CN101163887A - 用于在停止期间控制变速压缩机的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种可操作用于响应于停机信号停机的压缩机系统。该压缩机系统包括可在第一速度和第二速度之间操作的压缩装置(22、34)，以产生一定压力的压缩流体的流动。泄料阀(48)可在关闭位置和打开位置之间移动，在该打开位置中，至少一部分压缩流体的流动通过泄料阀(48)以降低压缩流体流动的压力。传感器(46)定位成测量压力，而控制器(47)可操作用于响应于停机信号，使泄料阀(48)移动到打开位置，并将压缩装置(22、34)的速度设定到低设定点。

Description

用于在停止期间控制变速压缩机的系统和方法

相关申请的交叉引用

在此要求2005年2月26日提交的专利申请号为60/656753的美国临时专利申请的优先权，该专利申请的全部内容在此作为参考引用。

技术领域

本发明涉及空气压缩机。更特别地，本发明涉及在停止期间控制变速压缩机的方法。

背景技术

传统的回转式空气压缩机具有控制到压缩机入口侧或吸入侧的气流的入口阀。入口阀当压缩机上的载荷减小时节流流动，并且当去除压缩机上的载荷时完全关闭。入口阀通常被称为卸载阀。当打开入口阀允许空气流过压缩机入口时加载压缩机。当关闭阀以阻断通过压缩机入口的流动时卸载压缩机。

卸载阀通常设计成防止通过压缩机入口的回流。回流通常包括加压流体(例如，空气和油的混合物)，并且在压缩机的排出侧仍然加压的时候当停止压缩机时该回流可能出现。该负压梯度允许沿相反方向流出入口。

在此作为参考全文引用的美国专利No.6474950描述了一种包括变速驱动器的螺杆压缩机。利用具有空气压缩机的可变频率驱动技术允许输送侧压力通过改变驱动速度来进行控制，而不需控制系统压力的入口阀。但是，当不利用入口阀时，如上所述的回流在停止压缩机时通过压缩机的入口出现。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供一种可操作用于响应于停机信号停机的压缩机系统。该压缩机系统包括可在第一速度和第二速度之间操作的压缩装置，以产生一定压力的压缩流体流动。泄料阀可在关闭位置和打开位置之间移动，在该打开位置中，至少一部分压缩流体的流动通过泄压阀，以降低压缩流体流动的压力。传感器定位成测量压力，并且控制器可操作用于使泄料阀移动到打开位置，并响应于停机信号将压缩装置的速度设定到低设定点速度。

在另一实施例中，本发明提供一种压缩机系统，该压缩机系统包括：压缩装置，该压缩装置包括具有贮槽的压缩机；和变速驱动器，该变速驱动器联接到压缩机上。压缩装置可操作用于产生具有压力的压缩流体流动。泄料阀可在关闭位置和打开位置之间移动，在该打开位置中，至少一部分压缩流体流动通过泄料阀，以降低压缩流体流动的压力。压力传感器定位成测量压缩流体的流动压力，并且贮槽压力传感器定位成测量贮槽内的贮槽压力。控制器可操作用于使泄料阀移动到打开位置，并响应于压缩流体流动的测得压力超过预定压力将压缩装置的速度设定到低设定点速度，并且可操作用于如下之一：响应于经过预定时间长度将压缩装置的速度从低设定点速度降低到低于低设定点速度的第三速度；和响应于测得的贮槽压力低于预定贮槽压力将压缩装置的速度从低设定点速度降低到零。

在又一实施例中，本发明提供一种通过增加流动通过的流体的压力的压缩阶段操作压缩机的方法。该方法包括检测压缩阶段下游的压缩流体压力、将指示压缩流体压力的信号发送到控制器、和响应于信号在初始值处启动停机定时器。该方法还包括响应于信号打开泄料阀以缓解压缩流体压力，并且当停机定时器到达最终值时将停止信号从控制器发送到可变频率驱动器。

