CN110462310B

CN110462310B - 用于降低包括多个异步电动马达的压缩机系统的最大涌入电流的方法和用于实施该方法的压缩机系统

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Publication number: CN110462310B
Application number: CN201780089305.6A
Authority: CN
Inventors: S.博维奥
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2037-04-06
Also published as: CN110462310A; US20200119664A1; EP3607256B1; ES2899387T3; US10978968B2; WO2018185514A1; EP3607256A1

Abstract

用于控制压缩机系统的异步电动马达的该方法包括：‑接收启动压缩机系统的第一异步电动马达和第二异步电动马达的指令；‑通过分别操作第一马达的第一负载控制单元和第二马达的第二负载控制单元，卸载所述第一和第二马达，以便降低与所述马达相关联的机械负载；‑启动第一马达，并且只有一旦第一马达在标称速度下运行，才启动第二马达，‑只有一旦第二马达已启动并在标称速度下运行，才通过操作第一负载控制单元和第二负载控制单元，对第一和第二电动马达二者进行加载，以便增加与所述马达相关联的机械负载。

Description

用于降低包括多个异步电动马达的压缩机系统的最大涌入电流的方法和用于实施该方法的压缩机系统

所公开实施例的技术领域

所公开实施例涉及由异步电马达驱动的压缩机单元的操作，并且更一般地，涉及用于降低包括多个异步电动马达（electrical motor）的压缩机系统的最大涌入电流（inrush current）的方法。本发明还涉及适于实施该方法的压缩机系统。

所公开实施例的背景

压缩机系统（诸如用于家庭或工业的空调系统的冷却器）包括由一个或几个诸如异步马达的电动马达驱动的压缩机。这些电动马达由功率源（power source）通过功率输送网络（power delivery network）所输送的三相电流提供功率。

典型地，当异步电动马达被启动起来时，为马达提供功率所需的电流以比全负载安培数（amperage）高几倍的幅度（即，一旦马达在最大速度下以全负载操作所需的电流）显著上升。当压缩机系统包括几个同时操作的电动马达时，该问题被恶化。

这种所谓的涌入电流的缺点在于功率输送网络必须根据涌入电流的预期值来进行设计，这增加了固定基础设施的成本和复杂性。例如，功率输送网络必须包括具有比标称操作模式所需的定额（rating）更大的定额的熔断器、变压器和电路断路器（breaker）。

另外，在一些实例中，公共事业可能在可以从公共功率分配网络（public powerdistribution network）中抽取用于给定尺寸的安装的最大涌入电流的值上施加限制。

为了减轻该缺点，已知的是使用启动器电路以在星形型式（pattern）与三角形型式之间切换马达的绕组的连接型式。然而，对于一些应用而言，涌入电流的降低可能并不总是足够的。

针对该问题的其他可能的已知解决方案可包括降低电动马达的尺寸或向各马达增加可变频率驱动器以便精确地控制馈送至该马达的输入电流。这样，可降低涌入电流。然而，这样的解决方案增加了压缩机单元的成本和复杂性，并且因此是不令人满意的。此外，电动马达在最大速度下的效率可能被大大降低。

所公开实施例的概要

因此，当前所公开实施例的目的是提供压缩机系统和用于控制包括多个异步电动马达的压缩机系统的方法，用以降低最大涌入电流，这些方法和设备是有成本效益并且易于实施的。

为此，所公开实施例涉及用于控制压缩机系统的异步电动马达的方法，该方法包括：

- 接收启动压缩机系统的第一异步电动马达和第二异步电动马达的命令；

- 通过分别操作第一马达的第一负载控制单元和第二马达的第二负载控制单元，卸载所述第一和第二马达，以便降低与所述马达相关联的机械负载；

- 启动第一马达，并且只有一旦第一马达在标称速度下运行，才启动第二马达，

- 只有一旦第二马达已启动并在标称速度下运行，才通过操作第一负载控制单元和第二负载控制单元，对第一和第二电动马达二者进行加载，以便增加与所述马达相关联的机械负载。

