TWI330927B - Ride-through method and system for hvac&r chillers - Google Patents

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1330927 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域3 發明領域 本申請案是在2005年9月2日提出申請的申請案案號 5 11/218,757的部分續案。 本發明一般是關於變速驅動器，尤其是關於用於暖 氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)設備的具有電壓驟降(sag) 安渡駕御能力的變速驅動器。 t：先前技術3 10 發明背景 變速驅動器（VSD)被用於HVAC&R系統中以提供可變 大小及可變頻率的AC電壓給馬達驅動冷凍壓縮機。VSD典 型地包含一輸入整流器、一DC連結和一換流器。由一供電 事業提供的一固定大小和固定頻率之線AC電壓被該VSD 15 輸入整流器整流為一DC電壓。此DC電壓被DC連結上具有 能量儲存能力的被動元件（例如電容器）濾波且穩定化。該 DC連結電壓接著被轉換為一可變大小、可變頻率的AC電 壓，其饋送電負載。在HVAC&R設備中，電負載通常是耦 接到一壓縮機的一電動馬達。VSD特別易受發生在公用供 20 應輸入上的欠壓狀態（被稱作為電壓驟降）的影響。此等電壓 驟降被反映經過DC連結電壓和負載，除非以其他方式被校 正或補償。多數線電壓驟降發生較短的持續時間（數毫秒至 數秒之階次(order))。此等電壓驟降可引起DC連結電壓驟降 以及VSD系統關閉。一VSD安渡駕御一電壓驟降而不關閉 5 1330927 以及在輸入電壓被恢復之後回復操作的能力被認為在一 VSD中是有利的，因為其減少了 hvaC&R設備的當機時 間。對於基於電壓源換流器（VSI)技術的VSD而言，藉由保 持該DC連結電壓為或近似為額定值，安渡駕御能力典型地 5被實現。接著VSD可以提供足夠的電壓以驅動電動馬達。 否則，如果該DC連結十分低於其額定值的話，則該VSD和 急冷器控制系統將關閉以防止不規則且可能有害的馬達或 壓縮機操作。 然而，用於VSD中最一般的整流器類型是一被動整流 10器。一被動整流器典型地包括一個三相二極體橋接器。根 據一被動整流器’該DC連結電壓直接與該輸入線電壓成比 例。從而一被動整流器不補償輸入線電壓的變化。因此， 一電壓驟降將依次引起該DC連結電壓下降，引起該VSD關 閉。 15 當一被動整流器被用於VSD中時，改良安渡駕御能力 的一可能方式是提供連接到DC連結的一額外電源，如在 Annette von Jouanne 等人的 Assessment of Ride-Through Alternatives for Adjustable-Speed Drives，35 IEEE Transactions on Industry Applications 908 (1999)中所描述 20 的，其以參照方式被併入本文。此一額外的電源可經由以 下各項被提供：額外的電容器、一DC升壓轉換器、電池、 超級電容器、馬達發電機組、飛輪、超導磁能儲存系統、 燃料電池等等。所有這些需要額外的硬體且因此大大增加 了一VSD的成本。增加具有被動前端之一VSD的安渡駕御 6 1330927 能力的一相對便宜的方式是使用負載慣量以在一電壓驟降 期間產生功率（也在上述引用的Annette von Jouanne等人戶斤 描述者内）。為了實現此增加安渡駕御能力的方式，在一電 壓驟降期間的換流器輸出頻率被調整至稍微低於該馬達負 5載頻率的一值。這使得該馬達作用為一發電機且保持該DC 連結電壓為一期望的位準。此方法典型地需要馬達速度和 電流感測器，這可能增加一VSD的成本。 美國專利號6,686,718描述了增加一VSD之安渡駕御能 力的各種技術。例如，增加一VSD之安渡駕御能力的另一 10 可能的方式是使用一主動整流器。此一整流器可以補償輸 入線電壓的變化，經由利用可以接通及切斷線電流的功率 裝置連同專門的控制方法。因此該DC連結電壓可被保持在 一充分大以防止VSD關閉的值。此技術在Annabelle van Zyl 等人的 Voltage Sag Ride-Through for Adjustable-Speed 15 Drives with Active Rectifiers，34 IEEE Transactions on Industry Applications 1270 (1998)中被描述，其以參照方式 被併入本文。 一個此種主動整流器使用一脈寬調變(PWM)升壓整流 器。該DC連結電壓可以在輸入線電壓減少或驟降期間以一 20 標稱值被嚴格調節。然而，當該線電壓減少時該升壓整流 器的輸入AC電流增加》由於該升壓整流器元件的實際電流 傳導和電流切換限制的原因，該輸入AC電流無法被允許不 確定地增加。相反，其必須被控制（經由升壓整流器控制演 算法）’從而其決不超過一預定限制，該預定限制被稱作為 7 升壓整流器電流限制。只要該升壓整流器的輸入電流低於 或處於該電流限制，該升壓整流器的輸出Dc電壓可以以一 標稱設定點（nominal setpoim)被嚴格控制。然而，如果在該 升壓整流器的電流限制達到之後，該線電壓持續下降，則 該升壓整流器不再能夠調節該輸出DC電壓為設定點值，儘 官該輸入電流保持在電流限制位準上被控制。當該VSD的 換流器部分持續從該D c連結電容器獲取電流以在電壓驟

