CN115989368A - 用于气体箔轴承机器的启动-停止控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种HVAC系统，该HVAC系统包括卸载装置、离心式压缩机、气体箔轴承、VFD以及控制器。控制器编程为通过下述方式使离心式压缩机从停止状态启动：操作卸载装置以将载荷从离心式压缩机移除，使马达加速至比气体箔轴承的起飞速度高并比离心式压缩机的操作速度低的第一速度，使马达以第一速度运行一定时间段，操作卸载装置以将载荷施加至离心式压缩机，以及使马达加速至操作速度。

Description

用于气体箔轴承机器的启动-停止控制系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年9月1日提交的美国专利申请No.17/009,535的优先权，该美国专利申请以其全部内容通过参引并入本文中。
技术领域
本公开的领域总体上涉及控制系统，并且更具体地涉及用于包括气体箔轴承组件的机器的控制系统。
背景技术
气体箔轴承(GFB)机器尤其用于HVAC应用、比如两级制冷剂离心式压缩机中。HVAC压缩机具有驱动轴，驱动轴操作性地连接至叶轮级之间的由气体箔轴承支承的马达。驱动轴可以定位在叶轮级之间，使得叶轮以一定旋转速度旋转以将制冷剂压缩至HVAC系统中的选定压力。压缩机轴承通常设置有用以减少压缩机轴承与驱动轴之间的摩擦的一个或更多个特征。一旦轴旋转得足够快，气体就会推动箔远离该轴，使得不会发生接触。轴和气体箔轴承通过气体的高压而被分开，该高压是通过经由粘度效应将气体推动到轴承中的旋转来产生的。需要轴相对于气体箔轴承的高速来引发气体间隙，并且一旦这被实现，就不会发生磨损。这些轴承具有优于已知轴承的多个优点，这些优点包括由于油系统的消除而减小的重量、以更高的速度和温度稳定操作、在高速下的低功率损耗、以及使用较少维护的较长寿命。
当前的气体箔轴承响应于压缩机内产生的压力而变形。气体箔轴承在启动和停止操作期间发生磨损和撕裂。更具体地，在低于起飞速度下运行GFB机器以及压缩机喘振事件导致轴承和轴承涂层的加速磨损。喘振是离心式压缩机的下述特征行为：该特征行为可能在入口流量减少成使得由压缩机形成的压头不足以克服压缩机排放口处的压力时发生。一旦喘振发生，压缩机的输出压力急剧减小，从而导致压缩机内的回流。当离心式压缩机喘振时，存在通过压缩机叶轮的实际的气体回流。喘振通常在多级压缩机的一个级中开始，并且可能非常迅速地发生。压缩机在启动和停止期间由于较低的操作速度而特别容易发生喘振事件。喘振事件的严重性和由其导致的损坏随着压缩机的速度而增加。使GFB机器以低于其起飞速度运行的时间最小化并且使压缩机所经历的喘振事件的次数和严重性最小化增加了轴承的寿命。
本背景部分意在向读者介绍可能与本公开的下文所描述和/或所要求保护的各个方面有关的技术的各个方面。该论述被认为有助于向读者提供背景信息，以便更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解的是，这些陈述是从该角度来理解的，而不是作为对现有技术的承认。
发明内容
在一个方面中，描述了一种包括卸载装置、离心式压缩机、气体箔轴承和控制器的HVAC系统。离心式压缩机包括：压缩机壳体；马达，该马达具有以可旋转的方式支承在压缩机壳体内的驱动轴；以及叶轮，该叶轮连接至驱动轴并且能够操作成在驱动轴旋转时对制冷剂气体进行压缩。气体箔轴承由压缩机壳体支承并且对驱动轴进行支承。控制器连接至马达和卸载装置。控制器被编程为通过下述方式使离心式压缩机从停止状态启动：操作卸载装置以将载荷从离心式压缩机移除，使马达加速至比气体箔轴承的起飞速度高且比离心式压缩机的操作速度低的第一速度，使马达以第一速度运行一定时间段，操作卸载装置以将载荷施加至离心式压缩机，以及使马达加速至操作速度。控制器还被编程为通过下述方式使离心式压缩机从操作状态停止：操作卸载装置以将载荷从离心式压缩机移除，使马达朝着大于0的最小速度减速，以及在马达的速度达到最小速度时将动力从马达移除并且允许该马达滑行至停止。
在另一方面中，描述了一种用于对具有气体箔轴承的离心式压缩机进行控制的控制器，该气体箔轴承对由马达驱动的叶轮的轴进行支承。控制器包括用于连接至马达的马达接口、用于连接至卸载装置的卸载接口、处理器、以及存储器。存储器包括在由处理器执行时致使控制器通过下述方式使离心式压缩机从停止状态启动的指令：操作卸载装置以将载荷从离心式压缩机移除、使马达加速至比气体箔轴承的起飞速度高且比离心式压缩机的操作速度低的第一速度，使马达以第一速度运行一定时间段，操作卸载装置以将载荷施加至离心式压缩机，以及使马达加速至操作速度。存储器还包括在由处理器执行时致使控制器通过下述方式使离心式压缩机从操作状态停止的指令：操作卸载装置以将载荷从离心式压缩机移除，使马达朝着大于0的最小速度减速，以及在马达的速度达到最小速度时将动力从马达移除并且允许该马达滑行至停止。
