CN101326408B

CN101326408B - 具有变速驱动器的制冷剂系统

Info

Publication number: CN101326408B
Application number: CN2005800522373A
Authority: CN
Inventors: M·F·塔拉斯; A·利夫森
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: EP1946014A4; CN101326408A; US8096139B2; US20090255278A1; WO2007046794A1; EP1946014A1

Abstract

制冷剂系统(10，100，200)提供有功率控制系统(30，130，230)。功率控制系统经由变速装置(75，175，275)调节驱动诸如压缩机、风扇或泵的制冷剂系统部件的马达的速度或旁路变速装置(75，175，275)以使用正常的操作速度。单一的功率控制系统可以提供为用于整个制冷剂系统或每个部件可以独立地控制。

Description

具有变速驱动器的制冷剂系统

技术领域

本发明一般地涉及通过变速驱动器驱动的机器，并且更特别地涉及具有变速部件的用于加热、通风、空气调节和制冷应用的系统。

背景技术

在通过变速驱动器驱动的机器中，由于与变速驱动器的操作相关的损失的功率和效率的损失为大约5％到10％。此效率损失或附加的功率汲取为限制变速驱动器在工业或其它设备中的应用的其中一个缺点。此限制在对于从机器的正常的操作速度减速或加速机器的需要不常见的场合特别显著。

此外，变速驱动器电子设备产生热量并且经常需要用外部源和/或通过转移循环通过制冷剂系统的制冷剂的一部分冷却。因此，在特定温度限制内操作变速驱动器的代价为附加的效率和功率汲取损失。而且，变速驱动器经常是减小总的系统维护和无间断运行间隔的不可靠性的源。

从而，需要具有提高的操作效率和改进的可靠性的具有以变速驱动的部件(或结合变速驱动器)的加热、通风、空气调节和制冷系统。本发明的方法和装备减小与变速驱动器的操作相关的损失。

本发明的一个目的为提供具有提高的操作效率和改进的可靠性的用于加热、通风、空气调节和制冷应用的系统。

本发明的再一个目的为提供对于变速驱动器系统的部件具有增加的使用寿命和维护间隔的系统。

本发明的再一个目的为提供允许变速驱动器系统的选择的操作的构造。

发明内容

在一个方面，提供了用于具有带有正常的操作速度的交流马达的制冷剂系统的功率控制系统。功率控制系统包括连接到交流马达的变频驱动器，和连接到交流马达并且能够连接到功率源的旁路装置。旁路装置能够选择地在第一和第二位置之间切换。第一位置提供从功率源到变频驱动器的连接，由此导致交流马达以比正常的操作速度更低或更高的速度运行。第二位置通过旁路变频驱动器提供从功率源到交流马达的连接，由此导致交流马达以正常的操作速度运行。

在另一个方面，提供了包括蒸汽压缩系统和功率控制系统的制冷剂系统。蒸汽压缩系统包括具有压缩机马达的压缩机。功率控制系统包括变速驱动器装置和旁路装置。旁路装置连接到压缩机马达并且能够连接到功率源。旁路装置能够选择地在第一和第二位置之间切换。第一位置提供从功率源到变速驱动器装置的连接，由此导致压缩机马达以比正常的操作速度更低或更高的速度运行。第二位置通过旁路变速驱动器装置提供从功率源到压缩机马达的连接，由此导致压缩机马达以正常的操作速度运行。

在再一个方面，提供了操作制冷剂系统以满足空间热负载需求的方法。方法包括提供具有包括交流马达的压缩机的蒸汽压缩系统，确定交流马达是否需要在正常的操作速度以下或以上的速度运行以满足空间热负载需求，对应地减小或增加交流马达的速度到正常的操作速度以下或以上的速度以满足空间热负载需求，其中，通过经由变频驱动器调节供应给交流马达的功率的频率和/或电压改变速度，并且，如果通过以正常的操作速度运行交流马达满足空间热负载需求，则通过旁路变频驱动器将功率提供给交流马达。

