CN1464196A

CN1464196A - 压缩机变频控制装置

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Publication number: CN1464196A
Application number: CN 02124767
Authority: CN
Inventors: 吕明德
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2003-12-31
Anticipated expiration: 2022-06-24
Also published as: CN1307369C

Abstract

一种压缩机变频控制装置，该压缩机是一交流压缩机并与一变频器连接，以由变频器的输出频率控制其马达转速，特别是，该压缩机变频控制装置是结合一运算器及一逻辑控制器，用以控制该变频器及压缩机，并根据压缩机的回授信号控制变频器的输出频率相对变频而适时改变压缩机的马达转速。

Description

压缩机变频控制装置

【技术领域】

本发明涉及一种压缩机变频控制装置，特别是涉及一种可通过控制变频器的输出频率、达到精确控制压缩机的马达转速并有效节省能源的压缩机变频控制装置。

【背景技术】

压缩机不但种类很多，用途也很广泛，各种空气压缩机、气体压缩机或制冷压缩机等，都是压缩机的应用范围。而就一般小型冷气机使用的制冷压缩机(以下简称压缩机)来说，其通常是使用一直流马达来带动压缩机，因此必须先将交流电压(市电)转换成一直流电压后才能去驱动马达。但因为传统冷气机在运转时，其控制室温的方式是当室温降到低于一预设值，例如比预设值低3度时，压缩机即会停止运转，直到室温升高到超过预设值，例如比预设值高3度时，压缩机才又开始运转，然而，此种控制方式不但令人感到温差变化太大而觉得不舒服，而且压缩机在反复停机、启动之下，不但容易损坏而且更加耗电。因此，一种所谓＂变频式压缩机＂应运而生。但该变频式压缩机由于是使用一直流马达，所以事实上并不是真的变频，而是利用改变送至直流马达的直流电压的工作周期(DutyCycle)的方式来适时改变直流马达的转速，使在室温相对一预设温度低时将马达的转速变慢，并在室温相对该预设温度高时令马达的转速变快，借此，控制室温在一较小范围内变化，而达到使马达能够持续运转并适时省电的效果，所以，上述的压缩机只能说是一种＂变压式压缩机＂而已。而且，由于上述压缩机是使用只有小马力的直流马达，并无法在工业用的大型机器上使用。因此，在大型机器上通并无法在工业用的大型机器上使用。因此，在大型机器上通常使用马力较大的交流压缩机。但是目前的交流压缩机却不具有变频的功能，以致会产生上述传统压缩机无法在系统需求改变时、使马达消耗的电能有效下降的问题。

此外，在目前的压缩机控制方法中，不管是变频或非变频压缩机，当有异常状况发生时，除了发出警告信号或跳机之外，并没有其他的应变方式，使得使用者必须在跳机情况下，紧急进行勘查维修，以使压缩机在短时间内尽快恢复运转。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种通过控制变频器的频率输出、达到精确控制交流压缩机的马达转速而等比例节省能源的压缩机变频控制装置。

本发明提供一种压缩机变频控制装置，其中该压缩机是一交流压缩机，其与一变频器连接，并受该变频器的输出频率控制其马达转速。特别是，该压缩机变频控制装置结合一运算器及一逻辑控制器，用以控制该变频器及压缩机，其根据压缩机的回授信号控制变频器的输出频率相对变频而适时改变压缩机的马达转速，由此，达到精确控制压缩机的马达转速并且等比例节省能源的目的。