降開始之前以相同的功率位準驅動該馬達時，儲存在該DC 連結電容器内的能量被轉移至負載，且該DC連結的電壓減 >。如果此情形持續一段充分的時期，則該DC連結電壓將 降低至一預定的故障臨界值之下且該急冷器系統最後關 閉。 因此，所需的是一種用於增加被施加到一HVAC&R^ 統的一VSD之安渡駕御能力的方法，超過上述的本領域之 1展水準的一般用途之VSD的目前安渡駕御能力。此新的 方法是基於升壓且控制該DC連結的電壓以最大化在一電 壓驟降期間VSD和HVAC&R系統操作的時期、獲取且保持 被儲存在轉動馬達和壓縮機之慣量内的能量最大量，以保 4DC連結電路中的能量，且利用被儲存在HVAC&R系統之 、令媒和水回路(water circuit)中的能量以在一輸入電壓驟 降期間最大化該系統的安渡駕御能力。 C發明内容j 發明概要

本發明揭露了一種提供用於一 H VAC&R系統的一 VSD 1330927 t安渡駕御能力的方法’該系統包含一與_壓縮機機械搞 接的馬達以及-用於供電給該馬達的變速驅動器。該變速 驅動β包括藉由-DC連結級電麵接的一主動整流器級及 -換流器級。線AC電壓、輪入AC電流、DC連結電麼以及 5馬達AC電流所有都被該系統監控及/或感測。該dc連結級 的DC電壓在標準操作期間及—電壓驟降期間經由該主動 整“被調即至-攻定點。回應於流入該主動整流器級的

輸入電流達到一預定電流限制值，該DC連結級的DC電壓之 調節進一步從該主動整流器級被轉移到該換流器級，且由 Π)該冷床系統之壓縮機進行的工作被停止。藉由反轉功率流

Wfl—使從該馬達到Dc連結，該dc連結㈣％電壓 接著經由該換流器被控制。回應於該所監控之線AC電壓恢 復到-預定的臨界電壓值，該Dc連結級之dc電壓的控制被 轉移回該主動整流器級。 15 20 在本發明的-層面中，揭露一種用於控制一變速驅動 ^以安渡駕御-電壓驟降的方法。該方法包括以下步驟： k供輕接到-機械負載的-馬達和—壓縮機；提供一變速 驅動錢供電給該馬達，該變速驅動器包括藉由—DC連处 =接的一主動轉換器級以及一換流器級;監控㈣連 …級的-DC電壓；監控該主動轉換器級的— 應於該所監控2DC連結電壓的一 ，。 — ㈤卜稭由魅動轉換器 調郎DC連結級的㈣壓；回應於咖電壓棒_預定^ ::界Γ將T連結級的Dct壓之調節轉移至該換 ^級，自該壓縮機移除該機械負載；以及藉由反轉功率 9 1330927 流使從該馬達至該DC連結級，藉由該換流器級控制Dc連結 級的DC電壓。 本發明的另一層面著重於一種用於提高一急冷器系統 内電壓驟降安渡駕御能力的方法，包含以下步驟：提供一 5起機械耦接的一馬達和一壓縮機；提供一變速驅動器，以 供電給該馬達，該變速驅動器包括藉由一DC連結級電耦接 的一主動轉換器級及一換流器級；監控該D c連結級的_ d C 電壓；監控該主動轉換器級的一輸入參數；藉由該主動轉 換器級調節該DC連、结,級的該DC電壓；藉由該換&器級調節 10馬達速度；回應於該DC連結級的DC電壓小於一預定的第— 臨界電壓，將該DC連結級之DC電壓的調節轉移至該換流器 級，卸載該壓縮機；使該主動轉換器級去能；以及藉由反 轉功率流從该馬達至該DC連結，藉由該換流器級控制該Dc 連結級的DC電壓。 15 本發明也著重於一急冷器系統，包含連接在-冷;東閉

回路中的壓縮機、—冷凝器以及—蒸發器；-卸載裝置， 用於根據該壓縮機之操作速度的一降低來卸載該壓縮機； 連接到該壓縮機的馬達，用於供電給該壓縮機；以及一連 接到該馬達的變速驅動器，該變速驅動器被組配成接收一 2〇固定輸入从電壓和-固定輸入頻率的-輸入AC功率，且提 供-可變電壓和可變頻率的一輸出功率給該馬達，該可變 電壓具有在大小上大於該固定輸入AC電壓的一最大電 壓’且該可變頻率具有大於該固定輸入頻率的一最大頻 率，該變速驅動器包含：一連接到一提供輪入ac功率的AC 10 電源的轉換器級，該轉換器級被組配成將該輸入AC電壓轉 換成一DC電壓；一連接到該轉換器級的dc連結，該DC連 結被組配成濾波該DC電壓且儲存來自該轉換器級的能 量’連接到該DC連結的換流器級，該換流器級被組配成 將來自該DC連結的該DC電壓轉換成具有可變電壓和可變 頻率的用於馬達之輸出功率；一控制面板，用於控制該變 速驅動器的操作，該控制面板被組配成回應於該DC電壓小 於一預定的第一臨界電壓，以該換流器級調節該DC連結級 的該DCf；壓；其帽由提健制信號以機械崎載該壓縮 機，該控制面板以該換流器級調節該DC連結級的該£)(：電 壓，以及反轉功率流使從該馬達至該DC連結級，以控制該 DC連結級的dc電壓。 本發明的一優點是能夠提供改良的輸入電壓驟降安渡 駕御能力，以防止在輪入電壓驟降期間急冷器系統關閉。 本發明的另—優點是依賴冷凍且急冷的水或鹽水系統 的熱量儲麵力，以最大化該HVAC&R线賴量安渡駕 _能力’能夠在—電壓驟降期間最小化該等DC連結電容器 的放電’藉由機械卸載急冷m保持被儲存在該馬達 牙壓縮機之轉動質量(rotatingmass)中的能量。 本發明的再一優點是能夠反轉在該馬達和壓縮機之轉 動貝里和該DC連結之間的能量流，以提供能量給該DC連 結。 藉由以範例形式說明本發明原理的以下較佳實施例的 詳細描述連同本發_其他職和優點變得明顯。 圖式簡單說明 第1圖示意性說明本發明的一般系統組配。 第2圖示意性說明用於本發明之一變速驅動器的一實 施例。 第3圖示意性說明可被用於本發明的一冷凍系統。 第4圖說明本發明的一簡化方塊圖。 第5A圖說明本發明之一實施例的流程圖。 第5B圖說明本發明之一較佳實施例的流程圖。 第6圖至第9圖說明第5A圖所示之流程圖的部分。 第10圖說明第5B圖之流程圖的部分。 遍及5亥等圖式，無論在什麼可能的地方，相同的參考 付號被用於表示相同或類似的部分。 C實施方式;J 較佳實施例之詳細說明 第1圖一般性說明本發明的系統組配。