在又一方面中，描述了一种对具有气体箔轴承的离心式压缩机进行控制的方法，该气体箔轴承对由马达驱动的叶轮的轴进行支承。该方法包括通过下述方式使离心式压缩机从停止状态启动：操作卸载装置以将载荷从离心式压缩机移除、使马达加速至比气体箔轴承的起飞速度高且比离心式压缩机的操作速度低的第一速度，使马达以第一速度运行一定时间段，操作卸载装置以将载荷施加至离心式压缩机，以及使马达加速至操作速度。该方法还包括通过下述方式使离心式压缩机从操作状态停止：操作卸载装置以将载荷从离心式压缩机移除，使马达朝着大于0的最小速度减速，以及在马达的速度达到最小速度时将动力从马达移除并且允许该马达滑行至停止。
存在就上述各方面所提出的特征的各种改进。其他特征也可以并入上述各方面中。这些改进和附加的特征可以单独地存在或以任何组合存在。例如，以下就所示实施方式中的任一实施方式所论述的各个特征可以单独地或以任何组合并入到上述各方面中的任一方面中。
附图说明
以下附图图示了本公开的各个方面。
图1是经组装的压缩机的立体图。
图2是沿着线2-2截取的图1的压缩机的横截面图，其中，外部导管被移除。
图3是穿过图2中所示的轴承壳体的套筒的横截面图，其图示了支承在箔轴承组件内的驱动轴，该箔轴承组件使用一对保持夹保持在轴承壳体的套筒内。
图4是适于在图1的压缩机中使用的轴承壳体的另一实施方式的横截面图，其图示了支承在箔轴承组件内的驱动轴，该箔轴承组件在轴承壳体内保持在形成于轴承壳体内的一个端部处的保持唇部与相反端部处的保持夹之间。
图5是箔轴承组件的相对于轴承壳体和驱动轴布置的元件的分解图。
图6是用于气体箔轴承(GFB)机器的启动-停止控制系统的框图。
图7是使离心式压缩机从停止状态启动的方法的流程图。
图8是用于离心式压缩机的喘振电流特征曲线图。
图9是使离心式压缩机从操作状态停止的方法的流程图。
图10是在离心式压缩机停止期间所估计的喘振速度和最小速度随着实际速度减小而变化的减速曲线图。
图11是用于离心式压缩机的示例启动例程的流程图。
图12是用于离心式压缩机的示例关闭例程的流程图。
图13是用于离心式压缩机的示例紧急停止例程的流程图。
在整个附图中，对应的附图标记表示对应的部分。
具体实施方式
为了简洁起见，将描述关于HVAC压缩机的示例。然而，本文中描述的方法和系统可以应用于任何适合的气体箔轴承(GFB)机器。在GFB机器的启动-停止控制系统中，下述启动例程将防止轴承的附加变形：使载荷与压缩机断开连接，然后使压缩机快速地加速至比轴承的起飞速度(～10k RPM)高的空载速度，并且保持处于该空载速度直到任何初始喘振停止为止。另外，下述停止例程也将防止轴承的变形：使载荷断开连接并且然后使压缩机缓慢地减速至估计的喘振速度加上裕度，并且然后允许压缩机滑行至停止。
参照图1，以两级制冷剂压缩机的形式图示的压缩机总体上以100表示。压缩机100总体上包括压缩机壳体102，该压缩机壳体102形成有至少一个密封腔，在密封腔内完成每一级制冷剂压缩。压缩机100包括：第一制冷剂入口110，该第一制冷剂入口110将制冷剂蒸气引入到第一压缩级(在图1中未标出)中；第一制冷剂出口114；制冷剂传递导管112，该制冷剂传递导管112将压缩的制冷剂从第一压缩级传递至第二压缩级；第二制冷剂入口118，该第二制冷剂入口118将制冷剂蒸气引入到第二压缩级(在图1中未标出)中；以及第二制冷剂出口120。制冷剂传递导管112在相反的端部处分别操作性地连接至第一制冷剂出口114和第二制冷剂入口118。第二制冷剂出口120将压缩的制冷剂从第二压缩级递送至冷却系统，压缩机100结合在该冷却系统中。制冷剂传递导管112还可以包括制冷剂排放口122，该制冷剂排放口122用以根据需要在压缩机100处添加(缩减)制冷剂。
参照图2，压缩机壳体102在压缩机100的相反端部处封围第一压缩级124和第二压缩级126。第一压缩级124包括第一叶轮106，该第一叶轮106构造成向经由第一制冷剂入口110进入的制冷剂增加动能。由第一叶轮106向制冷剂赋予的动能随着制冷剂速度在制冷剂向形成在第一轴承壳体200与外部压缩机壳体102的一部分之间的密封腔(例如，扩散器)传递时减慢而被转换为增加的制冷剂压力(即压缩)。类似地，第二压缩级126包括第二叶轮116，该第二叶轮116构造成向从第一压缩级124传递的经由第二制冷剂入口118进入的制冷剂增加动能。由第二叶轮116向制冷剂赋予的动能随着制冷剂速度在制冷剂向形成在轴承壳体200a与外部压缩机壳体102的第二部分之间的密封腔(例如，扩散器)传递时减慢而被转换为增加的制冷剂压力(即压缩)。经压缩的制冷剂经由第二制冷剂出口120(未在图2中示出)离开第二压缩级126。
参照图2，第一级叶轮106和第二级叶轮116连接在驱动轴104的相反端部处。驱动轴104操作性地连接至定位在第一级叶轮106与第二级叶轮116之间的马达108，使得第一级叶轮106和第二级叶轮116以选定的旋转速度旋转以将制冷剂压缩至离开第二制冷剂出口120的预先选定压力。可以将任何适合的马达结合到压缩机100中，包括但不限于电动马达。驱动轴104由定位在每个轴承壳体200/200a的套筒202内的气体箔轴承组件300支承，如以下另外详细描述的。如图2中所示，每个轴承壳体200/200a包括用于将相应的轴承壳体200/200a连接至压缩机壳体102的安装结构(未示出)。
