TWI557384B - 控制系統 - Google Patents

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TWI557384B
TWI557384B TW102115280A TW102115280A TWI557384B TW I557384 B TWI557384 B TW I557384B TW 102115280 A TW102115280 A TW 102115280A TW 102115280 A TW102115280 A TW 102115280A TW I557384 B TWI557384 B TW I557384B
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庫提斯Ｃ 克雷恩
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強生控制科技公司
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Description

控制系統 相關申請案之交叉引用
本申請案主張2012年四月30日所提交標題為"控制系統"之美國第61/640,308號的權益，該申請案係藉由參照使全文合併進本說明書內。
發明領域
本發明係有關於一種控制系統。
發明背景
本申請案一般係論及一個壓縮機有關之控制系統。本申請案更明確論及一個離心式壓縮機有關之容量控制系統。
一種用以控制離心式壓縮機之容量的方法，係藉由調整一些位於該離心式壓縮機之進口處的導流葉片(PRV)或進口導葉之位置，來控制流進該壓縮機內之冷媒或其他液體。有一個致動器可被用來打開該等PRV，以增加流至該壓縮機之冷媒或液體的量，以及藉此增加該系統之容量。同理，該致動器可被用來關閉該等PRV，以降低至該壓縮機之冷媒或液體的量，以及藉此降低該系統之容量。 其他可被用來控制一個離心式壓縮機中之容量的方法，包括用一個可變速率驅動器來調整該壓縮機之速率，或者打開一個熱氣體旁通閥，而引導部份經壓縮之冷媒或流體，使返回該壓縮機之吸入口。每個此等容量控制方法提供了一些優勢和限制。
一個離心式壓縮機可能會蒙受一些類似運作期間之湧流或停頓等不穩定性。湧流或浪湧為一種會在壓力和流量中產生振盪之暫態現象，以及會造成經過該壓縮機之完全逆流。浪湧若不加控制會在該壓縮機之迴轉和靜止兩者部分中造成過度之震動，以及可能會造成該壓縮機之永久性損害。一種用以校正一個湧流情況之技術會涉及打開一個熱氣體旁通閥，使該壓縮機之某些釋放氣體返回至該壓縮機入口，以增加該壓縮機入口處之流量。相形之下，停頓或迴轉停頓為一個壓縮機的一或多個部分中之局部氣流分離，以及可具有一些低於該壓縮機之葉輪的迴轉頻率之基本頻率下的釋放壓力擾動。一個固定速率離心式壓縮機中之迴轉停頓，絕大多數係位於該壓縮機之擴散器內，以及可使用一個可變擴散器(VGD)來加以矯正。該壓縮機中之迴轉停頓可能為一個將臨之振盪情況的先兆。
一種用以偵測及控制一個離心式壓縮機之擴散器區域中的迴轉停頓之方法，包括使用一個被置於該壓縮機釋放通路或該擴散器內之壓力換能器來測量該盛行之聲音壓或聲壓。上述來自該壓力換能器之信號係經由一些類比或數位技術來加以濾波及處理，以決定迴轉停頓之出現 或可能性。迴轉停頓係藉由比較來自測得之釋放壓力脈衝或震動的計得之能量與一個對應於迴轉停頓之出現的預定之臨界量來加以偵測。