一AC電源102提 供固定電壓和頻率的AC功率給一變速驅動器（VSD)1〇4，該 VSD 104接著提供可變電壓和頻率的ac功率給一馬達 106。該馬達1〇6可被較佳地用於驅動一冷凍或急冷器系統 的一對應壓縮機（見第3圖一般所示）。該AC電源1〇2提供來 自一 AC電力網格(p0wer grid)或分配系統(被呈現在一站上） 的單相或多相（例如三相）、固定電壓及固定頻率的AC功率 給該VSD 104。該AC電力網格可自一供電事業被直接提 供，或可自該供電事業和該AC電力網格之間的一或多個變 電站（transforming substation)被提供。根據相對應的AC電力 1330927 網格，該AC電源102可較佳地提供一個三相AC電壓或在一 線頻率 50 Hz或60 Hz上的 200 V、230 V' 380 V、460 V或575 V的線電壓給該VSD 1〇4。需要明白的是，根據該AC電力 網格的組配，該AC電源102可提供任何合適的固定線電壓 5或固定線頻率給該VSD 104❶另外，一特定站可具有多個 AC電力網格，可以滿足不同的線電壓和線頻率需求。例 如，一站可具有230 VAC電力網格以處理某些應用以及46〇 VAC電力網格以處理其他應用。 該VSD 104接收來自該AC電源102且具有一特定固定 10 線電壓和固定線頻率的AC功率，且提供在一期望的電壓和 期望的頻率（二者都可被改變以滿足特定需求）上的AC功率 給該馬達106。較佳地，該VSD 104可提供具有比自該AC電 源102接收之固定電壓和固定頻率高或低的電壓和頻率的 AC功率給該馬達106。第2圖示意性說明該VSD UM之一實 15 施例中的一些元件。該VSD 104可具有三級：一整流器/轉 換器級202、一 DC連結級204和一換流器級206。該整流器/ 轉換器202將來自該AC電源102的固定頻率、固定大小的AC 電壓轉換為DC電壓。該0(：連結204濾波來自該轉換器202 的DC功率’且提供能量儲存元件（例如電容器及/或電感 2〇 器）。最後’該換流器206將來自該DC連結204的DC電壓轉 換為用於該馬達106之可變頻率、可變大小的AC電壓。 因為該VSD 104可以提供一可變輸出電壓和可變頻率 給該馬達106，因此該馬達可以在各種不同的情形下被操 作，例如根據該馬達的特定負載在固定流量或固定伏特/赫 13 茲模式下。較佳地，.根據一控制面板接收到的特定感測器 讀數，該控制面板、微處理器或控制器可提供控制信號給 S亥VSD 104以控制該VSD 104和馬達106的操作，用以為該 VSD 104和馬達1〇6提供最佳的操作設定。例如，在第3圖的 冷束系統300中’該控制面板308可調整該VSD 104的輸出電 壓和頻率以對應於該冷凍系統内的變化情形，即，該控制 面板308可根據一壓縮機302上的增加或減少負載情形而增 加或減少該VSD 104的輸出電壓和頻率，以獲得該馬達106 之一期望的操作速度和該壓縮機3〇2之一期望的輸出負載。 在一較佳實施例中，該整流器/轉換器202是一具有絕 緣閘雙極性電晶體(IGBT)的三相脈寬調變的升壓整流器， 用以提供一升壓的DC電壓給該DC連結204以自該VSD 104 獲得大於該VSD 104之輸入電壓的一最大rms輸出電壓。 在一可選擇的實施例中，該轉換器2〇2可以是一二極體或閘 流體整流器，可能耦接到一升壓DC/DC轉換器以提供一升 壓的DC電壓給該DC連結204，以自該VSD 104獲得一大於 該VSD 104之輸入電壓的輸出電壓。在另一實施例中，該整 流器/轉換器202可以是一沒有升壓能力的被動二極體或閘 流體整流器。 在本發明的一較佳實施例中，該VSD 104可提供輪出電 壓和頻率’該等電壓和頻率分別是被提供給該VSD 104之固 定電壓和固定頻率的至少1 〇4倍和3倍。此外，需要明白的 是’只要該VSD 104可以給該馬達1〇6提供適當的輸出電壓 和頻率’該VSD 104可合併與第2圖所示者不同的元件。 1330927 該VSD 104也可包括一預充電系統（圖未示），可控制該 DC連結電壓從〇 v上升至接近該AC線電壓之峰值的一值， 以當該AC電壓首先被施加到該vsd 104時避免該VSD 104 内的大量湧入電流，此湧入電流可能損壞該VSD 1〇4的元 5件。該預充電系統可包括一預充電接觸器，該預充電接觸 器被用於在該輸入AC電源102和該整流器/轉換器202之間 或有時在該整流器/轉換器2〇2之輸出和該DC連結204之間 連接預充電電阻器。這些預充電電阻器限制該湧入電流至 一可管理的位準。在完成預充電之後，藉由斷開該預充電 1〇接觸器，該等預充電電阻器自該電路被排除，且藉由接通 另—接觸器（稱作為供應接觸器），該輸入AC電源102被直接 連接到該轉換器202。在該系統操作期間該供應接觸器保持 接通。另外，藉由使用與適當的預充電控制裝置一起耦接 的適當的功率半導體裝置，預充電裝置可被合併進該整流 15器/轉換器202的設計中。 另外，該VSD 104可提供具有功率的HVAC&R系統， 5亥功率具有約單一(unity)功率因數。最後，該vSd 1〇4調整 該馬達106接收到之電壓和頻率為高於或低於該VSD 1〇4接 收到之固定線電壓和固定線頻率的能力允許該HVAC&R系 20統在各種外國的及本國的電力網格上操作，而不需要對不 同的電源改變該馬達106或該VSD 104。 較佳地’該馬達106是一感應馬達，可以以各種速度被 驅動。該感應馬達可具有任何合適的極排列，包括兩極、 四極或六極。該感應馬達被用於驅動一負載，較佳地是如 15 1330927 第3圖所示之一冷凍系統的一壓縮機。

