CN101832689B

CN101832689B - 压缩机控制方法与系统

Info

Publication number: CN101832689B
Application number: CN2009101273240A
Authority: CN
Inventors: 赵令裕; 刘中哲; 江旭政
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: CN101832689A

Abstract

本发明提供一种压缩机控制方法与系统，所述方法包括以下步骤：提供一压缩机与一冷凝器；测量所述压缩机的一进口压力值与一出口压力值，以及所述冷凝器的一冷凝温度值；计算所述进口压力值、所述出口压力值与所述冷凝温度值，获得一量测流量值与一冷凝压力值；及比对上述数值与至少一控制参数获得一比对结果，根据所述比对结果控制所述压缩机。

Description

压缩机控制方法与系统

技术领域

本发明关于一种控制方法与系统，特指一种压缩机的控制方法与系统。

背景技术

压缩机在现代人生活周遭有着不可或缺的地位，而大型的压缩机组件代表着庞大资金的投资，如何有效控制压缩机运作以达到使用者目的，并延长压缩机的使用寿命，甚至还能达到节省能源的功效，是压缩机制造商时常面临的课题。

以大型空调设施所使用的离心式压缩机为例，目前离心式压缩机主要使用在离心式冰水机中，这种机组的优势是制冷量大，效率高，主要用于空调面积超大的办公大楼、厂房、旅馆、体育馆等。其原理为冰水中的热负载经过蒸发器时，经传导及对流等方式传至冷媒中，造成由降压装置(例如膨胀阀、限流孔及毛细管等)出来的低压低温液态蒸发成为气态(蒸发过程)。经压缩机入口管路，受到压缩机的驱动及压缩，使低压低温气态冷媒变成高压高温气态冷媒，再经由压缩机出口管路被载到冷凝器中与冷却水做热交换(冷凝过程)而成为高压中温气态冷媒，然后经由降压装置变成低压低温液态，再回到蒸发器吸收冰水的热负载，而完成循环。

过去本领域的控制系统大多针对中央空调冰水机，但由于所述种空调系统工作曲线与负载较为固定，控制方法较单纯，例如改变压缩机结构(中国台湾专利223142)或改变转速(中国台湾专利I225918)。且近来以冰水进行热交换的空调装置，已经逐渐被以冷媒直接进行热交换的空调装置所取代，而配合离心式压缩机运作下，要如何兼顾节能以及在较大的负载变化下达到足够热交换并防止喘震等目的，成为本领域亟待解决的问题。但由于压缩机制造商仅着重于压缩机本身的控制技术，却未考虑到应用在不同环境需求下的控制也需要跟着改变，使得本领域始终缺乏一个具整合性的控制方法。

发明内容

有鉴于上述已知技术的缺点，本案发明人乃经悉心试验与研究，并一本锲而不舍的精神，终于发明出“压缩机控制方法与系统”，能依据使用需要进行更全面的流量控制，使压缩机及其所连接的整个空调系统在防止喘震之余，更能够在节能考量下充分提高运转效率。

本案的原始构想为提出一种压缩机控制方法与系统，针对不同种类的压缩机以及其所连接的整个空调系统，根据压缩机的压力与蒸发器数目进行节能、防喘震以及高效率的全面控制。

依据上述构想，提出一种压缩机控制系统，所述系统包括：一压缩机；一冷凝器，连接于所述压缩机；一压力计，连接于所述压缩机，以测量所述压缩机的一进口压力值与一出口压力值；一温度计，连接于所述冷凝器，以测量所述冷凝器的一冷凝温度值；及一控制器，连接于所述压力计、所述温度计与所述压缩机，所述控制器接收所述进口压力值、所述出口压力值与所述冷凝温度值后进行计算，而获得一量测流量值与一冷凝压力值，并将上述数值与至少一控制参数比对，据以控制所述压缩机。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，其中所述压缩机为一离心式压缩机、一涡卷式压缩机、一螺杆式压缩机以及一回转式压缩机任选其一。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，其中所述压缩机更包括一流量控制阀(Inlet Guide Vane，IGV)，所述控制器连接于所述流量控制阀。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，其中所述倍率参数与所述算数平均数相乘而得到所述新感应变化量。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，其中所述冷凝器更包括一冷凝风扇，所述控制器连接于所述冷凝风扇。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，其中所述冷凝器由多个排管所构成，且所述冷凝器更具有一排管控制阀连接于所述控制器。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，更包括至少一蒸发器，所述这些蒸发器连接于所述压缩机与所述冷凝器，所述控制器能根据所述这些蒸发器数目决定所述这些控制参数中的一需求流量值。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，其中所述这些控制参数更包括依据所述压缩机特性而决定的一安全流量值。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，更包括一储液容器，所述储液容器连接于所述压缩机与所述冷凝器，更具有一控制阀连接于所述控制器。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，更包括一热气旁通阀(Hot GasBypass)连接于所述控制器，以经由所述热气旁通阀调整流量。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，其中所述压缩机连接于一变频器，所述变频器又连接于所述控制器。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制系统，其中所述控制器能发出一信号控制所述变频器，所述变频器能控制所述压缩机的一轮叶转速。