这些实施例的优点在于，通过在卸载状态下一个接一个地启动所有马达，然后在对马达进行加载之前，等待直到所有马达已达到不出现涌入电流的操作模式，然后由多个马达所抽取的最大总涌入电流被降低。

在另一个实施例中，该方法进一步包括：

- 使第一马达和第二马达中的一个马达停止，并且在另一个马达仍在运行的同时，接收重启所述一个马达的命令；

- 通过操作第一负载控制单元和第二负载控制单元，卸载第一马达和第二马达，以便增加与所述马达相关联的机械负载；

- 启动所述一个马达，同时第一马达和第二马达中的另一个马达仍在运行；

- 只有一旦所述一个马达已启动并在标称速度下运行，才通过操作第一负载控制单元和第二负载控制单元，对第一和第二电动马达二者进行加载，以便增加与所述马达相关联的机械负载。

在又另一个实施例中，第一电动马达属于第一压缩机，并且第二电动马达属于第二压缩机，所述第一压缩机和第二压缩机是螺杆压缩机，第一负载控制单元和第二负载控制单元各自包括滑动入口阀。

根据另一方面，所公开实施例涉及包括异步电动马达的压缩机系统，其中压缩机系统适于：

在另一个实施例中，压缩机系统进一步适于：

- 使第一马达和第二马达中的一个马达停止，并且在第一马达和第二马达中的另一个马达仍在运行的同时，接收重启所述一个马达的命令；

- 启动所述一个马达，同时另一个马达仍在运行；

附图的简要说明

当阅读了仅作为示例提供并且参考了所附加的附图做出的以下说明时，将更好地理解所公开实施例和其他特征，在附图中：

- 图1是根据所公开实施例并且包括几个电动马达的压缩机系统的简化图；

- 图2是一个流程图，其阐示了用于操作图1的压缩机系统以启动两个电动马达的方法；

- 图3是一个曲线图，其阐示了作为时间的函数，在已知系统中的由图1的压缩机系统的电动马达所抽取的总电流的演变；

- 图4是一个曲线图，其阐示了作为时间的函数，根据所公开实施例的由图1的压缩机系统的电动马达所消耗的总电流的演变；

- 图5是一个流程图，其阐示了用于操作图1的压缩机系统的方法，用以在压缩系统的至少一个其他电动马达已在运行时，启动电动马达中的一个；

- 图6是一个曲线图，其阐示了作为时间的函数，由图1的压缩机系统的电动马达所消耗的总电流的演变。

所公开实施例的详细说明

图1阐示了示例性的压缩机系统10，诸如用于空调设备的冷却器。

压缩机系统10意在（mean to）由三相电功率（例如一组三个AC输入电流）提供功率。为此，压缩机单元10包括内部功率总线（power bus）14，其由三个电导体（诸如电线或母线）制成，各自与三相电流的一相相关联。

压缩机系统10还包括功率调节电路12，其适于过滤从功率分配网络20接收的三相电流，以便保护压缩机系统10免遭不希望的功率涌动（power surge）和/或电磁干扰。例如，该调节电路12包括断路器和/或功率转换器。

压缩机单元10还包括控制电路16。例如，控制电路16包括诸如微控制器的可编程电子逻辑单元，并且还包括存储器单元。

内部功率总线12连接到诸如公共事业的功率网（power grid）的外部功率分配网络20，其由适于输送三相电功率的功率源22（例如发电机）提供功率。

例如，内部功率总线12由三相功率提供功率，该三相功率具有在相之间等于400伏的电压和等于50赫兹的频率。这些值可以是不同的。例如，在一些实施例中，两相之间的电压等于460伏并且频率等于60赫兹。