本发明的其它方面将通过考虑详细说明和附图变得显而易见。

附图说明

参考附图可以更充分地理解本发明。附图用于描绘示例性实施例，而不是限制本发明的范围。

图1是示出根据一个实施例的压缩机系统的示意图；并且

图2是涉及实现根据一个实施例的方法的逻辑控制的流程图。

具体实施方式

在详细说明本发明的任何实施例之前，要理解的是，本发明在其应用中不局限于在以下描述中提出或在以下附图中描绘的结构的细节和部件的布置。本发明能够有其它实施例，并且能够以多种方式实践或实现。此外，要理解的是，在此使用的用语和术语是为了描述目的，并不应被认为是限制性的。本文中的“包括”、“包含”或“具有”和它们的变体的使用意味着包括此后列出的物品和它们的等同物以及附加物品。除非另有指定或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”以及它们的变体被宽广地使用，并且包括直接和间接安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不局限于物理或机械的连接或联接。

现在参考图1，描绘了压缩机系统的一个实施例。如图1所示，三相AC电源10向包括整流/逆变驱动器12的变速驱动布置11提供三相交流电流。整流/逆变驱动器12向电动马达14提供变速驱动信号。驱动器12能够将来自AC电源的交流电流整流成DC电流，并且将DC电流逆变成具有变化频率的AC电流，作为向马达14提供可变电源的一种方式。采用这样的驱动器12，能够使用标准感应马达。可选择地，能够使用其它类型的驱动器和驱动布置，其前提条件是它们与合适的变速马达联接，该合适的变速马达不明显地受其在给定的一段时间上能够启动和停止的次数的限制。

在描绘的实施例中，电动马达14旋转啮合两个次级齿轮18、20的主齿轮16，所述两个次级齿轮18、20分别驱动第一阶段空气端22和第二阶段空气端34。在描绘的实施例中，第一阶段空气端22和第二阶段空气端34中的每个通过压缩元件(例如，可旋转螺杆)压缩流体。本发明不局限于如所示的特定类型的压缩装置或压缩机系统。本领域普通技术人员将意识到的是本发明可适于众多不同的压缩机系统。

第一阶段空气端22具有流体进口23和该流体进口23上游的过滤器24。由该系统处理的流体优选地为气体、例如空气，并且在这种情况下，过滤器24优选地为气体过滤器。在流体在第一阶段空气端22中被压缩之前过滤器24清洁该流体。初级压缩流体退出第一阶段空气端22，并通过压缩流体导管23到达第二阶段空气端34。第二阶段空气端34接收第一压力(例如，从大约30磅/平方英寸到大约40磅/平方英寸)的初级压缩流体，并将该初级压缩流体压缩至第二压力(例如，从大约100磅/平方英寸到大约150磅/平方英寸)，以形成在此被称作的次级压缩流体。

该次级压缩流体退出第二阶段空气端34，并流过导管35到达润滑剂/气体分离器38。分离器38从该次级压缩流体去除润滑剂(于是在某些实施例中部分或所有的润滑剂可发送到油冷却器)。沿着导管35，在第二阶段空气端34和分离器38之间设置减压阀36。当导管35中的压力超过预定的释放压力时，触发打开该减压阀36。减压阀36打开，以避免能够由过度的高压所引起的对管道或其它系统部件的任何损坏，并且将通常不使用减压阀36以调整下游压力。希望次级压缩流体具有在此被称为第二阶段压力段的压力段内的压力退出第二阶段空气端34。在某些实施例中，减压阀36在超过第二阶段压力段的上限从大约5％到大约15％的释放压力处打开，但是可使用多种触发压力中的任一种。例如，如果希望次级压缩流体在从大约100磅/平方英寸到大约150磅/平方英寸的压力段范围内退出第二阶段空气端34，减压阀36可构造成当获得从大约160磅/平方英寸到大约170磅/平方英寸的压缩的次级流体压力时触发打开。这是纯粹地示例性的，并且本领域的技术人员将认识到能够以许多其它方法构造压力段和减压阀36。

次级压缩流体相对无润滑剂地退出分离器38，并流过导管43和止回阀44并从那里到达后冷却器42。在后冷却器42处从次级压缩流体去除来自压缩的过热。在后冷却器42和最终输送点之间，次级压缩流体可流过去湿器或干燥器(未示出)，以去除水分或减小水分从流体凝结出来的可能性。在通过分离器38和后冷却器42(和可选的干燥器)之后，次级压缩流体处于向压缩流体使用系统中的下游部件输送的状态并因此被称为压缩输送流体。沿着导管43，在后冷却器42和分离器38之间，设置泄料装置。在图1所示实施例中，泄料装置包括将导管43连接到泄料阀48的导管45。

