DE112014000566B4

DE112014000566B4 - Verfahren und Systeme zum Erkennen und Erholen von Steuerinstabilität, die durch Laufradstillstand bewirkt ist

Info

Publication number: DE112014000566B4
Application number: DE112014000566.5T
Authority: DE
Inventors: Thomas J. Clanin; Lee L. Sibik
Original assignee: Trane International Inc
Current assignee: Trane International Inc
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2022-07-28
Anticipated expiration: 2034-01-25
Also published as: US20150362237A1; GB201512504D0; GB2524693A; GB2524693B; WO2014117006A1; CN105026855A; CN105026855B; US9823005B2; DE112014000566T5

Abstract

Verfahren zum Erkennen und Erholen von Steuerinstabilität, die durch Laufradstillstand in einem Kühlersystem (100) bewirkt ist, welches einen Kreiselverdichter (105), eine Kühlersteuereinheit (125) und eine oder mehr Einlassführungsschaufeln enthält, das Verfahren umfassend:
Berechnen (310) eines Kühlersteuerfehlersignals auf Grundlage eines Sollwerttemperatursignals für gekühltes Wasser, eines Verdampferablasswassertemperatursignals, eines Plandeltatemperatursignals und eines Hubausgleichssignals,
Bestimmen (320) eines Frequenzspektrums des Kühlersteuerfehlersignals zum Erhalten eines Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, wobei das Frequenzspektrum des Kühlersteuerfehlersignals unter Nutzung eines schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus bestimmt wird,
Erkennen (330), über die Kühlersteuereinheit (125), ob ein Laufradstillstand aufgetreten ist, auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, und
Wiederherstellen (340) des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters (105), wenn ein Laufradstillstandsereignis erkannt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die hierin offenbarten Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen ein HVAC-System („heating, ventilation and air-conditioning“), wie etwa ein Kühlersystem, das einen Kreiselverdichter aufweist, Insbesondere betreffen die Ausführungsformen Verfahren und Systeme zum Erkennen und Erholen von Steuerinstabilität, die durch Laufradstillstand im Kühlersystem bewirkt ist.
HINTERGRUND
Kühlersysteme verwenden typischerweise die Standardkomponenten eines Kühlkreises zum Vorsehen von gekühltem Wasser zum Kühlen eines bestimmten Gebäuderaums. Ein typischer Kühlkreis enthält einen Verdichter zum Verdichten von Kältemittelgas, einen Kondensator zum Kondensieren des verdichteten Kältemittels zu einer Flüssigkeit und einen Verdampfer, der das flüssige Kältemittel zum Kühlen von Wasser nutzt. Das gekühlte Wasser kann dann durch Rohre zu dem Raum geleitet werden, der gekühlt werden soll.
Kühlersysteme, die sogenannte Kreiselverdichter nutzen, können typischerweise in der Größe schwanken, beispielsweise von 100 bis 10.000 Tonnen Kühlung, und können bestimmte Vorteile und Leistungsfähigkeiten bieten, wenn sie in großen Einrichtungen benutzt sind, wie etwa Geschäftsgebäuden. Die Zuverlässigkeit von Kreiselkühlern kann hoch und die Wartungsanforderungen können niedrig sein, da Kreiselverdichtung typischerweise lediglich die Drehbewegung von nur wenigen mechanischen Teilen beinhaltet.
Ein Kreiselverdichter weist typischerweise ein Laufrad auf, das als Gebläse mit zahlreichen Gebläseflügeln denkbar ist. Der Kältemittelstrom zum Laufrad kann durch variable Einlassführungsschaufeln („IGV“) gesteuert werden, die sich in der Leitung am Einlass zum Laufrad befinden. Die Einlassführungsschaufeln können in einem Winkel zur Stromrichtung arbeiten und bewirken, dass der Kältemittelstrom wirbelt, kurz bevor er in das Verdichterlaufrad eintritt. Der Winkel der Einlassführungsschaufeln kann bezüglich der Kältemittelstromrichtung variabel sein. Wenn der Winkel der Einlassführungsschaufeln variiert wird und sich die Einlassführungsschaufeln öffnen und schließen, kann der Kältemittelstrom zum Verdichter erhöht oder herabgesetzt werden. Bei zahlreichen Anwendungen können die Einlassführungsschaufeln um 90 Grad zwischen einer vollständig geschlossenen Position senkrecht stehend zur Richtung des Kältemittelstroms zu einer vollständig offenen Einlassführungsschaufelposition, in der die Einlassführungsschaufeln am Kältemittelstrom ausgerichtet sind, variiert werden. Wenn die Kühllast hoch ist, können die Einlassführungsschaufeln geöffnet werden, um die Kältemittelmenge, die durch den Verdampfer gezogen wird, zu erhöhen, wodurch die Betriebskühlkapazität des Kühlers erhöht wird.
