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QUERVERWEIS AUF EINEN VERWANDTEN ANTRAG
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Diese Anmeldung beansprucht Priorität der US-Patentanmeldung Nr.
17/156,003 , eingereicht am 22. Januar 2021, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
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HINTERGRUND
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Das Gebiet der Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Steuer- und Antriebsschaltung für einen Elektromotor, insbesondere einen Motor mit permanent gespaltenen Kondensatoren (PSC), und im Besonderen auf eine Motorsteuerung, die einen Antriebskreis steuert, indem sie dynamisch bestimmt, wann der Antriebskreis zur Versorgung mit Netzfrequenzstrom übergehen sollte.
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Zumindest einige bekannte PSC-Motoren sind Motoren mit fester Drehzahl, die am effizientesten bei Netzfrequenz arbeiten. Solche PSC-Motoren weisen beim Anfahren eine unkontrollierte Beschleunigung auf. Außerdem arbeiten solche PSC-Motoren bei niedriger Last weniger effizient. Alternativ kann ein PSC-Motor mit einem Motorregler mit variabler Drehzahl betrieben werden, um die Motordrehzahl an die Last anzupassen. Solche Konfigurationen sind im Allgemeinen durch Leistungsfaktor, elektromagnetische Störungen und elektrische Verluste eingeschränkt.
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Ein Antriebskreis für PSC-Motoren ermöglicht einen effizienten Betrieb sowohl bei hoher als auch bei niedriger Last. Beispielsweise kann ein PSC-Motor, der einen Kompressor in einem Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystem (HVAC) betreibt, bei Spitzentemperaturen stark belastet werden und bei milderen Temperaturen gering belastet werden. Der Antriebskreis betreibt den PSC-Motor unter niedrigen Lastbedingungen mit einem Umrichter (Wechselrichter, Inverter) und unter hohen Lastbedingungen mit Netzfrequenz.
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Beim Starten eines Verdichters ist die Belastung des PSC-Motors im Allgemeinen gering und steigt mit der Zeit an, da der Saug- und Druckdruck den Drehmomentbedarf des PSC-Motors erhöht. Das Anfahrdrehmoment des PSC-Motors, z. B. bei Netzfrequenz, ist im Allgemeinen höher als die Drehmomentbelastung beim Anfahren, wenn die Drücke nahezu ausgeglichen sind. Umgekehrt können sich nach längerem Betrieb eines Verdichters Ansaug- und Auslassdrücke aufbauen und eine Drehmomentbelastung erzeugen, die das Anlaufdrehmoment übersteigt, so dass sich der PSC-Motor nicht mehr drehen kann, d. h. ein blockierter Rotor oder ein abgewürgter Verdichter. Zumindest einige Systemsteuerungen für PSC-Motoren verfügen über eine Verriegelung, die einen Neustart des PSC-Motors verhindert, bis sich die Drücke im Verdichter nahezu ausgeglichen haben, wodurch das Anlaufdrehmoment entlastet wird. Solche Verriegelungen können in der Größenordnung von Minuten liegen, während derer der Verdichter nicht arbeiten kann. Dementsprechend sind Systeme und Verfahren zur Steuerung eines Antriebskreises für einen PSC-Motor erwünscht, bei denen keine Ausfallzeit/keine Verriegelung erforderlich ist, wenn auf/von Netzfrequenzstrom umgeschaltet wird, und bei denen der PSC-Motor während des Übergangs nahtlos arbeitet (z. B. werden Probleme wie ein blockierter Rotor oder ein blockierter Verdichter vermieden).
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KURZBESCHREIBUNG
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In einem Aspekt wird ein elektrisches Motorsystem beschrieben. Das Elektromotorsystem umfasst eine Antriebsschaltung mit einem Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er Strom mit variabler Frequenz über eine erste Dauer liefert, und ein Schütz oder elektronische Schalter, die so konfiguriert sind, dass sie Strom mit Netzfrequenz über eine zweite Dauer liefern. Das Elektromotorsystem umfasst auch einen Elektromotor, der mit der Antriebsschaltung gekoppelt ist, wobei der Elektromotor kommunikativ mit einem Steuergerät verbunden ist. Das Steuergerät ist so konfiguriert, dass es den Umrichter so steuert, dass er dem Elektromotor über die erste Dauer Strom mit variabler Frequenz zuführt, wodurch der Elektromotor mit einer Motordrehzahl betrieben wird, und dass es auf der Grundlage mindestens eines empfangenen Eingangsparameters oder eines gemessenen Eingangsparameters eine maximal mögliche Motordrehzahl bestimmt, die der Umrichter erreichen kann. Das Steuergerät ist außerdem so konfiguriert, dass es einen Befehl zum Betrieb des Elektromotors mit Netzfrequenzstrom empfängt und die Antriebsschaltung so steuert, dass sie von der Versorgung mit Strom mit variabler Frequenz auf die Versorgung mit Netzfrequenzstrom umschaltet, bevor die maximal mögliche Motordrehzahl, die der Umrichter erreichen kann, erreicht ist.