然而，就一個離心式壓縮機之部份運作範圍而言，該壓縮機會振盪而不會發生先行之停頓情況，特別是當該壓縮機正在低速下運作時。當該壓縮機直接進入一個振盪情況時，該壓縮機有關之控制系統並沒有機會感測該先行停頓情況。結果，該壓縮機之控制系統係無法就該停頓情況起始一個校正性動作，以可能地避免該振盪情況之開始。該控制系統用以處理該壓縮機中之振盪情況的其他屬性，需要該控制系統識別一個(些)振盪情況，以及會在某一預定之順序中反應。就該控制系統要識別一個振盪情況而言，在該控制系統可採取校正性行動前的一段預定之時間長度期間，勢必會發生一或多個振盪週期。
在許多控制系統中，該容量控制功能和該振盪/停頓控制功能或其他控制功能彼此可能會有衝突。舉例而言，該容量控制功能可能規定一些會導致一個振盪或停頓情況發生之壓縮機運作條件。同理，該振盪/停頓控制功能可能無法提供該容量控制功能是所希望之輸出容量。此外，其他之安全性或運作性參數會進一步與該容量控制功能相衝突。
因此，所需要的係一種用以控制一個離心式壓縮機之容量同時維持該壓縮機有關之穩定運作條件的系統和方法。
發明概要
本發明係指向一種用以控制一個壓縮機之容量的方法。該方法包括：以一個控制程式來計算一個輸出容量參數；測量至少一個系統運作參數；以及比較該等至少一個測得之系統運作參數與該系統運作參數有關之對應預定的臨界值，以決定該等至少一個測得之系統運作參數是否在一個對應於該等至少一個測得之系統運作參數的限制區域或超馳區域範圍內。該方法亦包括：響應該等至少一個測得之系統運作參數為在該限制區域或該超馳區域範圍內的決定來調節該輸出容量參數；計算該壓縮機為避免振盪情況有關之極小可變速率驅動頻率；以及基於該輸出容量參數來比較該計得之極小可變速率驅動頻率與一個可變速率驅動頻率。該方法進一步包括：基於該輸出容量參數而響應該極小可變速率驅動頻率的大於該可變速率驅動頻率來修改該輸出容量參數；以及將該輸出容量參數應用至該壓縮機以調節該壓縮機之輸出容量。
本發明係進一步指向一個具有被連接成一個閉冷凍迴路的一個壓縮機、一個冷凝器、一個膨脹裝置、和一個蒸發器之系統。該系統亦具有一個連接至該壓縮機以驅動該壓縮機之馬達，和一個連接至該馬達以驅動該馬達之可變速率驅動器。該可變速率驅動器在運作上可提供一個可變電壓給該馬達，以及可提供一個可變頻率給該馬達。該系統具有一個用以控制該可變速率驅動器和該系統 的一或多個組件之運作的控制面板。該控制面板包括一個微處理器和一個記憶體裝置。該系統具有一個用以測量該系統的一個運作參數之感應器。該感應器係與該控制面板相通訊藉以提供該測得之運作參數。該控制面板在運作上可執行一個用以決定及施加給該壓縮機的一個輸出容量調節之控制演算法。該輸出容量調節為來自一個容量控制程式之輸出容量參數，其係由該系統之測得的運作參數所決定之輸出限制器或超馳來加以修改，以及用以維持一個極小可變速率驅動頻率以避免一些振盪情況。
在本申請案的一個範例性實施例中，一個離心式壓縮機包括一個葉輪、一個與該葉輪之輸出端形成流體連通的一個可變擴散器、和一個以一個軸桿連接至該葉輪之馬達。該離心式壓縮機亦包括一個感應器和一個用以控制該馬達和該可變擴散器之運作的控制面板。該控制面板經配置可接收來自對應於該測得之運作參數的感應器之信號，以及經配置可計算該壓縮機所需要之輸出容量。
本申請案之其他特徵和優點，將會由該等較佳實施例在下文配合所附諸圖的更詳細之說明而臻明確，彼等係藉由範例來例示本發明之原理。
10‧‧‧空調(HVAC)系統
12‧‧‧建築物
14‧‧‧蒸汽壓縮系統
