CN101375490A - 用于供暖、通风、空调以及制冷冷却器的跨越方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种在冷却器/制冷系统中提供跨越能力的方法，利用具有有源变换器级、直流链路级以及逆变器级的变速驱动装置，该变速驱动装置用于提供变频和变压来给至少一个电机供电。感应电机连接到该逆变器级的输出端来驱动在冷却器/制冷系统中的压缩机。该跨越方法包括运行该有源变换器来将该直流链路级的直流链路电压调节到预定的电压水平，直到有源变换器中的电流等于预定的电流限值；然后，一旦达到该变换器的电流限值，将该直流链路的调节转移到该逆变器。卸载该压缩机，并且逆向该逆变器中的能流以保持该直流链路级的电压水平。预旋叶片、滑阀或者单向阀用来卸载该压缩机。

Description

用于供暖、通风、空调以及制冷冷却器的跨越方法和系统
有关申请的相互引用
本申请是于2005年9月2日提交的第11/218,757号美国申请的部分继续申请。
发明背景
本发明总体涉及变速驱动装置，更具体地，涉及用于供暖、通风、空调以及制冷(HVAC&R)装置中的、具有电压暂降跨越能力(voltage-sag ride through capability)的变速驱动装置。
在HVAC&R系统中使用变速驱动装置(VSD)，用以提供变幅和变频的交流电压给驱动冷却压缩机的电机。VSD一般由输入整流器、直流链路以及逆变器组成。VSD输入整流器将由电力工业以固定幅度和固定频率供应的线交流电压整流成直流电压。在直流链路处，具有能量存储能力的无源元件(例如电容器)过滤和稳定该直流电压。该直流链路电压然后被转换成供应电力负载的、变幅变频的交流电压。在HVAC&R装置中，电力负载通常是连接到压缩机的电机。VSD特别易受到被称作电压暂降的欠压现象的影响，该欠压现象出现在电力供应输入。如果不以其他方法调整和补偿这种电压，电压暂降现象会被一直反映到直流链路电压和负载。大部分的线电压暂降出现在大约几毫秒到几秒的短时间内。这种电压暂降可以引起直流链路电压暂降，以及引起VSD系统关闭。VSD的跨越电压暂降而不关闭以及在恢复输入电压之后继续运转的能力在VSD中被认为是有利的，因为它减少了HVAC&R装置的停机时间。对于基于电压源逆变器(VSI)技术的VSD，一般是通过将直流链路电压维持在额定值或额定值附近来实现跨越能力的。VSD然后能够提供足够的电压来驱动电机。否则，如果该直流链路电压完全降到其额定值以下，则VSD和冷却器控制系统会关闭以防止不规则的以及可能有害的电机或压缩机的运转。
但是，用在VSD中的最常见类型的整流器是无源整流器。无源整流器一般包括三相式二极管桥。使用无源整流器，直流链路电压直接与输入线电压成比例。因而，无源整流器没有补偿输入线电压的变化。因而，电压暂降会引起直流链路电压降低，这进而可能引起VSD关闭。
当在VSD中使用无源整流器时，一种提高跨越能力的可能方式是提供一个连接到直流链路的附加电源，如在Annette von Jouanne等人的Assessment of Ride-Through Alternatives forAdjustable-Speed DriVes，35 IEEE Transactions on IndustryApplications 908(1999)所述的，通过引用的方式将该文纳入本说明书中。这种附加电源可由附加电容器、直流升压变换器、蓄电池、超级电容器、电机-发电机组、飞轮、超导磁储能系统、燃料电池等提供。所有这些都需要附加的硬件，因而大大增加了VSD的成本。一种增加带无源前端的VSD的跨越能力的相对便宜的方法是使用负载惯性以在电压暂降期间发电(也如上面引用的Annette von Jouanne等人的文章中所述)。为了实现这种增加跨越能力的方法，在电压暂降期间逆变器输出频率被调整到一稍微低于电机负载频率的值。这使得电机充当发电机并且使得电机将直流链路电压保持在所期望的水平上。这种方法一般需要电机速度和电流传感器，这可能增加VSD的成本。
美国专利第6,686,718号描述了多种增加VSD的跨越能力的技术。例如，另一种增加VSD的跨越能力的可能方法是使用有源整流器。通过使用能够打开和关闭线电流的电源设备以及专用的控制方法，这种整流器能够补偿输入线电压的变化。因而，可以将直流链路电压保持在大到完全能够阻止VSD关闭的值。在Annabelle van Zyl等人的Voltage Sag Ride-Through for Adjustable-Speed Drives withActive Rectifiers，34 IEEE Transactions on Industry Applications1270(1998)中描述了这种技术，通过引用的方式将该文纳入本说明书中。