如第3圖所示，該HVAC、冷凍或液體急冷器系統300 包括-壓縮機302、-冷凝器3〇4、一蒸發器寫以及一控制 面板308。該控制面板3〇8可包括各種不同的元件例如一 類比至數位(A/D)轉換器、一微處理器、一非依電性記憶體 以及—介面板，以控制該冷凍系統3〇〇的操作。該控制面板 3〇8也可被用於控制該VSD 1〇4和該馬達1〇6的操作。習知的 冷凍系統300包括很多第3圖中沒有顯示的其他特徵。這些 特徵已被有目的地省略以簡化圖式說明。 壓縮機302壓縮一冷媒蒸汽且經由一排洩管將該蒸汽 遞送給該冷凝器304。較佳地，該壓縮機3〇2是一離心壓縮 機，也可以是任何合適類型的壓縮機，例如，螺旋壓縮機、 往復式壓縮機等等。由該壓縮機302遞送至該冷凝器304的 冷媒蒸汽與一流體(例如，空氣或水)構成熱交換關係，且作 I5為與該流體熱父換關係的結果，經歷一相改變（phase change)至一冷媒液體。來自冷凝器3〇4之被冷凝的液體冷媒 流經一膨脹裝置（圖未示）到一蒸發器306。 該壓縮機302可包括一負載改變（l〇ad-varying)裝置 303 ’用於改變該壓縮機302的機械負載。在一離心壓縮機 20 中，該負載改變裝置303可以是預旋葉片。在從該蒸發器306 至該壓縮機302的入口或吸入管301處，存在一或多個控制 冷媒至該壓縮機302之流動的預旋葉片或入口引導葉片 303。一致動器被用於打開該等預旋葉片303以增加到該壓 縮機302的冷媒量，從而增加該系統300的冷卻能力。類似 16 地，一致動器被用於關閉該等預旋葉片3 Ο 3以減少到該壓縮 機302的冷媒量，從而降低該系統3〇〇的冷卻能力。在一螺 旋壓縮機中，該負載改變裝置303可以是一滑閥。該壓縮機 的排洩管307可具有一連接到其的止回閥（check valve)305 ’用於防止冷媒逆流，如以下詳細描述的。在一 可選擇的組配中，該止回閥305可以在該吸入管3〇1上被連 接到該壓縮機302。 該蒸發器306可包括一冷卻負載之一供應管和一返回 管的連接。一種第二液體(secondary liquid)(例如水、乙稀、 氯化鈣鹽水或食鹽滷）經由返回管進入該蒸發器3〇6，經由 供應管離開該蒸發器306。該蒸發器306的液體冷媒與該第 二液體構成一熱交換關係’以降低該第二液體的溫度。作 為與该第二液體進行熱交換關係的結果，該蒸發器内的 冷媒液體經歷一相改變至一冷媒蒸汽。該蒸發器3〇6内的蒸 汽冷媒離開該蒸發器306且藉由一吸入管返回該壓縮機go〗 以完成循環。需要明白的是，冷凝器304和蒸發器306之任 何合適的組配可被用於該系統300，假如獲得該冷凝器3〇4 和蒸發器306内之冷媒的適當相改變。 該HVAC、冷冰或液體急冷器系統3〇〇可包括很多第3 圖中沒有顯示的其他特徵。這些特徵已被有目的地省略以 簡化圖式說明。此外’儘管第3圖說明該HVAC、冷凌或液 體急冷器系統300具有連接在一單一冷媒回路中的一壓縮 機，但需要明白的是，該系統300可具有由一個單—VSD供 電的多個壓縮機，被連接入一或多個冷媒回路之每一中。 1330927 該控制面板308合併一壓縮機控制單元4〇6(見第4圖所 示），該壓縮機控制單元406為該壓縮機決定且實現一機械 負栽裝置303(例如，一離心壓縮機的預旋葉片或一螺旋壓 縮機的滑閥）的狀態。根據由該控制面板3〇8對於該急冷器 5系統產生的冷卻需求信號，該控制面板308也控制該壓縮機 302和該馬達1〇6的速度。該控制面板3〇8發送馬達速度命令 給—換流器控制單元404(見第4圖所示），該換流器控制單元 404控制該換流器206以輸出電壓和頻率給該馬達1〇6，以產 生期望的壓縮機速度。較佳地，藉由個別地且獨立地控制 10該馬達電流之流量產生及扭力產生元件，該換流器控制單 元404使用一向量控制演算法以經由直接扭力控制來控制 該馬達106之速度。 在以下的控制描述中，該DC連結電壓vDC、DC連結電 壓第一設定點VSTPT1、DC連結電壓第一臨界值Vth丨、DC連 15結電壓第二設定點Vstpt2以及DC連結電壓切斷(cut〇m)臨界 值VUNDER是數個DC值’其中 VSTPT1>VTH1>VSTPT2>VUNDER且 所感測的輸入AC線電壓V1NAC和輸入ac電壓臨界值γΤΗ in 是RMS值。本發明的較佳方法一般包含一個兩步驟操作模 式，以在該VSD 104之輸入上在電壓驟降期間提供安渡駕 20御。在第一步驟中，當AC線電壓的大小減少時，該整流器 /轉換器202(在此實施例中是一升壓整流器）將該Dc連結電 壓調節至其額定值，好像在正常的滿電壓操作下。藉由增 加該輸入AC電流到該升壓整流器中，該升壓整流器補償該 輸入AC電壓驟降，以保持該DC連結電壓為其設定點 18 1330927 (vSTPT丨）。藉由增加該輸入電流直到其達到一預定的電流限 制，該升壓整流器繼續補償電壓驟降。當該升壓整流器達 到該預定電流限制時，如果該線電壓未被恢復至一可接受 的位準，則该方法的第二步驟開始兩個實質上同時的回 5應，第一回應藉由卸載該壓縮機，而第二回應藉由將來自 該馬達和壓縮機之轉動質量中被儲存的能量之功率供給該 DC連結。 參考第4圖，該壓縮機控制單元4〇6致動該壓縮機3〇2 的機械卸載裝置303，以最小化由來自該DC連結電容器之 10冷凍負載和該馬達轉子及壓縮機之轉動質量的慣量所消耗 的功率。當該機械負載由該壓縮機控制單元4〇6解耦以保存 被儲存在轉動質量中的能量時，該換流器控制單元4 〇 4從馬 達速度控制模式切換至DC連結電壓控制模式，且藉由控制 該馬達速度來控制該DC連結電壓的大小為yum的一位 15準。在電壓料持續期Μ，根據該控制面板遍接收到之特 定感測器讀數，自該控制面板、微處理器或控制器3〇8接收 到用以為該VSD 104及馬達1 〇6提供最佳操作設定的命令被 該VSDHM忽略。這促使該馬達106和壓縮機3〇2作用為一發 電機，使得被儲存在其等慣量中的能量必 該 20等DC連結電容器。