【附图简述】

下面通过最佳实施例及附图对本发明之压缩机变频控制装置进行详细说明，附图中：

图1是本发明压缩机变频控制方法及其装置的一实施例的变频控制装置与压缩机及变频器的电路方块图；

图2是本实施例的变频控制装置及其接线图；

图3是本实施例的变频控制装置的控制面板示意图；

图4是本实施例的变频控制装置的控制流程。

【具体实施方式】

参阅图1所示，是本发明压缩机变频控制装置的一实施例的电路方块图，其中该压缩机1是一交流压缩机，其主要应用在大型机器上并具有一可产生大马力的交流马达(图未示)，在本实施例中，该压缩机1与一变频器2连接，该变频器2可根据一输入的控制信号改变其输出频率，而以该输出频率控制压缩机1的马达相对改变转速。且由于一般交流压缩机与变频器的工作原理应已为本领域技术人员所公知，故在此不加说明。而本发明的压缩机变频控制装置3(，以下简称变频控制装置3)，即是用以控制变频器2，使变频器2可根据变频控制装置3输出的控制信号相对改变其输出频率，进而控制压缩机1的马达相对改变转速。

参阅图2所示，本发明的变频控制装置3可以说是一种FUZZY(模糊)控制器，其中主要结合(或者说整合)有一运算器及一逻辑控制器。该运算器实际上是由一复合式PID(比例-积分-微分)控制器所构成，一般的PID控制器通常是由一至二个比例单元、积分单元和微分单元等三部份所组成，并由系统命令和被控设备的回授信号所共同驱动，而由各自的输出叠加形成系统的输出信号去控制被控设备，但是由于一般的PID控制器容易发生overshoot(过调)现象，使系统在目标值附近振荡，造成系统不稳定，并导致受控马达转速不稳，而无法有效省电。因此，本发明使用的复合式PID控制器与上述一般PID控制器不同的是，其是由多个比例控制器、多个积分控制器以及多个微分控制器所组成，且该复合式PID控制器的特性是当输入的回授信号经过这些比例、积分及微分控制器的多重运算之后，将使系统最终可准确达到目标值并趋于稳定，而不会产生overshoot(过调)现象。因此，当复合式PID控制器对一由受控设备输出的回授信号与一期望值进行比较运算时，其所产生的控制信号将能精确控制该受控设备达到一期望值。

而该逻辑控制器则包含有各种压缩机所需的控制逻辑功能，用以检测并衡量压缩机的各种状态，以适时控制压缩机的工作。且如图2所示，在本实施例中，变频控制装置3是被做在一单晶片中，并植入一电路板(图未示)内成为一变频控制模块，且该复合式PID控制器及逻辑控制器可分别以软件程序或硬件逻辑方式实现并内置于该单晶片、亦即变频控制装置3中。再者，如图2所示，该变频控制装置3于实际应用时，设有一些外部接点，各接点的用途如下：

JP1：

R：AC，1ph，220V，输入端子。

T：与R形成回路。

FG：接地线。

JP2：

ALM：COMMON TRIP输出接点，a接点。

CM1：共点。

OIL_SV：油停止阀，冷却水电磁阀动作接点，a接点。

CM2：共点。

NULL：预留接点。

CM3：预留接点。

FAN_RUN：风扇运转接点，a接点。

CM4：共点。

INV_RUN：变频器运转接点，a接点。

CM5：共点。

SV1：空重车电磁阀，泄放阀，回流阀接点，a接点。

CM6：共点。

输入连接端：

1.预留。

2.预留。

3.预留。1、2、3供冰水机或是热泵PT100Ω温度回授使用。

4.TC1_C：排气高温跳脱接点PT100。

5.TC1_B：排气高温跳脱接点PT100Ω。

6.TC1_A：排气高温跳脱接点PT100Ω。

7.0V1：0V电源。

8.预留。

9.预留。8、9供RS485使用。

10.OUT：输出电压。与7共接至变器频类比输入接点。

11.IN2：回授4～20mA。

12.预留。

13.+24V：回授4～20Ma输入供应电压。

14.COM：共点。

15.S_LOW：进气压降压力开关压力过低接点。

16.MOTOR_HT：马达线圈温度过高温度开关接点。

17.NO_WATER：失水开关接点。

18.RESET：灯号复归接点。

19.A/O_SEP：油气分离器压差开关接点。

20.OIL_FILTER：油过滤器压差开关接点。

21.S_FILTER：进气过滤器压差开关接点。

22.INV：变频器异常，信号输入。

23.FAN：风扇异常，信号输入。

24.OFF：遥控停止信号接点。

25.ON：遥控运转信号接点。15～25号接点均以14号接点为共点。

又如图3所示，变频控制装置3，亦即变频控制模块，通常设有一外部控制面板供使用者操作设定，其上设有多个与变频控制装置3内部电路电连接的控制按键，且这些控制按键的功能名称可依应用需求做变更，以控制压缩机的应用为例，该控制面板上的各个控制按键的功能如下所列：