在某些实施例中，泄料阀48包括用于根据信号(例如，电信号或气动信号)控制阀48的状态的电磁型装置。泄料阀48受到发自控制单元或控制器47的信号的控制。在图1中没有示出从控制器47到泄料阀48的信号传输线。在接收来自控制器47的信号以打开泄料阀48时，启动所述阀48，以实现打开位置，由此次级压缩流体能够流过导管45、通过泄料阀48、通过与泄料阀48连通的导管49a、通过消音器50、并经由导管49b到达第一阶段空气端22的进口23(或与进口23连通的体积)。消音器50可以是传统的消声器，或者为本领域技术人员所知的几乎任何的消音器。在可选实施例中，当打开时，泄料阀48允许次级压缩流体流过导管45、通过阀48、并出去到大气(有或者没有消音器50)。在某些实施例中，阀48是变速流阀，并且能够定位在各种递增的打开位置中。阀48能够通过控制器47控制，以与压缩机速度相配合地工作，以在如下更详细描述的下游压力中实现期望的变化。

根据某些实施例，如图1例证地那样，压力传感器46可设置在止回阀44和后冷却器42的下游。在描绘的实施例中，压力传感器46与通向压缩流体使用系统的流体导管连通，并检测正好在压缩流体使用系统上游的压缩输送流体的压力。压力传感器46在压缩机系统中可位于各个位置，只要它构造成检测下游压力(即，至少一个压缩阶段的下游)并校准以获得如下更详细描述的期望的结果。指示检测压力的信号从压力传感器46沿着信号线51发送到控制器47。响应于来源于压力传感器46的信号，控制器47产生沿着信号线53发送到整流/逆变驱动器12的驱动信号。从控制器47沿着线53发送的信号控制整流/逆变驱动器输出，以便调节马达14的速度，并由此进一步调节经由空气端22和34在压缩机系统中流体的增压。在某些情形下，从控制器47沿着线53发送到驱动器12的驱动信号、与泄料阀48的状态相结合，在减少能量使用的同时在压力段内共同地控制压缩机系统中的下游压力。另外，因为驱动器12和马达14能够在给定时间段上执行相当的启动和停止次数，所以通过增加停机时间(或者通过增加停机周期次数或者通过增加停机周期持续时间、或者两者相结合)优化节省能量。

由于压缩机系统不需要第一空气端22上游的入口阀(例如，蝶形节流阀)，所以描绘的实施例的压缩机系统去掉了这样的入口阀，以降低成本以及系统的复杂性。没有传统的入口阀，存在工作流体通过压缩机进口23回流的可能。该回流有时可能对压缩机有害，并且常常因为其中一些以下将进一步描述的附加原因而不合需要。在接触冷却压缩机的情况下，回流可包括通过压缩机进口23喷射的细油滴和压缩空气，并且有时排出到周围的大气中。例如在此描述的压力控制系统和方法大大地减少或消除回流的概率。在某些实施例中，这在停机之前通过策略地降低压缩机系统、具体地在压缩机空气端22和34中的压力实现。压力的降低能够通过在压缩机系统处于泄料模式(即，泄料阀48处于打开条件)的同时以低速度操作压缩机实现。

图2示出一流程图，该流程图示出根据本发明的一个实施例停止压缩机的逻辑控制。在图2的逻辑流程图中，控制器47接收信号，以在程序块100处停止压缩机(即，停止压缩)。压缩可以多种方法停止或显著地限制。停止压缩的一个示范性方法是通过停止驱动器12来停止马达14。当马达14停止时，于是也停止驱动地连接到马达14的压缩元件。停止控制信号可基于如上所述的各种因素，并且可构造成以各种方式操作压缩机系统。一旦接收到停止压缩的信号，控制器逻辑将如在程序块102处所示地打开泄料阀48。此时，控制器47如在程序块104处所示地启动定时器(例如，停止定时器)，并如程序块106处所示地将压缩机速度设定成低设定点。该低设定点可以是压缩机速度的预定值，该低设定点设定成用于压缩机操作的相对最小速度(即，在除了关闭期间的最低压缩机速度)。在其它实施例中当泄料阀48打开时也可将其它压缩机速度用作缺省速度。