16‧‧‧鍋爐
18‧‧‧空氣回流管
20‧‧‧空氣供應管
22‧‧‧空氣調整器
24‧‧‧導管
32‧‧‧壓縮機
33‧‧‧釋放通路
34‧‧‧冷凝器
36‧‧‧膨脹閥或裝置
37‧‧‧吸入管路
38‧‧‧蒸發器
39‧‧‧導流葉片
40‧‧‧控制面板
42‧‧‧類比數位(A/D)轉換器
44‧‧‧微處理器
46‧‧‧非揮發性記憶體
48‧‧‧介面板
50‧‧‧馬達
52‧‧‧可變速率驅動器(VSD)
54‧‧‧管束
56‧‧‧冷卻塔
60‧‧‧管束
60R‧‧‧回流管路
60S‧‧‧供應管路
62‧‧‧冷卻負荷
119‧‧‧可變擴散器(VGD)
134‧‧‧熱氣體旁通閥(HGBV)
194‧‧‧使用者介面
201‧‧‧葉輪
202‧‧‧擴散窒或間隙
206‧‧‧擴散板
208‧‧‧噴嘴基板
210‧‧‧擴散器環
212‧‧‧調節機構
222‧‧‧整流器/轉換器
224‧‧‧直流鏈路
226‧‧‧反用換流器
302-316‧‧‧步驟
圖1顯示一個加熱、通風、和空調系統有關之範例性實施例；圖2顯示一個範例性蒸汽壓縮系統之等角視圖；圖3示意顯示一個加熱、通風、和空調系統有關 之範例性實施例；圖4顯示一個蒸汽壓縮系統之範例性實施例；圖5示意顯示一個可變速率驅動器之範例性實施例；圖6顯示一個壓縮機中之可變擴散器的範例性實施例之部份橫截面圖；圖7顯示一個容量控制程序之範例性實施例；而圖8-10則顯示一個負荷限制和負荷降低有關之圖形識別區域的範例性實施例。
只要有可能，相同之參考數字遍及諸圖將被用來指稱相同或相似之部件。
較佳實施例之詳細說明
圖1顯示一個典型之商業背景的建築物12中之加熱、通風、和空調(HVAC)系統10有關的範例性環境。該系統10可包括一個可供應一個可能被用來冷卻建築物12之冷凍液體的蒸汽壓縮系統14。該系統10可包括一個用以供應一個可能被用來加熱該建築物12之加熱流體之鍋爐16，和一個可使空氣循環經過該建築物12之空氣分配系統。該空氣分配系統可包括一個空氣回流管18、一個空氣供應管20、和一個空氣調整器22。該空氣調整器22可包括一個熱交換器，其係藉由一些導管24連接至該等鍋爐16和蒸汽壓縮系統14。該空氣調整器22中之熱交換器所取決的系統10之運作模態，可能或會接收來自該鍋爐16之加熱流體或會 接收來自該蒸汽壓縮系統14之冷凍流體。該系統10係顯示在該建築物12的每層地板上面具有一個分開之空氣調整器，但理應察覺到的是，該等組件可能會共同被使用於眾地板之間或之中。
圖2-4顯示一個可被使用在該HVAC系統10中之範例性蒸汽壓縮系統14。該蒸汽壓縮系統14可使冷媒循環經過一個管路，其係以該壓縮機32開始，以及包括一個冷凝器34、一個(些)膨脹閥或裝置36、和一個蒸發器或液體冷卻器38。該蒸汽壓縮系統14亦可包括一個控制面板40，其可包括一個類比數位(A/D)轉換器42、一個微處理器44、一個非揮發性記憶體46、和一個介面板48。某些可能被使用在該蒸汽壓縮系統14中之冷媒的流體範例為一些氫氟碳化物(HFC)式冷媒，舉例而言，R-410A、R-407、R-134A、氫氟烴(HFO)、"天然"冷媒式氨(NH3)、R-717、二氧化碳(CO2)、R-744、或烴式冷媒、水蒸氣、或任何其他適當類型之冷媒。
該壓縮機32所使用之馬達50，可由一個可變速率驅動器(VSD)52來驅動，或者可直接由一個交流電(AC)或直流(DC)電源來驅動。該馬達50可包括任何類型之電動馬達，其可由一個VSD或直接由一個AC或DC電源來驅動。該馬達50可能為任何適當之馬達類型，舉例而言，一個交換式磁阻馬達、一個感應馬達、或一個電子換向式永磁磁鐵馬達。