一种有源整流器采用脉宽调制(PWM)升压整流器。可以在输入线电压减小或暂降期间将直流链路电压紧密地调节在标称值。但是，升压整流器的输入交流电流随着线电压减小而增大。由于升压整流器元件的实际电流感应和电流转换限制，不能允许输入交流电流无限增大。相反，必须(通过升压整流器控制算法)将它控制为使得它从不超出预定极值，该预定极值被称为升压整流器电流极值。只要升压整流器的输入电流低于或处于电流极值，就可以将升压整流器的输出直流电压紧密控制在标称定位点。但是，如果在达到升压整流器的电流极值之后线电压继续降低，则升压整流器不再能够将输出直流电压调节到该定位点值，尽管输入电流仍被控制在电流极值水平。随着VSD的逆变器部分继续从直流链路电容器提取电流以与电压暂降开始之前相同的动力水平驱动电机，存储在直流链路电容器中的能量被传递到负载并且直流链路的电压减小。如果这种情况继续一个充足的时段，则直流链路电压会减小到预定故障阈值以下并且冷却系统会最终关闭。
因而，需要的是，一种用于增加被应用到HVAC&R系统中的VSD的跨越能力、使其超过上述技术水平的通用VSD的现有跨越能力的方法。这种新方法基于:升高和控制直流链路的电压以使电压暂降期间VSD和HVAC&R系统的运转时段最大化，为将能量保存在直流链路电路中，捕获和保持旋转电机惯性中所存储的最大量的能量，以及利用HVAV&R系统的制冷剂和水回路中所存储的能量以在输入电压暂降期间最大化该系统的跨越能力。
发明内容
本发明公开了一种在用于HVAC&R系统的VSD中提供跨越能力的方法，该HVAC&R系统包括与压缩机机械连接的电机，以及用于给该电机提供动力的变速驱动装置。该变速驱动装置包括由直流链路级电连接的有源整流器级和逆变器级。线交流电压、输入交流电流、直流链路电压以及电机交流电流都被系统监控和/或检测。在正常运转期间和在电压暂降期间通过有源整流器将直流链路级的直流电压调节到定位点。直流链路级的直流电压的调节还从有源整流器级转移到逆变器级以响应进入有源整流器中的输入电流达到预定电流极值，并且停止制冷剂系统中的压缩机所做的工作。然后经由逆变器通过逆转能流使其从电机流到直流链路来控制直流链路级的直流电压。对该直流链路级的直流电压的控制转移回到有源整流器级以响应所监控的线交流电压恢复到预定阈值电压值。
本发明的一个方面，公开了一种用于控制变速驱动装置跨越电压暂降的方法。该方法包括步骤:提供连接到机械负载的电机和压缩机；提供变速驱动装置来给电机提供动力，该变速驱动装置包括由直流链路级电连接的有源变换器级和逆变器级；监控该直流链路级的直流电压；监控该有源变换器级的输入参数；用有源变换器调节该直流链路级的直流电压以响应所监控的直流链路电压的变化；将直流链路级的直流电压的调节转移到逆变器级以响应该直流电压小于预定的第一阈值电压；从压缩机去掉机械负载；以及利用逆变器级通过逆转能流使其从电机流到直流链路级来控制直流链路级的直流电压。
另一方面，本发明针对一种用于增加冷却系统中的电压暂降跨越能力的方法，包括步骤:提供机械连接在一起的电机和压缩机；提供变速驱动装置来给电机提供动力，该变速驱动装置包括由直流链路级电连接的有源变换器级和逆变器级；监控该直流链路级的直流电压；监控该有源变换器级的输入参数；通过有源变换器级调节该直流链路级的直流电压；通过逆变器级调节电机速度；将直流链路级的直流电压的调节转移到逆变器级以响应该直流链路级的直流电压小于预定的第一阈值电压；给压缩机卸载；去活有源变换器级；以及利用逆变器级通过逆转能流使其从电机流到直流链路级来控制直流链路级的直流电压。
本发明还针对一种冷却系统，包括:压缩机、冷凝器、蒸发器，它们被连接在封闭的制冷回路中；用于响应压缩机的运转速度的减小给压缩机卸载的卸载设备；连接到压缩机以给压缩机提供动力的电机；以及连接到电机的变速驱动装置，该变速驱动装置被构形为接收处于固定输入交流电压和固定输入频率的输入交流电并且提供变压变频的输出电给电机，该变速驱动装置具有幅度上大于固定输入交流电压的最大电压以及该变速驱动装置具有大于固定输入频率的最大频率，该变速驱动装置包括:连接到提供输入交流电的交流电源的变换器级，该变换器级被构形为将输入交流电压变换到直流电压；连接到该变换器级的直流链路，该直流链路被构形为过滤该直流电压并存储来自变换器级的能量；连接到该直流链路的逆变器级，该逆变器级被构形为将来自该直流链路的直流电压变换成用于电机的、具有可变电压和可变频率的输出电；控制变速驱动装置运转的控制面板，该控制面板被构形为用逆变器级调节直流链路级的直流电压以响应该直流电压小于预定的第一阈值电压；其中该控制面板通过提供控制信号以机械卸载压缩机，利用逆变器级来调节直流链路级的直流电压；以及逆转能流使其从电机流到直流链路级来控制直流链路级的直流电压。
本发明的一个优点是能够提供改善的输入电压暂降跨越能力以阻止在输入电压暂降期间冷却系统关闭。
本发明的另一个优点是能够在电压暂降期间最小化直流链路电容器的放电、通过机械卸载冷却系统来保持电机和压缩机的旋转质量中所存储的能量，同时依靠制冷剂和冷却的水或者盐水系统的热量存储能力，以最大化HVAC&R系统的热跨越能力。