变速驱动器装置可以为变频驱动器并且马达可以为交流马达。变速驱动器装置可以为电压控制模块并且马达可以为直流马达。旁路装置能够包括二位置开关和旁路回路。旁路回路可以连接在变速驱动器装置和功率源之间以提供直接到马达的连接。蒸汽压缩系统典型地至少具有冷凝器、膨胀装置、和蒸发器，其中，冷凝器和蒸发器具有包括风扇马达的风扇。风扇马达可以连接到旁路装置，其中，旁路装置的第一位置提供从功率源到变速驱动器装置的连接，由此导致风扇马达比正常的操作速度更低或更高的速度运行，并且其中，旁路装置的第二位置通过旁路变速驱动器装置提供从功率源到风扇马达的连接，由此允许风扇马达以正常的操作速度运行。方法还能够包括监测制冷剂系统的参数以确定施加到制冷剂系统的空间热负载。而且，根据需要，每个风扇可以具有分开的功率控制系统以增加操作灵活性。此外，变速液体泵可以代替风扇以相似的方式使用，但是循环液体(代替空气)通过冷凝器和蒸发器。

本领域中的普通技术人员将通过接下来的详细描述、附图、和后附的权利要求书明白和理解本披露物的上述和其它特征和优点。

附图说明

图1为具有本发明的功率控制系统的示例性的实施例的制冷剂系统的示意图，

图2为具有本发明的功率控制系统的替代的示例性的实施例的制冷剂系统的示意图，及

图3为具有本发明的功率控制系统的另一个替代的示例性的实施例的制冷剂系统的示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了且一般地通过参考数字10指示的具有通过变速驱动器驱动的机器的系统的示例性的实施例。系统10的示例性的实施例为制冷剂系统。本领域中的普通技术人员应该理解，制冷剂系统10的特别的类型能够改变，包括(但不限于)加热、通风、空气调节和制冷系统，并且系统的特别的部件能够改变以实现特定的空间调节目的。本领域中的普通技术人员已知这样的制冷剂系统部件。例如，能够通过循环诸如例如水或盐水的液体的泵代替运动空气穿过冷凝器和蒸发器的风扇用于热传递目的。

制冷剂系统10具有蒸汽压缩系统20和功率/控制系统30。蒸汽压缩系统20包括用于实现调节的空间内的希望的特性的典型的部件，包括具有不同的阀和互连的管的制冷剂回路25。蒸汽压缩系统20包括在回路25内互连的压缩机40、冷凝器50、和蒸发器60。在示例性的实施例中，风扇55和65分别与冷凝器50和蒸发器60流体连通，并且膨胀装置70在回路25内定位在冷凝器和蒸发器之间。然而，蒸汽压缩系统20的特别的构造和部件(包括制冷剂回路25的构造)能够根据施加在系统10上的特别的需求改变。

功率/控制系统30提供电功率以驱动部件，例如，压缩机40和/或风扇55和65，以及控制蒸汽压缩系统20的部件中的一个或多个。功率/控制系统30具有经由电路35连接到压缩机40的交流马达并且还连接到功率源80的变频驱动器75(“VFD”)。功率旁路装置90提供在VFD75和功率源80之间。在系统10的示例性的实施例中，功率旁路装置90为二位置开关92和旁路回路94。然而，本披露物预期使用其它结构、装置、回路和/或方法以选择地将功率提供给VFD75或替代地旁路VFD75并且将功率直接提供给压缩机40的马达。

VFD75通过改变提供给马达的功率的频率和/或电压调节压缩机40的马达的速度。本领域中已知用于经由VFD75调节或控制频率和电压的功率电子设备，诸如例如，整流器和逆变器桥，并且能够根据系统10的特别的需要改变。此调节允许压缩机40的马达以比正常的操作速度更低或更高的速度运行。例如，在当对于制冷剂系统的调节的空间或环境条件内的热负载改变或使用者改变调节的空间设定时的情况下，这样的速度调节将改进系统性能。然而，当压缩机40需要以其正常的速度操作以满足可感觉的和潜在的容量需求时，则VFD75的使用招致效率损失和附加的功率汲取，例如，上面提到的与VFD功率电子设备的操作相关的损失和与VFD的冷却以在特定的温度限制内操作相关的损失。为了以正常的操作速度使用压缩机40，功率旁路装置90将功率直接提供给压缩机马达，由此从电路排除VFD75并且改进制冷剂系统的操作效率和可靠性。

能够通过不同的方法和/或装置实现旁路装置90的选择的控制或切换，包括自动的和手动的旁路。在示例性的实施例中，通过控制系统95操作旁路装置90，控制系统95确定压缩机40的马达是否以其或将以其正常的操作速度操作以满足空间热负载需求，并且基于该确定结果打开或关闭二位置开关92或其它旁路装置。能够通过本技术领域中已知的不同的促动器、装置和方法实现二位置开关92或其它旁路装置的打开或关闭，并且控制系统95能够为用于制冷剂系统10的总的控制系统的子系统或子程序。替代地，能够手动地实现二位置开关92的打开或关闭，并且控制系统95能够提供可读的指示，指示压缩机40将以正常的操作速度操作以满足空间热负载需求。

