CN101821693B - 具有功率因数校正系统和方法的压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种功率因数校正(PFC)装置可与电源和压缩机相连。控制模块可接收测得的压缩机运行参数，将测得的运行参数与预定阈值作比较，并且对开关进行控制以便基于测得的压缩机运行参数选择性地绕过PFC装置。

Description

具有功率因数校正系统和方法的压缩机
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年10月7日提交的美国申请No.12/246,893和2007年10月8日提交的美国临时申请No.60/978,223的权益。将上述申请的全部公开内容以参考的方式并入。
技术领域
本公开涉及压缩机，并更具体地涉及具有功率因数校正系统和方法的压缩机。
背景技术
本节中的说明仅提供与本公开相关的背景信息，可能并不构成现有技术。
电源例如电力设施可向负载提供交流电(AC)功率。负载例如热泵系统可以是无功负载，也就是，该负载可具有净无功分量，该净无功分量不是运行负载所必须的有功功率的一部分。由供电设施所提供的功率可以是实际提供的电流和实际提供的电压的乘积，或伏安。由负载所消耗的测量功率可以是等于有功功率的瓦特计测量值。功率因数可以通过有功功率除以伏安功率得到。
压缩机的功率因数可部分地取决于压缩机的驱动系统的类型。例如，由感应马达驱动的固定速度压缩机可具有0.95的功率因数。由变频器驱动的可变速压缩机可具有0.6的功率因数。功率因数问题可由功率因数校正(PFC)系统解决，该PFC系统可以是被动的或主动的。被动PFC系统的示例可以是用于补偿电感负载的电容器组。主动PFC系统的示例可以是改变载荷的无功分量以实现无功负载的更准确的匹配的系统。
压缩机系统的额定功耗可部分地通过在热泵系统的低负载条件下以瓦特为单位测量功率来确定。因此，热泵系统的额定功耗可基于功率因数校正对从供电设施获取的电流影响很小的条件。
发明内容
提供了一种功率因数校正方法，该方法可包括测量连接于功率因数校正装置的压缩机马达的运行参数，将所述压缩机马达的所述运行参数与预定压缩机阈值作比较，以及基于所述比较选择性地绕过所述功率因数校正装置。
在其它特征中，所述方法可包括测量来自连接于所述压缩机马达的电源的输入电压，将所述输入电压与预定输入电压范围作比较，以及当所述输入电压在所述预定输入电压范围内时，选择性地绕过所述功率因数校正装置。
在其它特征中，所述预定输入电压范围可以是正常电源电压的80％至120％。
在其它特征中，所述选择性地绕过可包括操作电气开关以选择性地将所述功率因数校正装置从电源和所述压缩机马达之间的电流路径中移除。
在其它特征中，所述运行参数可包括所述压缩机马达的检测输出功率和所述压缩机马达的估测输出功率中的至少一个。
在其它特征中，所述预定压缩机阈值可以是所述压缩机马达的额定马达输出功率的50％。
在其它特征中，所述运行参数可包括所述压缩机马达的指令速度。
在其它特征中，所述预定压缩机阈值可以是所述压缩机马达的正常运行速度的50％。
在其它特征中，所述运行参数可包括所述压缩机马达的实际速度。
在其它特征中，所述预定压缩机阈值可以是所述压缩机马达的正常运行速度的50％。
提供了一种功率因数校正系统，该系统可包括：具有功率因数校正装置输入和功率因数校正装置输出的功率因数校正装置；压缩机马达，所述压缩机马达电连接于所述功率因数校正装置输出；选择装置，所述选择装置用于选择性地将电源连接于所述功率因数校正装置输入和所述压缩机马达的输入中的一个；测量所述压缩机马达的运行参数的第一测量装置；测量来自所述电源的输入电压的第二测量装置；以及控制模块，所述控制模块将所述运行参数与预定压缩机阈值作比较，将所述输入电压与预定输入电压范围作比较，并且基于所述比较控制所述选择装置。
在其它特征中，所述运行参数可包括所述压缩机马达的输出功率。
在其它特征中，所述控制模块可确定所述压缩机马达的所述输出功率是否超出所述压缩机马达的额定马达输出功率的预定百分数。
在其它特征中，所述运行参数可包括所述压缩机马达的指令速度。
在其它特征中，所述控制模块可确定所述压缩机马达的所述指令速度是否超出了所述压缩机马达的正常运行速度的预定百分数。
在其它特征中，所述运行参数可包括所述压缩机马达的实际速度。
在其它特征中，所述控制模块可确定所述压缩机马达的所述实际速度是否超出所述压缩机马达的正常运行速度的预定百分数。