該馬達1()6的轉子速度在安渡駕御期間 降低，而該DC連結電廢被保持在VsTm。如果在回復該線 輸入電壓至正常範圍之前，被儲存在該轉動質量中的能量 繼續耗盡，則該DC連結電壓將下降至—預定的臨界值(表示 為VUNDER)之下，且該系統將關閉。 19 在一系統中，其中多個換流器和壓縮機馬達被連接到 相同的DC連結，該（等）換流器控制單元以與上述單一換流 器情形類似的方式進行操作。主要的差異是實際上每一換 流器可能具有其特有的臨界值VTH1(例如，vTHia、vTHib、 Vthic，其中a、b、c代表不同的換流器）和其特有的設定點 VsTPT2(例如，VSTPT2a、VSTPT2b、VSTPT2c)。在不同換流器和 壓縮機馬達之間的臨界值和設定點值的分離是必要的，以 防止當多個換流器嘗試在相同的時間控制該〇(：連結電壓 時可能的不穩定性。 該VSD包括一主動整流器202’其可以是一脈寬調變升 壓整流器或其他升壓整流器類型。該Dc連結級2〇4在一節 點400上提供一控制信號Vdc，該控制信號Vdc被傳送至該整 流器控制單元402和該換流器控制單元404。該等控制單元 402和404也接收除了該DC連結電壓之外的其他控制信 號，出於方便說明的目的，這些控制信號在此圖式中被省 略。該等控制單元402和404典型地位於該VSD櫃内部，除 此之外可位於該控制面板3〇8内，或可被個別地設置在各自 設備上。 本發明之安渡駕御方法的一實施例在第5 A圖中被顯 不。一般說明本發明之方法的一層面的一流程圖5〇〇在代表 系統初始化的步驟502開始。在該系統被初始化之後，其在 步驟504所示的正常操作中執行，假如來自該AC電源的線 電壓接近標稱線電壓-即，沒有電壓驟降_或該線電壓開始驟 降至低於該標稱線電壓，但進入該升壓整流器的輸入電流 1330927 低於電流限制值且該DC連結電壓被保持在設定點VsTPT1。 在步驟504a中，該升壓整流器調節該Dc連結電壓；在步驟 504b中，該換流器如常繼續以調節該壓縮機的速度；且在 步驟504c中，監控該DC連結電壓由控制硬體和軟體執行（見 5第6圖所示）。步驟504a至504c可被同時執行或如步驟5〇4所 示的順序執行。第6圖中顯示的順序僅出於說明的目的。在 步驟504中，該升壓整流器的輸入電流等於或小於該升壓整 流器的RMS電流限制值。 在步驟506中，VDC與一預定的臨界值Vthi相比較。vTHl 10的大小小於該DC連結電壓的標稱設定點VsTFn。如一範例 所示，如果該標稱DC連結電壓VsTm=95〇 v ,則Vthi可被 選擇為900 V。如果Vdc小於Vthi，則此表示升壓整流器已 達到其電流限制且無法再調節該DC連結電壓至其設定點 值，且因此該系統進行步驟5〇8(見第7圖&第8圖所示），以 15卸載該壓縮機302、去能該升壓整流器202和預充電裝置且 轉換該換流器206以控制該DC連結電壓。否則，該系統返 回步驟504。監控該DC連結電壓Vdc可被連續地或順序地執 行，且在此被彳S示為一離散步驟，如果該值的變化觸發 了系統中的一回應。 20 步驟508&至508(：在第7圖所示的步驟508内被執行。在 步驟508a内，藉由致動一離心壓縮機中的葉片、藉由致動 一螺旋壓縮機中的滑閥或藉由在一離心壓縮機或一螺旋壓 縮機之排洩管中插入一止回閥，該壓縮機控制單元4〇6機械 地卸載該壓縮機。藉由卸載該壓縮機，在該馬達内被儲存 21 1330927

的轉動能量被保存用，於安渡駕御操作，如下所描述的，且 最小的轉動能量被消耗在該急冷器系統3〇〇的冷媒負載 上。在短暫的安渡駕御期間，被儲存在冷媒回路和第二蒸 . 發冷卻回路中的熱能被用於提供必要的冷卻給該HVAC&R 5系統負載。在大約相同的時間時，在步驟5081)中，該升壓 整流器的IGBT被去能，且在步驟5〇8c中，與該升壓整流器 相關的預充電裝置被去能。該系統現在在階段2之安渡駕禦 操作的第二級中’在步驟510a至510c中被描述。步驟5〇8a Φ 至508c可以被同時或順序地執行。 10 步驟51〇a至510c也在步驟508中被執行。參考第8圖， 在步驟510a中，該換流器努力調節該Dc連結電壓至一標稱 值VSTPT2。選擇用於VSTPT2的值低於選擇用於νΤΗι的值。如 一範例所示，如果VTH1是900 V，則VSTPT2可以是85〇ν。該 換流器被該換流器控制單元404操作為一整流器。儲存在該 . 15馬達1〇6和壓細機302之轉動質量中的能量以與正常的馬達 - 操作相反的方向流經該換流器206至該D C連結204。該馬達 ® 106和壓縮機302有效率地變成一供電給該Dc連結的發電 機。以此方式，該DC連結電壓由儲存在電_機械負載（包含 該馬達106和壓縮機302)中的能量支持。藉由使能量從該馬 20 達1〇6流經該換流器206 ’連接到該DC連結用於儲存電量的 電容器（圖未示)被保持在一充電狀態。在本發明的此實施例 中，在步驟508b中’該升壓整流器被去能，從而來自該馬 達106和壓縮機302中被儲存的能量且被提供給該dc連結 的所有能量被提供經過該換流器。因此該DC連結204自該 22 1330927 輸入電源被隔離，且控制硬體和軟體在步驟510b中監控Dc 連結電壓VDC以及在步驟510c中監控輸入線電壓％nac。在 步驟508中，步驟510a至510c可被同時或順序地執行，且第 8圖中顯示的順序僅出於說明的目的。步驟5〇8繼續，直到 5 以下之一在第5A圖所示的步驟512或516中發生。 在步驟512中，該DC連結電壓VDC被持續監控，且如果 vDC降低至低於一預定的故障臨界電壓Vunder(其低於 Vstpt2)，則指示一系統故障。