Aus US 2008 / 0 232 950 A1 sind ein System und ein zur Korrektur des Strömungsabrisses in einem Radialdiffusor eines Verdichters bekannt, wobei ein Parameter, der für die akustische Energie repräsentativ ist, die mit dem Strömungsabriss in einem Radialdiffusor eines Verdichters verbunden ist, gemessen wird. Dafür ist ein Sensor im Gasströmungsweg stromabwärts des Laufrads des Verdichters angeordnet und wird zur Messung eines akustischen oder Schalldruckphänomens oder einer mit dem Strömungsabriss verbundenen Vibration verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Instabilität, die durch einen Laufradstillstand bewirkt ist, zuverlässig zu erkennen und zu beheben. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch das Kühlersystem gemäß Anspruch 8 gelöst.
Es werden Ausführungsformen zum Erkennen und Erholen von Steuerinstabilität, die durch Laufradstillstand in einem Kühlersystem bewirkt ist, zur Verfügung gestellt.
Bei einer Ausführungsform berechnet eine Laufradstillstand-Erkennungs- und Erholungskomponente einer Kühlersteuereinheit ein Steuerfehlersignalfrequenzspektrum für eine Verdampferablasswassertemperatur, bestimmt, ob ein Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrums annehmbare Grenzen übersteigt, und passt eine Überspannungsgrenzsteuerkurve um einen Inkrementalwert nach unten an, um die Instabilität zu lösen, die durch den Laufradstillstand bewirkt ist.
Bei einer Ausführungsform ist eine Laufradstillstand-Erkennungs- und - Erholungskomponente zum Erkennen und Erholen von stabilem Betrieb eines Kreiselverdichters eines Kühlersystems vorgesehen. Die Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente enthält ein Steuerfehlersignalmodul, ein Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul, ein Laufradstillstanderkennungsmodul und ein Laufradstillstanderholungsmodul.
Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Prozess für Laufradstillstanderkennung und -erholung eines Kreiselverdichters in einem Kühlersystem vorgesehen. Der Prozess enthält das Berechnen eines Kühlersteuerfehlersignals. Der Prozess enthält außerdem das Bestimmen eines Frequenzspektrums des Kühlersteuerfehlersignals. Der Prozess enthält ferner das Bestimmen, ob Laufradstillstand erkannt ist. Wenn Laufradstillstand erkannt ist, stellt der Prozess den stabilen Betrieb des Kreiselverdichters wieder her.
Weitere Merkmale und Aspekte der Verfahren und Systeme zum Erkennen und Erholen von Instabilität, die durch Laufradstillstand bewirkt ist, ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Figurenliste
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen durchwegs entsprechende Teile darstellen.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Kühlersystems gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Laufradstillstand-Erkennungs- und - Erholungskomponente der Kühlersteuereinheit gemäß einer Ausführungsform.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zum Erkennen und Erholen von Instabilität, die durch Laufradstillstand bewirkt ist, gemäß einer Ausführungsform.
4 zeigt ein dimensionsloses Schaubild eines Kühlersystembetriebs, wie durch die Beziehung einer Einlassführungsschaufelposition zu einem Druckkoeffizienten angegeben, gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hinsichtlich der vorstehenden Beschreibung versteht es sich, dass Änderungen im Detail durchgeführt werden können, besonders die eingesetzten Baumaterialien und die Form, Größe und Anordnung von Teilen betreffend, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Schrift und dargestellten Ausführungsformen sind lediglich als beispielhaft zu betrachten, wobei das wahre Wesen und Umfang der Erfindung durch die allgemeine Bedeutung der Ansprüche angegeben ist.
Laufradstillstand ist Kühlersystembetrieb mit hohen Verdichterkoeffizienten in Überspannungsnähe, wenn eine oder mehr Stufen des Kreiselverdichters nicht dazu imstande sind, wirksame Verdichtung eines Kältemittels durchzuführen. Während der Überspannung bleiben ein oder mehr der Laufräder des Kreiselverdichters stehen, wodurch Verdichtergasstromumkehr und große, schnelle Verdichtermotorstromschwankungen hervorgerufen werden.
Die Auswirkung des Laufradstillstands kann primär indirekt sein und zu einer erheblichen Abnahme des Druckkoeffizienten der betroffenen Kreiselverdichterstufe und einer erheblichen Abnahme der Kühlersystemgesamtkapazität führen. Dies kann zu deutlicher Änderung der Zunahme- und Linearitätskennzeichen des Kühlersystems führen, und kann Kühlsystemsteuerinstabilität und unerwünschte Grenzzyklusschwankung bewirken. Außerdem hat sich herausgestellt, dass während des Laufradstillstands unannehmbare hörbare Geräuschschwankungen auftreten können. Ferner können während des Laufradstillstands unannehmbare Schwankung einer Verdampferablasswassertemperatur, einer Einlassführungsschaufelposition und eines Kreiselverdichtergeschwindigkeitsbefehls über einen stufenlosen geschwindigkeitsantrieb auftreten. Dies kann zu Unzufriedenheit des Kunden aufgrund verminderter Effizienz und verminderter Zuverlässigkeit führen.