参照图2，每个轴承壳体200/200a支承驱动轴104，并且驱动轴104相对于套筒202相反地穿过轴承壳体200/200a而突出，并且叶轮106连接至驱动轴104的突出端部。参照图3和图5，气体箔轴承组件300定位在轴承壳体200内的筒形孔206内。驱动轴104紧密配装在气体箔轴承组件300内，该气体箔轴承组件300包括：定位成与套筒202的内壁相邻的外顺应性箔或外顺应性箔层302、定位成与驱动轴104相邻的内顺应性箔或内顺应性箔层306(也被称为“顶箔”)、以及定位在内箔层306与外箔层302之间的波箔或波箔层310。气体箔轴承组件的箔或层302/306/310形成基本上筒形的管，该管定大小成通过如由现有箔轴承设计方法所确定的相对较小的或没有间隙的设计来接纳驱动轴104。箔轴承组件300的部件比如外箔层302、内箔层306和波箔层310可以由使得箔轴承组件300能够如本文中所述那样起作用的任何适合的材料构成。适合的材料包括例如但不限于金属合金。在一些实施方式中，例如，外箔层302、内箔层306和波箔层310中的每一者由不锈钢(例如，17-4不锈钢)构成。
再次参照图3，图示的实施方式中的箔轴承组件300还包括一对箔保持器312a/312b，所述一对箔保持器312a/312b定位成与层302/306/310的相反端部相邻以抑制层302/306/310在套筒202的筒形孔206内沿轴向方向滑动。定位成分别与箔保持器312a/312b相邻的一对箔保持夹314a/314b将层302/306/310固定在图3上未示出的筒形孔206内的锁定轴向位置中。箔保持夹314a/314b可以以可移除的方式连接至轴承壳体200。
在其他实施方式中，如图4中图示的，每个轴承壳体200包括箔保持唇部214，该箔保持唇部214与轴承壳体200一体形成(例如，铸造)并且从限定筒形孔206的径向内表面204径向向内地突出。在图示的实施方式中，箔保持唇部214定位在筒形孔206的靠近叶轮116(在图2中示出)的叶轮端部216附近。箔保持唇部214定大小且定尺寸成从径向内表面204突出一定径向距离，所述径向内表面204与箔轴承组件300的层302/306/310的至少一部分交叠。箔保持唇部214可以完全围绕径向内表面204的周向延伸，或者箔保持唇部可以包括两个或更多个区段，所述两个或更多个区段在径向内表面204的周向的一部分上延伸并且通过与相邻的径向内表面204齐平的空间隔开。轴承壳体200a(在图4中未示出)以类似的方式形成。
图4中图示的实施方式的箔轴承组件300还包括单个箔保持夹314，该箔保持夹314定位成邻近层302/306/310的与箔保持唇部214相反的端部以抑制层302/306/310在套筒202的筒形孔206内的轴向运动。在该实施方式中，箔保持夹314卡合到形成在筒形孔206的径向内表面204内位于筒形孔206的马达端部218附近的周向凹槽212中。
箔保持唇部214可以定位在筒形孔206的位于叶轮端部216附近的任何区域内，包括但不限于与筒形孔206的位于叶轮端部216处的开口紧相邻的位置。替代性地，箔保持唇部214可以定位在筒形孔206的位于马达端部218附近的任何区域内，包括但不限于与筒形孔206的位于马达端部218处的开口紧相邻的位置。在这样的实施方式中，箔保持夹314在与图4中所示的布置基本上相反的布置中卡合到形成在筒形孔206的径向内表面204内位于叶轮端部216附近的周向凹槽212中。
再次参照图4，通过下述方式将箔轴承组件300安装在轴承壳体200内：在马达端部218处将箔轴承组件300插入到轴承壳体200的筒形孔206中。箔轴承组件300然后朝向叶轮端部216轴向地推进到筒形孔206中，直到层302/306/310接触箔保持唇部214。箔保持夹314然后卡合到筒形孔206的位于马达端部218附近的周向凹槽212中以将箔轴承组件300锁定到位。
在其他实施方式中，可以使用用于将箔轴承组件300附连在套筒202内的任何适合的方法。适合方法的非限制性示例包括保持器和保持夹、粘合剂、固定螺钉和任何其他适合的固定方法。
轴承壳体200/200a还可以用作各种元件所用的安装结构，各种元件包括但不限于径向轴承比如上述箔轴承组件300、止推轴承、以及用作对于被动或主动控制方案的反馈的感测装置(未示出)比如接近探头、压力换能器、热电偶、键相位器等。
箔轴承组件300可以以任何适合的形式设置而不受限制。例如，箔轴承组件300可以设置有两个层、三个层、四个层或附加的层而不受限制。箔轴承组件300的波箔310可以由径向弹性结构形成，以在压缩机100的操作期间为旋转的驱动轴104提供弹性表面。波箔310可以由任何适合的径向弹性结构形成而不受限制，适合的径向弹性结构包括但不限于：设计成在间歇性压缩径向载荷下变形和回弹的可变形波状部或其他特征的阵列、以及能够在间歇性压缩径向载荷下压缩和回弹的任何其他弹性地回弹材料。波箔310可以连接至至少一个相邻层，所述至少一个相邻层包括但不限于外层302和内层306中的至少一者。在一些实施方式中，波箔310可以连接至外层302和内层306两者。在其他实施方式中，波箔310可以是自由浮动的并且不连接至箔轴承组件300的任何层。