再依据上述构想，提出一种压缩机控制方法，所述方法包括以下步骤：提供一压缩机与一冷凝器；测量所述压缩机的一进口压力值与一出口压力值，以及所述冷凝器的一冷凝温度值；计算所述进口压力值、所述出口压力值与所述冷凝温度值，获得一量测流量值与一冷凝压力值；及比对上述数值与至少一控制参数获得一比对结果，根据所述比对结果控制所述压缩机。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制方法，所述方法更包括以下步骤：根据所述比对结果，调整一储液容器的一控制阀。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制方法，所述方法更包括以下步骤：提供至少一蒸发器；根据所述这些蒸发器数目决定所述这些控制参数中的一需求流量值；及根据所述压缩机特性而决定所述这些控制参数的一安全流量值。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制方法，所述方法更包括以下步骤：当所述量测流量值小于所述需求流量值，则增加所述压缩机的转速。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制方法，所述方法更包括以下步骤：当所述需求流量值大于所述安全流量值，则调整所述压缩机的一流量控制阀。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制方法，所述方法更包括以下步骤：当所述需求流量值小于所述安全流量值，且所述出口压力值大于所述冷凝压力值时，则减少所述压缩机的转速。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制方法，所述方法更包括以下步骤：若调整所述流量控制阀后，所述量测流量值仍大于所述需求流量值，则调整一热气旁通阀。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制方法，所述方法更包括以下步骤：若所述出口压力值小于所述冷凝压力值时，则根据所述压缩机的测量流量值决定是否调整所述冷凝器的一冷凝风扇。

较佳地，本发明所提出的压缩机控制方法，所述方法更包括以下步骤：若所述出口压力值小于所述冷凝压力值时，则根据所述压缩机的测量流量值决定是否调整所述冷凝器的一排管控制阀。

根据本发明提供的技术方案，能依据使用需要进行更全面的流量控制，使压缩机及其所连接的整个空调系统在防止喘震之余，更能够在节能考量下充分提高运转效率。

附图说明

图1为本发明压缩机控制系统的一实施例的结构图；

图2为本发明的一实施例所采用的压缩机的操作特性曲线图；

图3为本发明压缩机控制方法的一实施例的流程图。

附图标号

1压缩机控制系统	10压缩机
		11入口压力计	12出口压力计
13变频器	20冷凝器
		21温度计	22冷凝风扇
30控制器	40储液容器
		50a蒸发器	50b蒸发器
50c蒸发器

具体实施方式

本案得通过下列附图及详细说明，以助深入了解本发明的优点。

请参阅图1，为本发明压缩机控制系统的一实施例的结构图。压缩机控制系统1包括：压缩机10、入口压力计11、出口压力计12、变频器13、冷凝器20、温度计21、冷凝风扇22、控制器30、储液容器40、蒸发器50a、蒸发器50b及蒸发器50c。图中连接压缩机10、冷凝器20、储液容器40、蒸发器50a、蒸发器50b及蒸发器50c的实线为冷媒管路，虚线则为信号线路。

入口压力计11与出口压力计12用来测量压缩机10的入口与出口压力，以获得一进口压力值Pi与一出口压力值Po，并将测量到所述进口压力值Pi与所述出口压力值Po传送到控制器30。本实施例的压缩机10是离心式压缩机，所述压缩机10连接于一变频器13，变频器13又连接于控制器30。也就是说，控制器30能发出信号控制变频器13，变频器13则能控制压缩机10的轮叶转速，进而改变系统的冷媒流量。本案所提到的压缩机10，除了选用一般正排量压缩机外，更包括离心式压缩机、涡卷式压缩机、螺杆式压缩机以及回转式压缩机等。

