原因，上述例子中的固定压缩机112在启动时提供4马力。因此，在启动固定压缩机112之前减小可变压缩机112’的运行百分数，将使提供的总容量等于7马力。
因为可变压缩机112’的运行百分数控制固定压缩机启动，因此控制器132能在可变压缩机112’充分减小的准确时刻启动固定压缩机112。在上述例子中，如果减小的运行百分数需要6马力可变压缩机112’在50％容量下(即，3马力)运行，并且固定压缩机112需要几秒钟达到4马力输出，则控制器132能在可变压缩机到达50％容量之前启动固定压缩机112。因此，当可变压缩机112’达到50％容量时，固定压缩机112处于100％容量并且提供4马力的性能。因此，相应的制冷系统10、110收到与需求准确匹配的7马力压缩机容量，并且系统的综合效率优化。
6马力可变压缩机112’将继续在减小50％容量下运行，直到控制器132利用PID或“模糊逻辑”算法更新运行百分数。控制器132在10％到100％之间调节可变压缩机112’，用于匹配容量负荷；而4马力固定压缩机112继续运行。但是，一旦可变压缩机112’下降到10％容量20秒，控制器132就停止固定压缩机112，并且PID将相应地增大可变压缩机112’的运行百分数。应该注意的是，20秒的时间是一个可调节参数，可以根据特定的系统10、110增大或减小。
像增加固定压缩机112一样，控制器132同样能停止固定压缩机112，并提高可变压缩机112’的运行百分数而不中断系统10、110。例如，如果可变压缩机112’在10％容量下运行(预定的时间)，则控制器132将指示压缩机112’提高容量，同时停止固定压缩机112。可变压缩机112’提高容量匹配了固定压缩机112产生的容量下降，并且正好在固定压缩机112达到0％容量时达到所需的容量百分数。
例如，如果需求减小到3马力，6马力可变压缩机112’将在10％容量下运行，并且指示控制器132停止4马力固定压缩机112。控制器132将使用PID或“模糊逻辑”指示可变压缩机112’将运行百分数增大到50％(即，3马力)，并且指示固定压缩机112停止，从而可变压缩机112’在固定压缩机112刚刚达到0％容量时达到50％容量。因此，相应的制冷系统10、110收到准确匹配需求的压缩机容量，并且优化系统的综合效率。
应该注意的是，相同的顺序可以应用于每个额外增加的压缩机。例如，如果所需的需求超过10马力，则启动第三(下一个较大的)5马力固定压缩机112，并且PID将相应地调节可变压缩机112’的运行百分数，如前所述。因此，仅启动第三固定压缩机112，当4马力固定压缩机112运行并且可变压缩机112’在100％容量下运行预定时间。此时，控制器132启动另外的固定压缩机112，为系统10、110提供所需的容量。虽然给出了三台压缩机的系统，但应该理解的是，本发明原理的控制系统200可以应用于具有并行关系的可变压缩机112’和多台固定压缩机112的系统。
特别参看图9-10，表示用于制冷系统10、110的总控制方案。在此例子中，示意性表示形成并行关系的一台可变容量涡旋压缩机112’和两台固定涡旋压缩机112。可变压缩机112’具有比任一台固定压缩机112高的容量，从而可变压缩机112’能在增加或去除另外的固定压缩机112时(即，在过渡过程中)应对容量需求，如图11所示。虽然给出了固定涡旋压缩机112，但可以理解的是，固定压缩机112可以是其它的固定往复压缩机，并且应该认为是本发明原理的一部分。往复压缩机112可以通过安装选择性调节压缩机112容量的阻挡吸入卸荷器(blocked suction unloader)提供额外的容量。特别是，阻挡吸入卸荷器允许压缩机112在两个不同容量下运行，因此，具有阻挡吸入卸荷器的一台往复压缩机基本等于两台另外的固定压缩机112。
如图9所示，控制器132从可变压缩机112’接收即时的吸入压力数据以及诸如冷藏箱温度的系统参数。控制器132利用从可变压缩机112’和相应制冷系统10、110到控制器的输入确定可变压缩机112’的设置点吸入压力。特别是，控制器132使用PID或“模糊逻辑”，根据系统需求和可变压缩机112’的当前运行百分数确定可变压缩机112’的运行百分数。应该注意的是，虽然这里给出冷藏箱的温度作为控制器132的输入，但指示系统运行状态的其它系统运行状态，例如制冷剂流量或空气流量传感器，也是可以使用的，并且应该认为是本发明原理的一部分。