Zum Erfüllen aller Bedarfsbedingungen im klimatisierten Raum kann das Kühlersystem die Abgabekapazität variieren. Bei hohem Kühlbedarf kann der Kreiselverdichter auf Maximallast oder voller Kapazität laufen. Zu anderen Zeitpunkten ist der Klimatisierungsbedarf geringer, und der Kreiselverdichter kann auf einer verringerten Kapazität betrieben werden. Die Abgabe des Kühlersystems kann dann im Wesentlichen weniger als die Abgabe auf voller Kapazität sein. Es ist außerdem erwünscht, den Kreiselverdichter im wirksamsten Modus für die Kapazität, die zu einem jeweiligen Zeitpunkt erforderlich ist, zu betreiben, um den Stromverbrauch des Kühlersystems auf die geringstmögliche Menge für die jeweilige Last zu verringern. Es wurde herausgefunden, dass der wirksamste Betriebspunkt für einen Kreiselverdichter nahe an einer Überspannung genannten Bedingung liegt. Der Betrieb in der Überspannungsbedingung ist jedoch unerwünscht, da dies Beschädigung des Kreiselverdichters bewirken kann.
Herkömmliche Überspannungsschutzsteuerstrategien auf Grundlage von Motorstromschwankungen sind zur Laufradstillstanderkennung unwirksam. Dies ist so aufgrund der Tatsache, dass, obwohl der Beginn eines Laufradstillstands abrupt sein kann, der Motorstrom während Laufradstillstands nicht schwankt.
Daher richten sich die hierin beschriebenen Ausführungsformen an verbessertes Erkennen und Erholen von Instabilität, die durch Laufradstillstand in einem Kühlersystem bewirkt werden.
Das hierin beschriebene Kühlersystem enthält einen Kreiselverdichter, der einen stufenlos regelbaren Antrieb (beispielsweise einen stufenlosen Frequenzantrieb („VFD“)) nutzt. Während die unten beschriebenen Ausführungsformen einen stufenlosen Frequenzantrieb zum Steuern einer Kreiselverdichtergeschwindigkeit eines Kreiselverdichters nutzen, wird man erkennen, dass andere Arten von stufenlos regelbaren Antrieben zum Steuern einer Kreiselverdichtergeschwindigkeit eines Kreiselverdichters genutzt sein können.
1 stellt ein Blockdiagramm eines Kühlersystems 100 gemäß einer Ausführungsform dar. Das Kühlersystem enthält einen Kreiselverdichter 105 mit einem VFD 110, einem Kondensator 115, einem Verdampfer 120 und einer Kühlersteuereinheit 125 .
Wie allgemein in 1 gezeigt, ist der Kreiselverdichter 105 zum Verdichten von Kältemittelgas konfiguriert. Das verdichtete Kältemittel wird dann zum Kondensator 115 geleitet (durch die Pfeile 107 gezeigt). Der Kondensator 115 kondensiert das verdichtete Kältemittel zu einem flüssigen Kältemittel. Das flüssige Kältemittel wird dann zum Verdampfer 120 geleitet (durch den Pfeil 117 gezeigt). Der Verdampfer 120 benutzt das flüssige Kältemittel zum Kühlen eines Fluids, beispielsweise Wasser, das über die Rohrleitung 122 durch den Verdampfer 120 strömt. Das gekühlte Wasser kann dann in einen Raum geleitet werden, der gekühlt werden soll. Wenn das flüssige Kältemittel das Wasser kühlt, das den Verdampfer 120 durchläuft, wandelt sich das flüssige Kältemittel zu einem Gas um, und das Gas wird dann zum Kreiselverdichter 105 zurückgeführt (durch Pfeil 103 gezeigt).
Die Kühlersteuereinheit 125 ist zum Überwachen des Betriebs des Kühlersystems 100 unter Verwendung von Messdaten, die von mehreren Sensoren 130a bis e erhalten werden, und Steuern des Betriebs des Kühlersystems 100 beispielsweise auf Grundlage von Änderungen der Last, die von den Klimatisierungsanforderungen des Raums, der gekühlt wird, verlangt werden, konfiguriert. Die Kühlersteuereinheit 125 kann die Änderungen der Last, die von den Klimatisierungsanforderungen des Raums, der gekühlt wird, verlangt werden, durch Steuern des Kältemittelstromvolumens durch den Kreiselverdichter 105 anpassen. Dies kann durch Variieren der Position von Einlassführungsschaufeln (nicht gezeigt) des Kreiselverdichters 105 und einer Verdichtergeschwindigkeit des Kreiselverdichters 105 erzielt werden, entweder separat oder koordiniert.
Insbesondere ist die Kühlersteuereinheit 125 zum Steuern des Betriebs des Kreiselverdichters 105 und des VFD 110 durch Senden eines Einlassführungsschaufelbefehls 127 an den Kreiselverdichter 105 zum Steuern der Position der Einlassführungsschaufeln und durch Senden eines Verdichtergeschwindigkeitssignals 129 an den VFD 110 zum Steuern der Verdichtergeschwindigkeit des Kreiselverdichters 105 konfiguriert.
Jeder der mehreren Sensoren 130a bis e ist mit der Kühlersteuereinheit 125 verbunden und zum Überwachen eines bestimmten Aspekts des Kühlersystems 100 und Senden von Messdaten an die Kühlersteuereinheit 125 konfiguriert. Der Sensor 130a überwacht einen Kondensatorkältemitteldruck. Der Sensor 130b überwacht eine Kondensatoreinlasswassertemperatur. Der Sensor 130c überwacht eine Verdampfereinlasswassertemperatur. Der Sensor 130d überwacht eine Verdampferkältemitteltemperatur. Der Sensor 130e überwacht eine Verdam pferabl asswassertem peratur.
