CN101815875A - 压缩机控制的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压缩机的改进，并且尤其涉及控制可变速动力压缩机以避免由于扼流引起的电机过载的方法的改进。因此本发明包括控制压缩机以便在目标输送压力(Pt)下提供压缩空气并且防止过大的电机功率消耗的方法，压缩机由具有电机绕组的可变速电机驱动，其中在压缩机的操作期间连续地测量气体入口温度(Tin)、气体输出输送压力(Pd)、电机速度(Vm)以及电机绕组温度(Tmw)。气体入口温度(Tin)用来确定预定的最大电机绕组温度(Tmwmax)极限。最大电机绕组温度(Tmwmax)用来设置最大电机速度(Vmmax)极限。最大电机速度(Vmmax)和气体输出输送压力(Pd)用来控制实际电机速度(Vm)低于最大电机速度极限(Vmmax)。

Description

压缩机控制的改进
技术领域
本发明涉及压缩机的改进，并且尤其涉及控制可变速动力压缩机从而避免由扼流引起的电机过载的方法的改进。
背景技术
自20世纪60年代以来，可变速动力压缩机比如离心压缩机已经被用来压缩空气或其它气体。包括安装至轴的压缩机叶片的圆柱形组件的离心压缩机出于很多原因而用于宽泛的领域中。它们通常是能量有效的、较少维护的，因为它们具有较少的移动部件，并且它们通常比类似尺寸的往复压缩机给出较高的气流。
压缩机的操作特性通常由压力比和体积或质量流速之间的关系来限定。然而，其有用操作范围由喘振、扼流以及最大许可压缩机速度所限制。
在给定的输送压力下操作的可变速动力压缩机中，能通过增大压缩机的速度来增大穿过压缩机的气流速度。在压缩机速度增大给出流速中递减的增大时，在高流量处遇到扼流状况。当压缩机中任何点处的流量到达扼流状况时，流速可能不再进一步增大。这个状况显示最大压缩机容量流速作为压力比的函数。压缩机设计者已经试图发现在压缩机操作期间防止扼流从而最大化压缩机效率的方法。
空气(或其它被压缩气体)的入口温度决定了需要多大的功率来将空气压缩至给定压力比，因为与压缩较低密度的温热空气相比，需要采用更大的功率来压缩给定体积的更大密度的冷空气。因而压缩机驱动的功率输出是其速度和扭矩的函数，扭矩是压缩机输送压力和空气入口温度的函数。
驱动压缩机的电机的速度的增大需要电机功率的增大，这导致电机绕组温度的相关联的增大。试图保护压缩机不受扼流并且避免过高的电机绕组温度时遇到的一个问题在于难以直接测量功率。因此一种现有技术的方法是在固定的速度和功率极限内运行压缩机。在违背这些极限的情况下干涉是必须的，并且在到达极限时通过停止机器来提供最终保护。然而，这对于普通商用压缩机操作来说明显地是不可接受的。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种控制功率的方法，其通过使用其它参数的测量作为用于通过避免电机过载来防止扼流的手段。
本发明因此提供一种控制压缩机以便在目标输送压力下提供压缩气体并且防止过大的电机功率消耗的方法，该压缩机由具有电机绕组的可变速电机驱动，其中：
在压缩机的操作期间连续地测量气体入口温度、气体输出输送压力、电机速度以及电机绕组温度；
气体入口温度被用来确定预定的最大电机绕组温度极限；
最大电机绕组温度被用来设置最大电机速度极限；以及
最大电机速度、目标和气体输出输送压力被用来控制实际电机速度低于最大电机速度极限。
附图说明
现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
图1是由本发明的控制单元所使用的用来控制压缩机的操作的双PID环路的图示；
图2是示出用于不同入口空气温度的电机绕组温度/功率的图表；并且
图3是示出电机绕组温度/空气入口温度的图表。
具体实施方式
在本发明中，动力压缩机比如离心压缩机由可变速电机驱动，并且其操作由控制单元来控制。提供人机界面(HMI)使得能预置某些参数。
压缩机的目的是在符合对于空气的要求的速度下以给定的输送压力Pd供应空气(或其它气体)。为了实现这个目的，压缩机的速度并因此其输出流量进行变化。为了保护压缩机，对于驱动电机的绕组温度、功率和速度设置某些最大极限。最大速度Vmmax是保持压缩机在其预置极限内进行操作的速度，并且最小速度Vmmin在压缩机到达喘振点时使用，并且压缩机卸载以减小输送压力Pd。应当注意到，给出这些值作为对于一个具体的压缩机和电机组合的工作示例。这些当然将由于压缩机和电机的不同而改变。
在本发明中，控制单元被编程为使用如图1所示的双比例积分微分(PID)环路，在下面描述各个环路。
压力控制