本发明的又一个优点是能够将电机和压缩机的旋转质量与直流链路之间的能流逆转，以将能量供给该直流链路。
从下面结合以举例方式示出本发明原理的附图对优选实施方式进行的更详细的描述，本发明的其他特点和优点将显而易见。
附图说明
图1示意性地示出了本发明的总的系统结构。
图2示意性地示出了用在本发明中的变速驱动装置的一个实施方案。
图3示意性地示出了可以和本发明一起使用的制冷系统。
图4示出了本发明的简化框图。
图5A示出了本发明的实施方案的流程图。
图5B示出了本发明的优选实施方案的流程图。
图6至9示出了在图5A中显示的流程图的一部分。
图10示出了图5B的流程图的一部分。
尽可能地，将在所有的图中使用相同的标记号来指代相同或相似部件。
具体实施方式
图1总体上示出了本发明的系统结构。交流电源102将固定电压和频率的交流电供给变速驱动装置(VSD)104，该变速驱动装置进而将可变电压和频率的交流电供给电机106。电机106优选地用来驱动制冷或冷却系统对应的压缩机(大致参见图3)。该交流电源102通过某一位置处的交流电力网或分布式系统对VSD 104提供单相或多相(如三相)的、电压固定和频率固定的交流电。该交流电力网可直接供应自电力工业或者可供应自电力工业和交流电力网之间的一个或多个变电站。根据相应的交流电力网，交流电源102可以优选地将三相交流电压或50Hz或60Hz线频率的200V、230V、380V、460V或575V的线电压供应给VSD104。应理解的是，根据交流电力网的构型，交流电源102可以提供任意合适的固定线电压或固定线频率给VSD 104。另外，个别位置可以有多个交流电力网，该多个交流电力网可以满足不同的线电压和线频率的要求。例如，一个位置可以有230V交流电力网，以处理某些特定的应用以及有460V交流电力网，以处理其他应用。
VSD 104从交流电源102接收具有某一固定线电压和固定线频率的交流电并且将交流电以期望的电压和期望的频率提供给电机106，可以改变电压和频率两者以满足具体的要求。优选地，VSD 104可以将具有比接收自交流电源102的固定电压和固定频率更高的电压和频率或更低的电压和频率的交流电提供给电机106。图2示意性地示出了一个VSD 104实施方案中的一些部件。VSD 104可以具有三个级:整流器/变换器级202、直流链路级204以及逆变器级206。整流器/变换器202将来自交流电源102的固定频率、固定幅度的交流电压变换成直流电压。直流链路204过滤来自变换器202的直流电并且提供诸如电容器和/或电感线圈等的储能元件。最后，逆变器206将来自直流链路204的直流电压变换成用于电机106的可变频率、可变幅度的交流电压。
由于VSD 104可以提供可变输出电压和可变频率给电机106，因此电机可以在多种不同的工况下运行，例如根据电机的具体负载以固定流量(flux)或固定伏特/赫兹的方式运行。优选地，根据控制面板接收到的具体的传感器读数，控制面板、微处理器或者控制器可以提供控制信号给VSD 104来控制VSD 104和电机106的运行，以对VSD104和电机106提供优化的运行设置。例如，在图3的制冷系统300中，控制面板308可以调整VSD 104的输出电压和频率，以适应制冷系统的不断变化的状况，即，为了获得所期望的电机106的运行速度以及所期望的压缩机302的输出负载，该控制面板308可以增加或减小VSD 104的输出电压和频率以响应压缩机302上增加或减小的负载状况。
在优选实施方案中，整流器/变换器202是具有绝缘栅双极晶体管(IGBT)的三相脉宽调制升压整流器，以提供升压的直流电压给直流链路204，以从VSD 104获得比VSD 104的输入电压大的最大均方根(RMS)输出电压。在可替换的实施方案中，变换器202可以是二极管或闸流管整流器，为了从VSD 104获得比VSD 104的输入电压大的输出电压，该二极管或闸流管整流器可能连接到升压直流/直流变换器以提供升压的直流电压给直流链路204。在另一实施方案中，整流器/变换器202可以是没有电压升高能力的无源二极管或闸流管整流器。
在本发明的优选实施方案中，VSD 104可以提供分别至少是被提供给VSD 104的固定电压和固定频率的1.04倍和3倍的输出电压和频率。另外，应理解的是，VSD 104可以包含与显示在图2中的元件不同的元件，只要VSD 104可以给电机106提供适当的输出电压和频率。
VSD 104还可以包括预充电系统(未示出)，该预充电系统可以控制直流链路电压从0V增加到接近交流线电压峰值的值，以避免在交流电压首次被施于VSD 104时VSD 104中大的冲击电流，该冲击电流可以损坏VSD 104的元件。该预充电系统可以包括预充电触头(contactor)，该预充电触头(contactor)用来连接位于输入交流电源102和整流器/变换器202之间的、或者有时也位于整流器/变换器202的输出和直流链路204之间的预充电电阻器。这些预充电电阻器把冲击电流限制在一个可管理的水平上。在完成预充电之后，通过打开预充电触头将预充电电阻器从电路中排除，并且通过闭合另一个被称为供给触头的触头，将输入交流电源102直接连接到变换器202。供给触头在系统运行期间保持闭合。或者，通过使用合适的功率半导体器件，并结合适当的预充电控制装置，可以将预充电装置包含进整流器/变换器202的设计中。