在图1上，参考标记“24”表示在功率分配网络20的电导体与功率总线12的电导体之间的连接点。

在该实施例中，压缩机系统10进一步包括第一压缩机30和第二压缩机40。

第一压缩机30包括第一电动马达32，其被机械地接合到第一机械负载34、可控负载控制单元36、以及用于马达32的启动器电路38。

在该示例中，作为实施蒸汽压缩制冷循环的空调设备的一部分，第一压缩机30被用于压缩诸如制冷剂的流体。例如，该流体被压缩，并且然后朝向热交换器在专用的冷却回路（未阐示）中循环，以便冷却目标，诸如房间或一件装备。

电动马达32是异步马达，其意在由从功率总线12接收的三相交流电提供功率。电动马达32包括定子和转子（未阐示）。转子可绕旋转轴线相对于定子以旋转方式移动。

定子包括三个电磁铁或绕组，其适于在它们由三相AC电流提供功率时产生旋转磁场。各绕组与电流的一相相关联。

转子包括磁元件，其与所产生的旋转磁场相互作用，以便驱动转子绕旋转轴线的旋转。例如，转子是所谓的鼠笼式（squirrel-cage）转子。转子驱动输出轴，该输出轴被机械地接合到负载34。

在该实施例中，压缩机30是旋转的螺杆压缩机。负载34包括两个具有对应形状的啮合的螺旋螺杆，其借助于适当的机械接合件通过输出轴以旋转方式被驱动。负载控制单元36是压缩机30的滑动入口阀。

负载控制单元36被用于调节可以循环通过压缩机30的流体的量。因此，它可以用于间接地调节第一马达32与第一负载34之间接合的程度。

例如，负载控制单元36可在第一位置与第二位置之间选择性地并且可逆地移动。在第一位置（也称为加载状态）中，负载34具有最大值。在第二位置（也称为卸载状态）中，负载34具有小于最大值的最小值。这种变换（commutation）是用可控的致动器执行的，例如由控制电路16命令的。

第一马达32借助于第一启动器电路38被选择性地连接到内部功率总线12或从内部功率总线12断开。例如，借助于专门用于各电相（electrical phase）的三个电导体，启动器电路38以串联方式电连接在内部总线12与马达32的绕组之间，马达32的各绕组连接到总线12的单个相。

例如，第一启动器电路38包括可命令开关，所述可命令开关可在打开位置与关闭位置之间选择性地变换。例如，该功率开关是机电开关，或机械开关，或诸如绝缘栅双极晶体管的功率晶体管。例如，该功率开关默认处于打开状态中，意味着没有电流可以从内部总线12流向马达32，直到功率开关以另外方式被命令。

在该示例中，该变换由控制电路6例如借助于电信号来进行操作。因此，控制电路16连接到第一启动器电路38。这样，第一马达32可以由控制电路16启动。

可选地，第一启动器电路38连接第一马达32的绕组，并且适于在三角形型式与星形型式之间选择性地改变绕组的连接型式。

当被启动时，马达32适于首先经历所谓的斜升阶段（ramp-up phase），或启动阶段，在其中转子的旋转速度朝向标称值逐渐增加。然后，马达32适于经历所谓的标称阶段（nominal phase），在此期间它在标称速度下运行。

第二压缩机40包括第二电动马达42，其被机械地接合到第二负载44、第二负载控制单元46以及用于第二马达42的第二启动器单元48。

第二电动马达42和第二负载44分别类似于第一马达32和第一负载34。与负载控制单元36和第一启动器电路38相比，同样适用于第二负载控制单元46和第二启动器电路48。

压缩机40的操作类似于压缩机30的操作。第二马达42适于通过第二启动器电路48与第一马达32并行地连接到功率总线12。

换言之，马达32和42意在连接到相同的连接点，即连接在功率总线12上。

在其他实施例中，压缩机系统10可包括两个以上的电动马达。例如，压缩机系统10可包括两个以上的压缩机，所述压缩机类同于压缩机30或40。

根据所公开实施例，压缩机系统10和控制电路16被编程为通过控制对应的负载控制单元36、46朝向卸载状态，在各马达32、42被启动之前卸载各马达32、42，并且当它们二者运行在它们的标称操作模式中时再次对它们进行加载。这样，马达32和42在它们的启动阶段期间抽取更少的电流。因此，降低了涌入电流。

