CN103765011A - 用于控制压缩机马达的变速驱动器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种变速驱动器（VSD）可以被用来改变供应到加热、通风、空调或制冷（HVAC&R）系统的压缩机马达的电压-频率比（V/f），以使该马达更强地或更弱地补偿该HVAC&R系统中的变化的条件。该VSD和对应的控制系统或算法可以监测该HVAC&R系统的运行参数，诸如由该马达所吸收的kW，继而升高或降低该VSD的V/f，以获得来自该马达的最低可能的功率消耗。

Description

用于控制压缩机马达的变速驱动器的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2011年8月31日提交的题为“VARIABLE SPEEDDRIVE CONTROL SYSTEM AND METHOD”的美国临时申请No.61/529,437的优先权权益，该美国临时申请通过引用整体纳入本文。
背景技术
本申请总体涉及变速驱动器（variable speed drive）。本申请更具体地涉及控制变速驱动器或变频驱动器（variable frequencydrive）输出的电压-频率比。
在压缩机与变频驱动器（VFD）或变速驱动器（VSD）联接的深冷器（chiller）系统或其他加热、通风、空调或制冷（HVAC&R）系统中，压缩机马达通常被定尺寸为以特定的电压-频率（V/f）比和特定的负载点来运行。因为实际系统中的压缩机可以在多种条件下运行，所以马达通常未以峰效率运行。
因此，需要的是能够改变电压-频率比以补偿变化的负载条件的变速驱动器或变频驱动器。
发明内容
本发明针对一种系统，该系统包括压缩机、冷凝器、膨胀设备和蒸发器，它们连接在闭合的冷凝剂回路中。该系统包含：马达，该马达连接到该压缩机以为该压缩机提供动力；以及，变速驱动器，该变速驱动器连接到该马达以为该马达提供动力。该变速驱动器能够运行以向该马达提供可变电压且向该马达提供可变频率。该系统还包含：控制面板，以控制该变速驱动器的运行以及该系统的一个或更多个部件的运行；以及，传感器，以测量该系统的运行参数。该传感器能够运行以向该控制面板传达所测得的运行参数。该控制面板能够运行以执行控制算法，从而使用所测得的运行参数来确定待由该变速驱动器输出的电压-频率比，且该电压-频率比基于所测得的运行参数而变化。
本发明还针对一种用于控制变速驱动器的方法。该方法包含：测量HVAC&R系统的运行参数；以及，使用所测得的运行参数来确定待由变速驱动器输出的电压-频率比。该变速驱动器为该HVAC&R系统的压缩机马达提供动力。该方法还包含：基于所确定的电压-频率比来生成用于该变速驱动器的控制指令；以及，用所生成的控制指令来调节由该变速驱动器向该压缩机马达所提供的输出电压-频率比。
在本申请中，VFD或VSD可以改变供应到马达的V/f，以使马达更强或更弱地补偿HVAC&R系统中的变化的条件。VFD或VSD以及对应的控制装置可以监测马达的被该马达吸收的功率消耗（kW），继而升高或降低该VFD或VSD的V/f，从而从该马达获得最低可能的功率消耗。
本申请的一个优势是压缩机马达的较低的功率消耗，这实现了节能。
本申请的另一个优势是基于压缩机上的负载条件来对应所提供给压缩机马达的电压-频率比的能力。电压-频率比与负载条件的对应使得压缩机马达能够以峰效率运行，从而降低了功率消耗。
本发明的其他特征和优势将从下文结合附图给出的对优选实施方案的更详细的描述中明了，这些附图以实施例的方式例示了本发明的原理。
附图说明
图1示出了用于加热、通风和空调系统的一个示例性实施方案。
图2示出了一个示例性蒸气压缩系统的等轴视图。
图3和图4示意性地示出了蒸气压缩系统的示例性实施方案。
图5示意性地示出了变速驱动器的一个示例性实施方案。
图6-图11示出了对于用在一个示例性HVAC&R系统中的不同V/f比，马达温度和压缩机效率与频率的关系图表。