指示灯：

1.RUN(运转)：运转指示，按下运转键之后，运转指示灯亮，表示机组进入运转状态。

2.STOP(停止)：停止指示，系统已经供电但在停止状态中。

3.ELECTRIC FAIL(电气故障)：当变频器或马达因故障而跳机时，由电气故障灯指示，同时系统停机。

4.AUTO STOP(自动停机)：在全自动运转模式下，机组如因空车过久而停机则亮此指示灯。

5.FAN FAIL(风扇故障)：当散热风扇跳机时，此指示灯亮，同时系统停机。

6.AIR HIGH TEMPERATURE(排气高温)：如果压缩机排气温度过高，指示灯亮。

7.AIR FILTER(进气滤芯)：在进气滤芯因阻塞而压差过大时，此指示灯即开始闪烁，以提供警告功能，但系统仍可运转，不跳机。

8.COOLING WATER FAIL(失水指示)：如果冷却水供应中断，则指示灯亮，同时系统停机。

9.OIL FILTER(油过滤器)：当油过滤器因阻塞而压差过大时，此指示灯即开始闪烁，以提供警告功能，但系统仍可运转，不跳机。

10.MOTOR HIGH TEMPERATURE(马达高温)：当马达线圈温度超过设定值时，指示灯亮起，同时机组跳机。

11.AIR/OIL SEPARATOR(油气滤芯)：油气分离器因阻塞而压差过大时，此指示灯即开始闪烁，以提供警告功能，但系统仍可运转，不跳机。

12.SUCTION PRESSURE ABNORMAL(进气压降)：当制冷压缩机或增压机等气体压缩机进气压力异常时，此灯即闪烁，同时系统停机。

13.SPARE(备用指示灯)：提供其他控制逻辑时使用。

14.DECREASE LOADING(降载)：当系统因达降载极限而跳机时，此指示灯即亮起。

按键：

1.RUN(运转)：按此键，系统开始运转。

2.STOP(停止)：按此键，则系统停机。

3.SET、上升▲、下降及<P>键可用于修改设定压力，计时器时间及运转参数。

LED数字显示板：

1.PV：系统实际运转压力值。

2.SP：系统设定的压力值。

当然，上述除了起动及停止功能外，各种压缩机所需的运转参数也可借由按键输入变频控制装置3中，以达最隹的运转效果。

接着，参照图4所示，是变频控制装置3控制一交流压缩机的控制流程图，如图所示，其控制程序如下：当压缩机一开始起动时，遇有“异常”状况则令压缩机跳机，否则先空车运转，直到有“异常”发生才跳机，不然，即根据PID控制器设定值做定压运转。