传感器布置在遍及蒸汽压缩系统20的不同的位置以监测系统的操作参数。通过传感器收集的数据或信息能够用于例如通过控制系统95控制或切换旁路装置90以打开或关闭二位置开关92。传感器包括但不限于温度传感器T(例如，温度换能器)、压力传感器P(例如，压力换能器)、电流传感器I、功率传感器W、扭矩传感器TR、滑动传感器S、用于这些操作参数中的每个的换能器等。对于制冷剂系统10，压力传感器和饱和温度传感器的使用一般是可互换的，因为在压力和对应的饱和温度之间存在直接的关系。此外，压缩机的排放可以具有用于更加精确的测量的温度传感器。通过传感器监测的对应的操作参数能够包括但不限于室外和室内风扇马达电流、功率、扭矩或滑动、压缩机马达电流、功率、扭矩或滑动、冷凝器饱和排放温度、蒸发器饱和吸入温度、压缩机吸入和排放压力、和压缩机排放温度。传感器和旁路装置90，例如控制系统95之间的连接或通信方法没有示出，但是为本领域中的普通技术人员已知。根据从这些传感器收集的信息决定何时从变频驱动器切换到恒定速度操作。与存在附加的逆变器损失的、以不同于通过工业频率提供的速度的速度操作相比，能够至少部分地基于以工业频率运行的效率旁路变速装置。诸如功率限制、安全考虑和操作可靠性的其它需要考虑的事项可以包括在用于形成切换决定的控制系统95的控制逻辑内。控制系统95能够包括用于确定压缩机40的马达是否需要以正常的操作速度运行以满足空间热负载的其它传感器。这样的传感器能够监测系统10的各种参数，包括环境温度和调节的空间的温度。

在系统10的示例性的实施例中，风扇55和65还连接到旁路装置90并且经由旁路装置90控制。这允许以与通过VFD75调节压缩机40的马达的速度相同的方式实现对风扇马达的选择的变速控制。当风扇55和65以或将以正常的操作速度操作时，还能够经由旁路装置90直接为风扇55和65提供功率，以避免与VFD75相关的效率损失。

由于通过VFD75的功率电子设备产生的热量，蒸汽压缩系统20还能够经由制冷剂线路27(如通过虚线示出的)为VFD提供冷却。制冷剂线路26在冷凝器50的下游从主制冷剂回路25引出制冷剂的一部分并且在蒸发器60的下游通过线路27将其返回，并且可以包括阀27A和27B，每个阀可以为可调节的类型。制冷剂线路26和27将制冷剂的一部分从主制冷剂回路25供应给VFD75以从VFD的电子设备移除热量并且随后将制冷剂返回主制冷剂回路25。线路26和27相对于主制冷剂回路25的其它位置也是可行的。另外，功率控制系统30的特别的构造和部件(包括电路35的构造)可以根据对制冷剂系统10的特别的需求改变。类似地，如果液体泵55’或65’(以虚线示出的)分别代替风扇55或风扇65用于蒸汽压缩系统20内的热传递相互作用，能够应用相似的设计和控制方法。液体泵55’和65’中的每个以及风扇55和 65的VFD也可以独立地旁路。

参考图2，示出了一般地通过参考数字100指示的制冷剂系统的替代的示例性的实施例。同样，本领域中的普通技术人员应该理解，制冷剂系统100的特别的类型能够改变，包括(但不限于)加热、通风、空气调节和制冷，并且系统的特别的部件能够被改变以实现特别的目的。

制冷剂系统100具有与图1所示的制冷剂系统10的部件和系统相似并且相似地标识的部件和系统，诸如蒸汽压缩系统20及其部件。制冷剂系统100还具有包括与图1所示的功率/控制系统30的部件相似并且相似地标识的部件的功率/控制系统130。功率/控制系统130提供电功率以驱动部件，例如，压缩机40和风扇55和65，以及控制蒸汽压缩系统20的部件中的一个或多个。类似地，如果流体泵代替风扇55或风扇65使用，能够应用相同的设计和控制方法。

功率/控制系统130具有经由电路35连接到压缩机40的直流马达并且还连接到功率源80的电压控制模块175(“VCM”)。在系统100的此替代的示例性的实施例中为二位置开关92和旁路回路94的功率旁路装置90提供在VCM175和功率源80之间。但是，本披露物预期使用其它结构、装置和/或方法以选择地为VCM175提供功率或替代地旁路VCM并且将功率直接提供给压缩机40的马达。