在其它特征中，预定输入电压范围可以是正常电源电压的80％至120％。
通过在此提供的说明，其它应用领域将变得显而易见。应当理解的是，该说明和具体示例仅仅是用于说明性的目的，并不意在限制本公开的范围。
附图说明
在此所描述的附图仅用于示例目的，并不意在以任何方式限制本公开的范围。
图1为热泵系统的示意性图示；
图2为功率输送系统的示意图；
图3为用于功率因数校正的控制系统的示意图；
图4为用于功率因数校正的控制系统的步骤流程图。
具体实施方式
下面的描述实质上仅仅是示例性的，并不意在限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在所有附图中相应的附图标记表示相似或相应的部分和特征。如在此所使用的，术语模块指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或硬件程序的处理器(共用、专用或分组)和存储器、组合逻辑电路或提供所描述的功能性的其它合适部件。
如图1所示，热泵系统10可包括室内单元12和室外单元14。热泵系统仅用于说明的目的，并且应当理解，本教示在可在任何使用马达驱动的压缩机的应用中运行，例如采暖通风和空调(HVAC)和制冷系统。室内单元12可包括室内盘管或热交换器16和由马达20驱动的可变速室内风扇18。室内盘管16和风扇18可封装在箱柜22中，以使得风扇18能够迫使周围空气穿过室内盘管16。室外单元14可包括室外盘管或热交换器24和由马达28驱动的可变速室外风扇26。室外盘管24和风扇26可封装在保护壳30中，以使得风扇26可抽吸周围室外空气穿过室外盘管24，从而提高热转移。室外单元14可进一步包括连接于室内盘管16和室外盘管24的压缩机32。压缩机32可具有由可变速变频驱动器驱动的马达20。
压缩机32、室内盘管16以及室外盘管24可连接成通常形成回路，其中压缩机32、室内盘管16以及室外盘管24彼此串联布置，并且膨胀装置33位于室内盘管16和室外盘管24之间。热泵系统10可包括设置在压缩机32与室内和室外盘管16、24之间的换向阀34，以使得压缩机32、室内盘管16以及室外盘管24之间的流动方向可以在第一方向和第二方向之间转换。
在第一方向中，热泵系统10在冷却模式下运行，提供“冷却”箭头所指示的方向上的流动。在冷却模式下，压缩机32向室外盘管24提供流体。然后流体流至室内盘管16，再流回至压缩机32。在冷却模式下，室内盘管16用作蒸发器盘管，室外盘管24用作冷凝器盘管。在第二方向中，热泵系统10在加热模式下运行，提供“加热”箭头所指示的方向上的流动。在加热模式下，流动是反向的，从压缩机32流到室内盘管16再流到室外盘管24，然后流回至压缩机32。在加热模式下，室内盘管16用作冷凝器盘管，室外盘管24用作蒸发器盘管。
现在参考图2，示出了供电设施102和包括热泵系统10的压缩机32的耗电器114的示意性视图。耗电器114可包括热泵系统10、压缩机32、PFC系统104、控制模块106、马达108、选择装置112、变频驱动器116以及传感器121、122、123和124。供电设施102可向耗电器114提供AC功率。耗电器114可具有包括压缩机32和热泵系统10的负载。尽管压缩机32可以与热泵系统10集成一体，但在图2中为了说明的目的将压缩机32及其部件分开示出。热泵系统10的马达108可以与热泵系统10的压缩机32集成一体。马达108可被直接驱动，但是为了示例的目的，此处由压缩机32的可变速变频驱动器116驱动。
传感器121可测量由供电设施102输送的电压、电流和功率(例如，以伏安为单位)。传感器121还可提供耗电器114消耗的实际功率的瓦特计读数。应当理解，传感器121可包括多个传感器，并且可位于相对于耗电器114或供电设施102的多个位置。为了说明的目的，传感器121示出为集成在耗电器114侧的传感器。
控制模块106可控制选择装置112。选择装置112可以是基于控制模块106提供的信号从多个电流路径中进行选择以改变电流路径的任何装置或装置的组合。选择装置112可以是电气开关112。
PFC系统104可位于第一电流路径中，以使得电气开关112可以选择性地将PFC系统104连接于供电设施102。来自供电设施102的电流在被变频驱动器116使用以驱动马达108之前可遇到PFC系统104。PFC系统104可以是任何提高负载的功率因数的装置。PFC系统104可以是被动PFC，例如用于平衡电感负载的电容器组或平衡电容负载的电感器。PFC104也可以是主动地使负载与主电源匹配以产生高功率因数(即，接近1.0的功率因数)的任何传统的主动PFC。