第一PID环路使用测量的输送压力Pd作为其控制输入以及使用电机速度Vm作为其控制输出。这个PID环路在图1的较下部分中示出。在HMI处设置P项和I项(实际上不需要D项)并且测量的输送压力Pd是与目标(期望)压力Pt(也在HMI处设置)相比较的过程变量。如果输送压力Pd超过目标压力Pt，则根据PID等式减小电机速度Vm。如果输送压力Pd下降至目标压力Pt以下，则电机速度Vm增大至最大电机速度Vmmax。
最大速度控制
测量的电机绕组温度Tmw用作第二PID环路中的控制输入(过程变量)从而调节电机的最大速度极限Vmmax(控制输出)，并且从而保持电机绕组温度Tmw在预设极限内。这个第二环路在图1的较上部分中示出。P、I和D项也在HMI处设置，并且测量的电机绕组温度Tmw是与最大电机绕组温度Tmwmax相比较的过程变量。这允许最大可能的电机速度Vmmax以维持所需的输送压力Pd。
最大功率控制
如先前所述，需要符合具体要求情况的电机功率Wm取决于入口空气温度Tin。由于最大电机绕组温度Tmwmax也是空气入口温度Tin的函数，使用电机绕组温度Tmw能控制电机功率Wm。
在本发明中，用于任何入口温度Tin的最大电机绕组温度Tmwmax源于概念验证(POC)单元，并且被用来使用处于不同压力和温度状况下的稳定状态测量来绘制图2的图表。对于给定的空气入口温度Tin，这个图表示出电机功率Wm和电机绕组温度Tmw之间具有线性关系。而且，所需功率Wm随着空气入口温度Tin线性地降低。
还存在图2中所示的两个固定极限。这些极限由机器的物理设计所限定并且是设计最大电机绕组温度Tmwdes和设计最大电机功率Wmdes。
图2的图表用来通过绘制最大设计功率Wmdes下的mT与Tin来绘制图3的曲线图。在最大设计温度和功率的交叉点以上的入口温度处，最大温度mT由最大设计温度Tmwdes限制，并且入口温度Tin没有影响。因而在Tin低于Kt时，最大绕组温度Tmwmax的值可从以下公式计算：
Tmwmax＝m·Tin+c
其中m是曲线的斜率并且取决于空气入口温度Tin，并且c是取决于图2中的最大设计温度和入口温度Kt的交叉点的常数。
m＝(Tmwdes-Tmw0℃)/Kt
＝(150-130)/13＝1.548(对于这个示例)
c＝Tmw0℃
＝130(对于这个示例)
从图3中能注意到，为了保持在预置极限内，高于Kt(13℃)时，绕组温度Tmw作为限制参数，而低于Kt(13℃)时，功率Wm作为限制参数。然而，给定接近线性性质的曲率以及给定Tmw/Wm交叉温度Kt(13℃)，能看到低温下的最大电机绕组温度Tmwmax能与空气入口温度Tin成比例地减小，而在其它温度下仍然维持绝对最大值。因而：
如果Tin＜Kt，则Tmwmax＝m·Tin+Tmw0℃
否则Tmwmax＝Tsetmax
本发明因而基于以下原理：最大绕组温度Tmwmax的降低将引起最大速度Vmmax降低从而导致电机的实际速度Vm的降低，并且因此控制实际绕组温度Tmw(其具有控制功率Wm的效果)。因此，PID控制环路如图1所示组合起来从而提供电机功率Wm的总体控制，这使得操作者能防止扼流。第一环路控制电机的速度并因此控制压缩机速度Vm，直到由第二环路计算的最大速度极限Vmax。将测量的电机绕组温度Tmw供给入第二环路，第二环路将其与根据测量的入口温度Tin计算的最大电机绕组温度Tmwmax相比较，从而提供反馈至第一环路的最大工作速度Vmax。
本发明的方法基于稳定状态测量并且不能应用于上升状态。然而，如果功率限制主要用来控制电机绕组温度或扼流状况，这将不再是问题。如果由于加速导致了没有被VFD可变频驱动电流极限所覆盖的另外限制，那么将需要在可变频驱动中调节上升时间。

Claims (5)

1.一种控制压缩机以便在目标输送压力下提供压缩气体并且防止过大的电机功率消耗的方法，该压缩机由具有电机绕组的可变速电机驱动，其中：
在压缩机的操作期间连续地测量气体入口温度、气体输出输送压力、电机速度以及电机绕组温度；
气体入口温度被用来确定预定的最大电机绕组温度极限；
最大电机绕组温度被用来设置最大电机速度极限；以及
最大电机速度、目标和气体输出输送压力被用来控制实际电机速度低于最大电机速度极限。
2.如权利要求1所述的方法，其中，双PID环路被用来确定最大电机速度极限。
3.如权利要求2所述的方法，其中，将气体输出输送压力作为控制输入供给至双PID环路的第一环路，该双PID环路的第一环路的控制输出是电机速度。
4.如权利要求2和3的任何一个所述的方法，其中，将测量的电机绕组温度作为控制输入供给至双PID环路的第二环路，该双PID环路的第二环路的控制输出是最大电机速度。
5.一种基本上如前所述、参照附图并且如附图所示的方法。
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