圖5顯示一個VSD之範例性實施例。該VSD 52會 接收一個具有來自一個AC電源之特定的固定線電壓和固定線頻率的AC電力，以及會提供一個AC電力給該馬達50，該AC電力係處於某一希望之電壓和希望之頻率下，彼等兩者可被改變以滿足特定之需求。該VSD 52可具有三個組件：一個整流器/轉換器222、一個直流鏈路224、和一個反用換流器226。該整流器/換能器222會將來自該AC電源之固定頻率、固定波幅的AC電壓轉換成一個直流電壓。該直流鏈路224會濾波來自該轉換器222之直流電力，以及會提供一些能量儲存組件，諸如電容器和/或電感器。最後，該反用換流器226會將來自該直流鏈路224之直流電壓轉換成該馬達50所需之可變頻率、可變波幅的AC電壓。
在一個範例性實施例中，該整流器/轉換器222，可能為一個具有絕緣閘雙極電晶體之三相脈波寬度調變昇壓整流器，藉以提供一個昇壓之直流電壓給該直流鏈路224，而自該VSD 52得到一個大於至該VSD 52之輸入電壓的最大RMS輸出電壓。或者，該轉換器222可能為一個無昇壓能力之被動式二極體或閘流體整流器。
該VSD 52可提供一個可變波幅輸出電壓和可變頻率給該馬達50藉以響應一個特定之負荷情況，而容許該馬達50之有效運作。該控制面板40可提供一些控制信號給該VSD 52，藉以就該控制面板40所接收之特定感應器讀值而在適當之運作設置下運作該等VSD 52和馬達50。舉例而言，該控制面板40可提供一些控制信號給該VSD 52，藉以響應該蒸汽壓縮系統14中之改變情況來調節該VSD 52所提 供之輸出電壓和輸出頻率，亦即，該控制面板40可響應該壓縮機32上面之增加或降低的負荷情況而提供一些指令來增加或降低該VSD 52所提供之輸出電壓和輸出頻率。
回頭參照圖2-4，該壓縮機32會壓縮一個冷媒蒸汽，以及會透過一個釋放通路33將蒸汽輸送給該冷凝器34。在一個範例性實施例中，該壓縮機32可為一個具有一或多個壓縮級段之離心式壓縮機。該壓縮機32輸送給該冷凝器34之冷媒蒸汽會轉移熱量給一個流體，舉例而言，水或空氣。該冷媒蒸汽由於以該流體之熱轉移所致會在該冷凝器34中凝結成一個冷媒液體。該冷凝器34所出之液體冷媒會流經該膨脹裝置36而至該蒸發器38。有一個熱氣體旁通閥(HGBV)134，可能使連接在一個自該壓縮機釋放口延伸至該壓縮機吸入口之分開管路中。在圖3中所顯示之範例性實施例中，該冷凝器34係屬水冷式，以及包括一個被連接至一個冷卻塔56之管束54。
上述遞送給該蒸發器38之液體冷媒，會吸收來自另一流體之熱量，其可能會或可能不會與供該冷凝器34使用之流體類型相同，以及會歷經一個相變化而成一個冷媒蒸汽。在圖3中所顯示之範例性實施例中，該蒸發器38包括一個管束60，其具有一個連接至一個冷卻負荷62之供應管路60S和回流管路60R。一個程序流體，舉例而言，水、乙二醇、氯化鈣鹽水、氯化鈉鹽水、或任何其他適當之流體，會經由該回流管路60R進入該蒸發器38，以及會經由該供應管路60S離開該蒸發器38。該蒸發器38會降低該等管內之程 序流體的溫度。該蒸發器38中之管束60可包括多數之管和多數之管束。該蒸汽冷媒會離開該蒸發器38，以及會藉由一個吸入管路37返回該壓縮機32而完成該管路或循環。在圖4中所顯示之範例性實施例中，該壓縮機32可能包括一些導流葉片39。該等導流葉片39可能會被固定進一個預定之位置中，或者可能具有一個可調節之位置。在一個範例性實施例中，該蒸汽壓縮系統14可能會在一或多個冷媒管路中使用一或多個可變速率驅動器(VSD)52、馬達50、壓縮機32、冷凝器34、膨脹閥36、和/或蒸發器38。