一旦控制器132确定了新的运行百分数，控制算法就将可变压缩机112’在用户定义时间内从10％调节(PWM)到100％，图9更好地表示这一点。PWM输入到可变压缩机112’，操纵卸荷器并设置压缩机112’的涡旋之间的相对位置，从而根据需要设置压缩机112’的容量。此时，可变压缩机112’的涡旋之间的相对位置保持彼此固定，直到控制模块132从可变压缩机112’收到运行百分数数据，并根据输入或需求计算运行百分数。
控制模块从可变压缩机112’或者接收即时的吸入压力数据，或者可以接收“过滤的”吸入压力数据。如图9所示，控制器132的输入也可以连接到过滤的吸入压力读数。过滤的吸入压力读数使控制器132在用户定义时间内接收可变压缩机112’的平均吸入压力。控制器132将吸入压力，或者是过滤的设置的平均吸入压力，与系统需求对比，确定可变压缩机112’的运行百分数，以及是否启动固定压缩机112。因此，可变压缩机112’的运行百分数本质上控制固定压缩机112的运行。
此时，可变压缩机112’在控制器132根据当前系统状态和当前压缩机112’运行百分数确定的运行百分数下运行。但是，当系统需要额外容量时，可变压缩机112’将响应于额外需求而增大其运行百分数(即，在总容量的10％到100％之间)。一旦可变压缩机112’在100％容量运行预定时间，控制器132就指示固定压缩机112启动，并同时减小可变压缩机112’的运行百分数。
在启动固定压缩机112时，控制器132将首先确定各个固定压缩机112的尺寸，从而首先可以启动组内的最小压缩机。如同可以理解的，控制器132努力使系统10、110的效率最大化，因此仅是想要启动恰当尺寸的压缩机112。在大多数情况下，所需的额外容量比较小，因此控制器132搜索最小容量的压缩机112启动。但是，在一些情况下，控制器132在系统需要明显增大容量时(例如，随后是除霜循环或随后是降低模式)将启动较大的固定压缩机112。
如果压缩机是“一致的”，即每台固定压缩机112本质相同，则控制器132可以选择任一台固定压缩机112与可变压缩机112’一起工作，如图12所示。但是，如果固定压缩机112具有不同的容量，即压缩机112是“不一致的”，则控制器132选择组内的额定值最小的压缩机，如前所述。
一旦选定固定压缩机112，则固定压缩机112略微延迟启动，使可变压缩机112’将其容量从100％减小到较小的数值。如前所述，可变压缩机112’减小的容量很大程度取决于系统需求以及所启动固定压缩机112的尺寸和容量。因为固定压缩机112具有固定容量并且仅在100％容量下运行，因此可变压缩机112’必须补足所需数值与固定压缩机112输出之间的差值。例如，如果固定压缩机112是4马力压缩机并且需求是7马力，则6马力可变压缩机112’将在50％总容量下运行，从而补足固定压缩机112与所需数值之间的容量差。
建立与启动固定压缩机112相关的延迟是为了给可变压缩机112’一定时间，使其从100％容量运行下降到50％容量运行。控制器132的目标是启动固定压缩机112，使固定压缩机112在可变压缩机112’刚刚达到50％容量时以100％容量运行。此时，优化了系统效率和压缩机容量。
可变压缩机112’的运行百分数反馈到控制器132，与系统需求进行对比。控制器132使用PID或“模糊逻辑”根据所需数值继续更新可变压缩机112’的运行百分数。如果可变压缩机112’已经在100％容量下运行了预定时间，则控制器132将启动固定压缩机112，如前所述。但是，如果可变压缩机112’在10％容量运行了预定时间，则控制器132将停止固定压缩机112，调节系统的总容量。
在可变压缩机112’提高容量的同时，固定压缩机112停止。因为可变压缩机112’升高到较高容量需要一定时间，因此固定压缩机112直到可变压缩机112’增大到容量才停止。也就是，固定压缩机112的停止是延迟的，使可变压缩机112’达到所需运行百分数时，固定压缩机112达到0％容量。
例如，如果需求是3马力，并且6马力可变压缩机112’处于10％，4马力固定压缩机处于100％，则控制器132将可变压缩机的百分数增大到50％，然后停止固定压缩机，从而所提供的容量满足需求。再者，延迟停止固定压缩机112，使固定压缩机112在可变压缩机112’达到所需运行百分数时达到0％容量。此时，优化了系统效率和压缩机容量。
蒸气喷射系统可以用于任何上述的压缩机112、112’，作为优化压缩机效率的另外控制。蒸气喷射系统利用基本较高压力的气化制冷剂，使每台压缩机将此增压的制冷剂在其经过仅仅一部分压缩机112、112’的同时压缩到其正常输出压力。因此，蒸气喷射系统改善每台单独压缩机112、112’的容量，并且优选的是2003年12月9日提交的、受让人共同拥有的美国专利申请No.60/528157中披露的类型，该专利申请的内容在此引用作为参考。