定时器初始值T1可设定为任何期望值，例如，定时器初始值T1可设定成30秒。这将允许在完全停止压缩机之前有一段时间。当定时器达到最终值T3时，压缩机可完全停止。定时器可防止如果压缩流体使用系统的需求仅仅瞬时较低时压缩机不需要的停止和启动。控制器47将在低设定点继续操作压缩机，直到定时器值达到预定减速时间T2为止，该定时器值在图2的程序块108处监控。所述系统构造成使得当定时器到达T2时控制器47将压缩机的速度降低到低于低设定点，如图2的程序块110所示。例如，可将压缩机速度在减速时间T2设定为低设定点的百分之五十，以允许在最终停止压缩机之前降低空气端22和34内的压力。减速时间T2在定时器初始值T1为30秒的实施例中可例如设定成15秒。

压缩机系统还可设有贮槽压力传感器PS，以监控压缩机系统的贮槽内的压力。在描绘的实施例中，贮槽压力传感器PS构造成检测第二阶段空气端34的贮槽内的流体压力，并将指示流体压力的相应信号发送到控制器47。在某些实施例中，第一阶段空气端22的贮槽中的流体压力受到监控。在指示贮槽压力的信号表明贮槽压力低于预定值的情况下，控制器47将发送停止信号以停止压缩机。预定值选择成使得如果压缩机停止，贮槽压力的预定值足以低到回流将不会发生。如图2所示，一旦将压缩机速度设定成低于低设定点的速度(即，定时器值已达到T2)，就监控贮槽压力。这允许在定时器值达到最终值T3之前根据来自贮槽压力传感器PS的信号停止压缩机。

控制器逻辑允许当发信号泄料时压缩机减速。降低压缩机速度和泄料阀48打开的时间的顺序会减少或消除在压缩机入口处的回流。在某些实施例中，控制器47构造成当贮槽压力低于预定值，甚至在定时器已经达到减速时间T2之前停止压缩机。在这样的实施例中，用于比较贮槽压力信号与预定值的程序块114(图2所示)可与将定时器值与减速时间T2进行比较的程序块108平行重新安置。

尽管图1所示实施例以两阶段压缩机系统为特征，但本发明还包括与变速驱动器相结合的单级压缩机和具有三个或更多个压缩阶段的压缩机系统。此外，图1所示实施例指示单个马达14和变速驱动器12用于控制第一和第二空气端22和34，但本领域的技术人员应当认识到，单独的变速驱动器和马达可分别用于第一和第二空气端22和34中的每个空气端。

尽管描绘的变速驱动布置11包括整流/逆变驱动器12，但本领域的技术人员应当认识到，可采用其它变速驱动系统和部件，包括设计成在给定时间段上通过许多启动和停止而几乎对系统没有磨损或损害的循环的变速驱动器。其它的示例性系统采用直接向变速电动马达提供动力的可控制DC电源。

在此描绘和描述的部件仅仅表示压缩机系统的一个实施例和布置。除了在此描绘和描述的部件之外，为本领域技术人员所知的许多单独部件也可用于替换或附加。本领域的技术人员将意识到本发明的功能不完全依赖于示出并描述的部件，并且不必依赖于给定部件在系统中的精确放置。在此未示出或描述的许多结构的压缩机系统可确定地结合如所附权利要求中要求保护的结构和/或方法。

提供了一种压缩机系统，其具有压力控制设计，该设计消除了传统地在压缩机中使用的入口阀。根据本发明，压缩机中的压力通过如下方式控制：用变速驱动布置11控制压缩机速度，以及用泄料阀48、例如电磁操纵阀在最终阶段中释放或卸载压力。当在其低设定点驱动压缩机的情况下能够超过系统中的容量需求时，采用马达启动/停止控制，以停止压缩机，直到使用储存压力或体积需求增长。在此，术语压缩机速度涉及压缩元件例如空气端中的螺杆的速度。在某些实施例中，压缩机速度直接涉及驱动元件的速度、例如马达的速度，在某些情况下还包括传动装置的速度。