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In einem anderen Aspekt wird ein Elektromotor beschrieben. Der Elektromotor umfasst eine Antriebsschaltung mit einem Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er Strom mit variabler Frequenz über eine erste Dauer liefert, und ein Schütz oder elektronische Schalter, die so konfiguriert sind, dass sie Strom mit Netzfrequenz über eine zweite Dauer liefern. Der Elektromotor umfasst auch eine Steuerung, die mit der Antriebsschaltung und dem Elektromotor kommunikativ verbunden ist. Das Steuergerät ist so konfiguriert, dass es den Umrichter so steuert, dass er dem Elektromotor über die erste Dauer Strom mit variabler Frequenz zuführt, wodurch der Elektromotor mit einer Motordrehzahl betrieben wird, und dass es auf der Grundlage mindestens eines empfangenen Eingangsparameters oder eines gemessenen Eingangsparameters eine maximal mögliche Motordrehzahl bestimmt, die der Umrichter erreichen kann. Die Steuerung ist auch so konfiguriert, dass sie bestimmt, den Elektromotor mit Netzfrequenzstrom zu betreiben und die Antriebsschaltung so zu steuern, dass sie von der Versorgung mit Strom mit variabler Frequenz zur Versorgung mit Netzfrequenzstrom übergeht, bevor die maximal mögliche Motordrehzahl, die der Umrichter erreichen kann, erreicht ist.
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In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors beschrieben. Der Elektromotor ist kommunikativ mit einem Steuergerät gekoppelt und mit einer Antriebsschaltung verbunden, die einen Umrichter enthält, der so konfiguriert ist, dass er Strom mit variabler Frequenz über eine erste Dauer liefert, und ein Schütz oder elektronische Schalter, die so konfiguriert sind, dass sie Strom mit Netzfrequenz über eine zweite Dauer liefern. Das Verfahren umfasst das Steuern des Wechselrichters, um den Elektromotor über die erste Dauer mit Strom variabler Frequenz zu versorgen, wodurch der Elektromotor mit einer Motordrehzahl betrieben wird, und das Bestimmen einer maximalen potenziellen Motordrehzahl, die der Umrichter erreichen kann, basierend auf mindestens einem empfangenen Eingangsparameter oder gemessenen Eingangsparameter. Das Verfahren umfasst auch das Empfangen eines Befehls, den Elektromotor mit Netzfrequenzstrom zu betreiben, und das Steuern der Antriebsschaltung, um von der Lieferung von Strom mit variabler Frequenz zur Lieferung von Netzfrequenzstrom überzugehen, bevor die maximale potenzielle Motordrehzahl, die der Umrichter erreichen kann, erreicht ist.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Antriebsschaltung für einen PSC-Motor;
- 2 ist ein Diagramm mit beispielhaften Drehmoment-, Drehzahl- und Stromkurven für einen PSC-Motor; und
- 3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines PSC-Motors.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ein Element oder ein Schritt, der in der Einzahl genannt wird und dem das Wort „ein“ oder „eine“ vorangestellt ist, schließt die Mehrzahl von Elementen oder Schritten nicht aus, es sei denn, ein solcher Ausschluss wird ausdrücklich erwähnt. Darüber hinaus sind Verweise auf eine „Beispielimplementierung“ oder „eine Implementierung“ der vorliegenden Offenbarung nicht so zu verstehen, dass sie die Existenz weiterer Implementierungen ausschließen, die ebenfalls die erwähnten Merkmale enthalten.
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Beim Betrieb eines Kompressors treibt ein Antriebsschaltkreis für einen Elektromotor, z. B. einen PSC-Motor, den Elektromotor bei niedriger Last mit einem Umrichter und bei hoher Last mit Netzfrequenz an. Im Allgemeinen können der Umrichter und die Netzfrequenz nicht gleichzeitig an den Elektromotor angeschlossen werden, da die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Leitungen besteht. Um vom Umrichter auf die Leitung oder von der Leitung auf den Umrichter umzuschalten, wird die eine Leitung getrennt, bevor die andere angeschlossen wird.
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Beim Übergang vom Umrichter zur Netzfrequenz kann das Ausgangsdrehmoment bei Netzfrequenz unter den Drehmomentbedarf des Verdichters fallen. Unter solchen Bedingungen kann der Verdichter abgewürgt werden, d.h. der Wicklungsstrom steigt an, und die Motordrehzahl und das Motordrehmoment fallen innerhalb eines einzigen Netzzyklus oder etwa 16 ms ab. Des Weiteren wird hier festgestellt, dass die typische Verriegelungsdauer für den Neustart eines Elektromotors, der einen Verdichter betreibt, zu lang ist, damit der Elektromotor für einen effektiven Systembetrieb zwischen dem Betrieb mit dem Umrichter und dem Betrieb mit Netzfrequenzstrom wechseln kann.