参照图6，系统400的示例实施方式包括离心式压缩机404。系统400包括具有压缩机壳体405的压缩机404、卸载装置401、以及用户界面415、控制器410。压缩机包括马达406、叶轮407和气体箔轴承409。系统400还包括变频驱动器(VFD)416，该变频驱动器(VFD)416具有电流传感器408以及与马达406连通的马达接口413。压缩机壳体405以及包括马达406、叶轮407和气体箔轴承409的压缩机404可以与图1至图5中描述的压缩机100类似地构造或者可以以不同的方式构造。压缩机404不限于系统400中的特定构造。压缩机404包括用于对压缩机404的启动例程、停止例程和操作例程进行控制的控制器410。控制器410包括处理器411、存储器412和卸载接口414。存储器412包括由处理器411执行以使控制器410执行各方法的指令。
系统400中的卸载装置401在启动例程和关闭例程期间移除和/或减小压缩机上的载荷，以处理喘振事件来防止对气体箔轴承409的加速磨损。在离心式压缩机404中，流量太低或压力升高过高使叶轮内的迎角角度变化，从而产生分离和失速。这导致压缩机流量不稳定并且在使用轴承和齿轮的情况下对轴承和齿轮造成冲击以及导致系统压力不稳定。这是由于诸如过度节流、热排放气体、冷回流气体或冷凝器进气过滤器堵塞之类的问题所引起的入口密度和流量下降而导致的。当这些过程条件迫使压缩机404以低的流量速率操作并且确保压缩机404总是处理比喘振值高的流量时，卸载装置401在必要时打开以允许由压缩机404输送的气体再循环至抽吸部。通过与压缩机404联接的卸载装置401，流量被保持以防止压缩机404进入失速/喘振循环。在该示例中，卸载装置401在可接受的应用中是旁通阀或排出阀。无论压缩机马达406在启动期间加速多慢或在关闭期间减速多慢，旁通阀比如制冷剂旁通阀都提供了用于气体的替代性路径，由此使压缩机404的压力升高停止，并且因此限制任何潜在的喘振。在其他实施方式中，卸载装置401是膨胀阀。膨胀阀将压力从液体制冷剂移除以允许在压缩机404的蒸发器中从液体到蒸汽的膨胀或状态变化，并且膨胀阀被包括在许多HVAC系统中。卸载装置401的其他实施方式包括可变孔口或可变直径的阀、比如伺服阀，以及固定孔口或固定直径的阀、比如电磁阀和脉冲宽度调制(PWM)阀，该脉冲宽度调制阀构造成根据占空比来控制打开和关闭。卸载装置401的其他实施方式可以包括但不限于可变扩散器或可变入口导向叶片(VIGV)。虽然在此描述了许多类型的卸载装置，但是卸载装置401也可以是使压缩机404上的载荷减少的任何适合的装置。卸载装置401在压缩机404的启动例程和停止例程处的战略性打开由系统400决定。
卸载装置401操作性地联接至控制器410，并且控制器410配置成根据如以下详细描述的一个或更多个控制方案对卸载装置401的至少一个操作参数、比如旁通阀的打开进行控制。控制器410根据基于从电流传感器408接收的测量值或其他数据的一个或更多个控制方案对移除或减少压缩机404上的载荷进行控制，并且控制器410配置成监测压缩机404的一个或更多个状态。电流传感器408感测马达406的电流，并且控制器410确定压缩机404的喘振是否在感测到的马达406的电流为大致恒定电流的情况下已经停止。所述一个或更多个控制方案中所使用的适合传感器的非限制性示例包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、电流传感器、电压传感器、旋转速率传感器和任何其他适合的传感器。在其他实施方式中，控制器410根据不依赖于从传感器接收的测量值或其他数据的一个或更多个方案对移除或减少压缩机404上的载荷进行控制，并且替代地基于预先设定的时机来进行操作。
在一些实施方式中，响应于压缩机404的检测状态来对移除或减少载荷进行控制。在这些实施方式中，压缩机系统100包括由控制器410控制的至少一个卸载装置401。在一些实施方式中，压缩机404上的载荷的减少或断开连接通过根据基于压缩机404的检测状态的一个或更多个反馈控制方案来操作至少一个卸载装置401而被控制。用于实现压缩机404的载荷的减少或断开连接的反馈或闭环控制方案可以包括但不限于PID控制器、PI控制器、模糊逻辑控制器、以及可以用于使压缩机404上的载荷减少或断开连接的任何其他适合的控制方案。
控制系统400包括用于VFD 416与马达406的连接的马达接口413、用于控制器与驱动器的连接的接口、以及用于控制器410与卸载装置401的连接的卸载接口414，使得处理器411可以执行下述指令：这些指令存储在存储器412中，以在启动方法和停止方法期间使载荷从压缩机400减少或断开连接。
控制系统400包括用户界面415，用户界面415配置成输出(例如，显示)和/或接收(例如，来自用户的)与系统400相关联的信息。在一些实施方式中，用户界面415配置成接收来自用户的启用输入和/或停用输入，以启用和停用(即，开启和断开)系统400的操作或者以其他方式实现系统400的操作。此外，在一些实施方式中，用户界面415配置成输出与系统400的一个或更多个操作特征相关联的信息，例如包括但不限于警告指示、气体箔轴承409的状态、以及任何其他适合的信息。
用户界面415可以包括使用户界面415能够如本文中所述那样起作用的任何适合的输入装置和输出装置。例如，用户界面415可以包括输入装置，输入装置包括但不限于键盘、鼠标、触摸屏、操纵杆、节气门、按钮、开关和/或其他输入装置。此外，用户界面415可以包括输出装置，输出装置例如包括但不限于显示器(例如，液晶显示器(LCD)或有机发光二极管(OLED)显示器)、扬声器、指示灯、仪器和/或其他输出装置。另外，用户界面415可以是不同部件比如系统控制器(未示出)的一部分。其他实施方式不包括用户界面415。