可替代地，电气开关112可由模块106控制以选择绕过PFC系统104、并且将来自供电设施102的电流提供给变频驱动器116以驱动马达108的第二电流路径。变频驱动器116能够以可变速度驱动马达108以使热泵系统10的压缩机32运行。传感器122可位于电气开关112和变频驱动器116之间以测量诸如输入电流或电压的参数和/或获取瓦特计测量结果。传感器123可位于马达108中并且可测量来自马达108的参数，例如电流、电压、实际压缩机运行速度、和/或当前指令运行速度等。传感器122和123中的每一个可以是提供测量结果给控制模块106的单个传感器或多个传感器。传感器124可以是测量热泵系统10的参数(例如排放温度或压力、抽吸温度或压力、冷凝器温度或压力、蒸发器温度或压力、压缩机速度、制冷剂温度或压力等)的单个或多个传感器。
现在参考图3，控制模块106可包括PFC控制模块140、PFC模块142和存储模块144。控制模块106的PFC模块142可与来自传感器121的供电设施数据、来自传感器122的驱动器输入数据、来自传感器123的马达数据、以及来自传感器124的热泵数据通信。PFC模块142可与PFC控制模块140和存储模块144通信。PFC模块142可使用来自传感器121、122、123和124的数据以及存储在存储模块144中的值，以确定期望的PFC状态。
存储模块144可包括存储的值，例如在一定时间内从传感器121、122、123和124接收的数据和/或用于确定PFC状态的预定阈值。下面讨论阈值的示例，阈值可包括用于开启功率因数校正的马达功率阈值和最小供电设施输入电压值。PFC控制模块140可接收来自PFC模块142的关于PFC状态的信号。PFC控制模块可提供信号给选择装置112，以选择从供电设施102到变频驱动器116的电流路径。
现在参考图4，图示了包括用于功率因数校正的控制系统的流程图的控制逻辑200。在方框202中，传感器121可将来自供电设施102的输入电压提供给PFC模块142。之后，控制逻辑200可前进到方框204。在方框204中，传感器123可向PFC模块142提供压缩机马达运行参数，例如马达108的输出功率、压缩机指令运行速度或压缩机实际运行速度。可替代地，可基于其它检测的测量结果(例如电流或电压)来估测马达108的输出功率。尽管控制逻辑200提供了可用来控制PFC系统的测量参数的特定示例，但是应当理解，这些参数是为示例的目的而提供的，其它参数例如来自传感器121、122、123和/或124的功率因数、供电设施功率、瓦特计功率、供电设施输入线路电压、或系统温度或压力可被测量，以在功率因数校正控制系统中使用。还可考虑测得的参数的变化速率。控制逻辑200可前进到方框206。
在方框206中，PFC模块142可从存储模块144访问预定的电压阈值范围。例如，预定的电压阈值范围可在额定线路电压的80％和额定线路电压的120％之间。因此，PFC模块142可将测得的供电设施电压与额定线路电压的80％和额定线路电压的120％之间的预定范围作比较。如果供电设施电压在预定范围(例如额定线路电压的80％和120％之间)之外，控制逻辑200可前进到方框210以激活功率因数校正。这可以在例如供电设施负载很重时允许PFC运行。如果测得的电压在预定范围(例如，额定线路电压的80％和120％之间)内，控制逻辑200可前进到方框208。
在方框208中，PFC模块142可从存储模块144中访问预定运行参数。如果压缩机指令运行速度或压缩机实际运行速度用作压缩机运行参数，那么预定运行参数阈值可以是额定马达功率或正常运行速度的预定百分数(例如50％)。可替代地，可使用运行参数阈值的组合。PFC模块142可将测得的压缩机马达运行参数与预定运行参数阈值作比较。例如，如果压缩机马达运行参数为马达108的输出功率并且预定运行参数阈值为额定马达功率的50％，那么PFC模块142在方框208中可比较测得的马达108的输出功率是否超出额定马达功率的50％。如果测得的马达108的输出功率确实超出额定马达功率的50％，那么控制逻辑200可前进到控制方框210以激活功率因数校正。通过这种方式，当马达108从供电设施102获得更多电流时并且当额定瓦特功率未确定时，可使用PFC104。如果压缩机马达运行参数未超出预定运行参数阈值，控制逻辑200可前进到方框212。