同时，压缩机在运转过程中会输出一回授信号给变频控制装置3，且在本实施例中，该回授信号是一压力信号，该压力信号被送入该PID控制器(即运算器)中进行比较及运算动作，并产生一控制信号给变频器，以控制压缩机根据PID控制器设定值做定压运转。且当压缩机是在空车的情况下时，令压缩机空车运转在最低转速，然后判断该最低转速时的压力是否“低于PID控制器设定值”？若是，则根据PID控制器设定值做定压运转，否则判断压缩机是否“超过空车设定时间”？是，则令压缩机自动停机，并于压力“低于PID控制器设定值”时，令压缩机自动起动，而回到空车运转状态。此外，当根据PID控制器设定值做定压运转时，当压缩机接收到“需求增加”信号，而需提高其马达转速时，PID控制器会发出一升高转速的控制信号给变频器，以改变输出频率并控制压缩机的马达提高转速。反之，当压缩机收到“需求减少”信号而需降低其马达转速时，PID控制器即发出一降低转速的控制信号给变频器，降低输出频率以控制压缩机的马达降低转速。此外，在根据PID控制器设定值做定压运转的情况下，当遇有“异常”状况时即跳机，否则令压缩机在按停止键之后空车再停机。另外，当系统发生异常且此异常并非由压缩机的故障所引起，但却使压缩机的马达满载在最高转速，例如3000rpm，使得马达的负载电流过高，而符合变频控制装置3所预设“到达降转速设定值”的条件时，变频控制装置3即发出一控制信号将马达的最高转速设定成一较低转速，以使马达的最高转速降低，如此，马达的转速即会“回到设定值”(即较低转速)以下并使其负载电流随之降低。此时，除非系统异常值“达设定上限值”(即达到设定降低最高转速的上限值)时，才会令压缩机跳机。对于此一降载功能，以下将有更详细的说明。

所以，当传统的不具变频功能的交流压缩机搭配一变频器并装置本发明的变频控制装置3之后，即成为一可根据系统回授信号适时改变其马达转速而能精确控制其输出压力或温度的变频式压缩机。

因此，由上述变频控制装置3的控制流程可知，变频控制装置3通过接收压缩机输出的一回授信号(可能是压力信号或温度信号等)，且此信号来自在压缩机排气端的压力传感器或冰水机的冰水温度传感器，而将该压力(或温度)转换成一回授信号后传给变频控制装置3。变频控制装置3即利用复合式PID控制器将该回授信号与一期望值进行比较运算，且该期望值通常是使用者期望压缩机达到期望值进行比较运算，且该期望值通常是使用者期望压缩机达到的设定值。因此，根据复合式PID的工作原理，回授信号会先被与期望值相减产生一误差信号后，再经由比例控制器将该误差信号与一常数相乘，并经过多重微分控制器及积分控制器的运算后，产生一控制信号至变频器，以根据该控制信号相对改变其输出频率，而使压缩机的马达转速改变至符合该期望值的要求。从而可精确控制交流压缩机的输出，使压缩机在维持精确压力或温度的条件下，其系统所消耗的能源亦可随马达转速改变成几乎等比例的增减，而达到节约能源的目的。

此外，如前述，变频控制装置1除了具有控制交流压缩机变频的功能外，对于其机组亦提供了降载的功能，此功能可使机组在遇到非故障性的异常时，通过降低机组性能并提出警告的方式，让使用者在不跳机的情况下，能较从容应变并进行维修。以下特举例说明之。

例一：变频控制装置3应用于压缩机排气定压时

变频式压缩机的最大优点之一是排气压力在定压的条件下，可根据出口风量的变化调整压缩机的马达转速，假设其转速范围定为1000rpm～3000rpm，则3000rpm即为满载转速，此即表示，在正常状况下，变频压缩机可根据出口风量在1000rpm～3000rpm之间做变速。然而，当压缩机的进气压力因系统不正常原因使压缩机满载在3000rpm而使其负载电流过高时，一般目前现有的压缩机均以跳机做为因应，直到系统恢复正常时方可再次开机。但是由于系统进气压力变化并非压缩机本身的故障所引起，并不需要立即停机，因此，本发明变频控制装置3更设计有一降载功能，其可根据压缩机进气端压力的变化，利用一进气压力传感器感测压力并回传一回授信号给变频控制装置3，PID控制器比照预先设定的参数与回授信号的差别，并产生一控制信号去降低压缩机的最高转速，例如使其转速范围从1000rpm～3000rpm调整到1000rpm～2800rpm，且此被降低的最高转速可视进气压力变化做定值或机动性调整。因此，由于马达转速被降低后，负载电流亦将随之降低，从而可避免因进气压力变化所造成的电流过高。除非在降低转速后，系统进气压力值变化实在太大，则令压缩机在变化最大值(即进气压力与标准值相差达最大设定值)时才跳机，小于此最大值时，仍可在一较低转速与标准最高转速之间做机动性控制，并在降低最高转速的同时，送出警告信号提醒使用者。