在一些实施方式中，系统400可以由远程控制界面控制。例如，系统400可以包括配置成用于连接至无线控制界面的通信接口(未示出)，该无线控制界面实现对系统400的远程控制和启用。无线控制界面可以在便携式计算装置、比如平板电脑或智能手机上实施。
控制器410通常配置成控制压缩机404的操作。控制器410通过编程以及来自另一装置或控制器的指令来控制操作，或者通过系统控制器与控制系统400集成为一体。在一些实施方式中，例如，控制器410接收来自用户界面415的用户输入，并且控制器410响应于这样的用户输入来控制系统400的一个或更多个部件。例如，控制器410可以基于从用户界面415接收的用户输入来控制供应给马达406的动力。此外，在一些实施方式中，控制器410可以对比如从能量存储装置向系统400供应的电力进行调整或控制。
控制器410总体上可以包括任何适合的计算机和/或其他处理单元，包括可以彼此通信地联接并且可以独立地或彼此之间关联地操作的计算机、处理单元和/或类似物的任何适合的组合(例如，控制器410可以形成控制器网络的全部或一部分)。控制器410可以包括一个或更多个模块或装置，所述一个或更多个模块或装置中的一者或更多者被封围在系统400内或者可以定位成远离该系统400。控制器410可以是压缩机404的一部分或是单独的，并且可以是HVAC系统中的系统控制器的一部分。控制器410和/或控制器410的部件可以集成或结合到系统400的其他部件内。在一些实施方式中，例如，控制器410可以结合在马达406或卸载装置401内。控制器410可以包括配置成执行各种计算机实现的功能(例如，执行计算、确定以及本文中公开的功能)的一个或更多个处理器411以及相关联的存储器装置412。如本文中所使用的，术语“处理器”不仅指集成电路，还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路。另外，控制器410的存储器装置412通常可以是存储器元件或包括存储器元件，存储器元件包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如、闪存存储器)、软盘、压缩光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其他适合的存储器元件。这样的存储器装置412通常可以配置成存储适合的计算机可读指令，这些计算机可读指令在由处理器实现时配置或促使控制器410执行本文中描述的各种功能，所述各种功能包括但不限于对系统400进行控制、对马达406的操作进行控制、从用户界面415接收输入、经由用户界面415向操作者提供输出、对卸载装置401和/或各种其他适合的计算机实现的功能进行控制。
参照图7，描述了一种使离心式压缩机从停止状态启动的方法500。方法500还可以被称为启动例程或启动方法。这个启动方法500以及本文中描述的其他方法可以使用上述系统400实现。处理器411执行用于方法500的指令并且存储器412储存这些指令。启动方法500通过操作501卸载装置401以将载荷从离心式压缩机404移除而开始。在示例实施方式中，卸载装置是压缩机404的排放部与抽吸部之间的旁通阀，以通过打开该阀来降低压缩机404的压力比并且增加压缩机404的质量流率。接着，马达406加速502至比气体箔轴承409的起飞速度高并比离心式压缩机404的操作速度低的第一速度。通过在压缩机404空载的同时快速加速至第一速度，压缩机404在低于气体箔轴承409的起飞速度下运行了减少的时间量，以帮助防止气体箔轴承409上的磨损并处理启动期间的潜在的喘振事件。马达406然后以第一速度运行503一定时间段。在示例实施方式中，马达406所运行的时间段通过制造者或通过用户经由用户界面415来设定或预先确定。在其他实施方式中，所述时间段是在马达达到第一速度时开始并在离心式压缩机的喘振停止时结束的可变时间段，并且该时间段可以被估计、计算或测量。无论压缩机404是否经历喘振事件，系统400都使压缩机404加速至比气体箔轴承409的起飞速度高的第一速度，以使气体箔轴承409上的磨损最小化。在一些情况下，当马达406以第一速度运行一定时间段时，在启动例程中可能不存在喘振事件。如果在启动方法500期间已经发生喘振事件，则电流传感器408将感测马达406的电流，并且控制器410确定压缩机404的喘振在感测到的马达406的电流大致为恒定电流时已经停止。在一些实施方式中，系统400可以结合不同的学习算法，以监测并储存系统在多个启动期间的测量值，并且基于持续期间的储存在存储器412中的历史趋势以及喘振事件的显著性使马达以第一速度运行的时间段最优化。在一些实施方式中，系统400监测并储存与压缩机404的使用寿命中经历的所有喘振事件相关联的测量值并且将所述时间段设定为目前储存在存储器412中的最长的喘振事件。在这种情况下，每当发生比目前由系统400设定的时间段更长的新的喘振事件时，所述时间段被重新设定成比最近的喘振事件更长，以用于启动方法500的未来迭代。在一些实施方式中，机器学习算法或神经网络可以被系统400采用，以基于压缩机404将驻留的不同模拟环境来预测压缩机404的喘振事件的频率和持续时间并且基于这些模拟来设定所述时间段。