如上所述，压缩机马达运行参数可以是马达108的输出功率、压缩机指令运行速度或压缩机实际运行速度。相应地，可适当地匹配预定运行参数阈值。应当认识到，上面的百分数阈值的值和范围仅为示例的目的，对供电设施电压、马达功率、压缩机指令运行速度或压缩机实际运行速度可适当地使用不同的值。当使用不同的测量参数时，同样可使用相应的相关阈值。控制逻辑200可构造成必须满足多个阈值才能激活或中止功率因数校正。
在方框210中，PFC控制模块140可传递信号给电气开关112以激活功率因数校正。开关112可连接供电设施102和PFC系统104之间的电流路径。之后，控制逻辑200可结束。在方框212中，PFC控制模块140可提供信号给电气开关112以选择电流路径，使得供电设施102在不使用PFC系统104的情况下通过常用整流器将直接电流供应给变频驱动器116。之后，控制逻辑200可结束。
本领域技术人员根据上述内容可理解到，本公开的宽泛教导可体现为多种形式。因此，虽然已结合具体实施例对本公开进行了说明，然而本公开的真实范围不应受到限制，因为对本领域技术人员来说在对附图、说明书和权利要求书进行了研究之后，其它变型将变得显而易见。

Claims (18)

1.一种功率因数校正方法，包括：
测量连接于功率因数校正装置的压缩机马达的运行参数；
将所述压缩机马达的所述运行参数与预定压缩机阈值作比较；以及
基于所述比较选择性地绕过所述功率因数校正装置。
2.根据权利要求1所述的功率因数校正方法，进一步包括：
测量来自连接于所述压缩机马达的电源的输入电压；
将所述输入电压与预定输入电压范围作比较；
当所述输入电压在所述预定输入电压范围内时，选择性地绕过所述功率因数校正装置。
3.根据权利要求2所述的功率因数校正方法，其中，所述预定输入电压范围是正常电源电压的80％至120％。
4.根据权利要求1所述的功率因数校正方法，其中，所述选择性地绕过包括操作电气开关以选择性地将所述功率因数校正装置从电源和所述压缩机马达之间的电流路径中移除。
5.根据权利要求1所述的功率因数校正方法，其中，所述运行参数包括所述压缩机马达的检测输出功率和所述压缩机马达的估测输出功率中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的功率因数校正方法，其中，所述预定压缩机阈值是所述压缩机马达的额定马达输出功率的50％。
7.根据权利要求1所述的功率因数校正方法，其中，所述运行参数包括所述压缩机马达的指令速度。
8.根据权利要求7所述的功率因数校正方法，其中，所述预定压缩机阈值是所述压缩机马达的正常运行速度的50％。
9.根据权利要求1所述的功率因数校正方法，其中，所述运行参数包括所述压缩机马达的实际速度。
10.根据权利要求9所述的功率因数校正方法，其中，所述预定压缩机阈值是所述压缩机马达的正常运行速度的50％。
11.一种功率因数校正系统，包括：
具有功率因数校正装置输入和功率因数校正装置输出的功率因数校正装置；
压缩机马达，所述压缩机马达电连接于所述功率因数校正装置输出；
选择装置，所述选择装置用于选择性地将电源连接于所述功率因数校正装置输入和所述压缩机马达的输入中的一个；
测量所述压缩机马达的运行参数的第一测量装置；
测量来自所述电源的输入电压的第二测量装置；以及
控制模块，所述控制模块将所述运行参数与预定压缩机阈值作比较，将所述输入电压与预定输入电压范围作比较，并且基于所述比较控制所述选择装置。
12.根据权利要求11所述的功率因数校正系统，其中，所述运行参数包括所述压缩机马达的输出功率。
13.根据权利要求12所述的功率因数校正系统，其中，所述控制模块确定所述压缩机马达的所述输出功率是否超出所述压缩机马达的额定马达输出功率的预定百分数。
14.根据权利要求11所述的功率因数校正系统，其中，所述运行参数包括所述压缩机马达的指令速度。
15.根据权利要求14所述的功率因数校正系统，其中，所述控制模块确定所述压缩机马达的所述指令速度是否超出了所述压缩机马达的正常运行速度的预定百分数。
16.根据权利要求11所述的功率因数校正系统，其中，所述运行参数包括所述压缩机马达的实际速度。
17.根据权利要求16所述的功率因数校正系统，其中，所述控制模块确定所述压缩机马达的所述实际速度是否超出所述压缩机马达的正常运行速度的预定百分数。
18.根据权利要求11所述的功率因数校正系统，其中，预定输入电压范围是正常电源电压的80％至120％。
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