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Dementsprechend steht der hier beschriebene Antriebsschaltkreis in Verbindung mit mindestens einem Steuergerät (z. B. einem Motorsteuergerät, einem Systemsteuergerät usw.), das so konfiguriert ist, dass es dynamisch bestimmt, wann der Antriebsschaltkreis von der Versorgung mit Strom mit variabler Frequenz zur Versorgung mit Netzfrequenzstrom übergehen sollte, so dass der PSC-Motor in konstantem Betrieb ist (z. B. kein Neustart erforderlich ist). Wie oben erläutert, können sich nach längerem Betrieb eines Verdichters Ansaug- und Auslassdrücke aufbauen, die eine Drehmomentbelastung erzeugen, die das Ausgangsdrehmoment bei AC-Hauptbetrieb übersteigt, so dass sich der PSC-Motor nicht mehr drehen kann, d. h. ein blockierter Rotor oder ein abgewürgter Verdichter. Dementsprechend ist ein Steuergerät, das mit dem Antriebskreis in Verbindung steht, so konfiguriert, dass es eine maximale Betriebsdrehzahl des Umrichters ermittelt (z. B. durch Messung von Drehzahl und Strom während des Betriebs bei niedriger Drehzahl) und auf der Grundlage der ermittelten maximalen Betriebsdrehzahl des Umrichters den Antriebskreis so steuert, dass er auf die Versorgung mit Netzfrequenzstrom umschaltet, bevor die maximale Betriebsdrehzahl des Umrichters erreicht wird (z. B. bevor sich Ansaug-/Ausstoßdrücke und Temperaturen so weit aufbauen, dass die maximale Umrichterleistung überschritten werden muss, um einen reibungslosen Betrieb des PSC-Motors zu gewährleisten).
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Motorcontroller, wenn er die Antriebsschaltung steuert, um den Elektromotor mit Strom variabler Frequenz zu versorgen, so konfiguriert, dass er eine Höchstdrehzahl schätzt, die der Umrichter erreichen kann (z. B. auf der Grundlage von Messungen wie Strom bei niedriger Drehzahl, niedriger Drehzahl, Druckaufbau und Temperatur). Die Motorsteuerung ist so konfiguriert, dass sie die Höchstdrehzahl auf der Grundlage mindestens eines Eingangsparameters (z. B. wie in den obigen Beispielen, wie von einem anderen Gerät empfangen oder lokal am PSC-Motor oder Verdichter gemessen) und mindestens einer Nachschlagetabelle oder eines Polynoms, die in einem Speicher der Motorsteuerung gespeichert sind, bestimmt. Die Motorsteuerung sendet dann eine Nachricht an eine Systemsteuerung, wobei die Nachricht die ermittelte potenzielle maximale Betriebsdrehzahl des Umrichters enthält. Nach Erhalt der Nachricht von der Motorsteuerung bestimmt die Systemsteuerung, ob der Antriebskreis zur Lieferung von Netzfrequenzstrom übergehen soll (z. B. in Abhängigkeit davon, ob sich die maximale Betriebsdrehzahl des Umrichters der empfangenen potenziellen maximalen Betriebsdrehzahl des Umrichters nähert oder innerhalb eines vordefinierten Bereichs davon liegt). Wenn die Systemsteuerung feststellt, dass der Antriebskreis auf die Lieferung von Netzfrequenzstrom umschalten sollte (z. B. vor einem übermäßigen Druck- oder Temperaturaufbau), sendet die Systemsteuerung eine Nachricht an die Motorsteuerung, und als Reaktion auf den Empfang der Nachricht steuert die Motorsteuerung den Antriebskreis so, dass der optimale Übergangspunkt erreicht wird, um die Lieferung von Netzfrequenzstrom an den Verdichter zu ermöglichen.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Motorsteuerung so konfiguriert, dass sie mindestens eine bestimmte potenzielle maximale Betriebsdrehzahl des Umrichters in einem Speicher der Motorsteuerung speichert (z. B. als Nachschlagetabelle oder Polynom auf der Grundlage von Systembetriebsparametern). Beim Empfang einer Nachricht/eines Befehls von der Systemsteuerung zur Steuerung des Antriebskreises, um auf Netzfrequenzstrom umzuschalten, ist die Motorsteuerung dann so konfiguriert, dass sie feststellt, ob die Betriebsdrehzahl des Umrichters auf der Grundlage der potenziellen maximalen Betriebsdrehzahl des Umrichters reduziert werden muss (z. B. kann der Übergang zum Netzfrequenzstrom in einigen Fällen auf der Grundlage von Temperatur und Druck mit einer relativ niedrigeren Drehzahl erfolgen müssen, als Beispiel). Die Motorsteuerung bestimmt dann eine Betriebsdrehzahl des Umrichters, bei der der Übergang zur Netzfrequenz erfolgen kann, und steuert den Umrichter so, dass er den Motor mit dieser Drehzahl betreibt, bevor er den Antriebskreis so steuert, dass er zur Lieferung von Netzfrequenzstrom übergeht.
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1 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Antriebsschaltung 100 für einen PSC-Motor 102. Der PSC-Motor 102 umfasst eine Startwicklung 104 und eine Hauptwicklung 106. Bei normalem Netzfrequenzbetrieb wird Netzfrequenzstrom, z. B. 50 Hertz oder 60 Hertz, auf einer ersten Leitung (L1) 108 über einen Kondensator 110 an die Startwicklung 104 und an die Hauptwicklung 106 geliefert. Eine zweite Leitung, L2, 112, dient als Rückleitung oder Neutralleiter für den Netzfrequenzstrom. Der Antriebskreis 100 umfasst ein Schütz 114 zum Verbinden und Trennen von L1 und L2 mit dem PSC-Motor 102. Das Schütz 114 ist ein zweipoliges mechanisches Schütz, das durch Erregung einer Spule (nicht dargestellt) kommutiert wird. In bestimmten Ausführungsformen kann der Kondensator 110 mit L1 auf beiden Seiten des Schützes 114 verbunden sein.