参照图8，启动方法500期间的喘振电流特性曲线600被示出包括速度曲线601和马达电流曲线602。图8示出了使马达速度加速502至第一速度并且使马达406以第一速度运行503一定时间段605。在使马达406以第一速度运行503一定时间段605期间，通过马达电流曲线602中的振动已经识别可能的喘振603的区域。压缩机404保持处于空载速度直到喘振的电流振荡模式已经中止604并且压缩机404被指示为完全启动。
返回参照图7的启动方法500，在马达406以第一速度运行503一定时间段605之后，操作504卸载装置401以将载荷施加至压缩机404。在一些实施方式中，将载荷施加至压缩机404包括将旁通阀关闭。在图8中，并且在喘振的所有情况下，操作504卸载装置以将载荷施加至压缩机404将仅在喘振的电流振荡模式已经中止604之后开始。如果在启动期间不存在喘振，则马达406以第一速度运行一定时间段605，该时间段通常由制造者或用户经由用户界面415预先确定。最后，马达406然后加速505至操作速度并且压缩机404完成启动例程并开始压缩机404的操作例程。在一些实施方式中，控制器410使马达406以第一加速度加速至第一速度并且使马达以小于第一加速度的第二加速度加速至操作速度。在其他实施方式中，第一加速度和第二加速度是相同的。在其他实施方式中，第二加速度小于第一加速度。
参照图9，描述了使离心式压缩机404从操作状态停止的方法700。方法700也可以被称为停止例程或停止方法。首先，操作701卸载装置401以将载荷从压缩机404移除，类似于启动方法500。应当指出的是，控制器410可以实现启动方法500、操作以及停止方法700，或者实现压缩机404的这三个阶段的任何组合。接着，马达406朝着大于0的最小速度减速702。最后，在马达406的速度达到最小速度时将动力从马达406移除703，并且然后允许马达406滑行至停止。在一些实施方式中，最小速度是估计的喘振速度加上裕度，低于估计的喘振速度可能发生压缩机404的喘振。
参照图10，示出了针对在停止方法700期间估计的喘振速度801和最小速度802随着实际速度803减小而变化的减速曲线800。实际速度减速曲线803示出了在马达406朝着大于0的最小速度802减速时的停止方法700。在实际速度处于最小速度804的点处，动力被移除并且马达406被允许滑行至停止。估计的喘振速度曲线801是估计的压缩机速度，低于估计的压缩机速度存在发生喘振事件的风险。为了有利于避免喘振事件，将裕度805添加至估计的喘振速度曲线801以用于对压缩机404的附加保护，从而在减速702期间不落在估计的喘振速度曲线801下方。估计的喘振速度加上裕度曲线802是控制器410将防止压缩机404速度在朝着最小速度的减速702期间落在下方的标准。在一些实施方式中，估计的喘振速度由控制器410从查找表检索并且随着压缩机404所驻留的HVAC系统的压力比而变化。在其他实施方式中，最小速度由控制器410从查找表检索并且随着压缩机404所驻留的HVAC系统的压力比而变化。如以上关于启动方法500中的喘振事件所描述的，学习算法可以用于计算减速曲线，减速曲线包括估计的喘振速度加上裕度曲线802、估计的喘振速度曲线801、以及停止方法700中的最小速度。
参照图11，描述了启动方法900的示例实施方式。启动方法900是更广泛的启动方法500的一个实施方式并被认为是非限制性的，并且可以使用上述系统400来实现。在该实施方式中，马达406和气体箔轴承409被赋予它们的温度小于100°F的启动条件。其他启动条件可以包括自压缩机404已经停止之后等待至少5分钟、压缩机404具有比最小动力大的请求需求(kW)、以及VFD 416没有发生故障。启动例程通过请求启动并检查上述启动条件是否已经满足来开始，并且启动例程不再继续进行直到所述条件被满足。在这些条件满足之后，旁通阀被设定为100％并打开以使压缩机404空载。VFD 416被激活并且马达406的加速度被设定为A最大RPM/秒，速度命令被设定为N空载RPM，并且启动计时器然后被激活。在示例实施方式中，A最大为4500RPM/秒并且N空载为10000RPM。速度发生增加并经历T启动秒以达到N启动RPM，并且方法900将不会进一步继续进行直到这个标准被满足。如果在超过T启动秒之后达到N启动RPM，则如下所述的那样实施关闭方法1000(在图12中示出)的示例实施方式。在示例实施方式中，T启动为0.5秒并且N启动为2000RPM。一旦在T启动秒内达到N启动RPM，则该速度增加至N空载RPM。速度必须在T启动秒内达到N空载RPM，并且将不会继续进行直到这个标准被满足。如果在超过T空载秒之后达到N空载RPM，则执行关闭方法1000。在实施方式中，T空载为5秒。在实现N空载RPM之后，结束计时器被激活以用于喘振事件。方法900检查是否检测到喘振，并且如果检测到喘振，则结束计时器被设定为T重置。在示例实施方式中，T重置是0秒。在这种情况下，如果启动计时器指示经过了大于T喘振分钟，则执行关闭方法1000。如果启动计时器指示经过了小于T喘振分钟，则重复该方法，从而针对喘振进行检查直到没有检测到喘振。当没有检测到喘振时，检查结束计时器。如果结束计时器指示经过了小于T结束秒，则再次检查启动计时器以检查是否已经经过T喘振分钟。