此外，控制电路16被编程为当它接收了启动压缩机系统10的指示时，一个接一个地依次启动第一马达32和第二马达42。

现在参考图2的流程图说明用于控制压缩机单元10的操作的示例性方法。

最初，内部总线12由功率分配网络20提供功率，并且功率开关36处于打开状态中。马达32和42二者停止。

在步骤100期间，压缩机系统10接收了启动压缩机30和40的命令。这样的命令例如由控制电路16接收并且自动处理。

在步骤102处，例如通过读取与所述负载控制单元36和46相关联的致动器的状态，控制电路16检查负载控制单元36和46的状态。

如果所述负载控制单元36、46中的任何一个被发现处于加载状态中，则在步骤104期间，卸载对应的负载控制单元。

如果负载控制单元36和46二者处于卸载状态中，则在随后的步骤106期间，启动第一马达32。例如，控制电路16激活对应的启动器电路38，以便将马达32的绕组连接到功率总线12。然后，电流从内部功率总线12流入到通向马达32的绕组的电导体中，并且转子开始绕其旋转轴线旋转。

在步骤108处，例如通过控制电路16，对马达32的状态进行验证。如果斜升阶段被发现结束并且马达32在全速度下运行，则在随后的步骤110处，例如以与如参考步骤106所述的类似的方式启动第二马达42。确定斜升阶段是否结束的步骤例如由控制电路16通过使用电流传感器（诸如Rogowski线圈传感器）测量由马达32通过内部功率总线12所抽取的电流的值来执行。

在该示例中，如果在步骤108处斜升阶段未被发现结束并且马达32尚未启动，则不启动马达42并且重新启动马达32。作为备选，使马达32停止并且通过控制电路16来中断该处理。

在步骤112处，例如通过控制电路16，对马达42的状态进行验证，以便确定马达42是否已完全启动。该步骤112类似于步骤108。

如果斜升阶段被发现结束并且马达32在全速度下运行，则在随后的步骤114处，对负载控制单元36和46二者进行加载。

在步骤116处，马达32和42二者在全速度下运行，同时驱动它们各自的全负载34和44。

在一些实施例中，斜升阶段是否结束的确定不是由控制电路16来执行。相反，控制电路16可依赖于距校准数据所限定的时间延迟，所述校准数据在为该压缩机30执行的先前校准步骤期间获得。例如，马达32达到对于给定负载的全操作状况（full operatingregime）所需的时间被测量。然后，对应的时间延迟被限定并且存储在控制电路16的存储器中。因此，在这些实施例中，步骤108由以下步骤代替：对对应的时间延迟进行倒数计数（count down），并且一旦时间延迟已期满就采取对应的动作。同样适用于步骤112。

如在图3和图4中所阐示的，根据所公开实施例以最小负载启动马达32和42，降低了为它们提供功率所需的输入电流的值。

例如，图3描绘了曲线图50，其表达了作为时间t的函数，在不使用该方法的实施例中由马达32的和42从总线12所抽取的电流I的值（以安培为单位）。相反，使用了已知的方法，在其中对各马达32、42在其已启动之后立即进行加载，而不管另一个马达的状态如何。

在该曲线图50上，箭头51阐示了当第一马达32被启动时归因于第一马达32的涌入电流。在该示例中，该涌入电流达到629安培的值。在箭头52处，马达32已完成启动并在标称速度下运行，仍处于卸载状态中。由马达32所抽取的输入电流等于279安培。负载控制单元36朝向其加载状态切换，并且结果，马达32必须提供增加的功率以驱动负载43。从功率线（power line）121抽取的输入电流对应地上升（箭头53），直到达到其最大值，此处等于505安培（箭头54）。