变速驱动布置11响应于指示在压缩机阶段下游的压缩流体导管中检测的压力、例如由传感器PS检测的压力的信号，通过加速或减速一个或多个系统中的压缩机阶段，来维持系统中相对恒定的下游压力。在目标压力段能够通过在压缩机可接受的速度范围中操作维持的条件下，下游压力可通过加速或减速变速驱动布置11来维持在目标压力段内。当下游压力开始升高并接近期望压力段的最大值时，控制器47接收指示检测压力的信号并控制驱动布置11以使压缩机减速。如果在压缩机已减速到其低设定点之后系统中的压力继续升高，控制器47将通过改变变速驱动布置11的速度、但通过启动和停止驱动布置11来停止控制压力。启动和停止将继续，以便将下游压力保持在可接受的压力段内。驱动布置22由于其使电流向上倾斜的“软启动”特性而能够启动和停止许多次。当再出现相当大的需求时，控制器47将经由变速驱动布置11控制压缩机速度，以将下游压力维持在期望的压力段内。

当下游压力达到最大阈值时，泄料阀48可打开以降低最终阶段的压力(除了使压缩机减速之外)。当下游压力下降到低于预定阈水平时，泄料阀48关闭。在某些实施例中，一旦开始，压缩机以低设定点运行，除非存在相对高的需求。当没有气流需求时通过将压缩机输入功率与所需流动匹配并通过关闭驱动布置11，所述控制减少维持系统气体压力所需的整体功率。所述系统设计减少释放过度压力的需求，并因此节省否则通过卸压而损失的能量。

在此描述的压缩机系统特别对于空气或气体的增压特别有用。压缩机系统提供在百分之零到百分之百的压缩空气体积需求上的压缩空气压力控制。因为压缩机系统与系统需求成比例地减少功率消耗，并当没有需求(或大致低的需求)时实现零压缩机功率，所以所述系统比先前研制的没有使用变速驱动器的压缩机系统消耗少得多的能量。

应当指出的是，前面的描述讨论了响应于压缩机的输出压力超过预定值关闭一个压缩机或多个压缩机的系统。但是，在此描述的系统可用于响应于任何需要停机的条件关闭一个压缩机或多个压缩机。同样地，许多系统包括启动停机过程的停机信号。该停机信号能够通过任何一个事件、测量或动作或事件、测量或动作的组合产生。例如，操作者可通过压下停机按钮开始停机。此外，高油温或低油位可开始停机信号。同样地，本发明不应局限于停机仅仅是高压读数的结果的应用。

对于本领域的技术人员显而易见的是，在不偏离本发明精神或范围的情况下能够对本发明的实施例作出各种修改和变体。因此，本发明意在覆盖所附权利要求和它们的等同物范围内的其它修改和变体。

Claims (24)

1.一种可操作用于响应于停机信号停机的压缩机系统，该压缩机系统包括：

压缩装置，该压缩装置可在第一速度和第二速度之间操作以产生一定压力的压缩流体流动；

泄料阀，该泄料阀可在关闭位置和打开位置之间移动，在该打开位置中，至少一部分压缩流体流动通过所述泄料阀，以降低压缩流体流动的压力；

传感器，该传感器定位成测量压力；和

控制器，该控制器可操作用于使该泄料阀移动到打开位置，并响应于停机信号将该压缩装置的速度设定到低设定点速度。

2.如权利要求1所述的压缩机系统，其中响应于测得的压力超过预定压力，产生所述停机信号。

3.如权利要求1所述的压缩机系统，其中所述压缩装置包括变速驱动器。

4.如权利要求1所述的压缩机系统，还包括可操作用于监视经过的时间的定时器，并且其中响应于经过第一预定时间段，所述控制器将所述压缩装置的速度降低至低于所述低设定点速度的第三速度。