圖6例示該壓縮機32的一個範例性實施例之部份橫截面圖。該壓縮機32包括一個用以壓縮該冷媒蒸汽之葉輪201。上述來自該葉輪201經壓縮之蒸汽接著會通過一個可變擴散器(VGD)119。該VGD 119具有一個形成於一個擴散板206與一個噴嘴基板208間而供冷媒蒸汽通過之擴散室或間隙202。該噴嘴基板208係配置供一個擴散器環210使用。該擴散器環210係被用來控制通過該擴散板或間隙202之冷媒蒸汽的速度。該擴散器環210可使延伸進該擴散器間隙202內以增加流過該擴散器間隙202之蒸汽速率，以及可自該擴散器間隙202縮回以降低流過該擴散器間隙202之蒸汽的速率。該擴散器環210可使用一個致動器所驅動之調節機構212使延伸進該擴散器間隙202內及自其縮回。
該VGD 119可使佈置在其中之冷媒流動在該擴散器間隙202中大體上不受阻礙的一個大體上打開或縮回之位置與其中之冷媒流動在該擴散器間隙202中會受到限 制的一個大體上關閉或伸長之位置間的任何位置。在一個範例性實施例中，該VGD 119在該關閉位置中時可能無法完全停止冷媒在該擴散器間隙202中之流動。該調節機構212可或連續地或遞增地以離散步驟移動該擴散器環210，以打開及關閉該擴散器間隙202。該一種類型之VGD的運作和組件之更詳細的說明，係提供在2005年三月29日獲頒標題為"可變擴散器機構(Variable Geometry Diffuser Mechanism)"之美國專利權第6,872,050號中，該專利係藉由參照使合併進本說明書內。
在一個範例性實施例中，若該壓縮機32具有一個以上之壓縮級段，該VGD 119可能會被合併在一或多個壓縮級段之釋放通路中。在另一個範例性實施例中，會有多於一個的VGD 119可能被佈置在該擴散器間隙202中，以控制出自該葉輪201之冷媒的流動，以及藉此控制該壓縮機32之能力。在一個進一步之範例性實施例中，該擴散器環210之定位可降低或消除該壓縮機32中之振盪情況和停頓情況。
該控制面板40可包括除該A/D轉換器42外之數位類比(D/A)轉換器。此外，該控制面板40可使連接至或合併一個使用者介面194，其容許一個操作員與該控制面板40互動。該操作員可經由該使用者介面194選擇及輸入該控制面板40有關之指令。此外，該使用者介面194可顯示來自該控制面板40有關該蒸汽壓縮系統14之運作狀態的訊息和資訊。該使用者介面194係位於該控制面板40附近，諸如安裝在該蒸汽壓縮系統14或控制面板40上面，或者，該使用者 介面194在位置上可使遠離該控制面板40，諸如位於一個遠離該蒸汽壓縮系統14之分開的控制室。
在該控制面板40中，該A/D轉換器42和/或該介面板48，可能會接收來自一些系統感應器和一些會提供該蒸汽壓縮系統14有關之運作參數的組件之輸入信號。舉例而言，該控制接收面板40所接收之輸入信號，可包括離開該管束60之冷凍液體的溫度、該等蒸發器38和冷凝器34內之冷媒壓力、至該VSD之輸入電流、自該VSD之輸出電流、一個壓縮機釋放溫度、一個壓縮機油溫度、一個壓縮機油供應壓力、一個VGD位置、一個HGBV位置、和該壓縮機釋放通路中之聲波或聲音壓力。該控制面板40可使用該介面板48而將信號傳遞給該蒸汽壓縮件，以控制該蒸汽壓縮系統14之運作，以及與該蒸汽壓縮系統14之各種感應器和控制裝置相通訊。