图12示出了对于图6-图11中的不同V/f比，马达温度与频率的关系图表。
图13示出了对于图6-图11中的不同V/f比，压缩机效率与频率的关系图表。
图14示出了对于用在一个示例性HVAC&R系统中的不同V/f比，峰声音（peak sound）水平与频率的关系图表。
图15示出了图14的图表的一个放大的部分。
图16示出了用于调节变速驱动器的V/f比的过程的一个示例性实施方案。
只要可能，在所有附图中将使用相同的参考数字来指代相同或相似的部分。
具体实施方式
图1示出了用于典型商业环境的建筑物12中的加热、通风和空调（HVAC）系统10的一个示例性环境。系统10可以包含蒸气压缩系统14，蒸气压缩系统14可以供应可被用来使建筑物12冷却的深冷液体。系统10可以包含：锅炉16，以供应可被用来给建筑物12加热的加热液体；以及，空气分配系统，其使得空气循环经过建筑物12。该空气分配系统系统还可以包含空气返回管道18、空气供应管道20和空气处理器22。空气处理器22可以包含热交换器，该热交换器通过导管24连接到锅炉16和蒸气压缩系统14。空气处理器22中的热交换器可以根据系统10的运行模式接收来自锅炉16的加热液体或者接收来自蒸气压缩系统14的深冷液体。系统10被示为在建筑物12的每一层上具有分立的空气处理器，但应意识到，这些部件可以在两个楼层或更多楼层之间共享。
图2和图3示出了可以被用在HVAC系统10中的示例性蒸气压缩系统14。蒸气压缩系统14可以使制冷剂循环经过如下回路，该回路以压缩机32开始，且包含冷凝器34、膨胀阀或设备36，以及蒸发器或液体深冷器（chiller）38。蒸气压缩系统14还可以包含控制面板40，该控制面板40可以包含模数（A/D）转换器42、微处理器44、非易失性存储器46和接口板48。可以被用作蒸气压缩系统14中的制冷剂的流体的一些实施例是：氢氟烃（HFC）类制冷剂，例如R-410A、R-407、R-134a；氢氟烯烃（HFO）；“天然”制冷剂，比如氨（NH3）、R-717、二氧化碳（CO2）、R-744、或碳氢类制冷剂、水蒸气；或任何其他合适类型的制冷剂。在一个示例性实施方案中，蒸气压缩系统14可以在一个或多个制冷剂回路中使用下列中的一个或多个：变速驱动器（VSD）52、马达50、压缩机32、冷凝器34、膨胀阀36和/或蒸发器38中的每一个。
与压缩机32一起使用的马达50可以由VSD52提供动力。该VSD52从AC电源接收具有特定的固定线电压（line voltage）和固定线频率（line frequency）的AC功率，且向马达50提供具有可变电压和频率的功率。马达50可以包含任何类型的可以由VSD提供动力的电动马达。马达50可以是任何合适的马达类型，例如开关磁阻马达、感应马达或电子整流永磁马达。
压缩机32压缩制冷剂蒸气，且经过排出通道将蒸气输送到冷凝器34。在一个示例性实施方案中，压缩机32可以是螺杆压缩机。然而，压缩机32可以是任何合适类型的正排量压缩机或离心压缩机。由压缩机32输送到冷凝器34的制冷剂蒸气将热传递到流体，例如水或空气。制冷剂蒸气因与流体的热传递而在冷凝器34中冷凝成制冷剂液体。来自冷凝器34的液体制冷剂流经膨胀设备36到达蒸发器38。在图3中示出的示例性实施方案中，冷凝器34是水冷式的，且包含连接到冷却塔56的管束54。
输送到蒸发器38的液体制冷剂从另一流体吸收热，且经历相变成为制冷剂蒸气，该另一流体可以与用于冷凝器34的流体类型相同或不同。在图3中示出的示例性实施方案中，蒸发器38包含管束，该管束具有连接到冷却负载62的供应管线60S和返回管线60R。过程流体（process fluid）（例如水、乙二醇、氯化钙盐水、氯化钠盐水或任何其他合适的液体）经由返回管线60R进入蒸发器38，并经由供应管线60S离开蒸发器38。蒸发器38降低了这些管中的过程流体的温度。蒸发器38中的管束可以包含多个管和多个管束。该蒸气制冷剂通过抽吸管线离开蒸发器38并返回到压缩机32，以完成该循环。