5.如权利要求4所述的压缩机系统，其中响应于经过第二预定时间段，所述控制器将所述压缩装置的速度降低至零。

6.如权利要求4所述的压缩机系统，还包括贮槽传感器，该贮槽传感器位于贮槽中，并构造成向控制器提供指示所述贮槽中的压力的信号。

7.如权利要求6所述的压缩机系统，其中响应于测得的贮槽压力低于预定贮槽压力，所述控制器将所述压缩装置的速度降低至零。

8.如权利要求1所述的压缩机系统，其中所述泄料阀包括电磁操纵阀。

9.如权利要求1所述的压缩机系统，其中所述压缩装置包括至少一个接触冷却压缩机。

10.如权利要求1所述的压缩机系统，其中所述低设定点速度低于所述第一速度和所述第二速度。

11.如权利要求1所述的压缩机系统，还包括：贮槽传感器，该贮槽传感器位于贮槽中，并构造成向控制器提供指示所述贮槽中的压力的信号；以及定时器，该定时器可操作用于监视经过的时间，并且其中响应于经过预定时间长度和测得的贮槽压力低于预定压力中的一个，所述控制器将所述压缩装置的速度从所述低设定点速度降低至零。

12.如权利要求1所述的压缩机系统，其中所述压缩装置包括入口，并且其中导管提供所述泄料阀和所述入口之间的流体连通，以将压缩流体流动通过所述泄料阀的部分引导到所述入口。

13.一种压缩机系统，包括：

压缩装置，该压缩装置包括具有贮槽的压缩机和联接到该压缩机上的变速驱动器，该压缩装置可在第一速度和第二速度之间操作以产生具有压力的压缩流体流动；

泄料阀，该泄料阀可在关闭位置和打开位置之间移动，在该打开位置中，至少一部分压缩流体流动通过该泄料阀，以降低压缩流体流动的压力；

压力传感器，该压力传感器定位成测量压缩流体流动的压力；

贮槽压力传感器，该贮槽压力传感器定位成测量贮槽内的贮槽压力；和

控制器，该控制器可操作用于使该泄料阀移动到打开位置，并响应于压缩流体流动的测得压力超过预定压力，将压缩装置的速度设定到低设定点速度，并且可操作用于如下之一：响应于经过预定时间长度，将所述压缩装置的速度从所述低设定点速度降低到低于该低设定点速度的第三速度；和响应于测得的贮槽压力低于预定贮槽压力，将所述压缩装置的速度从所述低设定点速度降低到零。

14.如权利要求13所述的压缩机系统，还包括可操作用于输出指示经过的时间的信号的定时器。

15.如权利要求14所述的压缩机系统，其中响应于压缩流体流动的测得的压力超过预定压力，所述定时器开始定时循环。

16.如权利要求13所述的压缩机系统，其中响应于经过第二预定时间长度，所述控制器将所述压缩装置的速度从第三速度降低到零，响应于经过所述预定时间长度开始第二预定时间长度。

17.如权利要求13所述的压缩机系统，其中所述泄料阀包括电磁操纵阀。

18.如权利要求13所述的压缩机系统，其中所述压缩装置包括至少一个接触冷却压缩机。

19.如权利要求13所述的压缩机系统，其中所述低设定点速度低于所述第一速度和所述第二速度。

20.如权利要求13所述的压缩机系统，其中所述压缩装置包括入口，并且其中导管提供所述泄料阀和所述入口之间的流体连通，以将压缩流体流动通过所述泄料阀的部分引导到所述入口。

21.一种操作具有增加流动通过的流体的压力的压缩阶段的压缩机的方法，该方法包括：

检测压缩阶段下游的压缩流体压力；

将指示压缩流体压力的信号发送到控制器；

响应于所述信号，在初始值处启动停机定时器；

响应于所述信号，打开泄料阀以释放压缩流体压力；和

当停机定时器达到最终值时，将停止信号从控制器发送到可变频率驱动器，以使压缩机停止。

22.如权利要求21所述的方法，还包括：检测所述压缩机的流体贮槽中的贮槽压力；将指示所述贮槽压力的贮槽压力信号发送到所述控制器；以及当所述贮槽压力低于预定贮槽压力时，将停止信号发送到所述可变频率驱动器。

23.如权利要求21所述的方法，其中所述泄料阀向压缩阶段的进口区域释放过度的压缩流体压力。

24.如权利要求21所述的方法，还包括：响应于测得的压缩流体压力超过预定压力，将压缩机速度设定到低设定点；以及当所述停机定时器达到所述定时器的初始值和最终值之间的减速时间时，将压缩机速度降低到低于所述低设定点的速度。

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