另外，VSD 104可以给HVAC&R系统提供具有大约单一功率因素的电。最后，VSD 104将由电机106接收的电压和频率调整为高于或低于由VSD 104接收的固定线电压和固定线频率的能力，使得HVAC&R系统可以运行在多种国外和国内的电力网上，而不必对不同的电源更换电机106或者VSD 104。
电机106优选地是能够以可变速度被驱动的感应电机。感应电机可以具有任意合适的电极布置，包括二极、四极或六极。感应电机用来驱动负载，优选地驱动如图3所示的制冷系统的压缩机。
如图3所示，HVAC、制冷或者液体冷却系统300包括压缩机302、冷凝器304、蒸发器306以及控制面板308。控制面板308包括诸如模数(A/D)变换器、微处理器、非易失性存储器以及接口板等的各种不同元件，以控制制冷系统300的运行。控制面板308也可用来控制VSD 104和电机106的运行。常规的制冷系统300包括没有显示在图3中的许多其他特征。为易于展示，故意省略了这些特征以简化图形。
压缩机302压缩制冷剂蒸气以及通过排出管将该蒸气输送到冷凝器304。压缩机302优选地是离心式压缩机，但可以是任意合适类型的压缩机，例如，螺杆式压缩机、往复式压缩机等。被压缩机302输送到冷凝器304的制冷剂蒸气与诸如空气或水等的流体形成热交换关系，并且由于与流体的热交换关系，经历了到制冷剂液体的相变。来自冷凝器304的冷凝的液体制冷剂流经膨胀设备(未示出)到达蒸发器306。
压缩机302可以包括用于改变压缩机302的机械负载的变载设备303。在离心式压缩机中，变载设备303可以是预旋叶片(prerotationvane)。在从蒸发器306到压缩机302的入口或吸入管301处，存在一个或多个控制制冷剂流到压缩机302的预旋叶片或入口导向叶片303。利用激发器来打开预旋叶片303以增加到达压缩机302的制冷剂的量以及从而提高系统300的冷却能力。同样，利用激发器来关闭预旋叶片303以减少到达压缩机302的制冷剂的量以及从而降低系统300的冷却能力。在螺杆式压缩机中，变载设备303可以是滑阀。如下面更详细描述的，为阻止制冷剂的逆向流动，压缩机的排出管307可以包括与其连接的单向阀305。在可替换的结构中，单向阀305可以在吸入管301处连接到压缩机302。
蒸发器306可以包括用于冷却负载的供给管和返回管的连接件。诸如水、乙烯、氯化钙盐溶液或氯化钠盐溶液的次级(secondary)液体，经过返回管进入蒸发器306并且经过供给管排出蒸发器306。在蒸发器306中的液体制冷剂与次级液体形成热交换关系以降低次级液体的温度。在蒸发器306中的制冷剂液体由于与次级液体的热交换关系经历了到制冷剂蒸气的相变。在蒸发器306中的蒸气制冷剂排出蒸发器306并且通过吸入管返回压缩机302，从而完成循环。应理解的是，冷凝器304和蒸发器306的任意合适的构造都可以用在系统300中，只要在冷凝器304和蒸发器306中的制冷剂的适当的相变得以实现。
HVAC、制冷或液体冷却系统300可以包括许多没有显示在图3中的其他部件。为了易于展示，故意省略这些部件以简化图形。另外，虽然图3示出HVAC、制冷或液体冷却系统300具有一个连接在单个制冷剂回路中的压缩机，但是应理解的是，系统300可以具有多个压缩机，该多个压缩机由单个VSD来供电，并且被连接在一个或多个制冷剂回路的每个制冷剂回路中。
控制面板308包含压缩机控制单元406(见图4)，该压缩机控制单元406确定并实现用于压缩机的机械加载设备303的位置，该用于压缩机的机械加载设备303例如是在离心式压缩机中的预旋叶片或者在螺杆式压缩机中的滑阀。根据应用于冷却系统的控制面板308所产生的冷却需求信号，控制面板308还控制压缩机302和电机106的速度。控制面板308发送电机速度命令给逆变器控制单元404(见图4)，该逆变器控制单元404控制逆变器206以输出电压和频率给电机106，以产生期望的压缩机速度。该逆变器控制单元404优选地使用矢量控制算法，以通过分开且独立地控制电机电流的流量生成分量和转矩生成分量，经过直接的扭矩控制来控制电机106的速度。