在步驟514中該VSD立刻被關 閉否則，5亥系統進行步驟516，其中該輸入線電壓vinac 1〇在該輸入電源處被監控。如果Vinac大於該預定的輸入線臨 界電壓VTHJN，則此指示出電壓驟降情形不再存在，且該系 統進行步驟518，以重置該系統進行正常操作。如第9圖所 示，步驟518a至518e在步驟518中被執行。在步驟518a中， 在該VSD前端處的預充電裝置被致能以控制該Dc連結電 15壓的增加。在步驟5181)和51&中，該等升壓整流器開關被 致能以進一步增加該DC連結電壓至一預定值VsTpT^在步 驟518d中，根據自該控制面板、微處理器或控制器接收的 命令’換流器控制模式被轉移回控制該馬達之速度，以根 據該控制面板接收到之特定感測器讀數為該VSD 104和馬 2〇達106提供最佳的操作設定，且該DC連結再次被該整流器 控制單元402控制。最後，在步驟518e中，該壓縮機被機械 地載入。接著在步驟504中，該系統回復規則的操作。 參考第5B圖，安渡駕御順序的較佳實施例現在被描 述。在本發明的此層面中，該升壓整流器在整個安渡駕御 23 1330927 期間保持被致能，與來自該馬達l〇6之能量的再生同時，提 供電流給該DC連結204的電容器。以上討論的此可選擇之 方法的初始步驟502至506與第5A圖和第6圖中所說明者相 同。在本發明的可選擇之方法中，在步驟506中，如果vdc 5小於Vthi，則該系統進行步驟608 ;否則該系統返回步驟 504。如一範例所示’如果該標稱dc連結電壓是vSTPT丨=950 V ’則VTH丨可以被選擇為9〇〇 v。步驟508、516和518被步驟 608、616和618所替代，如下所述。 步驟508a、510a、608a和510c在第1〇圖所示的步驟608 10中被執行。在步驟5〇8a中，該壓縮機控制單元406以與上述 相同的方式機械地卸載該壓縮機。在步驟51〇&中，該換流 器控制單元404開始調節該DC連結電壓VDC至值VSTPT2，且 藉由忽視自該控制面板、微處理器或控制器接收到的命 令，停止調節該壓縮機馬達106的速度，該命令根據該控制 15面板接收到之特定感測器讀數，為該VSD 104和馬達106提 供最佳的操作設定。選擇用於VsTpT2的值低於選擇用於Vthi 的值。如一範例所示’如果％⑴是9〇〇 V，則VsTpT2可以是 850 V。與第7圖中闡述的方法形成對比，在步驟6〇8a中， 該升壓整流器繼續努力調節該0(：連結至在電流限制時操 20作的值Vstpti。步驟508a、510a和510c可以在步驟608中同 時或順序地被執行，且在第10圖中指示的順序僅出於說明 目的。 在步驟51〇a中，該換流器操作為一整流器以調節該DC 連結電壓至一預定值vstpt2。該DC連結電壓由以下二者所 24 1330927 支援·傳導經過该整流器/轉換器的能量，以及被儲存在包 含該馬達106和壓縮機302之電-機械負載中的能量。在此較 佳實施例中，在步驟608a中，該升壓整流器在其電流限制 時保持主動，且也努力調節該DC連結電壓，但將其調節至 5較高的設定點值Vs T p τ1。電流限制時的操作防止該升壓整流 器在其輸出處實際上可以達到VSTPT1。當該輸入AC電壓上 升至一足夠大小時，該主動整流器可提供足夠的能量以允 許達到VSTPTI。換句話說，當在電流限制操作時該升壓整 流器的電壓控制回路是飽和的（當該升壓整流器和該換= 1〇器在閉回路中操作以嘗試控制D C連結電壓時防止系統不 穩定），但功率持續從該輸入AC線流入該〇(：連結。因此， 功率從輸入電虔源經過該轉換器以及從該負載經過該換流 器被提供給該DC連結級，允許在電壓驟降期間保持最大能 置，且因此最大化該系統的安渡駕御能力。如上文第5八圖 Μ中所描述的且也在第5B圖中顯示，可選擇的方法進行到步 驟512，直到到達步驟616。在步驟616中，該1^：連結電壓 VDC與該vTm限制值相比較，且做出一決定關於是否繼續 返回階段2操作或在步驟618處停止安渡駕御操作。如果4 大於VTH1 ’則該主動整流器不再以電流限制操作，指示該 20輪入線電壓已恢復至一額定線電壓的預定百分比内且該 換流器控制單元已回復至依據自該控制面板、微處理器或 控制器接收到的命令來控制該馬達1〇6之速度，根據該控制 面板接收到的特定感測器讀數，為該VSD 1〇4和馬達ι〇6提 供最佳的操作設定。在步驟618中，該壓縮機3〇2被機械地 25 1330927 載入。接著在步驟504中該系統回復規則的操作。 儘管較佳的是控制演算法被包含在一或多個電腦程式 中且由一位於該VSD 1〇4内的微處理器所執行，但需要明白 的是，該控制演算法可以由本領域那些具有通常知識者利 5用數位及/或類比硬體所實現及執行。如果硬體被用於執行 該控制演算法，則該VSD 104的對應組配可被改變，以合併 必要的元件且移除不再需要的任何元件。 在依據本發明的又一方法中，該VSD 104的轉換器202 可以是一被動整流器-即，一用於為該DC連結級將該AC輸 10入功率轉換為DC功率的二極體或閘流體整流器。儘管使用 一被動整流器/轉換器202的方法提供的安渡駕御能力小於 主動整流器/轉換器方法，但由於卸載該冷媒負載且將來自 該馬達/壓縮機負載的能量再生至該DC連結204，一改良的 安渡駕御能力仍可實現。當使用一被動整流器時，第5圖中 15描述的方法被實現，安渡駕御在步驟508中有效率的開始， 其中該DC連結電壓已衰退至低於該臨界電壓Vthi。在第7 圖的步驟508b中，以及在第9圖的步驟518b中，對於被動整 流器做出行動而不是對一主動整流器。在此情形下，該DC 連結電壓無法藉由輸入轉換器被控制至—特定設定點例如 20 VSTPT1，但該DC連結電壓大小是該輸入AC線電壓之被動整 流的一函數。在此情形下，VTH1的大小在該系統的操作輸 入電壓範圍之上被選擇為低於由該輸入線電壓之整流產生 的最小期望DC電壓的一位準。VsTpT2被選擇為小於Vthi且 該換流器控制單元404在電壓驟降期間調節該D C連結電壓 26 1330927