冷凝器20与压缩机10相连，两者间以管路输送，将来自于压缩机10的高压高温气态冷媒输送到冷凝器20中进行热交换，成为高压中温气态冷媒。温度计21设置于冷凝器20的出口管路，以测量冷却后的冷媒温度，而获得一冷凝温度值Tc，所述温度计21会将测量到的所述冷凝温度值Tc的信号传送到控制器30。此外，冷凝器20还有一冷凝风扇22，也与控制器30相连，以接受控制器30传来的控制信号，使冷凝风扇22得以改变转速，进而调整所述冷凝温度值Tc。

由于冷凝器20通常为多个排管所构成，因此本发明的冷凝器20可配备一排管控制阀(图未显示)于所述排管，所述排管控制阀连接于控制器30，可接收来自于控制器30的信号，使得运作中的排管数得以经由开关所述排管控制阀而增减，例如使冷凝器运作中的排管由10排增加到20排或减少到8排，进而调整冷凝器20的冷凝效率，以调整所述冷凝温度值Tc。

从冷凝器20降温输出的冷媒，再经由例如膨胀阀等降压装置(图未显示)变成低压低温液态，进入到蒸发器50a、50b、50c甚至更多蒸发器，而在所述这些蒸发器吸收了热能的冷媒再送回压缩机10完成循环。

此外，在冷凝器20至蒸发器的管路间，可设置一储液容器40连接管路，所述储液容器40并连接于所述压缩机10至蒸发器的管路间。由于所述储液容器40具有一控制阀(图未显示)连接于控制器30，因此储液容器40能根据控制器30发出的信号，进行储存或释放冷媒的动作，以调整管路内的冷媒流量。

在本发明的压缩机控制系统1中，可设置一热气旁通阀(Hot Gas Bypass)，所述热气旁通阀连接于控制器30，且所述热气旁通阀设置于高压连接低压的一旁通管路(例如连接压缩机出口与蒸发器出口的旁通管路)中的高压侧或低压侧。所述热气旁通阀根据所接受控制器30的信号而打开旁通管路，将高压侧的冷媒送入低压侧，作为流量控制的另一种方法。

至于本发明的控制器30，连接于入口压力计11、出口压力计12、温度计21等测量装置，从上述测量装置接收所述进口压力值、所述出口压力值与所述冷凝温度值后进行计算，而根据所述进口压力值Pi与所述出口压力值Po获得一量测流量值Qa，根据所述冷凝温度值Tc而获得一冷凝压力值Pc(也可以直接设置一冷凝压力计来测得)。控制器30还能将包括所述进口压力值Pi、所述出口压力值Po、所述冷凝温度值Tc、所述量测流量值Qa与所述冷凝压力值Pc等上述数值，与至少一控制参数比对，据以控制所述压缩机10。

本发明所提出的压缩机控制方法，是采用上述系统来进行，或是采用能执行本发明方法的系统来进行。而本发明的压缩机控制方法的一实施例，其步骤包括：(一)提供一压缩机10、一冷凝器20与至少一蒸发器(50a、50b及50c)；(二)测量所述压缩机10的一进口压力值Pi与一出口压力值Po，以及所述冷凝器20的一冷凝温度值Tc；(三)计算所述进口压力值Pi、所述出口压力值Po与所述冷凝温度值Tc，获得一量测流量值Qa与一冷凝压力值Pc；(四)及比对上述数值与至少一控制参数获得一比对结果，根据所述比对结果控制所述压缩机。

在压缩机领域中，由于压缩机流量与进口压力、出口压力成一函数关系，因此量测流量值Qa可由进口压力值Pi与出口压力值Po计算而获得，此外，冷凝温度Tc与冷凝压力值Pc也是成一函数关系，因此也能够在量测到其中一值后计算出另一值。