在下面的控制描述中，直流链路电压VDC，直流链路电压第一定位点VSTPT1，直流链路电压第一阈值VTH1，直流链路电压第二定位点VSTPT2以及直流链路电压断路阈值VUNDER，是直流值，其中VSTPT1>VTH1>VSTPT2>VUNDER；检测到的输入交流线电压VINAC和输入交流电压阈值VTH_IN是均方根(RMS)值。本发明的优选方法通常包括两步式操作模式以在VSD 104的输入处的电压暂降期间提供跨越。第一步，随着交流线电压幅度减小，整流器/变换器202(在本实施方案中是升压整流器)将直流链路电压调节到其额定值，就像在正常的满电压运转下。升压整流器通过增加进入升压整流器的输入交流电流来补偿输入交流电压暂降，以将直流链路电压保持在其定位点(VSTPT1)。升压整流器通过增加输入电流来继续补偿电压的暂降，直到该升压整流器达到预定电流限值。当升压整流器达到预定电流限值时，若线电压没有恢复到可接受的水平，则该方法的第二步开始两个基本同时的响应:第一，给压缩机卸载；第二，通过电机和压缩机的旋转质量中所存储的能量向直流链路供电。
参考图4，压缩机控制单元406激发压缩机302的机械卸载设备303以最小化被制冷负载消耗的能量，该能量来自直流链路电容器以及电机转子和压缩机的旋转质量的惯性。虽然为了节约存储在旋转质量中的能量，压缩机控制单元406分离了机械负载，但是逆变器控制单元404从电机速度控制模式切换到直流链路电压控制模式，并且通过控制电机速度将直流链路电压的幅度控制到VSTPT2的水平。在电压暂降持续期间，VSD 104忽略那些接收自控制面板、微处理器或控制器308以根据由控制面板308收到的具体的传感器读数来对VSD 104和电机106提供优化的运转设置的命令。这迫使电机106和压缩机302充当发电机，使得存储在电机106和压缩机302的惯性中的必需量的能量转移到直流链路电容器。电机106的转子速度在跨越期间降低，而直流链路电压被保持在VSTPT2。如果在线输入电压恢复到正常范围之前，存储在旋转质量中的能量继续耗尽，则直流链路电压会降到表示为VUNDER的预定阈值以下并且系统会关闭。
在其中多个逆变器和压缩机电机连接到同一直流链路的系统中，逆变器控制单元以与上述对单个逆变器情况所解释的方式类似的方式运行。主要的区别在于:每个逆变器可以具有其自己的阈值VTH1(例如，VTH1a，VTH1b，VTH1c，其中a，b，c代表不同的逆变器)和自己的定位点VSPT2(例如，VSPT2a，VSPT2b，VSPT2c)。为了在多个逆变器试图同时控制直流链路电压时阻止潜在的不稳定性，不同逆变器和压缩机电机之间的阈值数值和定位点数值的这种分开是需要的。
VSD包括有源整流器202，该有源整流器可以是脉宽调制型升压整流器或其他升压整流器类型的。直流链路级204在节点400处提供被传递到整流器控制单元402和逆变器控制单元404的控制信号。控制单元402和404还接收除直流链路电压以外的其他控制信号，为了易于展示，在该图中省略了所述其他控制信号。控制单元402和404一般位于VSD壳体内部，但可以位于控制面板308内部，或者可以被分开地安装在各自的装置上。
在图5A中显示了本发明的跨越方法的一个实施方案。总体上示出本发明的方法的一个方面的流程图500从代表系统初始化的步骤502开始。在初始化系统之后，该系统进入步骤204所示的正常运行中——只要来自交流电源的线电压处在标称线电压附近，即，没有电压暂降，或者线电压开始暂降到标称线电压以下但是进入升压整流器的输入电流低于电流限值以及直流链路电压被保持在定位点VSTPT1。在步骤504a，升压整流器调节直流链路电压；在步骤504b，逆变器向正常一样继续调节压缩机的速度；在步骤504c，控制硬件和软件监控直流链路电压(见图6)。可以同时执行步骤504a-504c，或如步骤504所示顺次执行。在图6中指示的顺序仅起示例作用。在步骤504中升压整流器的输入电流等于或小于升压整流器的RMS电流极值。
在步骤506中，将VDC与预定阈值VTH1比较。VTH1的幅度小于直流链路电压的标称定位点VSTPT1。例如，如果标称的直流链路电压是VSTPT1＝950V，则VTH1可以选为900V。如果VDC小于VTH1，这表示升压整流器已达到其电流极值以及不再能够将直流链路电压调节到其定位点值，因此系统进入步骤508(图7和图8)以卸载压缩机302、去活升压整流器202和预充电设备以及转换逆变器206来控制直流链路电压。否则，系统返回步骤504。可以连续或顺次进行直流链路电压VDC的监控，并且如果VDC值的变化在系统中引起响应，则直流链路电压VDC的监控被指示为离散的步骤。
在图7所示的步骤508中执行步骤508a至508c。在步骤508a中，通过激发离心式压缩机中的叶片，或者通过激发螺杆式压缩机中的滑阀，或者在离心式压缩机或螺杆式压缩机的排出管中插入单向阀，压缩机控制单元406机械地卸载压缩机。如下所述，通过卸载压缩机，为跨越操作节约了电机中所存储的旋转能量；极小的旋转能量消耗在冷却系统300的制冷剂负载上。在短暂的跨越期间，制冷剂回路和次级蒸发性冷却回路中所存储的热能用来提供必要的冷却给HVAC&R系统负载。基本同时，在步骤508b中，去活升压整流器中的IGBT，并且在步骤508c中，去活与升压整流器相关联的预充电设备。系统现处于阶段2跨越操作的第二级，该第二级在步骤510a至510c中描述。可以同时或顺次执行步骤508a至508c。