Die Kühlersteuereinheit 125 enthält außerdem eine Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente 126, die zum Erkennen von Laufradstillstand und zugehöriger Steuerinstabilität programmiert ist und zum Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kühlersystems 100 programmiert ist. Spezifische Details des Betriebs der Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente 126 werden untenstehend unter Bezugnahme auf 2 besprochen. Die Kühlersteuereinheit 125 kann im Allgemeinen beispielsweise einen Prozessor und einen Speicher (nicht gezeigt) zum Betreiben der Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente 126 enthalten.
2 stellt eine Ausführungsform eines Blockdiagramms einer Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente 200 zum Gebrauch in einer Kühlersteuereinheit eines Kühlersystems dar, wie etwa die Kühlersteuereinheit 125 des Kühlersystems 100, die in 1 gezeigt ist. Die Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente 200 ist zum Erkennen von Laufradstillstand und zugehöriger Steuerinstabilität und zum Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kühlersystems 100 programmiert.
Die Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente 200 enthält ein Steuerfehlersignalmodul 210, ein Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul 220, ein Laufradstillstanderkennungsmodul 230 und ein Laufradstillstanderholungsmodul 240 . Die Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente 200 enthält zum Empfangen außerdem mehrere Eingänge 205a bis c und einen Ausgang 245 .
Die mehreren Eingänge 205a bis e sind zum Empfangen von Informationssignalen von verschiedenen Teilen des Kühlersystems konfiguriert. Beispielsweise ist bei einer Ausführungsform der Eingang 205a zum Empfangen eines Sollwerttemperatursignals für gefiltertes gekühltes Wasser von der Kühlersteuereinheit konfiguriert. Der Eingang 205b ist zum Empfangen eines Verdampferablasswassertemperatursignals von einem Verdampferablasswassertemperatursensor (wie etwa beispielsweise dem Sensor 130d in 1) konfiguriert. Der Eingang 205c ist zum Empfangen eines Plandeltatemperatursignals, das die Plandeltatemperatur über den Verdampfer des Kühlersystems hinweg anzeigt, von der Kühlersteuereinheit konfiguriert. In einigen Ausführungsformen kann die Plandeltatemperatur über den Verdampfer hinweg ungefähr 10 °F betragen. Der Eingang 205d ist zum Empfangen eines Hubausgleichssignals von der Kühlersteuereinheit konfiguriert. Der Ausgang 245 ist zum Senden eines Befehlssignals an eine andere Komponente der Kühlersteuereinheit konfiguriert. Beispielsweise ist der Ausgang 245 bei einer Ausführungsform zum Senden eines Befehlssignals an die Kühlersteuereinheit konfiguriert, das den stabilen Betrieb des Kreiselverdichters durch Umsetzen eines Algorithmusmodells für ein Überspannungsgrenzkennzeichen um einen vorgegebenen Inkrementalwert nach unten wiederherstellt.
Das Steuerfehlersignalmodul 210 ist zum Berechnen eines Kühlersteuerfehlersignals und Senden des Kühlersteuerfehlersignals an das Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul 220 programmiert. Das Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul 220 ist zum Bestimmen eines Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals auf Grundlage des Kühlersteuerfehlersignals und Senden des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals an das Laufradstillstanderkennungsmodul 230 programmiert. Das Laufradstillstanderkennungsmodul 230 ist zum Bestimmen, ob Laufradstillstand aufgetreten ist, auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals und Senden eines Laufradstillstanderkennungssignals an das Laufradstillstanderholungsmodul 240 programmiert. Das Laufradstillstanderholungsmodul 240 ist zum Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters des Kühlersystems nach Empfang eines Laufradstillstanderkennungssignals vom Laufradstillstanderkennungsmodul 230, das anzeigt, dass ein Laufradstillstand aufgetreten ist, programmiert.
3 stellt ein Ablaufdiagramm eines Prozesses 300 zum Erkennen und Erholen von Instabilität, die durch Laufradstillstand bewirkt ist, unter Benutzung der Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente 200 dar. Bei 310 berechnet das Steuerfehlersignalmodul 210 ein Kühlersteuerfehlersignal. Bei einer Ausführungsform kann das Steuerfehlersignalmodul 210 das Kühlersteuerfehlersignal auf Grundlage eines Sollwerttemperatursignals für gefiltertes gekühltes Wasser, eines Verdampferablasswassertemperatursignals, eines Plandeltatemperatursignals und eines Hubausgleichssignals unter Anwendung eines Ablasswassertemperatursteueralgorithmus berechnen. Das Kühlersteuerfehlersignal wird dann an das Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul 220 gesendet. Der Prozess 300 leitet dann weiter zu 320 .