与图3相似，图4示出了具有中间回路64的蒸气压缩系统14，中间回路64被纳入在冷凝器34与膨胀设备36之间。中间回路64具有入口管线68，入口管线68可以直接连接到冷凝器34或与冷凝器34流体连通。如所示，入口管线68包含膨胀设备66，膨胀设备66定位在中间容器70的上游。在一个示例性实施方案中，中间容器70可以是闪蒸罐（flash tank），还被称为闪蒸中间冷却器（flashintercooler）。在一个替代的示例性实施方案中，中间容器70可以被配置为热交换器或“表面经济器（surface economizer）”。在图4中示出的配置中，中间容器70是闪蒸罐，且膨胀设备66运行以降低从冷凝器34接收的液体的压力。在膨胀过程中，液体的一部分蒸发。中间容器70可以被用来将蒸气与从膨胀设备66接收的液体分离，且还可以允许液体的进一步膨胀。所述蒸气可以由压缩机32以处于抽吸和排出之间的中间压力或压缩的中间级从中间容器70穿过管线74抽吸至抽吸入口、端口。中间容器70中收集的液体因该膨胀过程处于较低的焓。来自中间容器70的液体在管线72中流经第二膨胀设备36到达蒸发器38。
在一个示例性实施方案中，压缩机32可以包含压缩机壳体，该压缩机壳体容纳压缩机32的工作零件。来自蒸发器38的蒸气可以被引导到压缩机32的进口通道。压缩机32通过压缩机构压缩蒸气，且将已压缩的蒸气经过排出通道输送到冷凝器34。马达50可以通过驱动杆连接到压缩机32的压缩机构。
蒸气从正排量压缩机32的进口通道流动，并进入压缩机构的压缩槽（compression pocket）。通过压缩机构的运行，压缩槽在尺寸上减小，以压缩蒸气。已压缩的蒸气可以被排出到排出通道中。例如，对于螺杆压缩机，压缩槽被限定在压缩机的转子的表面之间。当压缩机的转子彼此接合时，压缩机的转子之间的压缩槽（还被称为凸齿）在尺寸上减小，且轴向地移位到该压缩机的排出侧。
图5示出了VSD的一个示例性实施方案。VSD52从AC电源接收具有特定的固定线电压和固定线频率的AC功率，并向马达50提供处于期望电压和期望频率（二者都可以被改变以满足特定要求）的AC功率。VSD52可以具有三个部件：整流器/转换器222、DC链路224和反相器226。整流器/转换器222将来自AC电源的固定频率、固定幅度的AC电压转换成DC电压。DC链路224过滤来自转换器222的DC功率，并提供能量存储部件，诸如电容器和/或电感器。最后，反相器226将来自DC链路224的DC电压转换成用于马达50的可变频率、可变幅度的AC电压。
在一个示例性实施方案中，整流器/转换器222可以是三相脉冲宽度调制升压整流器，它具有绝缘栅双极型晶体管，以向DC链路224提供已升压的DC电压，从而从VSD52获得比VSD52的输入电压大的最大RMS输出电压。替代地，转换器222可以是没有电压升压能力的无源二极管或晶闸管整流器。
VSD52可以向马达50提供可变幅度的输出电压和可变频率，以允许马达50响应于特定负载条件的有效运行。控制面板40可以向VSD52提供控制信号，以针对由控制面板40接收的特定传感器读数，以适当的运行设置运行VSD52和马达50。例如，控制面板40可以向VSD52提供控制信号，以响应于蒸气压缩系统14中的变化的条件来调节由VSD52提供的输出电压和输出频率。在一个示例性实施方案中，控制面板40可以响应于压缩机32上的增大的或减小的负载条件，来提供增大或减小由VSD52提供的输出电压和输出频率同时维持相同的V/f比的指令。