同样步骤被重复以启动第二马达42，且箭头55、56、57和58对应于箭头51、52、53和54。在箭头55处，由马达32和42所累积抽取的最大电流等于1134安培，其高于当马达32和42二者在全速度下以全负载运行时（箭头58）由马达32和42二者所累积抽取的电流，此处等于1010安培。

图4描绘了曲线图60，其表达了作为时间t的函数，在使用了图2的方法的示例性实施例中由马达32和42从总线12所抽取的电流I的值（以安培为单位）。

归因于第一马达的涌入电流（箭头61）等于629安培，并且当第二马达42已启动时（箭头63），累积电流等于957安培。该值低于当在全速度下且以全负载运行时（箭头65）归因于马达32和42的电流值，此处等于1010安培。

卸载顺序允许以较低的负载启动马达，使得它们抽取更少的电流。因而，降低了总涌入电流。在这种情况下，它低于最大操作电流。换言之，即使当马达中的一个在启动时，所抽取的涌入电流不会导致整个压缩机10的总电流上升到高于最大操作值。因此，没有必要使功率分配网络20的尺寸过大到远高于该最大操作值。而且，该方法可以在现有的压缩机系统10中实施，而不需使用可变频率驱动器。

如果压缩机系统10包括附加的压缩机，则通过一个接一个地启动所有马达，并且然后在所有马达已进入标称操作状况之后立刻对它们进行加载，可以类似地应用以上所述的方法。

在其他实施例中，控制电路16被进一步编程为：当马达32、42中的一个已在以全负载运行并且另一个马达必须被启动时，在启动另一个马达之前卸载对应的运行的马达。

参考图5的流程图，现在说明根据这些实施例的用于控制压缩机单元10的操作的示例性方法。

图6描绘了曲线图70，其表达了作为时间t的函数，在使用了根据图5的方法的实施例中由马达32和42从总线12所抽取的电流I的值（以安培为单位）。

最初，在步骤120处，第一马达32在全速度下运行，并且第二马达42不在运行。例如，如果马达32和42二者在运行，则使它们中的一个停止。在该示例中，使第二马达42停止。

在其他实施例中，使马达32停止，并且第二马达42在运行。然后，第一方法由此被修改。如果压缩机系统10包括附加的马达，也应用该方法。

然后，在步骤122期间，压缩机系统10接收了启动压缩机40的命令。该命令例如由控制电路16接收并且自动处理，该控制电路16启动第二马达42。

在步骤124处，第一马达32的负载控制单元36被卸载，以便降低由马达32驱动的负载，并且进而降低由第一马达32所需的输入电流。随着负载减小，由第一马达32驱动负载34所需的功率也减小，并且因此马达32逐渐抽取更少的电流。这种减小由图6上的箭头71所阐示。

在步骤126处，例如通过读取与所述负载控制单元36相关联的致动器的状态，控制电路16检查马达32是否被卸载，即负载控制单元36是否已返回到卸载状态。

如果负载控制单元36已正确地返回到卸载状态，则在随后的步骤128期间，第二马达42在其负载控制单元46被卸载的情况下被启动。例如，控制电路16激活对应的启动器电路48，以便将马达42的绕组连接到功率总线12。然后，电流从内部功率总线12流入到通向马达42的绕组的电导体中，并且转子开始绕其旋转轴线旋转。然而，如果负载控制单元36还没有返回到卸载状态，则步骤124被再次应用。

当第二马达42在启动时，它进入斜升阶段，在此期间它短暂地抽取高强度的涌入电流，其总计达到由第一马达32所抽取的电流。为压缩机30和40提供功率所需的总电流对应地上升，如由图6上的箭头72所阐示的。