例二：变频控制装置3使用于冰水机出口定温时

冰水机是使用制冷压缩机压缩制冷剂，并经过冷凝器将制冷剂冷却液化后，再经过膨胀阀至蒸发器，而在蒸发器内让制冷剂与水或其他介质做热交换，然后再将此冷却后的冰水送至需进行空调或冷却的场合。且不论是变频冰水机或变频空调机，均是采用固定某一运转值，例如冰水出口温度或气体出口温度固定的方式，然后再根据此运转值来做变频。同前述，假设变频压缩机的转速为1000rpm～3000rpm，则制冷压缩机的转速可在1000rpm～3000rpm之间，视冰水温度的变化做自动增减。然而，由于冷凝需使用外界冷却水或空气来做冷却，当冷凝器积垢使冷却水空气温度升高时，冷凝温度也会跟着提高，冷凝温度提高将使压力升高，而使制冷压缩机出口温度升高，当温度升高至某一定值之后，为保护压缩机，目前的作法都是使压缩机跳机。但是冷凝器积垢却不是压缩机本身故障所引起，并不需要因此而立即停机。所以，由本发明的变频控制装置3，可根据压缩机出口的排气温度，利用一温度传感器将感测到的温度转成一回授信号后回传给变频控制装置3，使其比照预先输入的参数后，产生一控制信号去降低压缩机的最高转速，并将其转速调整至1000rpm～2800rpm，且此最高转速可视排气温度或压力做定值或机动性的调整。由于降低转速之后，马达的负载电流亦随之降低，且出口的制冷剂量会减少，因此冷凝压力或冷凝温度将可降低。除非冷凝压力或冷凝温度仍不断升高至某一更高的值，才令系统跳机。

同样地，当变频控制装置3使用在变频热泵时，则可以冷凝器热水或热空气出口温度为基准，并以其他异常状况做为降最高转速的参考值。

因此，变频控制装置3利用降最高转速以降低满载或其他特性的功能，均是使变频驱动的机组，在以某一输出特性为基准的运转条件下，如果遇上异常状况，而此异常状况并非来自压缩机本身，且是使变频机组能靠降低最高转速来获得缓解，则可根据使用者需求，依预先设定参数，选择某些异常状况为标的以做为降最高转速的功能，待情况更严重时才跳机。

此外，变频控制装置3的降最高转速功能虽具有可能降低变频机组在正常情况下满载的特性，但是可提供使用者更长的异常反应处理时间。以空调系统的变频主机而言，当系统因异常发生导致降载而使温度升高，总比因系统跳机而致使办公室变成大烤箱来的好。

再者，本发明之变频控制装置3已经被实现，且可被实际应用在传统压缩机上，以下将列举变频控制装置3针对不同应用范例时所做的内部设定。

(一)应用于螺旋式空压机时

1.SV：7.00----空压机将输出定压于7Kg/cm²G

14.SRC：2---LED显示回授的压力值

15.L-Hz：0---变频器最低频率值

16.HIP1：0.5---空压机将于7.5Kg/cm²G空车

17.SSR：16---压力传送器规格0～16Kg/cm²G

18.LOAD：0---进气压力为大气压

19.L-HI：0---不使用降载

20.IDP：0---当L-HI设为0时，不使用本设定值

21.T1：20---按停止键之后20秒停机

22.T2：20---按起动键之后先空车20秒

23.T3：300---空车运转超过300秒则自动停车

24.T4：0---不检测油压

25.T5：10---失水开关超过10秒未被激发即跳机

26.T6：300---进气压降开关动作超过300秒跳机

27.TC：90---压缩机排气温度超过90℃跳机

28.TCBA：0---不预设温度补正

29.AOUT：100---输出电压100％

30.TC-R：100---温度回授100％

31.YUNN：0---压缩机应用软件

(二)应用于气体增压机时

1.SV：15.00---增压机输出定压于15Kg/cm²G

2.～15.参数同(一)