然而，在另一个示例性实施方案中，控制面板40可以单独地增大或减小来自VSD52的输出电压和/或输出频率，以获得来自VSD52的不同的V/f比。在一个示例性实施方案中，控制面板可以基于马达的功率消耗（kW）来调节V/f比。然而，在其他实施方案中，除了马达的功率消耗以外或代替马达的功率消耗，可以使用不同的运行参数（例如，压缩机排出温度或马达温度）。基于马达和/或系统的当前的或所测得的运行条件或参数，控制面板可以从一个或多个查找表中选择用于VSD的适当V/f比。该查找表可以作为系统启动过程的一部分而生成（在工厂处或在使用现场处），且涉及在变化的条件下运行该系统，以确定用于特定条件的最优V/f比。在另一个实施方案中，控制面板可以使用容量控制算法来确定用于该VSD的运行频率，用该马达和/或系统的当前的或所测得的运行条件或参数作为输入，继而从提供最大效率的容量控制算法选择对应于那个运行频率的适当电压。在另一个实施方案中，控制面板可以控制VSD以反复地循环经过多个V/f比，并选择提供最佳效率的那个V/f比。在又一个实施方案中，V/f比可以基于马达和/或系统的所测得的运行条件或参数从控制算法（诸如模糊逻辑算法）来计算。
图16示出了由控制面板执行的以改变VSD的V/f比的控制过程的一个示例性实施方案。该过程开始于测量来自HVAC&R系统的一个或多个运行参数（步骤302）。在一个实施方案中，所测得的运行参数可以是马达的功率消耗（kW）。然而，在其他实施方案中，除了马达的功率消耗以外或代替马达的功率消耗，可以使用不同的运行参数（例如，压缩机排出温度、马达温度或马达电流）。接下来，从所测得的运行参数确定用于VSD的V/f比（步骤304）。在一个实施方案中，所确定的V/f比可以是从将所测得的运行参数与V/f对应的一个或多个表格中确定的。在其他实施方案中，可以使用一个或多个控制算法，使用所测得的运行参数或其他预先选定的参数来确定或计算V/f比。一旦用于VSD的V/f比已经被确定，控制面板就可以生成用于VSD的控制指令，以实施所确定的V/f比（步骤306）。继而使用控制指令来调节VSD的输出，以向压缩机马达提供所确定的V/f比（步骤308）。该过程继而返回到开始以重复该过程。
对于图6-图13，HVAC系统以不同的V/f比运行。该HVAC系统使用R-134a制冷剂，且在约100°华氏（F）的冷凝器温度和约40°F的蒸发器温度下运行。在图6-图11的每一个中，针对一个频率范围和一个特定的V/f比示出了压缩机（绝热）效率（即，针对压缩机的理论功率消耗与实际功率消耗之比（Wtheo/Wactual））。另外，针对相同的频率范围和特定的V/f比示出了压缩机马达的温度。
在另一个实施方案中，出于声音衰减的目的，该V/f比可以被改变，这是因为噪声可以通过马达内的振动而生成。如图14和图15所示，不同的V/f比在压缩机中产生了不同的峰噪声水平，且可以选择最优V/f以降低压缩机中的噪声水平。在图14和图15中，“聚合（Poly）”线代表针对所标识的对应电压的趋势数据。最优V/f可以以与前述针对马达/系统效率相似的方式进行选择，且可以依赖于所选定的马达和所施加的负载。
重要的是注意，在多个示例性实施方案中所示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在本申请中仅详细描述了几个实施方案，但浏览本申请的人员将容易意识到，在不实质上脱离本申请中描述的主题的新颖教导和优势的前提下，许多修改是可能的（例如，多种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例，参数的值（例如温度、压力等），安装布置，材料的使用，颜色，取向的变化等）。例如，被示为一体成型的元件可以由多个零件或元件构造，元件的位置可以反转或以其他方式被改变，且分立元件或位置的性质或数目可以被更改或改变。据此，所有这样的修改旨在被包含在本申请的范围内。根据替代的实施方案，任何过程或方法步骤的顺序或次序可以被改变或重新排序。在权利要求中，任何装置加功能条款旨在覆盖这里描述的执行所记载的功能的结构，且不仅是结构上的等同物而且还是等同的结构。在不脱离本申请的范围的前提下，可以在这些示例性实施方案的设计、运行条件和布置中做出其他置换、修改、变化和省略。据此，本申请不限于特定实施方案，而是扩展到多种修改，这些修改仍然落在随附权利要求的范围内。