Vdc至值VsTPT2。 再次參考第3圖，存在各種可被用於實現該壓縮機3〇2 之機械卸載的裝置。預旋葉片3〇3由一虛線指示以指示僅應 用於離心壓縮機。預旋葉片303被減到一離心壓縮機3〇2 5的壓縮機入口處。該等預旋葉片3Q3被操作來改變該壓縮機 3〇2的負載。較佳地，-高速致動器（圖未示）可被用於根據 -功率驟降快速關_等職⑼迎。類似地，在該壓縮 機是-螺旋㈣機的情形下，—滑_3可制於改變負 載’如該預旋葉片303在離心壓縮機配置中所施行的。該滑 1〇閥303由-虛線指示，以指示僅應用於螺旋壓縮機。該滑閥 3〇3的-高速致動器也是較佳的，允許系統快速回應一電壓 驟降。當一電壓驟降發生時，藉由關閉該等預旋葉片303, 壓縮機的機械卸載被實現。 第3圖也忒明了插入該壓縮機之排洩管3〇7的一止回閥 15 305。可選擇地’止回_5可被插人該壓縮機3Q2的吸入管 3〇1中。該止回閥305的操作除去對急冷器控制系統之動作 的任何需要，以使得該壓縮機機械地除去負載，即該止回 閥305除去-兩速致動裝置的需要，例如一螺旋壓縮機中的 一滑閥303或-離心壓縮機中的預旋葉片3〇3。該止回間3〇5 2〇也最小化該壓縮機302的機械卸載時間。在一可選擇的實施 例中該止回閥3〇5可被省略，且該等預旋葉片或滑間如 之被用於機械卸載該壓縮機3〇2。該止回闕⑽可被單獨 使用或與其他類型的機械卸載裝置之-組合使用。 s至缩機的快速機械卸載在—離心、壓縮機應用中特別 27 1330927 有利，因為該系統通常在壓縮機波動（surge)的邊緣操作。 當急冷器系統中的冷媒流動反轉方向逆著離心葉輪時發生 壓縮機波動。如果該壓縮機302在該波動點上或接近波動點 操作時，壓縮機操作速度的降低將使得該壓縮機3〇2進入波 5動區域。操作速度的降低依據安渡駕御演算法被實現，如 上相對於第5至10圖所描述的。插入該壓縮機302之排洩管 的一止回闊305防止冷媒氣體逆流，且因而防止該壓縮機 3〇2的波動情形。當該葉輪的旋轉速度減少時，該止回閥3〇5 關閉，因為該排洩管内的受壓冷媒氣體藉由逆流立即開始 10均衡壓力。同時，關閉該閥使得卸載該壓縮機系統，從而 最大化該轉動系統中的儲存能量且擴充該系統的安渡駕御 能力。 當該輸入AC電源1〇2被恢復至標稱電壓時，該壓縮機 葉輪的RPM被恢復至額定的操作RPM。接著在該壓縮機排 15洩管307中的壓力被控制且被返回額定位準，迫使該止回閥 305打開’且該系統的機械負載被恢復至在電壓驟降之前的 該值。 本發明的系統和方法不需要感測馬達速度以監測及回 應電壓驟降情形’這降低了成本且增加了系統可靠性。藉 20由感測該DC連結電壓、輸入AC線電壓、輸入電流和馬達電 流’該控制被實現。 儘管藉由參考一較佳實施例，本發明已被描述，但本 領域那些具有通常知識者需要明白的是，可以做出各種改 變且等效元件可替換其中的元件，而沒有脫離本發明的範 28 圍另外’可以做出很多修改以適應本發明之教示的一特 疋情形或材料，而沒有脫離其本質的範圍。因此，想要的 疋，本發明並不被限制為揭露為預期用於執行本發明之最 佳模式的特定實施例，而是本發明包括屬於附加申請專利 5範圍的所有實施例。 【明武簡單說明】 第1圖示意性說明本發明的一般系統組配。 第2圖示思性說明用於本發明之一變速驅動器的一實 施例。 第3圖示意性說明可被用於本發明的一冷凍系統。 第4圖說明本發明的一簡化方塊圖。 第5A圖說明本發明之一實施例的流程圖。 第5 B圖說明本發明之一較佳實施例的流程圖。 第6圖至第9圖說明第5八圖所示之流程圖的部分。 第10圖說明第5B圖之流程圖的部分。 【主要元件符號說明】 102...AC電源 301…吸入管 104…變速驅動H 302...壓縮機 106.. .馬達 202…整流器/轉換器級 204.. . DC連結級 303…負載改變裝置(預旋葉片或 滑閥） 304…冷凝器 305...止回閥 206...換流器級 300".HVAC、冷凉或夜體急冷器系統306·.·蒸發器 29 1330927 307.. .排洩管 308.. .控制面板 400.. .節點 402…整流器控制單元 404.. .換流器控制單元 406.. .壓縮機控制單元 5⑻…流程圖 502-618...步驟

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Claims (1)

1330927 十、申請專利範圍： 1. 一種用於控制一變速驅動器以安渡駕御一電壓驟降的 方法，包含以下步驟： 提供耦接到一機械負載的一馬達及一壓縮機； 5 提供一供電給該馬達的變速驅動器，該變速驅動器 包括由一直流(DC)連結級電耦接的一主動轉換器級和 一換流器級； 監控該DC連結級的一DC電壓； 監控該主動轉換器級的一輸入參數； 10 根據該所監控之DC連結電壓的一變化，藉由該主 動轉換器調節該DC連結級的該DC電壓； 根據該DC電壓小於一預定的第一臨界電壓，執行 以下步驟： 將該D C連結級之該D C電壓的該調節轉移至該換流 15 器級； 自該壓縮機移除該機械負載；以及 藉由反轉功率流使從該馬達至該DC連結級，藉由 該換流益級控制該DC連結級的該DC電壓。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中根據該壓縮機 20 之一操作速度的一減少，自該壓縮機移除該機械負載的 該步驟藉由插入該壓縮機的一冷媒管以防止冷媒逆流 之一止回閥被自動實現。