在步骤130处，例如通过控制电路16，对马达42的状态进行验证。确定斜升阶段是否结束的步骤例如由控制电路16执行，类似于以上为步骤108所述。

如果斜升阶段被发现结束并且马达42在全速度下运行，则在随后的步骤132期间，对负载控制单元36和46二者进行加载。总输入电流上升，如由图6上的箭头73所阐示的。

最后，在步骤134处，一旦负载控制单元36和46二者处于它们的加载状态中，马达32和42二者在全速度下运行，同时分别驱动它们对应的全负载34和44。总输入电流达到最大值，如由箭头74所阐示的。然而，由于该实施例，在马达42的斜升阶段期间所抽取的最大电流保持低于该最大值。

以上所述的实施例和备选可彼此进行组合，以便产生本发明的新实施例。

Claims

1.一种用于控制压缩机系统（10）的异步电动马达（32,42）的方法，该方法包括：

接收（100）启动压缩机系统（10）的第一异步电动马达（32）和第二异步电动马达（42）的命令；

通过分别操作所述第一异步电动马达的第一负载控制单元（36）和所述第二异步电动马达的第二负载控制单元（46），卸载（104）所述第一和第二异步电动马达，以便降低与所述第一和第二异步电动马达相关联的机械负载（34,44）；

启动所述第一异步电动马达（32），并且只有一旦所述第一异步电动马达在标称速度下运行，才启动所述第二异步电动马达（42），

只有一旦所述第二异步电动马达已启动并在标称速度下运行，才通过操作所述第一负载控制单元（36）和所述第二负载控制单元（46），对第一和第二异步电动马达二者进行加载（114），以便增加与所述第一和第二异步电动马达相关联的机械负载。

2.如权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括：

使所述第一异步电动马达（32）和所述第二异步电动马达（42）中的一个马达停止，并且在所述第一异步电动马达（32）和所述第二异步电动马达（42）中的另一个马达仍在运行的同时，接收重启所述一个马达的命令；

通过操作所述第一负载控制单元和所述第二负载控制单元，卸载（124）所述第一异步电动马达（32）和所述第二异步电动马达（42），以便增加与所述第一和第二异步电动马达相关联的机械负载；

启动所述一个马达（42），同时另一个马达（32）仍在运行；

只有一旦所述一个马达已启动并在标称速度下运行，才通过操作所述第一负载控制单元（36）和所述第二负载控制单元（46），对所述第一和第二异步电动马达二者进行加载（132），以便增加与所述第一和第二异步电动马达相关联的机械负载。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一异步电动马达（32）属于第一压缩机（30），并且所述第二异步电动马达（42）属于第二压缩机（40），所述第一和第二压缩机是螺杆压缩机，所述第一和第二负载控制单元（36,46）各自包括滑动入口阀。

4.一种包括异步电动马达（32,42）的压缩机系统（10），其中所述压缩机系统适于：

接收（100）启动所述压缩机系统的第一异步电动马达（32）和第二异步电动马达（42）的命令；

只有一旦所述第二异步电动马达已启动并在标称速度下运行，才通过操作所述第一负载控制单元（36）和所述第二负载控制单元（46），对所述第一和第二异步电动马达二者进行加载（114），以便增加与所述第一和第二异步电动马达相关联的机械负载。

5.如权利要求4所述的压缩机系统，其中所述压缩机系统（10）进一步适于：

通过操作所述第一负载控制单元和所述第二负载控制单元，卸载（124）所述第一异步电动马达（32）和所述第二异步电动马达（42），以便增加与所述第一异步电动马达和第二异步电动马达相关联的机械负载；

启动所述一个马达，同时另一个马达仍在运行；

只有一旦所述一个马达已启动并在标称速度下运行，才通过操作所述第一负载控制单元（36）和所述第二负载控制单元（46），对所述第一和第二异步电动马达二者进行加载（132），以便增加与所述第一异步电动马达和第二异步电动马达相关联的机械负载。