Bei 320 bestimmt das Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul 220 ein Frequenzspektrum des Kühlersteuerfehlersignals. Bei einer Ausführungsform ist das Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul 220 zum Berechnen des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals unter Anwendung eines schnellen Fourier-Transformations-(„FFT“)-Algorithmus programmiert. Die Auswahl von FFT-Größe und Datenabtastungsrate kann die effektive Bandbreite und Auflösung des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals bestimmen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul 220 einen 64-Punkt-FFT-Algorithmus benutzen, um dem Laufradstillstanderkennungsmodul 230 die Fähigkeit zu ermöglichen, normalen Steuerniederfrequenzsignalinhalt von einem instabilen Steuerhochfrequenzsignalinhalt zu unterscheiden, der Laufradstillstand anzeigt. Das Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignal wird dann an das Laufradstillstanderkennungsmodul 230 gesendet.
Bei 330 bestimmt das Laufradstillstanderkennungsmodul 230, ob ein Laufradstillstand aufgetreten ist. Bei einer Ausführungsform ist das Laufradstillstanderkennungsmodul 230 zum Bestimmen, ob Laufradstillstand aufgetreten ist, durch Auswerten des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals programmiert.
Es hat sich herausgestellt, dass während des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters des Kühlersystems ein Frequenzinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals besonders niedrig ist. jedoch hat es sich herausgestellt, dass während der durch den Laufradstillstand bewirkten Instabilität des Kreiselverdichters der resultierende Grenzzyklus des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals eine verhältnismäßig große Magnitude aufweist, vorwiegend eine einzelne hochfrequente Oszillation, die vom normalen Steuerbetrieb unterschieden werden kann.
Es hat sich beispielsweise herausgestellt, dass eine Oszillationsperiode des Steuerfehlersignals während durch Laufradstillstand bewirkter Instabilität ungefähr 45 bis 80 Sekunden beträgt. Während normalen Steuerbetriebs hat sich herausgestellt, dass die Oszillationsperiode des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals ungefähr 150 Sekunden oder länger beträgt.
Daher kann das Laufradstillstanderkennungsmodul 230 bei einer Ausführungsform Laufradstillstand durch Auswerten bestimmen, ob jeglicher vorwiegender Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals sowohl Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals als auch eine vorgegebene, anpassbare Sollwertschwelle übersteigt.
Wenn das Laufradstillstanderkennungsmodul 230 bestimmt, dass der Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals sowohl den Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals als auch die Sollwertschwelle übersteigt, bestimmt das Laufradstillstanderkennungsmodul 230, dass Laufradstillstand im Kühlersystem aufgetreten ist. Das Laufradstillstanderkennungsmodul 230 kann dann ein Laufradstillstanderkennungssignal an das Laufradstillstanderholungsmodul 240 senden, das anzeigt, dass Laufradstillstand aufgetreten ist, und der Prozess 300 leitet zu 340 weiter.
Wenn demgegenüber das Laufradstillstanderkennungsmodul 230 bestimmt, dass der Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals weder den Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals noch die Sollwertschwelle übersteigt, bestimmt das Laufradstillstanderkennungsmodul 230, dass kein Laufradstillstand im Kühlersystem aufgetreten ist, und das Laufradstillstanderkennungsmodul 230 sendet ein Laufradstillstanderkennungssignal an das Laufradstillstanderholungsmodul 240, das anzeigt, dass kein Laufradstillstand aufgetreten ist, und der Prozess 300 leitet zu 310 zurück.
Bei 340 stellt das Laufradstillstanderholungsmodul 240 den stabilen Betrieb des Kreiselverdichters wieder her. In einigen Ausführungsformen stellt das Laufradstillstanderholungsmodul 240 den stabilen Betrieb des Kreiselverdichters durch Umsetzen eines Algorithmusmodells für ein Überspannungsgrenzkennzeichen um einen vorgegebenen Inkrementalwert nach unten wieder her. 4 stellt ein Beispiel einer Überspannungsgrenzsteuerkurve 38 als Funktion von Druckkoeffizient in Beziehung zu Einlassführungsschaufelposition dar.
Wie in 4 gezeigt, ist eine dimensionslose Verdichterkarte 30 durch ein Schaubild eines Verdichterdruckkoeffizientwerts 31 in Beziehung zu einem Verdichterkapazitätswert 33 dar, die aus Sensordaten beispielsweise während einer Verdampferablasswassertemperatur-Steuerabtastungsperiode berechnet sind. Vorzugsweise ist die Abtastperiode so kurz wie möglich. Typischerweise kann ein Kühlersystem beispielsweise mit einer Abtastperiode von ungefähr fünf Sekunden arbeiten. Dies kann jedoch nach Wunsch modifiziert werden. Der Verdichterkapazitätswert 33 ist eine Messung der Kühlkapazität des Kühlersystems, die auf einer gemessenen Einlassführungsschaufelposition basieren kann. Der Verdichterdruckwert 31 ist eine Messung von Energie, die durch den Kreiselverdichter auf das Kältemittel ausgeübt ist, wenn der Kreiselverdichter das Kältemittelgas verdichtet.