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Der Antriebsschaltkreis 100 umfasst einen Umrichter 116, der den PSC-Motor 102 mit variabler Frequenz bei niedriger Last oder zumindest bei weniger als Volllast antreibt. In einigen Ausführungsformen wird der Umrichter 116 über L1 und L2 mit Netzfrequenzstrom versorgt und über die Steuerleitungen 118 und 120 bzw. Y1 und Y2 gesteuert. In einigen Ausführungsformen kann der Umrichter 116 durch jedes andere geeignete Mittel gesteuert werden, z. B. durch digitale Steuersignale (z. B. serielle Kommunikation oder Modbus-Kommunikation) und analoge Steuersignale (z. B. übertragen von der Motorsteuerung 132 oder der Systemsteuerung 140). Der Umrichter 116 ermöglicht den drehzahlvariablen Betrieb des PSC-Motors 102 durch Regelung von Phase und Frequenz der Wechselspannungen an den Ausgangsklemmen W, U und V. Die Klemme W ist mit einem Knoten 122, die Klemme U mit einem Knoten 124 und die Klemme V mit einem Knoten 126 verbunden. Die Antriebsschaltung 100 enthält einen Bypass-Schalter 128, der die Überbrückung des Kondensators 110 während des Betriebs durch den Umrichter 116 ermöglicht. Bei Ansteuerung durch den Umrichter 116 ist die Startwicklung des 104PSC-Motors 102 mit den Knoten 122 und 126, d. h. den Klemmen W und V des Wechselrichters 116, und die Hauptwicklung 106mit den Knoten 124 und 126, d. h. den Klemmen U und V des Wechselrichters 116, verbunden.
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Beim Betrieb des PSC-Motors 102 mit dem Umrichter 116 ist das Schütz 114 geöffnet und der Umrichter 116 wird über die Steuerleitungen 118 und 120 oder andere geeignete Steuermittel aktiviert. Beim Übergang zur Netzfrequenz wird der Umrichter 116 deaktiviert und das Schütz 114 geschlossen, um L1 und L2 direkt mit dem PSC-Motor 102 zu verbinden. Das Schütz 114 kann ein bis zwei Netzzyklen zum Schließen benötigen. Die Antriebsschaltung 100 umfasst Halbleiterschalter 130, die parallel zu den beiden Polen des Schützes 114 an L1 und L2 gekoppelt sind. Während des Übergangs vom Umrichter 116 zur Netzfrequenz und nach der Abschaltung des Wechselrichters 116 werden die Halbleiterschalter 130 geschlossen, um L1 und L2 in nur 1 ms direkt mit dem PSC-Motor 102 zu koppeln, wodurch eine Stromunterbrechung vermieden wird, die zu einem potenziell blockierten Rotor aufgrund der Belastung und des Abwürgens des PSC-Motors 102 führen kann. Die Halbleiterschalter 130 bleiben geschlossen und leiten Netzfrequenzstrom, bis das Schütz 114 geschlossen wird. Sobald das Schütz 114 geschlossen ist, werden die Halbleiterschalter 130 geöffnet, um den Netzfrequenzstrom durch das Schütz 114 umzuleiten. In einigen Ausführungsformen sind das Schütz 114 und die Halbleiterschalter 130 über eine Eingangsimpedanz (nicht dargestellt) des Wechselrichters 116 (z. B. nach dem EMI-Filter und dem Einschaltstrombegrenzer) mit L1 und L2 verbunden.
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Die Motorsteuerung 132 ist mit dem Motor 102 kommunikativ verbunden, um den Motor 102 zu betreiben. Darüber hinaus kann die Motorsteuerung 132 mit einer oder mehreren zusätzlichen Komponenten des Antriebskreises 100 gekoppelt sein, einschließlich des Wechselrichters 116, des Schützes 114, der Halbleiterschalter 130 und der Steuerleitungen 118 und 120 (Y1 und Y2). Genauer gesagt überträgt die Motorsteuerung 132 Steuersignale zum Betrieb des Motors 102. Im Ausführungsbeispiel ist die Motorsteuerung 132 so konfiguriert, dass sie durch Anpassung der Steuersignale den Umrichter 116 so steuert, dass er den Motor 102 wie oben beschrieben mit Strom variabler Frequenz versorgt. Darüber hinaus ist die Motorsteuerung 132 so konfiguriert, dass sie die Steuersignale anpasst, um den Übergang vom Umrichter 116, der Strom mit variabler Frequenz liefert, zur Lieferung von Strom mit Netzfrequenz wie oben beschrieben (z. B. von L1 und L2) zu steuern. In einigen Ausführungsformen sind beispielsweise die Motorsteuerung 132 und der Umrichter 116 in demselben Antrieb untergebracht (z. B. so, dass die Motorsteuerung 132 Signale von den Steuerleitungen 118 und 120 empfängt und dann den Umrichter 116 auf der Grundlage der empfangenen Signale steuert). In einigen Ausführungsformen kann die Motorsteuerung 132 kommunikativ mit einer anderen Steuerung (z. B. der Systemsteuerung 140) verbunden sein, die mit dem Motor 102 verbunden ist. In solchen Ausführungsformen kann die Motorsteuerung 132 so konfiguriert sein, dass die Systemsteuerung 140 den Motor 102 betreiben kann. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Motorsteuerung 132 vom Motor 102 getrennt. In einem Beispiel kann die Motorsteuerung 132 in den Motor 102 integriert sein. In einem anderen Beispiel ist die Motorsteuerung 132 eine externe Steuerung, wie z. B. ein Thermostatsystem. In einigen Ausführungsformen können die Motorsteuerung 132 und die Systemsteuerung 140 in dieselbe Steuerung integriert sein (z. B. kann jede Beschreibung der Motorsteuerung 132 in die Systemsteuerung 140 oder eine andere Steuerung integriert werden und umgekehrt).