VCM175通过改变提供给马达的功率的电压调节压缩机40的马达的速度。用于经由VCM175调节或控制电压的功率电子设备在本领域中已知并且能够根据系统100的特别的需要改变。通过VCM175调节电压允许压缩机40的马达以与其正常的操作速度不同的速度运行并且改进超过设计范围的状况期间的系统性能。当压缩机40以正常的速度操作时，旁路VCM175，并且将电功率直接提供给压缩机的马达。经由旁路装置90的此选择的控制或切换能够如上文中关于系统10的示例性的实施例描述的实现，包括但不限于使用控制系统95。

本披露物预期使用其它变速驱动器装置和/或功率电子电路代替VFD75或VCM175，其能够调节用于压缩机40和/或蒸汽压缩系统20的其它部件的交流或直流马达的速度，但是当预期正常的操作速度时其还能够经由旁路装置90旁路以将功率直接提供给马达，并且避免效率损失。类似地，如果液体泵55’或65’(以虚线示出)代替风扇55或 65与蒸汽压缩系统20内的热交换器一起使用，能够应用相似的设计和控制方法。液体泵55’和65’中的每个以及风扇55和65的VCM可以独立地旁路。

参考图3，示出了一般地通过参考数字200指示的制冷剂系统的另一个替代的示例性的实施例。同样，本领域中的普通技术人员应该理解，制冷剂系统200的特别的类型能够改变，包括(但不限于)加热、通风、空气调节和制冷，并且系统的特别的部件能够改变以实现特别的目的。

制冷剂系统200具有与上文中所述的制冷剂系统10的部件和系统相似并且相似地标识的部件和系统，诸如蒸汽压缩系统20及其部件。制冷剂系统200还具有包括与功率/控制系统30的部件相似并且相似地标识的部件的功率/控制系统230。功率/控制系统230提供电功率以驱动部件，例如，压缩机40和风扇55和65，以及控制蒸汽压缩系统20的部件中的一个或多个。

功率/控制系统230具有通过系统控制器操作的多个变频驱动器275。VFD中的每个连接到制冷剂系统20的不同的部件，诸如例如，压缩机40的马达和风扇55和65中的每个的马达。功率旁路装置90提供在VFD275和功率源80之间，在系统200的此替代的示例性的实施例中为二位置开关92和旁路回路94。然而，本披露物预期使用其它结构、装置和/或方法以选择地将功率提供给VFD275或替代地旁路VFD并且将功率直接提供给压缩机40的马达和风扇55和65的马达。

功率/控制系统230能够利用连接到压缩机40的直流马达的与关于功率/控制系统130描述的相似的电压控制模块(“VCM”)。如上文中提到的，通过独立地控制用于制冷剂系统20的不同的部件的VFD或VCM中的每个增加系统灵活性。部件中的每个的VFD或VCM(或二者的结合)能够独立地旁路或直接提供功率以增加系统操作效率和灵活性。类似地，如果液体泵55’或65’(以虚线示出)代替风扇55或65与蒸汽压缩系统20内的热交换器一起使用，则能够应用相似的设计和控制方法。液体泵55’和65’中的每个的VFD或VCM也可以独立地旁路。

虽然参考一个或多个示例性的实施例描述了本披露物，本领域中的普通技术人员应该理解，可以在不偏离本发明的范围的情况下进行不同的改变，并且可以用等价物代替其元件。另外，可以进行许多修改以在不偏离本发明的范围的情况下使得特别的情形或材料适应本披露物的教示。因此，披露物不打算受限于作为执行此发明的最佳模式披露的特别的实施例，本发明将包括属于后附的权利要求书的范围的全部实施例。

Claims

1.一种功率控制系统，用于包括蒸汽压缩系统的系统，所述蒸汽压缩系统包含：

具有正常的操作速度的电动压缩机马达；

冷凝器；

蒸发器；

冷凝器风扇马达或包括冷凝器泵马达的冷凝器泵；和

蒸发器风扇马达或包括蒸发器泵马达的蒸发器泵；

所述功率控制系统包括：连接到所述电动压缩机马达以及所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达及所述蒸发器泵马达中的至少一个的变速驱动器，

连接到电动压缩机马达和所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达及所述蒸发器泵马达中的所述至少一个并且能够连接到功率源的旁路装置，