16.HIP1：1.0---增压机将于16Kg/cm²G空车

17.SSR：16---压力传送器规格0-16Kg/cm²

18.LOAD：6.0---进气压力为6Kg/cm²G

19.L-HI：2.0---降载至比6Kg/cm²G低2Kg/cm²G跳机

20.IDP：1---进气压力低于6Kg/cm²G

21.～23.同(一)

24.T4：5---油压5秒内低于设定值则跳机

25.26.同(一)

27.TC：140---压缩机排气温度超过140℃跳机

28.～31.同(一)

(三)应用于冰水机时

1.SV：6.00冰水出口定温于6℃

2.～13.参数同(一)

14.SRC：4---LED显示回授冰水温度

15.同(一)

16.HIP1：2---冰水机将于4℃空车

17.SSR：0---未使用压力传送器

18.LOAD：4---进气压力为4Kg/cm²G

19.L-HI：3---降载至比4Kg/cm²G低3Kg/cm²G跳机

20.IDP：1---进气压力低于4Kg/cm²G开始降载

21.～23.同(一)

24.T4：5---油压5秒内低于设定值则跳机

25.26.同(一)

27.TC：110---压缩机排气温度超过110℃跳机

28.～30.同(一)

31.YUNN：1---冰水机应用软件

综上所述，本发明之变频控制装置3通过将一复合式PID控制器与一具有压缩机所需的各种控制功能的逻辑控制器结合在一起并内置在一单晶片内，不但具有精度高、反应快及产品可靠的特性，而且变频控制装置3可根据受控系统的回授信号来控制变频器的输出频率而改变受控系统的压缩机的马达转速，达到精确控制压力或温度等目的，而且其精确度可依使用需求做调整。同时由于马达转速的改变，在维持精确压力或温度的条件下，系统所消耗的能源亦可随转速改变成几乎等比例的增减，而达到节约能源的目的。此外，利用变频控制装置3的降载功能，使机组在遇到非故障性的异常时，可先降低机组性能及转速并提出警告，以便使用者在不跳机的情况下能较从容地应变。

Claims

1、一种压缩机变频控制装置，其中该压缩机是一交流压缩机，其与一变频器连接，并由该变频器的输出频率控制其马达转速，其特征在于：

该压缩机变频控制装置是结合一运算器及一逻辑控制器，用以控制该变频器及压缩机，以根据压缩机的回授信号控制变频器的输出频率相对变频，而适时改变压缩机的马达转速。

2、如权利要求1所述的压缩机变频控制装置，其特征在于：该运算器是用以接收来自压缩机的回授信号，并将该回授信号与一预设的期望值进行比较运算，以输出一控制信号控制该变频器相对改变其输出频率，而使压缩机的马达转速达到该期望值，且该逻辑控制器包含有各种压缩机所需的控制逻辑功能，用以检测衡量压缩机的各种状态以适时控制压缩机的动作。

3、如权利要求2所述的压缩机变频控制装置，其特征在于：该运算器是一复合式比例-积分-微分控制器。

4、如权利要求3所述的压缩机变频控制装置，其特征在于：该运算器及逻辑控制器可以软件方式实现。

5、如权利要求3所述的压缩机变频控制装置，其特征在于：该运算器及逻辑控制器可以硬件方式实现。

6、如权利要求1所述的压缩机变频控制装置，其特征在于：还可在该压缩机变频控制装置的运算器中预设一较低转速，使得当压缩机因为非本身故障性的异常而满载在最高转速并使其负载电流过高时，令该运算器发出一控制信号将压缩机的最高转速设为该较低转速，而使压缩机的负载电流可随之降低。

7、如权利要求6所述的压缩机变频控制装置，其特征在于：该较低转速可视压缩机的排气温度或压力做定值或机动性的调整。