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Motorsteuerung 132 einen Prozessor 134, einen mit dem Prozessor 134 kommunikativ verbundenen Speicher 136 und eine Kommunikationsschnittstelle 138. Die Motorsteuerung 132 ist auch mit der Systemsteuerung 140 kommunikativ verbunden. Der Prozessor 134 ist so konfiguriert, dass er im Speicher 136 gespeicherte Befehle ausführt, damit die Motorsteuerung 132 wie hier beschrieben funktioniert. Darüber hinaus ist der Speicher 136 so konfiguriert, dass er Daten speichert, die die Steuerung des Motors 102 erleichtern. In einigen Ausführungsformen kann die Motorsteuerung 132 eine Vielzahl von Prozessoren 134 und/oder Speichern 136 umfassen. In anderen Ausführungsformen kann der Speicher 136 in den Prozessor 134 integriert sein. In einem Beispiel umfasst der Speicher 136 eine Vielzahl von Datenspeichergeräten zum Speichern von Anweisungen und Daten, wie hier beschrieben. Die Kommunikationsschnittstelle 138 kann eine oder mehrere verdrahtete oder drahtlose Hardwareschnittstellen umfassen, wie z. B. Universal Serial Bus (USB), RS232, RS485 oder einen anderen seriellen Bus, CAN-Bus, Ethernet, Near Field Communication (NFC), WiFi, Bluetooth oder jede andere geeignete digitale oder analoge Schnittstelle zum Aufbau eines oder mehrerer Kommunikationskanäle. Zu den eingerichteten Kommunikationskanälen können beispielsweise Kanäle zwischen der Motorsteuerung 132 und der Systemsteuerung 140 gehören. Die Kommunikationsschnittstelle 138 umfasst ferner eine Software- oder Firmware-Schnittstelle zum Empfangen eines oder mehrerer Motorsteuerungsparameter und zum Schreiben dieser Parameter, beispielsweise in den Speicher 136. In einigen Ausführungsformen umfasst die Kommunikationsschnittstelle 138 beispielsweise eine Software-Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) oder einen Befehlssatz, um beispielsweise einen oder mehrere Koeffizientenwerte für ein Polynom bereitzustellen, das so konfiguriert ist, dass es die Bestimmung einer maximalen Betriebsdrehzahl des Umrichters 116 erleichtert, sowie eine Nachschlagetabelle, die ebenfalls so konfiguriert ist, dass sie die Bestimmung einer maximalen Betriebsdrehzahl des Umrichters 116 erleichtert. In solchen Ausführungsformen werden Werte (z. B. Koeffizienten für das Polynom und Werte für die Nachschlagetabelle) im Speicher 136 zusammen mit mindestens einem Polynom zur späteren Ausführung durch den Prozessor 134 während des Betriebs des Motors 102 gespeichert. In einigen Ausführungsformen sind Polynome und Nachschlagetabellen in der Motorsteuerung vorgeladen.
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In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Systemsteuerung einen 140Prozessor 142, einen kommunikativ mit dem Prozessor 142 verbundenen Speicher 144 und eine Kommunikationsschnittstelle 146. Die Systemsteuerung 140 ist auch mit der Motorsteuerung 132 kommunikativ verbunden. Der Prozessor 142 ist so konfiguriert, dass er im Speicher 144 gespeicherte Befehle ausführt, damit die Systemsteuerung 140 wie hier beschrieben funktioniert. In einigen Ausführungsformen kann die Systemsteuerung 140 eine Vielzahl von Prozessoren und/oder142 Speichern umfassen144. In anderen Ausführungsformen kann der Speicher 144 in den Prozessor 142 integriert sein. In einem Beispiel umfasst der Speicher 144 eine Vielzahl von Datenspeichergeräten zum Speichern von Anweisungen und Daten, wie hierin beschrieben. Die Kommunikationsschnittstelle 146 kann eine oder mehrere verdrahtete oder drahtlose Hardwareschnittstellen umfassen, wie z. B. Universal Serial Bus (USB), RS232 oder einen anderen seriellen Bus, CAN-Bus, Ethernet, Near Field Communication (NFC), WiFi, Bluetooth oder jede andere geeignete digitale oder analoge Schnittstelle zum Aufbau eines oder mehrerer Kommunikationskanäle. Zu den eingerichteten Kommunikationskanälen können beispielsweise Kanäle zwischen der Systemsteuerung 140 und der Motorsteuerung 132 gehören. Die Kommunikationsschnittstelle 146 umfasst ferner eine Software- oder Firmware-Schnittstelle zum Empfangen eines oder mehrerer Motorsteuerungsparameter und zum Schreiben dieser Parameter, beispielsweise in den Speicher 144. Wie oben erläutert, kann die Systemsteuerung 140 in einigen Ausführungsformen so konfiguriert sein, dass sie jede der hierin beschriebenen Funktionen in Bezug auf die Motorsteuerung 132 oder jede andere Steuerung ausführt.