压缩机控制系统200可以使用蒸气喷射系统在启动固定压缩机112或增大可变压缩机112’运行百分数之前改进每台压缩机112、112’的容量。例如，如果可变压缩机112’在100％容量运行了预定时间，则控制器132可以选择启动固定压缩机112提供另外的容量，或者可以能简单地启动蒸气喷射系统。此蒸气喷射系统可以为可变压缩机112’提供刚好够的另外容量(增大压缩机效率)，并可以避免启动固定压缩机112的需要。
参看图10，其中提供表示实验数据的表。该表反映压缩机控制系统200通过根据可变压缩机112’的运行百分数控制固定压缩机112从而优化系统效率的能力。该表给出了通过在0％到100％之间调节可变压缩机112’并且仅当可变压缩机112’保持100％容量预定时间时启动固定压缩机112获得的效率。也就是，根据可变压缩机112’的运行百分数控制固定压缩机112得到系统效率提高和优化。
本发明原理的说明本质上仅是例证性的，因此不偏离原理要旨的变化将包括在本发明原理范围内。这些变化不能被认为是偏离了本发明原理的精神和范围。
Claims (38)
1.一种压缩机控制系统，包括：
至少一台可变压缩机；
至少一台固定容量压缩机；以及
控制器，其可操作以根据吸入压力读数调节所述至少一台可变压缩机，并且可操作以根据所述至少一台可变压缩机的运行参数在运行模式与停止模式之间转换所述至少一台固定容量压缩机。
2.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述至少一台可变压缩机是涡旋压缩机。
3.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述至少一台可变压缩机是可变容量压缩机。
4.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述至少一台可变压缩机是可变速度压缩机。
5.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述固定容量压缩机是涡旋压缩机。
6.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述固定容量压缩机是往复压缩机。
7.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述吸入压力读数是即时吸入压力读数。
8.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述吸入压力读数是过滤的吸入压力读数，为所述控制器在一段预定时间内提供平均吸入压力。
9.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述至少一台可变速度压缩机的所述运行参数是所述至少一台可变压缩机的容量或工作循环。
10.根据权利要求9所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述运行参数是从大约10％压缩机容量到大约100％压缩机容量。
11.根据权利要求10所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述控制器可操作以在所述可变压缩机容量在大约10％容量保持一段预定时间时，将所述至少一台固定压缩机转换到所述停止模式。
12.根据权利要求11所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述预定时间是大约20秒或等于所述可变压缩机的所述工作循环。
13.根据权利要求10所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述控制器可操作以在所述可变压缩机容量在大约100％容量保持一段预定时间时，将所述至少一台固定压缩机转换到所述运行模式。
14.根据权利要求13所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述预定时间是大约20秒或等于所述可变压缩机的所述工作循环。
15.根据权利要求13所述的压缩机控制系统，其特征在于，当所述可变压缩机在大约100％容量保持所述预定时间时，将第二最小可用固定压缩机转换到所述运行模式。
16.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，在制冷系统中，所述至少一台可变压缩机与所述至少一台固定容量压缩机是并行关系。