在步骤508中还执行步骤510a至510c。参见图8，在步骤510a中，逆变器努力将直流链路电压调节到标称值VSTPT2。为VSTPT2选择的值低于为VTH1选择的值。例如，如果VTH1是900V，则VSTPT2可以是850V。逆变器控制单元404使得逆变器像整流器一样运转。存储在电机106和压缩机302的旋转质量中的能量从正常的电机运转，经过逆变器206，逆向流到直流链路204。电机106和压缩机302有效地成为给直流链路供电的发电机。这样，直流链路电压得到了存储在包括电机106和压缩机302的电-机械负载中的能量的支持。从电机106流动通过逆变器206的能量将被连接到直流链路用于存储电能的电容器(未示出)保持在充电状态。在本发明的该实施方案中，在步骤508b中，去活了升压整流器，以使得被提供给直流链路的所有能量都是通过逆变器从存储在电机106和压缩机302中的能量来提供的。因此直流链路204与输入电源隔离，以及控制硬件和软件在步骤510b中监控直流链路电压VDC，以及在步骤510c中监控输入线电压VINAC。在步骤508中可以同时或顺次执行步骤510a至510c，并且图8中示出的顺序仅起说明作用。继续步骤508，直到下面之一出现在如图5A所示的步骤512或516中。
在步骤512中，连续监控直流链路电压VDC，以及如果VDC降低到预定故障阈值电压VUNDER(VUNDER小于VSTPT2)，则表示系统故障。在步骤514中，立即关闭VSD。否则系统进入步骤516，在所述步骤516中在输入电源处监控输入线电压VINAC。如果VINAC大于预定输入线阈值电压VTH_IN，这表示电压暂降状况不再存在，并且系统进入步骤518以将系统重设到正常运转。如图9所示，在步骤518中执行步骤518a至518e。在步骤518a中，激活处于VSD前端的预充电设备来控制直流链路电压的增加。在步骤518b和518c中，激活升压整流器开关以进一步将直流链路电压增加到预定值VSTPT1。在步骤518d中，将逆变器控制模式变回到通过接收自控制面板、微处理器或控制器的用以根据由控制面板接收的具体的传感器读数提供优化的运转设置给VSD 104和电机106的命令，来控制电机的速度，以及直流链路电压又由整流器控制单元402控制。最后，在步骤518e中，压缩机被机械加载。系统然后继续步骤504中的有规律的运行。
参见图5B，现描述用于跨越顺序(sequence)的优选实施方案。在本发明的这个方面，在整个跨越期间升压整流器保持激活状态，供应电流给直流链路202的电容器，同时伴随着来自电机106的能量的再生。该可替代的方法的初始步骤502至506与上述图5A和图6中所示的相同。在本发明的该替换方法中，如果在步骤506中VDC小于VTH1，则系统进入步骤608；否则，系统返回步骤504。例如，如果标称直流链路电压是VSTPT1＝950V，则VTH1可以选为900V。如下描述的，步骤608、616和618代替步骤508、516和518。
在图10所示的步骤608中执行步骤508a、510a、608a和510c。在步骤508a中，压缩机控制单元406以与上述相同的方式机械地卸载压缩机。在步骤510a中，逆变器控制单元404开始将直流链路电压VDC调节到值VSTPT2并且通过忽略接收自控制面板、微处理器或控制器的用以根据由控制面板接收的具体的传感器读数提供优化的运转设置给VSD 104和电机106的命令，来停止调节压缩机电机106的速度。为VSTPT2所选的值小于为VTH1所选的值。例如，如果VTH1是900V，则VSTPT2可以是850V。与图7中列出的方法相反，在步骤608a中，升压整流器继续努力将直流链路调节到值VSTPT1，该升压整流器运行在电流极值内。在步骤608中可以同时或顺次执行步骤508a、510a和510c，并且图10中示出的顺序仅起示例作用。
在步骤510a中，逆变器充当整流器以将直流链路电压调节到预定值VSTPT2。直流链路电压得到通过整流器/变换器传导的能量和存储在包括电机106和压缩机302的电-机械负载中的能量的支持。在本优选实施方案中，在步骤608a中，升压整流器在其电流限值处保持活性并且还努力将直流链路电压调节到更高的定位点值VSTPT1。在电流限值内的运行阻止升压整流器实际上在其输出端得到VSTPT1。当输入交流电压升高到足够的幅度时，有源整流器可以供应足够的能量以允许得到VSTPT1。换句话说，当在电流限值(当升压整流器和逆变器运行在封闭回路中试图控制直流链路电压时，该电流限值防止系统不稳定性)内运行时，升压整流器的电压控制回路是饱和的，但是电继续从输入交流线流入直流链路。因此，电从输入电压源通过变换器以及从负载通过逆变器供应到直流链路级，允许在电压暂降期间最大能量被保留并且从而最大化系统的跨越能力。在到达步骤616之前，该替换方法进入如上面在图5A中描述的以及还在图5B中显示的步骤512。在步骤616中，将直流链路电压VDC与VTH1限值比较，并且做出决定是继续循环回到阶段2运行还是在步骤618终止跨越运行。如果VDC大于VTH1，则有源整流器不再运行在电流限值内，这表示输入线电压已恢复到标称线电压的预定百分比，以及逆变器已返回到根据自控制面板、微处理器或控制器接收的用以根据由控制面板接收的具体的传感器读数提供优化的运转设置给VSD 104和电机106的命令来控制电机106的速度。在步骤618中，机械加载压缩机302。系统然后继续步骤504中的有规律的运行。