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2 ist ein Diagramm 200 des Drehmoments, der Geschwindigkeit und des Stroms für einen PSC-Motor, wie den in 1 dargestellten PSC-Motor 102. Das Diagramm 200 enthält eine linke vertikale Achse 202, die das Drehmoment in ounce-feet (oz-ft) darstellt und von null ounce-feet bis 400 ounce-feet reicht. Das Diagramm 200 enthält eine rechte vertikale Achse 204, die den dem PSC-Motor zugeführten Strom in Ampere (A) darstellt, der von null Ampere bis 160 Ampere reicht. Das Diagramm 200 enthält eine horizontale Achse 206, die die Drehzahl des PSC-Motors in Umdrehungen pro Minute (U/min) darstellt und von null U/min bis über 3600 U/min reicht.
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Diagramm 200 enthält eine Stromkurve 208, die den vom PSC-Motor benötigten Strom in Abhängigkeit von der Motordrehzahl darstellt. Die Stromkurve 208 ist relativ hoch und flach, wenn der Motor anläuft und seine Drehzahl erhöht. Der angeforderte Strom fällt mit zunehmender Motordrehzahl, wobei er bei niedrigeren Drehzahlen allmählich abnimmt und mit zunehmender Motordrehzahl eine zunehmend negative Steigung aufweist.
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Diagramm 200 enthält eine Drehmomentlastkurve 210, die das Spitzendrehmoment des PSC-Motors in Abhängigkeit von der Motordrehzahl darstellt, das der PSC-Motor beim Betrieb des Systems liefern muss. Die Drehmomentlastkurve 210 ist die Last, die der PSC-Motor für den Betrieb des Systems aufbringen muss. Die Drehmomentlastkurve 210 definiert außerdem einen Wert für das Dauerlastdrehmoment 212, der als Dreieck auf der Drehmomentlastkurve 210 dargestellt wird.
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Das Diagramm 200 enthält eine Drehmomentkurve 214, die die Drehmomentabgabe des PSC-Motors darstellt, während er von einem Umrichter in einem Antriebsschaltkreis angetrieben wird, wie z. B. dem Antriebsschaltkreis 100 und dem Umrichter 116, wie in 1 dargestellt. Die Drehmomentkurve 214 veranschaulicht den Betrieb des PSC-Motors bei Drehzahlen von nicht mehr als 2400 U/min, wobei ein hohes Ausgangsdrehmoment erzeugt wird.
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Das Diagramm 200 enthält eine Drehmomentkurve 216, die die Drehmomentabgabe des PSC-Motors darstellt, während er mit Netzfrequenzleistung betrieben wird. Die Drehmomentkurve 216 zeigt ein geringes Ausgangsdrehmoment, wenn der Motor mit einer Drehzahl von Null startet. Die Drehmomentkurve 216 und die Drehmomentlastkurve 210 zeigen, dass die Drehmomentabgabe des PSC-Motors bei niedrigen Drehzahlen unter der Drehmomentlastkurve 210 liegt. Mit zunehmender Motordrehzahl verläuft die Drehmomentkurve 216 relativ linear bis zu ihrem Höchstwert bei etwa 3000 U/min, oberhalb dessen die Drehmomentabgabe schnell abnimmt.
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Das Diagramm 200 enthält außerdem einen Schnittpunkt 218 der Drehmomentkurve 214 und der Drehmomentlastkurve 210. Der Schnittpunkt 218 stellt den Punkt dar, an dem die Antriebsschaltung 100 den Übergang vom PSC-Motor 102, der durch den Umrichter 116 angetrieben wird, zum Antrieb durch Netzfrequenzstrom steuert. Wie weiter unten beschrieben, variiert der Schnittpunkt 218 im Diagramm 200 auf der Grundlage verschiedener Festlegungen, die von der Motorsteuerung 132 und/oder der Systemsteuerung 140 getroffen werden. Nach der Versorgung mit Netzfrequenzstrom durch die Antriebsschaltung 100 beschleunigt der PSC-Motor 102 entlang einer Übergangsdrehmomentkurve 220, bis das Spitzendrehmoment 212 auf der Drehmomentlastkurve 210 erreicht ist.
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3 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zum Betrieb eines Elektromotors (z. B. PSC-Motor 102). Das Verfahren 300 umfasst die Steuerung 310 eines Wechselrichters (z. B. des Wechselrichters 116), um den Elektromotor über eine erste Dauer mit Strom variabler Frequenz zu versorgen, wodurch der Elektromotor mit einer Motordrehzahl betrieben wird. Das Verfahren 300 umfasst auch die Bestimmung 320 einer maximalen potenziellen Motordrehzahl, die der Umrichter erreichen kann, auf der Grundlage mindestens eines Eingangsparameters (z. B. eines empfangenen Eingangsparameters oder eines gemessenen Eingangsparameters, wie z. B. Strom bei niedriger Drehzahl, niedrige Drehzahl, Druckaufbau und Temperatur, wie oben beschrieben) und den Empfang 330 eines Befehls zum Betrieb des Elektromotors mit Netzfrequenzstrom. Das Verfahren 300 umfasst ferner die Steuerung 340 eines Antriebsschaltkreises (z. B. des Antriebsschaltkreises 100), um von der Lieferung von Strom mit variabler Frequenz auf die Lieferung von Strom mit Netzfrequenz umzuschalten, bevor die maximale potenzielle Motordrehzahl, die der Umrichter erreichen kann, erreicht ist.