Diese dimensionslosen Werte berücksichtigen die Beziehung von Laufraddrehgeschwindigkeit zu Druckanstieg und Kapazität, wie unten gezeigt. Die Verdichterkapazität kann als die abhängige Variable betrachtet und auf Grundlage der gemessenen Einlassführungsschaufelposition bestimmt werden. Der Kühlerdruckkoeffizient (PC) kann gemäß einer Beziehung wie etwa folgender bestimmt werden: PC = (1,3159e9)(Delta H isentropic) (Numstages)(Dia²)(N²) wobei N = Drehgeschwindigkeit der Laufräder in U/min, wie aus einer angewiesenen Inverterfrequenz, die Motorschlupf vernachlässigt, berechnet. Vernachlässigen des Motorschlupfs kann eine sinnvolle Annäherung für Motoren mit niedrigem Schlupf sein, Dia = durchschnittlicher Laufraddurchmesser, Numstages = Anzahl von Verdichterstufen im Kühlersystem, Delta H isentropic = isentropischer Enthalpieanstieg, unter Nutzung von Verdampferdruck und - temperatur und Kondensatordruck zum Berechnen des Enthalpieanstiegs über den Verdichter hinweg.
In der dimensionslosen Verdichterkarte 30 ist der Verdichterdruckkoeffizient als die Ordinate oder Y-Achse 31 dargestellt und die Verdichterkapazität als die Abszisse oder X-Achse 33 .
Ein Verdichterbetriebspunkt, beispielsweise bei 36 gezeigt, kann jede Verdampferablasswassertemperatur-Steuerabtastperiode aus Sensordaten berechnet werden. Der Verdichterbetriebspunkt 36 ist eine Darstellung des aktuellen Betriebspunkts des Kreiselverdichters zu der bestimmten Zeit, in der die Daten abgenommen werden. Der Verdichterbetriebspunkt 36 wird mit dem Wert der Überspannungsgrenzsteuerkurve 38 verglichen. Die Überspannungsgrenzsteuerkurve 38 ist eine berechnete Betriebsgrenze, die nahe einem Bereich 32 tatsächlicher Überspannung positioniert ist, wie durch intermittierende Überspannungsereignisse erkannt. Der Y-Achsenabschnitt 22 der Überspannungsgrenzsteuerkurve 38 kann durch die Kühlersteuereinheit ausgewählt werden. Da die Kühlersteuereinheit den Y-Achsenabschnitt 22 der Überspannungsgrenzsteuerkurve 38 auswählt, kann die Kühlersteuereinheit definieren, wie aggressiv Energieeffizienz zu verfolgen ist. Durch Herstellen des Y-Achsenabschnitts 22 der Überspannungsgrenzsteuerkurve 38 nahe am Bereich 32 tatsächlicher Überspannung kann der energieeffizienteste Betrieb erzielt werden, jedoch mit der Gefahr des Auftretens von Überspannung, wenn sich die Überspannungsgrenzsteuerkurve 38 dem Bereich 32 tatsächlicher Überspannung annähert. Der Y-Achsenabschnitt 22 kann in erheblichem Abstand zum Bereich 32 tatsächlicher Überspannung eingestellt werden, um die Überspannungsgefahr zu mindern, durch Trennen der Überspannungsgrenzsteuerkurve 38 vom Bereich 32 tatsächlicher Überspannung. Dies ist jedoch ein Austausch, da das Kühlersystem mehr Energie in ihrem Betrieb aufwendet und daher nicht im optimalen Energieeffizienzbetrieb arbeitet.
Daher kann das Laufradstillstanderholungsmodul 240 zum Wiederherstellen von stabilem Betrieb des Kreiselverdichters das Algorithmusmodell für die Überspannungsgrenzsteuerkurve 38 um einen Inkrementalwert 34 nach unten umsetzen, um eine neue Überspannungsgrenzsteuerkurve 37 zu erzielen und dadurch einen Zieldruckkoeffizienten zu vermindern. Durch Vermindern des Zieldruckkoeffizienten kann eine Verdichtergeschwindigkeit des Kreiselverdichters erhöht werden, eine Öffnungsposition der Einlassführungsschaufeln vermindert werden und die Laufradstillstandsbedingung verringert und schließlich beseitigt werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 leitet der Prozess 300, sobald das Laufradstillstanderholungsmodul 240 den stabilen Betrieb des Kreiselverdichters wiederherstellt, zu 310 zurück.
Aspekte:
Es ist zu beachten, dass jeglicher der Aspekte 1 bis 9 mit jeglichem der Aspekte 10 bis 18 kombinierbar ist.

1. Verfahren zum Erkennen und Erholen von Steuerinstabilität, die durch Laufradstillstand in einem Kühlersystem bewirkt ist, welches einen Kreiselverdichter, eine Kühlersteuereinheit und eine oder mehr Einlassführungsschaufeln enthält, das Verfahren umfassend: Berechnen eines Kühlersteuerfehlersignals, Bestimmen eines Frequenzspektrums des Kühlersteuerfehlersignals zum Erhalten eines Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, Erkennen, über die Kühlersteuereinheit, ob ein Laufradstillstand aufgetreten ist, auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters, wenn ein Laufradstillstandsereignis erkannt wird.
2. Verfahren nach Aspekt 1, wobei das Berechnen des Kühlersteuerfehlersignals das Anwenden eines Ablasswassertemperatursteueralgorithmus beinhaltet.