根据本领域的已知技术，控制参数通常包括由使用者设定，使被控制装置根据当前状况调整动作，以做出较佳化表现的一需求值，以及最低安全要求的一极限值。但在本发明中，控制参数是根据压缩机的特性而决定一安全流量值Qm，所述安全流量值依个别压缩机效能不同而决定，如图2所示，其为本发明的一实施例所采用的离心式压缩机的操作特性曲线图，这是本领域用来表示压缩机特性的常用图示，其Y轴是压力头(pressure head)百分比，是在固定的进口压力值下与出口压力值变化所成的百分比，X轴则是压力变化所对应的流量变化百分比。图中最外围的弧线标示着喘震范围(surgeenvelope)，或可称为喘震临界点。中间的直线代表着压缩机的最佳化表现状况，内圈的弧线η则是较佳效率曲线，内圈上的弧线M1表示离心机初级叶轮出口马赫数，本案所谓的安全流量值就是根据图中喘震范围所对应的流量而决定，换句话说，安全流量值是以压缩机特性来决定。

在本案中，压缩机能具有较佳化表现的一需求流量值Qd，是根据运转中的蒸发器数目来决定，也就是说，随着运转的蒸发器数量的改变，压缩机能做出较佳表现的需求流量值Qd也会跟着改变，因此本案的压缩机控制方法，除了用在一压缩机对一蒸发器的机组外，更可用于一压缩机对一个以上的蒸发器的机组。

本案的压缩机控制方法中，上述步骤中“根据所述比对结果控制所述压缩机”，更包括着许多控制步骤以控制所述压缩机。请参阅图3，其为本案压缩机控制方法的一实施例的流程图。首先，系统运转，测得进口压力值Pi、出口压力值Po、冷凝温度值Tc，并获得冷凝压力值Pc、量测流量值Qa(步骤301)。控制器30比对量测流量值Qa与需求流量值Qd(步骤302)，当需求流量值Qd≤量测流量值Qa不成立时(即需求流量值Qd＞量测流量值Qa)，代表目前冷媒流量不足以供应运转中的蒸发器足够的冷媒，则控制器30指示变频器提高频率，以提高压缩机流量(步骤303)，这时代表控制程序结束(步骤300)，以继续步骤302。而当需求流量值Qd≤量测流量值Qa时，代表目前冷媒流量充足，但为了防止喘震与考虑节能，则控制器30要比对需求流量值Qd≥安全流量值Qm是否成立(步骤304)，若成立，则进入步骤308。若不成立，则进入步骤305。

当需求流量值Qd≥安全流量值Qm不成立时，则控制器30再比对冷凝压力值Pc(或冷凝温度Tc所对应的压力值Pc)≥出口压力值Po是否成立(步骤305)，以判断当前状况是否需要采用防止喘震的方式调整压缩机流量。当Pc≥Po不成立(即Pc＜Po)，代表没有喘震问题，则控制器30指示变频器减少频率，以降低压缩机流量(步骤306)这时代表控制程序结束(步骤300)，以继续步骤302。而当Pc≥Po成立，代表可能会有喘震的状况，需避免喘震的发生，因此控制器30需再比对量测流量值Qa≥安全流量值Qm(步骤307)，也就是目前压缩机流量是否大于喘震临界点(例如图2所示的喘震范围)的流量。若Qa≥Qm成立，则进入步骤308，若不成立则进入步骤309。

若Qa≥Qm成立，则调整流量控制阀(IGV)调整进气角度，使压缩机效率降低以减少流量，且控制器30比对调整角度是否达到最大调整角度(步骤308)，若流量控制阀的调整角度小于最大调整角度就可降低压缩机流量达到安全流量值Qm，代表不需要再动用另一个控制方式减少压缩机出口流量，则可回到步骤305重新判断(步骤310)。若流量控制阀的调整角度已达最大调整角度，却还无法降低压缩机流量至安全流量值，则开启热气旁通阀(步骤311)，把一部分压缩机的出口压力短路至蒸发器未端降低为吸气压力，以减少压缩机冷媒流量。当步骤311结束后，则进入步骤305，继续比对Pc≥Po是否成立。

至于当Qa≥Qm不成立时(即Qa＜Qm)，代表出口压力不能再往下降，因此需要调整冷凝器温度Tc(步骤309)。通过调整冷凝器20的冷凝风扇22转速(转速越快温度越低)，或是调整冷凝器20的排管控制阀改变冷凝器效率(使运作中的冷凝排管增加使效率增高)，以降低冷凝温度，进而减少冷凝压力Pc。随着冷凝压力Pc的减少，喘震临界点所对应的安全流量值Qm也会降低，即可防止喘震发生，而当步骤309结束后，则进入步骤305，继续比对Pc≥Po是否成立。