其中，所述旁路装置能够选择地在第一和第二位置之间切换，

其中，所述第一位置将电功率从功率源提供给所述变速驱动器，由此导致电动压缩机马达及所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达及所述蒸发器泵马达中的所述至少一个以与正常的操作速度不同的速度运行，并且

其中，所述第二位置通过旁路所述变速驱动器将电功率从功率源提供给所述电动压缩机马达以及所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达及所述蒸发器泵马达中的所述至少一个，由此导致电动压缩机马达及所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达及所述蒸发器泵马达中的所述至少一个以正常的操作速度运行。

2. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述旁路装置包括二位置开关和旁路回路，并且其中，所述旁路回路连接在所述变速驱动器和功率源之间。

3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述变速装置为变频驱动器，并且其中，所述马达为交流马达。

4. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述变速装置为电压控制模块，并且其中，所述马达为直流马达。

5．根据权利要求1所述的功率控制系统，所述系统进一步包括：

制冷剂冷却线路，用于从蒸气压缩系统的主制冷剂回路引出制冷剂的一部分并为功率控制系统提供冷却；及

用于调节通过所述制冷剂冷却线路的制冷剂流的阀。

6. 制冷剂系统，包括：

蒸汽压缩系统，它具有：包含压缩机马达的压缩机；冷凝器；蒸发器；冷凝器风扇马达或包括冷凝器泵马达的冷凝器泵；和蒸发器风扇马达或包括蒸发器泵马达的蒸发器泵；和

功率控制系统，它具有：变速装置；和旁路装置；

其中，所述旁路装置连接到所述压缩机马达以及所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达及所述蒸发器泵马达中的至少一个并且能够连接到功率源，

其中，所述第一位置将电功率从功率源提供给所述变速装置，由此导致所述压缩机马达及所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达及所述蒸发器泵马达中的所述至少一个以与正常的操作速度不同的速度运行，并且

其中，所述第二位置通过旁路所述变速装置将电功率从功率源提供给所述压缩机马达以及所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达及所述蒸发器泵马达中的所述至少一个，由此导致所述压缩机马达及所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达及所述蒸发器泵马达中的所述至少一个以所述正常的操作速度运行。

7. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述变速装置为变频驱动器，并且其中，所述压缩机马达为交流马达。

8. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述变速装置为电压控制模块，并且其中，所述压缩机马达为直流马达。

9. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述旁路装置包括二位置开关和旁路回路，并且其中，所述旁路回路连接在所述变速装置和功率源之间。

10. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述变速装置为变频驱动器，并且其中，所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达或所述蒸发器泵马达中的所述至少一个为交流马达。

11. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述变速装置为电压控制模块，并且其中，所述冷凝器风扇马达、所述蒸发器风扇马达、所述冷凝器泵马达或所述蒸发器泵马达中的所述至少一个为直流马达。

12. 根据权利要求6所述的系统，其中，所述旁路装置包括二位置开关和旁路回路，并且其中，所述旁路回路连接在所述变速装置和功率源之间。

13．根据权利要求6所述的制冷剂系统，其进一步包括：

用于调节通过所述制冷剂冷却线路的制冷剂流的阀。

14. 操作制冷剂系统以满足调节的空间热负载的方法，包括：

提供具有电动压缩机马达和电气元件马达的蒸汽压缩系统，所述电气元件马达驱动一个选自基本上由压缩机、冷凝器风扇、冷凝器泵、蒸发器风扇、蒸发器泵及其中任意组合构成的组的元件，

确定所述电动压缩机马达和电气元件马达是否要以与正常的操作速度不同的速度运行以满足调节的空间热负载，

调节所述电动压缩机马达和电气元件马达的速度以满足调节的空间热负载，其中，通过变速装置调节所述速度，及

如果能够通过以所述正常的操作速度运行所述电动压缩机马达和电气元件马达满足空间调节负载，则通过旁路所述变速装置将电功率提供给所述电动压缩机马达和电气元件马达。

15. 根据权利要求14所述的方法，还包括：

与存在附加的逆变器损失的、以不同于通过工业频率提供的速度的速度操作相比，监测制冷剂系统的操作参数并且至少部分地基于以工业频率运行的效率来旁路所述变速装置。

16. 根据权利要求15所述的方法，还包括：

经由从包括温度换能器、压力换能器、电流换能器、功率换能器、扭矩换能器、滑动换能器或它们的任何组合的组中选择的至少一个换能器监测制冷剂系统的所述操作参数。

17．根据权利要求14所述的操作制冷剂系统的方法，其进一步包括以下步骤：

利用来自所述蒸气压缩系统的制冷剂为所述变速装置提供冷却。