另外，如果在启动计时器上经过了大于T喘振分钟，则执行关闭方法1000，并且如果在启动计时器上经过了小于T喘振分钟，则该方法重复喘振检测步骤。在示例实施方式中，T喘振为2分钟并且T结束为30秒。如果结束计时器指示经过了大于T结束秒，则旁通阀以R打开％每秒被设定为B打开％，加速度步骤降至A最小RPM/秒，并且速度命令被设定为最小速度N最小。然后将实际速度与N最小进行比较。如果启动计时器指示大于T最小分钟并且实际速度没有达到N最小，则执行关闭方法1000。如果实际速度在如由启动计时器指示的小于T最小分钟内达到最小速度，则自动控制被启用以用于压缩机404。在示例实施方式中，B打开为50％，R打开为0.5％每秒，A最小为150RPM/秒，并且T最小在3分钟至4分钟的范围中。在其他实施方式中，A最大、N空载、T启动、N启动、N空载、T空载、T重置、T喘振、T结束、B打开、R打开、A最小、N最小以及T最小可以是任何其他适合的数值。此处指示的自动控制是用以操作压缩机直到关闭的单独的一组控制算法。
参照图12，描述了关闭方法1000的示例实施方式。关闭方法1000是更广泛的停止方法700的一个实施方式并且可以使用上述系统400实现。在该实施方式中，当比如在上述启动方法900中要求关闭时，旁通阀被设定为100％以使压缩机空载。停止计时器被激活并且速度命令被设定为最小速度N最小。如果实际速度大于乘以1.01的N最小，则检查停止计时器，以观察是否经过了T停止分钟。在这种情况下，如果停止计时器指示经过了小于T停止分钟，则速度命令再次被设定为N最小，并且检查实际速度是否大于乘以系数的N最小。如果停止计时器大于或等于T停止分钟，则VFD命令被设定为禁用并且速度命令被设定为0RPM。如果实际速度小于乘以系数的最小速度，则VFD也被禁用并且速度命令被设定为0RPM。在示例实施方式中，T停止为3分钟并且系数为1.01。接着是等待T等待分钟，并且然后旁通阀被设定为0％。在示例实施方式中，T等待为2分钟。然后关闭方法1000随着马达406滑行至停止而结束。
参照图13，除了常规关闭方法1000之外，还可以实现紧急停止(e-stop)方法1100以用于用户经由用户界面415或在紧急停止的情况下对HVAC系统的超控。当请求紧急停止时，VFD命令被设定为禁用并且速度命令被设定为0RPM。旁通阀被设定为100％并且在T等待分钟之后，旁通阀然后被设定为0％。在示例实施方式中，T等待为2分钟。然后紧急停止方法1100随着马达406滑行至停止而结束。
本文中描述的方法和系统的技术益处如下：(1)使压缩机低于气体箔轴承的起飞速度的时间最小化，以防止在HVAC系统中的启动程序和停止程序期间对轴承的磨损，(b)采用卸载装置以使由HVAC系统中的压缩机观察出的喘振事件的次数和严重性最小化，以及(c)使压缩机以空载速度保持一定时间段以处理启动程序以及各程序期间的喘振事件，(d)在关闭期间减小速度以限制喘振事件的次数和严重性。
当介绍本公开或其实施方式的元件时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”意在表示设置有这些元件中的一者或更多者。术语“包括”、“包括有”、“包含”和“具有”意在是包括性的，并且意味着除了所列举元件之外可能还设置有附加的元件。使用指示特定取向的术语(例如，“顶部”、“底部”、“侧部”等)是为了便于描述而并非要求所描述项目的任何特定取向。
在不脱离本公开的范围的情况下可以对上述构造和方法进行各种改变，所意图的是，上述描述中包含的和在附图中示出的所有内容应当被解释为是说明性的而不具有限制意义。

Claims (23)

1.一种HVAC系统，包括：
卸载装置；以及
离心式压缩机，所述离心式压缩机包括：
压缩机壳体；
马达，所述马达具有以可旋转的方式支承在所述压缩机壳体内的驱动轴；
叶轮，所述叶轮连接至所述驱动轴并且能够操作成在所述驱动轴旋转时对制冷剂气体进行压缩；
气体箔轴承，所述气体箔轴承由所述压缩机壳体支承并且支承所述驱动轴；以及
控制器，所述控制器连接至所述马达和所述卸载装置，所述控制器编程为：
通过以下方式使所述离心式压缩机从停止状态启动：
操作所述卸载装置以将载荷从所述离心式压缩机移除，使所述马达加速至第一速度，所述第一速度高于所述气体箔轴承的起飞速度并且低于所述离心式压缩机的操作速度，
使所述马达以所述第一速度运行一定时间段，
操作所述卸载装置以将所述载荷施加至所述离心式压缩机，以及
使所述马达加速至所述操作速度。
2.根据权利要求1所述的HVAC系统，其中，所述控制器还编程为通过以下方式使所述离心式压缩机从操作状态停止：
操作所述卸载装置以将载荷从所述离心式压缩机移除，
使所述马达朝着大于0的最小速度减速，以及
在所述马达的速度达到最小速度时将动力从所述马达移除并且允许所述马达滑行至停止。
3.根据权利要求1所述的HVAC系统，其中，所述时间段是预先确定时间段。
4.根据权利要求1所述的HVAC系统，其中，所述时间段是可变时间段，所述可变时间段在所述马达达到所述第一速度时开始并且在所述离心式压缩机的喘振停止时结束。
5.根据权利要求4所述的HVAC系统，还包括感测所述马达的电流的电流传感器，其中，所述控制器确定所述离心式压缩机的喘振在感测到的所述马达的电流为大致恒定电流时已经停止。