17.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述吸入压力读数是在所述可变压缩机获取的。
18.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，还包括连接所述压缩机的外部系统，其特征在于，所述吸入压力读数是在所述外部系统内获取的。
19.根据权利要求1所述的压缩机控制系统，还包括蒸气喷射系统。
20.根据权利要求19所述的压缩机控制系统，其特征在于，所述蒸气喷射系统流体连接所述可变压缩机，并可操作以增大所述可变压缩机的容量。
21.一种具有至少一台可变压缩机和至少一台固定容量压缩机的系统的控制器，包括：
处理电路，其可操作以根据吸入压力读数调节至少一台可变压缩机，并且其可操作以根据至少一台可变压缩机的运行参数在运行模式和停止模式之间转换至少一台固定容量压缩机。
22.根据权利要求21所述的控制器，还包括检测压缩机运行状态的数字集成控制模块。
23.根据权利要求22所述的控制器，其特征在于，所述数字集成控制模块可操作以将所述压缩机运行状态传送到所述处理电路。
24.根据权利要求22所述的控制器，其特征在于，所述压缩机运行状态包括从包括运行模式和停止模式的组中选择的至少一台固定压缩机的运行情况。
25.根据权利要求22所述的控制器，其特征在于，所述压缩机运行状态包括至少一台可变压缩机的吸入压力。
26.根据权利要求22所述的控制器，其特征在于，所述压缩机运行状态包括至少一台可变压缩机的压缩机运行百分数。
27.根据权利要求26所述的控制器，其特征在于，所述数字集成控制模块监测可变压缩机一段预定时间，保证所述压缩机运行状态指示的是真实的压缩机运行状态。
28.根据权利要求27所述的控制器，其特征在于，所述预定时间是大约20秒或等于所述可变压缩机的工作循环。
29.根据权利要求21所述的控制器，其特征在于，所述处理电路使用比例-积分-微分或模糊逻辑确定至少一台可变压缩机的运行百分数。
30.根据权利要求21所述的控制器，其特征在于，所述运行参数是至少一台可变压缩机的运行百分数，所述调节是根据所述运行百分数与设置点的对比。
31.根据权利要求30所述的控制器，其特征在于，所述设置点是吸入压力设置点。
32.一种方法，包括：
监测至少一台可变压缩机的运行状态；
根据所述压缩机运行状态调节所述至少一台可变压缩机的容量；
当所述可变压缩机在大约100％容量保持一段预定时间时，指令至少一台固定容量压缩机进入运行模式；以及
当所述至少一台可变压缩机在大约10％容量保持一段预定时间时，指令至少一台固定容量压缩机进入停止模式。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述指令所述至少一台固定容量压缩机进入运行模式包括按照与所述至少一台固定容量压缩机升高容量大约相同的速率减小所述至少一台可变压缩机的容量，直到所述至少一台固定容量压缩机达到大约100％容量。
34.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述指令所述至少一台固定容量压缩机进入停止模式包括按照与所述至少一台固定容量压缩机减小容量大约相同的速率增大所述至少一台可变压缩机的容量，直到所述至少一台固定容量压缩机到达所述停止模式。
35.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述监测包括检测所述至少一台可变压缩机的吸入压力。
36.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述监测包括检测压缩机运行百分数。
37.根据权利要求32所述的方法，还包括确定每台所述固定压缩机的尺寸。
38.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述指令所述至少一台固定容量压缩机进入运行模式包括选择容量最小的固定压缩机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20190830 Address after: Georgia, USA Patentee after: EMERSON CLIMATE TECHNOLOGIES RETAIL SOLUTIONS, Inc. Address before: Georgia Patentee before: Computer Process Controls, Inc. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20120208 |