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該冷媒管是該 壓縮機的一排洩管。 31 1330927 4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該冷媒管是該 壓縮機的一吸入管。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該壓縮機是一 離心壓縮機，且自該壓縮機移除該機械負載的該步驟包 5 含操作複數個預旋葉片以實質上除去該壓縮機的該機 械負載。 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該壓縮機是一 螺旋壓縮機，且自該壓縮機移除該機械負載的該步驟包 含操作一滑閥以實質上除去該壓縮機的該機械負載。 10 7.如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含以下步驟： 監控一交流(AC)輸入電源的一AC輸入電壓；以及 根據該所監控之AC電壓等於或大於一預定的臨界 電壓值，藉由該主動轉換器級控制該DC連結級的該DC 電壓。 15 8. —種用於提高一急冷器系統中的電壓驟降安渡駕御能 力的方法，包含以下步驟： 提供一起機械耦接的一馬達和一壓縮機； 提供一供電給該馬達的變速驅動器，該變速驅動器 包括由一 DC連結級電耦接的一主動轉換器級和一換流 20 器級； 監控該DC連結級的一 DC電壓； 監控該主動轉換器級的一輸入參數； 藉由該主動轉換器級調節該DC連結級的該DC電 壓； 32 1330927 藉由該換流器級調節一馬達速度；以及 根據該DC電壓小於一預定的第一臨界電壓，執行 以下步驟： 將該D C連結級之該D C電壓的該調節轉移至該換流 5 器級； 卸載該壓縮機； 將該主動轉換器級去能；以及 藉由反轉功率流使從該馬達至該DC連結，藉由該 換流器級控制該DC連結級的該DC電壓。 10 9.如申請專利範圍第8項所述之方法，其中根據該壓縮機 之一操作速度的一減少，卸載該壓縮機的該步驟藉由插 入該壓縮機的一冷媒管以防止冷媒逆流之一止回閥被 實現。 10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該冷媒管是該 15 壓縮機的一排洩管。 11. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該冷媒管是該 壓縮機的一吸入管。 12. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該壓縮機是一 離心壓縮機，且卸載該壓縮機的該步驟包含藉由操作複 20 數個預旋葉片，根據該DC連結電壓的一減少，改變該 壓縮機的該機械負載。 13. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該壓縮機是一 螺旋壓縮機，且卸載該壓縮機的該步驟包含藉由操作一 滑閥，根據該DC連結電壓的一減少，改變該壓縮機的 33 1330927 該機械負載。 14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，進一步包含以下步 驟： 監控一AC輸入電源的一AC輸入電壓；以及 5 根據該所監控之AC電壓等於或大於一預定的臨界 電壓值，藉由該主動轉換器級控制該DC連結級的該DC 電壓。 15. —種急冷器系統，包含： 連接在一冷媒閉回路中的一壓縮機、一冷凝器以及 10 一蒸發器； 一卸載裝置，用於根據該壓縮機之該操作速度的一 減少，卸載該壓縮機； 一馬達，連接到該壓縮機以供電給該壓縮機；以及 一變速驅動器，連接到該馬達，該變速驅動器被組 15 配成接收一固定輸入AC電壓和一固定輸入頻率的一輸 入AC功率，且提供一可變電壓和可變頻率的一輸出功 率給該馬達，該可變電壓具有大小大於該固定輸入AC 電壓的一最大電壓，且該可變頻率具有大於該固定輸入 頻率的一最大頻率，該變速驅動器包括： 20 一轉換器級，連接到一提供該輸入AC功率的AC電 源，該轉換器級被組配成將該輸入AC電壓轉換成一DC 電壓； 一DC連結級，連接到該轉換器級，該DC連結級被 組配成濾波該DC電壓且儲存來自該轉換器級的能量； 34 1330927 一換流器級，連接到該DC連結級，該換流器級被 組配成將來自該DC連結級的該DC電壓轉換為具有該可 變電壓和該可變頻率的用於該馬達之該輸出功率；以及 一控制面板，用以控制該變速驅動器的操作，該控 制面板被組配成根據該DC電壓小於一預定的第—臨界 電壓，藉由該換流器級調節該DC連結級的該dc電壓： 其中藉由提供控制信號以機械地卸載該壓縮機，該 控制面板藉由該換流器級調節該DC連結級的該0(：電 壓，且反轉功率流使從該馬達至該DC連結級以控制該 DC連結級的該DC電壓。 16. 如申請專利範圍第丨5項所述之系統，其中該卸載裝置是 一止回閥，根據該壓縮機之該操作速度的一減少，該止 回閥插入該壓縮機的一冷媒管以防止冷媒逆流。 17. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中該冷媒管是該 壓縮機的一排茂管。 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中該冷媒管是該 壓縮機的一吸入管。 B·如申請專利範圍第15項所述之系統，其中該壓縮機是〜 離心壓縮機，且該卸載裝寰是複數預旋葉片，該等預旋 葉片具有一可操作來實質上除去該壓縮機之該機械負 载的致動器。 2〇.如申請專利範圍第15項所述之系統，其中該壓縮機是一 螺旋壓縮機，且該卸載裝f是一滑閥，該滑閥可操作來 實質上除去該壓縮機的該機械負載。 35