此外，为了提供示例实施方案的简要说明，可能没有描述实际实施方案的所有特征(例如，那些与实施本发明的目前所预期的最佳模式无关的特征，或那些与使能实现所要求保护的本发明无关的特征)。应理解的是，在任何该种实际实施方案的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施决策。如此的开发工作可能是复杂和费时的，但对于受益于本公开内容的普通技术人员，仍然是设计、加工和生产的常规任务，而无需过度的实验。

Claims (17)

1.一种系统，包括：
压缩机、冷凝器、膨胀设备和蒸发器，连接在闭合的制冷剂回路中；
马达，连接到该压缩机，从而为该压缩机提供动力；
变速驱动器，连接到该马达，从而为该马达提供动力，该变速驱动器能够运行以向该马达提供可变电压且向该马达提供可变频率；
控制面板，以控制该变速驱动器的运行以及该系统的一个或多个部件的运行；
传感器，以测量该系统的运行参数，该传感器能够运行以向该控制面板传达所测得的运行参数；以及
该控制面板能够运行以执行控制算法，从而使用所测得的运行参数来确定待由该变速驱动器输出的电压-频率比，其中该电压-频率比基于所测得的运行参数而变化。
2.根据权利要求1所述的系统，其中该传感器测量该马达的功率消耗。
3.根据权利要求1所述的系统，其中该传感器测量该压缩机的排出温度。
4.根据权利要求1所述的系统，其中该传感器测量该马达的温度。
5.根据权利要求1所述的系统，其中该控制算法包含电压-频率比和对应的运行参数值的表格。
6.根据权利要求1所述的系统，其中该控制算法包含模糊逻辑算法，以确定该电压-频率比。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所确定的电压-频率比被用来优化压缩机效率。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所确定的电压-频率比被用来优化声音衰减。
9.一种用于控制变速驱动器的方法，该方法包括：
测量HVAC&R系统的运行参数；
使用所测得的运行参数来确定待由变速驱动器输出的电压-频率比，该变速驱动器为该HVAC&R系统的压缩机马达提供动力；
基于所确定的电压-频率比来生成用于该变速驱动器的控制指令；以及
用所生成的控制指令来调节由该变速驱动器向该压缩机马达所提供的输出电压-频率比。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述测量运行参数包含测量该压缩机马达的功率消耗。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述测量运行参数包含测量压缩机的排出温度。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述测量运行参数包含测量该压缩机马达的温度。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述确定电压-频率比包含从电压-频率比和对应的运行参数值的表格中选择电压-频率比。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括以变化的条件和电压-频率比运行该HVAC&R系统，从而填充该表格。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述确定电压-频率比包含执行模糊逻辑算法，以确定该电压-频率比。
16.根据权利要求9所述的方法，还包括用所确定的电压-频率比来优化压缩机效率。
17.根据权利要求9所述的方法，还包括用所确定的电压-频率比来优化声音衰减。
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