虽然优选的是，控制算法被包含在计算机程序中以及由位于VSD104内的微处理器执行，但是应理解的是，本领域技术人员可使用数字和/或模拟硬件来实现和执行该控制算法。如果使用硬件来执行控制算法，则可以改变VSD 104的相应结构以包含必需的元件以及去除可能不再被需要的元件。
在根据本发明的又一方法中，VSD 104的变换器202可以是无源整流器，即，用于将交流输入电变换为用于直流链路级的直流电的二极管或闸流管整流器。虽然使用无源整流器/变换器202的方法比使用有源整流器/变换器的方法提供了更小些的跨越能力，但是因为制冷负载的卸载以及从电机/压缩机负载到直流链路204的能量再生，因而还是获得了提高的跨越能力。当使用无源整流器时，执行图5中所述的方法，在步骤508跨越有效地开始，其中直流链路电压已衰减到阈值电压VTH1以下。在图7的步骤508b中以及在图9的步骤518b中，对无源整流器，而不是对有源整流器采取措施。在这种情况下，不能通过输入变换器将直流链路电压控制到诸如VSTP1的具体定位点，但是相反，直流链路电压幅度是输入交流线电压的无源整流的函数。在这种情况下，VTH1的幅度被选为处于低于最小期望直流电压的水平，该最小期望直流电压来自在系统的运行输入电压范围内输入线电压的整流。VSTP2被选为小于VTH1，逆变器控制单元404在电压暂降期间将直流链路电压VDC调节到值VSTP2。
再参照图3，有多个可以用来实现压缩机302的机械卸载的设备。预旋叶片303由虚线表示，以指示仅用在离心式压缩机中。预旋叶片303连接到离心式压缩机302中的压缩机入口。预旋叶片303可用来改变压缩机302的负载。优选地，高速激发器(未示出)可以用来快速关闭预旋叶片303以响应电暂降。同样，如果压缩机是螺杆式压缩机，则可以像预旋叶片303在离心式压缩机布置中所做的那样，使用滑阀303来改变负载。滑阀303由虚线表示，以指示仅用在螺杆式压缩机中。用于滑阀303的高速激发器也是优选的，以允许系统快速响应电压暂降。当电压暂降出现时，通过关闭预旋叶片303来实现压缩机的机械卸载。
图3还示出了插入压缩机的排出管307中的单向阀305。或者，单向阀305可以插入压缩机302的吸入管301中。单向阀305的运转消除了任何由冷却器控制系统采取动作以使压缩机机械卸载的需要，即，单向阀305消除了对高速执行设备的需要，如对螺杆式压缩机中的滑阀303、离心式压缩机中的预旋叶片303的需要。单向阀305也最小化压缩机302的机械卸载时间。在替换的实施方案中，可以省略单向阀305，将预选叶片或滑阀303用于压缩机302的机械卸载。单向阀305可以单独使用或者可以与其他类型的机械卸载设备结合使用。
压缩机的快速机械卸载在离心式压缩机的应用中尤其有利，因为该系统通常濒于压缩机喘振(compressor surge)运行。当冷却系统中的制冷剂的流动改变方向背离离心的叶轮时，压缩机喘振出现。如果压缩机302在喘振点处或附近运行，则压缩机运行速度的降低会使得压缩机302进入喘振区域。根据以上针对图5至10所描述的跨越算法，实现运行速度的降低。插入压缩机302的排出管中的单向阀305阻止制冷剂气体回流，因此阻止了压缩机302的喘振现象。当叶轮的转速减低时单向阀305关闭，因为排出管中加压的制冷剂气体立即开始通过回流来平衡压力。同时，该阀的关闭卸载压缩机系统，从而最大化存储在旋转系统中的能量以及延伸该系统的跨越能力。
当输入交流电102恢复到标称电压时，压缩机叶轮的RPM(每分钟转数)恢复到额定运行时的RPM。压缩机排出管307中的压力然后被控制并回到额定水平，迫使单向阀305打开，并且系统的机械加载回复到电压暂降之前的值。
本发明的系统和方法不需要检测电机速度以监控和响应电压暂降现象，这降低了成本以及增加了系统的可靠性。该控制通过检测直流链路电压、输入交流线电压、输入电流以及电机电流来实现。
虽然已参照优选实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行多种改变并且采用等同物来替代本发明的部件。另外，在不偏离其本质范围的情况下，可以进行许多变型来使具体情况或材料适应本发明的教导。因而，意图在于，本发明不限于作为实现本发明的最佳方式公开的特定实施方案，而是本发明包括所有落入所附的权利要求书的范围内的实施方案。

Claims (20)