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In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 300 die Bestimmung einer maximalen potenziellen Motordrehzahl, die der Umrichter erreichen kann, basierend auf mindestens einem empfangenen oder gemessenen Eingangsparameter und mindestens einer Nachschlagetabelle oder einem Polynom, wobei der mindestens eine empfangene oder gemessene Eingangsparameter mindestens eine Temperatur, einen Druck, einen Strom, eine Spannung oder eine Last umfasst. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 300 das Speichern der maximal möglichen Motordrehzahl, die der Umrichter erreichen kann, in einer Systemsteuerung, die mit der Steuerung in Verbindung steht, das Feststellen, dass der Umrichter den Elektromotor mit einer Drehzahl unterhalb der maximal möglichen Motordrehzahl betreibt, als Reaktion auf den Empfang der maximal möglichen Motordrehzahl, und das Übertragen eines Signals an die Steuerung, das anzeigt, dass der Antriebskreis so gesteuert werden sollte, dass er von der Versorgung mit variabler Frequenz zur Versorgung mit Netzfrequenz übergeht. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 300 das Speichern der maximal möglichen Motordrehzahl, die der Umrichter erreichen kann, in einer Systemsteuerung, die mit der Steuerung in Verbindung steht, das Empfangen eines Befehls von der Systemsteuerung, um den Antriebskreis von der Versorgung mit variabler Frequenz auf die Versorgung mit Netzfrequenz umzuschalten, das Bestimmen, dass die Motordrehzahl reduziert werden sollte, bevor der Antriebskreis von der Versorgung mit variabler Frequenz auf die Versorgung mit Netzfrequenz umgeschaltet wird, das Bestimmen einer reduzierten Motordrehzahl, das Steuern des Umrichters, um den Elektromotor mit der reduzierten Motordrehzahl zu betreiben, und das Steuern des Antriebskreises, um von der Versorgung mit Strom mit variabler Frequenz auf die Versorgung mit Netzfrequenz umzuschalten. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 300 das Bestimmen eines geschätzten Drucks und eines geschätzten Lastabfalls bei mindestens einer potenziellen reduzierten Motordrehzahl und das Bestimmen der reduzierten Motordrehzahl aus der mindestens einen potenziellen reduzierten Motordrehzahl, zumindest teilweise auf der Grundlage des geschätzten Drucks und des geschätzten Lastabfalls.
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Unter Bezugnahme auf die 1-3 ist in einem Ausführungsbeispiel die Motorsteuerung 132 so konfiguriert, dass sie, wenn sie die 310-Antriebsschaltung 100 steuert, um einen Elektromotor (z. B. den PSC-Motor 102) mit Strom mit variabler Frequenz zu versorgen, eine maximale Drehzahl abschätzt, die der Umrichter 116 erreichen kann (z. B. auf der Grundlage von Messungen wie Strom bei niedriger Drehzahl, niedriger Drehzahl, Druckaufbau, Temperatur und Last). Die Motorsteuerung 132 ist so konfiguriert, dass sie die Höchstdrehzahl 320 auf der Grundlage von mindestens einem Eingangsparameter (wie den obigen Beispielen) und mindestens einer Nachschlagetabelle oder einem Polynom, die im Speicher 136 gespeichert sind, bestimmt. Die Motorsteuerung 132 sendet dann eine Nachricht an die Systemsteuerung 140, wobei die Nachricht die ermittelte potenzielle maximale Betriebsdrehzahl des Umrichters 116 enthält. Nach Erhalt der Nachricht von der Motorsteuerung 132 bestimmt die Systemsteuerung 140, ob der Antriebsschaltkreis 100 zur Lieferung von Netzfrequenzstrom übergehen sollte (z. B. abhängig davon, ob sich die maximale Betriebsdrehzahl des Umrichters 116 der empfangenen/gespeicherten potenziellen maximalen Betriebsdrehzahl des Umrichters 116 nähert oder innerhalb eines vordefinierten Bereichs liegt). Wenn die Systemsteuerung 140 feststellt, dass der Antriebskreis 100 auf die Versorgung mit Netzfrequenzstrom umschalten sollte (z. B. vor einem übermäßigen Druck- oder Temperaturaufbau), sendet die Systemsteuerung 140 eine Nachricht an die Motorsteuerung 132, und als Reaktion auf den Empfang 330 der Nachricht steuert die Motorsteuerung 132 den Antriebskreis 100 so, dass er wie hier beschrieben auf die Versorgung mit Netzfrequenzstrom umschaltet.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Motorsteuerung 132 so konfiguriert, dass sie die ermittelte potenzielle maximale Betriebsdrehzahl des Umrichters 116 im Speicher 136 speichert. Wenn dann 330 eine Nachricht/Befehl von der Systemsteuerung 140 empfangen wird, um den Antriebskreis 100 so zu steuern, dass er auf Netzfrequenzstrom umschaltet, ist die Motorsteuerung 132 so konfiguriert, dass sie auf der Grundlage der ermittelten/gespeicherten potenziellen maximalen Betriebsdrehzahl des Umrichters 116 feststellt, ob die Betriebsdrehzahl des Umrichters 116 reduziert werden muss (z. B. kann der Übergang auf Netzfrequenzstrom erforderlich sein, wenn der Umrichter 116 den PSC-Motor 102 in einigen Fällen aufgrund von Temperatur und Druck mit einer relativ niedrigeren Drehzahl betreibt). Die Motorsteuerung 132 bestimmt dann eine maximale Betriebsdrehzahl des Wechselrichters 116, bei der der Übergang zur Netzfrequenz erfolgen kann, und steuert den Umrichter 116, um den Elektromotor mit dieser Drehzahl zu betreiben, bevor sie den Antriebskreis 100 so steuert, dass er zur Lieferung von Netzfrequenzstrom übergeht.