3. Verfahren nach beiden Aspekten 1 und 2, wobei das Kühlersteuerfehlersignal auf Grundlage von zumindest einem eines Sollwerttemperatursignals für gekühltes Wasser, eines Verdampferablasswassertemperatursignals, eines Plandeltatemperatursignals und eines Hubausgleichssignals berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei das Frequenzspektrum des Kühlersteuerfehlersignals unter Nutzung eines schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus bestimmt wird.
5. Verfahren nach Aspekt 4, wobei der schnelle Fourier-Transformationsalgorithmus ein 64-Punkt-FFT-Algorithmus ist.
6. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei das Erkennen auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, ob das Laufradstillstandsereignis aufgetreten ist, zumindest eines von Folgendem beinhaltet: einen Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, der einen Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals übersteigt, und den Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, der eine Sollwertschwelle übersteigt.
7. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei das Erkennen auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, ob das Laufradstillstandsereignis aufgetreten ist, beides von Folgendem beinhaltet: einen Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, der einen Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals übersteigt, und den Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, der eine Sollwertschwelle übersteigt.
8. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 7, wobei das Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters Folgendes beinhaltet: Betreiben des Kühlersystems unter einem Überspannungsgrenzkennzeichen, das inkrementell kleiner als ein vorher betriebenes Überspannungsgrenzkennzeichen ist.
9. Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 7, wobei das Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters zumindest eines von Erhöhen einer Verdichtergeschwindigkeit des Kreiselverdichters und Vermindern einer Öffnungsposition der einen oder mehr Einlassführungsschaufeln beinhaltet.
10. Kühlersystem, umfassend: einen Kreiselverdichter, eine oder mehr Einlassführungsschaufeln, und eine Kühlersteuereinheit, die eine Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente enthält, wobei die Laufradstillstand-Erkennungs- und -Erholungskomponente Folgendes enthält: ein Steuerfehlersignalmodul, das zum Berechnen eines Kühlersteuerfehlersignals konfiguriert ist, ein Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul, das zum Bestimmen eines Frequenzspektrums des Kühlersteuerfehlersignals zum Erhalten eines Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals konfiguriert ist, ein Laufradstillstanderkennungsmodul, das zum Erkennen auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, ob ein Laufradstillstand aufgetreten ist, konfiguriert ist, und ein Laufradstillstanderholungsmodul, das zum Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters, wenn ein Laufradstillstand erkannt ist, konfiguriert ist.
11. Kühlersystem nach Aspekt 10, wobei das Steuerfehlersignalmodul zum Berechnen des Kühlersteuerfehlersignals unter Nutzung eines Ablasswassertemperatursteueralgorithmus konfiguriert ist.
12. Kühlersystem nach beiden Aspekten 10 und 11, wobei das Steuerfehlersignalmodul zum Berechnen des Kühlersteuerfehlersignals auf Grundlage von zumindest einem eines Sollwerttemperatursignals für gekühltes Wasser, eines Verdampferablasswassertemperatursignals, eines Plandeltatemperatursignals und eines Hubausgleichssignals konfiguriert ist.
13. Kühlsystem nach einem der Aspekte 10 bis 12, wobei das Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul zum Bestimmen des Frequenzspektrums des Kühlersteuerfehlersignals unter Nutzung eines schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus konfiguriert ist.
14. Kühlersystem nach Aspekt 13, wobei der schnelle Fourier-Transformationsalgorithmus ein 64-Punkt-FFT-Algorithmus ist.
15. Kühlersystem nach einem der Aspekte 10 bis 14, wobei das Laufradstillstanderkennungsmodul zum Erkennen, ob das Laufradstillstandsereignis aufgetreten ist, konfiguriert ist, wenn zumindest eines von einem Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals einen Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals übersteigt, und dem Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals eine Sollwertschwelle übersteigt.
16. Kühlersystem nach einem der Aspekte 10 bis 14, wobei das Laufradstillstanderkennungsmodul zum Erkennen, ob das Laufradstillstandsereignis aufgetreten ist, konfiguriert ist, wenn beides von einem Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals einen Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals übersteigt, und dem Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals eine Sollwertschwelle übersteigt.
17. Kühlersystem nach einem der Aspekte 10 bis 16, wobei das Laufradstillstanderholungsmodul zum Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters durch Betreiben des Kühlersystems unter einem Überspannungsgrenzkennzeichen, das inkrementell kleiner als ein vorher betriebenes Überspannungsgrenzkennzeichen ist.
18. Kühlersystem nach einem der Aspekte 10 bis 17, wobei das Laufradstillstanderholungsmodul zum Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters durch zumindest eines von Erhöhen einer Verdichtergeschwindigkeit des Kreiselverdichters und Vermindern einer Öffnungsposition der einen oder mehr Einlassführungsschaufeln konfiguriert ist.

Während nur bestimmte Merkmale der Ausführungsformen hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden dem Fachmann zahlreiche Modifikationen und Änderungen in den Sinn kommen. Es versteht sich daher, dass die beiliegenden Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen abdecken sollen, wie sie unter Umfang und Wesen der hierin beschriebenen Ausführungsformen fallen.