6.根据权利要求1所述的HVAC系统，其中，所述控制器使所述马达以第一加速度加速至所述第一速度并且使所述马达以第二加速度加速至所述操作速度，所述第二加速度小于所述第一加速度。
7.根据权利要求1所述的HVAC系统，其中，最小速度包括估计的喘振速度加上裕度，低于所述估计的喘振速度可能发生所述离心式压缩机的喘振。
8.根据权利要求7所述的HVAC系统，其中，所述估计的喘振速度由所述控制器从查找表检索并且随着所述HVAC系统的压力比而变化。
9.根据权利要求7所述的HVAC系统，其中，所述最小速度由所述控制器从查找表检索并且随着所述HVAC系统的压力比而变化。
10.根据权利要求1所述的HVAC系统，其中，所述卸载装置包括制冷剂旁通阀。
11.一种用于控制离心式压缩机的控制器，所述离心式压缩机具有气体箔轴承，所述气体箔轴承对由马达驱动的叶轮的轴进行支承，所述控制器包括：
VFD，所述VFD包括用于连接至所述马达的马达接口；
卸载接口，所述卸载接口用于连接至卸载装置；
处理器；以及
存储器，所述存储器包括指令，所述指令在由所述处理器执行时致使所述控制器：
通过以下方式使所述离心式压缩机从停止状态启动：
操作所述卸载装置以将载荷从所述离心式压缩机移除，
使所述马达加速至第一速度，所述第一速度高于所述气体箔轴承的起飞速度并且低于所述离心式压缩机的操作速度，
使所述马达以所述第一速度运行一定时间段，
操作所述卸载装置以将所述载荷施加至所述离心式压缩机，以及
使所述马达加速至所述操作速度。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述存储器包括指令，所述指令在由所述处理器执行时还致使所述控制器通过以下方式使所述离心式压缩机从操作状态停止：
操作所述卸载装置以将载荷从所述离心式压缩机移除，
使所述马达朝着大于0的最小速度减速，以及
在所述马达的速度达到所述最小速度时将动力从所述马达移除并且允许所述马达滑行至停止。
13.根据权利要求10所述的控制器，其中，所述时间段是可变时间段，所述可变时间段在所述马达达到所述第一速度时开始并且在所述离心式压缩机的喘振停止时结束。
14.根据权利要求13所述的控制器，还包括电流传感器接口，所述电流传感器接口接收来自电流传感器的表示所述马达的电流的信号，其中，所述控制器确定所述离心式压缩机的喘振在感测到的所述马达的电流为大致恒定电流时已经停止。
15.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器使所述马达以第一加速度加速至所述第一速度并且使所述马达以第二加速度加速至所述操作速度，所述第二加速度小于所述第一加速度。
16.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述最小速度包括估计的喘振速度加上裕度，低于所述估计的喘振速度可能发生所述离心式压缩机的喘振。
17.根据权利要求16所述的控制器，其中，所述估计的喘振速度或所述最小速度由所述控制器从查找表检索并且随着所述HVAC系统的压力比而变化。
18.一种用于控制离心式压缩机的方法，所述离心式压缩机具有气体箔轴承，所述气体箔轴承对由马达驱动的叶轮的轴进行支承，所述方法包括：
通过以下方式使所述离心式压缩机从停止状态启动：
操作卸载装置以将载荷从所述离心式压缩机移除，
使所述马达加速至第一速度，所述第一速度高于所述气体箔轴承的起飞速度并且低于所述离心式压缩机的操作速度，
所述马达以所述第一速度运行一定时间段，
操作所述卸载装置以将所述载荷施加至所述离心式压缩机，以及
使所述马达加速至所述操作速度。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括通过以下方式使所述离心式压缩机从操作状态停止：
操作所述卸载装置以将载荷从所述离心式压缩机移除，
使所述马达朝着大于0的最小速度减速，以及
在所述马达的速度达到所述最小速度时将动力从所述马达移除并且允许所述马达滑行至停止。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述时间段是可变时间段，所述可变时间段在所述马达达到所述第一速度时开始并且在所述离心式压缩机的喘振停止时结束。
21.根据权利要求20述的方法，还包括：
接收来自电流传感器的表示所述马达的电流的信号；以及
确定所述离心式压缩机的喘振在感测到的所述马达的电流为大致恒定电流时已经停止。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，使所述马达加速至第一速度包括使所述马达以第一加速度加速至所述第一速度，并且使所述马达加速至所述操作速度包括使所述马达以第二加速度加速至所述操作速度，所述第二加速度小于所述第一加速度。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述最小速度包括估计的喘振速度加上裕度，低于所述估计的喘振速度可能发生所述离心式压缩机的喘振，并且所述方法还包括从查找表检索所述估计的喘振速度或检索所述最小速度。
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