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In einigen Ausführungsformen können die hier beschriebenen Systeme und Verfahren in einem adaptiven Startmodus verwendet werden, bei dem der Start eines Verdichters verzögert oder gestaffelt wird, um den Start eines Hausgenerators zu ermöglichen (z. B. um eine nahezu sofortige Spitzenlast auf dem Generator zu vermeiden, die ein Abschalten des Generators verursachen könnte). Darüber hinaus kann der adaptive Startmodus die Installation eines Niederspannungsstarters bei Hausgeneratoren überflüssig machen (z. B. weil der adaptive Startmodus ein viel geringeres Drehmoment und einen viel geringeren Strom erzeugt und daher den PSC-Motor viel weniger belastet als bei einem herkömmlichen PSC-Motorstart). Darüber hinaus können die hier beschriebenen Systeme und Verfahren die Verwendung eines Generatorbetriebs ermöglichen, bei dem z. B. ein HLK-System nur mit geringer Leistung und Kühlkapazität betrieben wird (z. B. indem der Motor nur unterhalb der maximalen Motordrehzahl betrieben wird, die der Umrichter erreichen kann, wie hier beschrieben). Darüber hinaus können die für das adaptive Starten beschriebenen Systeme und Verfahren so konfiguriert werden, dass der Übergangsdrehzahlpunkt so eingestellt oder geändert wird, dass der Spitzenstrom oder die Leistungsaufnahme beim Übergang zur Netzfrequenz minimiert wird.
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Einige Ausführungsformen beinhalten die Verwendung eines oder mehrerer elektronischer oder rechnergestützter Geräte. Zu solchen Geräten gehören typischerweise ein Prozessor, eine Verarbeitungsvorrichtung oder ein Controller, wie z. B. eine Mehrzweck-Zentraleinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU), ein Mikrocontroller, ein RISC-Prozessor (Reduced Instruction Set Computer), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare Logikschaltung (PLC), ein FPGA (Field Programmable Gate Array), eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (DSP) und/oder jede andere Schaltung oder Verarbeitungsvorrichtung, die in der Lage ist, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Die hierin beschriebenen Verfahren können als ausführbare Anweisungen kodiert werden, die in einem computerlesbaren Medium verkörpert sind, einschließlich, ohne Einschränkung, einer Speichereinrichtung und/oder einer Speichereinrichtung. Solche Anweisungen bewirken, wenn sie von einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, dass die Verarbeitungsvorrichtung zumindest einen Teil der hierin beschriebenen Verfahren durchführt. Die obigen Beispiele sind nur beispielhaft und sollen daher in keiner Weise die Definition und/oder Bedeutung der Begriffe Prozessor, Verarbeitungsgerät und Steuergerät einschränken.
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In den hier beschriebenen Ausführungsformen kann der Speicher unter anderem ein computerlesbares Medium wie einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und ein computerlesbares nichtflüchtiges Medium wie einen Flash-Speicher umfassen. Alternativ können auch eine Diskette, eine Compact Disc - Read Only Memory (CD-ROM), eine magneto-optische Platte (MOD) und/oder eine Digital Versatile Disc (DVD) verwendet werden. In den hier beschriebenen Ausführungsformen können zusätzliche Eingangskanäle auch Computerperipheriegeräte sein, die mit einer Bedienerschnittstelle verbunden sind, wie z. B. eine Maus und eine Tastatur, sind aber nicht darauf beschränkt. Alternativ können auch andere Computer-Peripheriegeräte verwendet werden, z. B. ein Scanner, ohne darauf beschränkt zu sein. Darüber hinaus können in der beispielhaften Ausführungsform zusätzliche Ausgabekanäle einen Monitor für die Bedienerschnittstelle umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
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Die hier verwendeten Begriffe „Software“ und „Firmware“ sind austauschbar und schließen jedes Computerprogramm ein, das in einem Speicher zur Ausführung durch einen Prozessor gespeichert ist, einschließlich RAM-Speicher, ROM-Speicher, EPROM-Speicher, EEPROM-Speicher und nichtflüchtiger RAM-Speicher (NVRAM). Die oben genannten Speichertypen sind nur Beispiele und daher nicht einschränkend in Bezug auf die Speichertypen, die für die Speicherung eines Computerprogramms geeignet sind.
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Die hier beschriebenen Systeme und Methoden sind nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern die Komponenten der Systeme und/oder Schritte der Methoden können unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden.
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In dieser schriftlichen Beschreibung wird die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, anhand von Beispielen offenbart, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von integrierten Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom wörtlichen Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum wörtlichen Wortlaut der Ansprüche enthalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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