1.一种用于控制变速驱动装置以跨越电压暂降的方法，包括步骤：
提供连接到机械负载的电机和压缩机；
提供变速驱动装置来给电机供电，该变速驱动装置包括通过直流链路级电连接的有源变换器级和逆变器级；
监控该直流链路级的直流电压；
监控该有源变换器级的输入参数；
用该有源变换器调节该直流链路级的直流电压以响应所监控的直流链路电压的变化；
对该直流电压小于预定的第一阈值电压作出响应，执行步骤：
将直流链路级的直流电压的调节转移到逆变器级；
从该压缩机去掉机械负载；以及
利用该逆变器级通过逆转能流使其从该电机流到该直流链路级来控制该直流链路级的直流电压。
2.权利要求1的方法，其中从该压缩机去除机械负载的步骤由单向阀自动执行，该单向阀插入该压缩机的制冷剂管内来阻止逆向制冷剂流，以响应该压缩机的运转速度的降低。
3.权利要求2的方法，其中该制冷剂管是该压缩机的排出管。
4.权利要求2的方法，其中该制冷剂管是该压缩机的吸入管。
5.权利要求1的方法，其中该压缩机是离心式压缩机，并且从该压缩机去除机械负载的步骤包括运行多个预旋叶片以基本消除该压缩机的机械负载。
6.权利要求1的方法，其中该压缩机是螺杆式压缩机，并且从该压缩机去除机械负载的步骤包括运行滑阀以基本消除该压缩机的机械负载。
7.权利要求1的方法，还包括步骤：
监控交流输入电源的交流输入电压；以及
用有源变换器级控制该直流链路级的直流电压，以响应所监控的交流电压等于或大于预定的阈值电压值。
8.一种用于增加冷却系统中的电压暂降跨越能力的方法，包括步骤：
提供机械连接在一起的电机和压缩机；
提供变速驱动装置来给电机供电，该变速驱动装置包括由直流链路级电连接的有源变换器级和逆变器级；
监控该直流链路级的直流电压；
监控该有源变换器级的输入参数；
通过该有源变换器级调节该直流链路级的直流电压；
通过逆变器级调节电机速度；以及
响应于该直流电压小于预定的第一阈值电压，执行步骤：
将直流链路级的直流电压的调节转移到逆变器级；
给该压缩机卸载；
去活该有源变换器级；以及
利用逆变器级通过逆转能流使其从该电机流到该直流链路来控制该直流链路级的直流电压。
9.权利要求8的方法，其中卸载压缩机的步骤由单向阀自动执行，该单向阀插入该压缩机的制冷剂管内来阻止逆向制冷剂流，以响应该压缩机的运转速度的降低。
10.权利要求8的方法，其中该制冷剂管是该压缩机的排出管。
11.权利要求8的方法，其中该制冷剂管是该压缩机的吸入管。
12.权利要求8的方法，其中该压缩机是离心式压缩机，并且卸载该压缩机的步骤包括通过运行多个预旋叶片来改变该压缩机的机械负载，以响应直流链路中电压的降低。
13.权利要求8的方法，其中该压缩机是螺杆式压缩机，并且卸载该压缩机的步骤包括通过运行滑阀来改变该压缩机的机械负载，以响应直流链路中电压的减小。
14.权利要求8的方法，还包括步骤；
监控交流输入电源的交流输入电压；以及
用该有源变换器级控制该直流链路级的直流电压以响应所监控的交流电压等于或大于预定的阈值电压值。
15.一种冷却系统，包括：
压缩机、冷凝器和蒸发器，它们被连接在一个封闭的制冷剂回路内；
用于响应该压缩机的运转速度的减小来给该压缩机卸载的卸载设备；
连接到该压缩机以给该压缩机供电的电机；以及
连接到该电机的变速驱动装置，该变速驱动装置被构造成接收具有固定输入交流电压、固定输入频率的输入交流电并且提供变压变频的输出电给电机，该变速驱动装置具有幅度上大于固定输入交流电压的最大电压，以及该变速驱动装置具有大于固定输入频率的最大频率，该变速驱动装置包括：
连接到提供输入交流电的交流电源的变换器级，该变换器级被构造为将输入交流电压变换到直流电压；
连接到该变换器级的直流链路级，该直流链路级被构造成过滤该直流电压和存储来自变换器级的能量；
连接到该直流链路的逆变器级，该逆变器级被构造成将来自该直流链路级的直流电压变换成用于电机的、具有可变电压和可变频率的输出电；以及
控制变速驱动装置运转的控制面板，该控制面板被构造成利用逆变器级调节直流链路级的直流电压以响应该直流电压小于预定的第一阈值电压；
其中该控制面板利用逆变器级通过提供控制信号以机械卸载压缩机来调节直流链路级的直流电压，并且逆转能流使其从电机流到直流链路级来控制直流链路级的直流电压。
16.权利要求15的系统，该卸载设备是单向阀，该单向阀插入该压缩机的制冷剂管来阻止逆向制冷剂流，以响应该压缩机的运转速度的降低。
17.权利要求16的系统，其中该制冷剂管是该压缩机的排出管。
18.权利要求16的系统，其中该制冷剂管是该压缩机的吸入管。
19.权利要求14的系统，其中该压缩机是离心式压缩机并且该卸载设备是多个预旋叶片，具有激发器的该预旋叶片被操作用来基本消除该压缩机的机械负载。
20.权利要求14的系统，其中该压缩机是螺杆式压缩机并且该卸载设备是滑阀，该滑阀可被操作用来基本消除该压缩机的机械负载。
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