Claims

Verfahren zum Erkennen und Erholen von Steuerinstabilität, die durch Laufradstillstand in einem Kühlersystem (100) bewirkt ist, welches einen Kreiselverdichter (105), eine Kühlersteuereinheit (125) und eine oder mehr Einlassführungsschaufeln enthält, das Verfahren umfassend: Berechnen (310) eines Kühlersteuerfehlersignals auf Grundlage eines Sollwerttemperatursignals für gekühltes Wasser, eines Verdampferablasswassertemperatursignals, eines Plandeltatemperatursignals und eines Hubausgleichssignals, Bestimmen (320) eines Frequenzspektrums des Kühlersteuerfehlersignals zum Erhalten eines Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, wobei das Frequenzspektrum des Kühlersteuerfehlersignals unter Nutzung eines schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus bestimmt wird, Erkennen (330), über die Kühlersteuereinheit (125), ob ein Laufradstillstand aufgetreten ist, auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, und Wiederherstellen (340) des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters (105), wenn ein Laufradstillstandsereignis erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen (310) des Kühlersteuerfehlersignals das Anwenden eines Ablasswassertemperatursteueralgorithmus beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der schnelle Fourier-Transformationsalgorithmus ein 64-Punkt-FFT-Algorithmus ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erkennen (330) auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, ob das Laufradstillstandsereignis aufgetreten ist, zumindest eines von Folgendem beinhaltet: einen Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, der einen Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals übersteigt, und den Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, der eine Sollwertschwelle übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erkennen (330) auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, ob das Laufradstillstandsereignis aufgetreten ist, beides von Folgendem beinhaltet: einen Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, der einen Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals übersteigt, und den Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, der eine Sollwertschwelle übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wiederherstellen (340) des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters (105) Folgendes beinhaltet: Betreiben des Kühlersystems (100) unter einem Überspannungsgrenzkennzeichen, das inkrementell kleiner als ein vorher betriebenes Überspannungsgrenzkennzeichen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wiederherstellen (340) des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters (105) zumindest eines von Erhöhen einer Verdichtergeschwindigkeit des Kreiselverdichters (105) und Vermindern einer Öffnungsposition der einen oder mehr Einlassführungsschaufeln beinhaltet.
Kühlersystem (100), umfassend: einen Kreiselverdichter (105), eine oder mehr Einlassführungsschaufeln, und eine Kühlersteuereinheit (125), die eine Laufradstillstand-Erkennungs- und - Erholungskomponente enthält, wobei die Laufradstillstand-Erkennungs- und - Erholungskomponente Folgendes enthält: ein Steuerfehlersignalmodul (210), das zum Berechnen eines Kühlersteuerfehlersignals auf Grundlage eines Sollwerttemperatursignals für gekühltes Wasser, eines Verdampferablasswassertemperatursignals, eines Plandeltatemperatursignals und eines Hubausgleichssignals konfiguriert ist, ein Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul (220), das zum Bestimmen eines Frequenzspektrums des Kühlersteuerfehlersignals zum Erhalten eines Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals konfiguriert ist, wobei das Steuerfehlersignalfrequenzspektrummodul (220) zum Bestimmen des Frequenzspektrums des Kühlersteuerfehlersignals unter Nutzung eines schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus konfiguriert ist, ein Laufradstillstanderkennungsmodul (230), das zum Erkennen auf Grundlage des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals, ob ein Laufradstillstand aufgetreten ist, konfiguriert ist, und ein Laufradstillstanderholungsmodul (240), das zum Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters (105), wenn ein Laufradstillstand erkannt ist, konfiguriert ist.
Kühlersystem (100) nach Anspruch 8, wobei das Steuerfehlersignalmodul (210) zum Berechnen des Kühlersteuerfehlersignals unter Nutzung eines Ablasswassertemperatursteueralgorithmus konfiguriert ist.
Kühlersystem (100) nach Anspruch 8, wobei der schnelle Fourier-Transformationsalgorithmus ein 64-Punkt-FFT-Algorithmus ist.
Kühlersystem (100) nach Anspruch 8, wobei das Laufradstillstanderkennungsmodul (230) zum Erkennen, ob das Laufradstillstandsereignis aufgetreten ist, konfiguriert ist, wenn zumindest eines von einem Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals einen Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals übersteigt, und dem Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals eine Sollwertschwelle übersteigt.
Kühlersystem (100) nach Anspruch 8, wobei das Laufradstillstanderkennungsmodul (230) zum Erkennen, ob das Laufradstillstandsereignis aufgetreten ist, konfiguriert ist, wenn beides von einem Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals einen Niederfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals übersteigt, und dem Hochfrequenzsignalinhalt des Steuerfehlersignalfrequenzspektrumsignals eine Sollwertschwelle übersteigt.
Kühlersystem (100) nach Anspruch 8, wobei das Laufradstillstanderholungsmodul (240) zum Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters (105) durch Betreiben des Kühlersystems (100) unter einem Überspannungsgrenzkennzeichen, das inkrementell kleiner als ein vorher betriebenes Überspannungsgrenzkennzeichen ist.
Kühlersystem (100) nach Anspruch 8, wobei das Laufradstillstanderholungsmodul (240) zum Wiederherstellen des stabilen Betriebs des Kreiselverdichters (105) durch zumindest eines von Erhöhen einer Verdichtergeschwindigkeit des Kreiselverdichters (105) und Vermindern einer Öffnungsposition der einen oder mehr Einlassführungsschaufeln konfiguriert ist.