在上述步骤中，也可视情况加入“调整储液容器40的一控制阀”的步骤，例如在蒸发器需要的冷媒流量较少时(即Qa＞Qd)，将多余的流量送到储液容器40储存起来，在需要时(Qa＜Qd)再打开储存槽使用，如此一来就不需要通过改变压缩机转速或进行其他流量调节等步骤，就能够送出大量的冷媒至蒸发器。

以上所述的实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非限制本发明。因此，本领域的技术人员可在不违背本发明的精神对上述实施例进行修改及变化，然皆不脱离如权利要求所要求保护的范围。

Claims

1.一种压缩机控制系统，其特征在于，所述压缩机控制系统包括：

一压缩机；

一冷凝器，连接于所述压缩机；

一压力计，连接于所述压缩机，以测量所述压缩机的一进口压力值与一出口压力值；

一温度计，连接于所述冷凝器，以测量所述冷凝器的一冷凝温度值；及

一控制器，连接于所述压力计、所述温度计与所述压缩机，所述控制器接收所述进口压力值、所述出口压力值与所述冷凝温度值后进行计算，而获得一量测流量值与一冷凝压力值，并将所述进口压力值、所述出口压力值、所述冷凝温度值、所述量测流量值以及所述冷凝压力值与至少一控制参数比对，据以控制所述压缩机。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机为一离心式压缩机、一涡卷式压缩机、一螺杆式压缩机以及一回转式压缩机任选其一。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机更包括一流量控制阀，所述控制器连接于所述流量控制阀。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝器更包括一冷凝风扇，所述控制器连接于所述冷凝风扇。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝器由多个排管所构成，且所述冷凝器更具有一排管控制阀连接于所述控制器。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统更包括至少一蒸发器，所述这些蒸发器连接于所述压缩机与所述冷凝器，所述控制器能根据所述这些蒸发器数目决定所述这些控制参数中的一需求流量值。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述这些控制参数更包括依据所述压缩机特性而决定的一安全流量值。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统更包括一储液容器，所述储液容器连接于所述压缩机与所述冷凝器，所述储液容器更具有一控制阀连接于所述控制器。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统更包括一热气旁通阀连接于所述控制器，以经由所述热气旁通阀调整流量。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机连接于一变频器，所述变频器又连接于所述控制器。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制器能发出一信号控制所述变频器，所述变频器能控制所述压缩机的一轮叶转速。

12.一种压缩机控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供一压缩机与一冷凝器；

测量所述压缩机的一进口压力值与一出口压力值，以及所述冷凝器的一冷凝温度值；

计算所述进口压力值、所述出口压力值与所述冷凝温度值，获得一量测流量值与一冷凝压力值；及

比对所述进口压力值、所述出口压力值、所述冷凝温度值、所述量测流量值以及所述冷凝压力值与至少一控制参数获得一比对结果，根据所述比对结果控制所述压缩机。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法更包括以下步骤：

根据所述比对结果，调整一储液容器的一控制阀。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法更包括以下步骤：

提供至少一蒸发器；

根据所述这些蒸发器数目决定所述这些控制参数中的一需求流量值；及

根据所述压缩机特性而决定所述这些控制参数的一安全流量值。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法更包括以下步骤：

当所述量测流量值小于所述需求流量值，则增加所述压缩机的转速。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法更包括以下步骤：

当所述量测流量值大于所述需求流量值，且所述需求流量值大于所述安全流量值，则调整所述压缩机的一流量控制阀。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法更包括以下步骤：

当所述量测流量值大于所述需求流量值，所述需求流量值小于所述安全流量值，且所述出口压力值大于所述冷凝压力值时，则减少所述压缩机的转速。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法更包括以下步骤：

若调整所述流量控制阀后，所述量测流量值仍大于所述需求流量值，则调整一热气旁通阀。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法更包括以下步骤：

若所述出口压力值小于所述冷凝压力值时，则根据所述压缩机的量测流量值决定是否调整所述冷凝器的一冷凝风扇。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法更包括以下步骤：

若所述出口压力值小于所述冷凝压力值时，则根据所述压缩机的量测流量值决定是否调整所述冷凝器的一排管控制阀。