該控制面板40可能執行或使用一個單一或中央控制演算法或控制系統來控制上述包括壓縮機32、VSD 52、VGD 119、HGBV 134、冷凝器34之蒸汽壓縮系統14、和該蒸汽壓縮系統14之其他組件的運作。在一個實施例中，該(等)控制演算法可為一些儲存在一個非揮發性記憶體46內而具有可被該微處理器44執行的一系列指令之電腦程式或軟體。該控制演算法可被體現在一個(些)電腦程式中，以及會被該微處理器44執行，本技藝之專業人士將可瞭解的是，該控制演算法可能使用數位和/或類比硬體來加以實現及執行。若用來執行該控制演算法的為硬體，該控制 面板40之對應配置可被改變使合併一些需要之組件以及移除任何可能不再需要之組件。在又一實施例中，該控制面板40可能會合併多重之控制器，彼等各會執行一個離散之功能，而會有一個中央控制器來決定該控制面板40之輸出。
該控制面板40上面之微處理器44所執行的中央控制演算法可包括一個容量控制程式或演算法，以控制該壓縮機32之容量使滿足一個冷卻負荷。該容量控制程式可傳送或傳遞一些控制信號，使藉由在一個依據用以保持一個預定之設定點下的離開之冷凍液體溫度(LCHLT)所需要的究為該壓縮機的加載或卸載之特定順序下調整該VGD 119之位置、該VSD 52之速率(和因而該馬達50之速率)、和該HGBV 134(若有配備)之位置，來調整該壓縮機32之容量。該等VSD和馬達速率可附加地及同時地依需要而加以調整，使維持現存之壓縮機速率、VGD位置、和冷凝器對蒸發器之壓力差的一個函數，以避免振盪所需之極小壓縮機揚程。該容量控制程式可被一個在該壓縮機之進口處具有固定(亦即，無法移動)之導流葉片的壓縮機使用。在一個實施例中，該固定之導流葉片可被放置在一個全開之位置中。
此外，該容量控制程式可包括高冷凝器壓力、低蒸發器壓力、高馬達電流、和高輸入電流有關之限制和超馳臨界值以緩和一些可能之不穩定情況而保持該系統運作性，舉例而言，避免一個系統之停機。該限制和超馳臨界值會限制或降低給該等適當裝置(HGBV、VGD、或VSD)之輸出，以緩和該情況及保持該系統運作性。當該等限制 和超馳臨界值有任何一個被趨近時，該容量控制程式可按比例限制所容許之容量增加量，以及若被超過可發佈一些卸載指令。
圖7顯示一個容量控制程序之範例性實施例。該程序開始是施加或應用一個容量控制演算法，以決定一個容量控制輸出(CC輸出)參數(步驟302)。在一個範例性實施例中，該容量控制演算法可在進入其運行狀態時，亦即，在該壓縮機之起動下，立即應用或起始一個離開之冷凍液體溫度(LCHLT)比例積分微分(PID)控制器或控制演算法。在每個控制週期期間，該容量控制演算法會使用該PID邏輯，使基於相較於該LCHLT有效設定點之LCHLT，來決定對該系統容量的一個希望之百分比改變(亦即，該CC輸出)。上述希望之百分比改變就加載而言可為正值，或者就卸載而言可為負值。
該LCHLT有效設定點為一個要達至該LCHLT規劃設定點之標的，其係取決於所選定之控制來源，舉例而言，一個本地使用者介面、一個遠距使用者介面、或一個樓宇設備自動化系統(BAS)或ISN控制。當該系統不在運作中時，該LCHLT有效設定點係被設定至該進入之冷凍液體溫度-10℉，有關該LCHLT之極小規劃設定點。當該VSD開始時，該LCHLT有效設定點會在該可規劃之LCHLT設定點斜變率下斜變至該LCHLT規劃設定點。當該容量控制程式正在運作時，任何對該規劃之LCHLT設定點的改變，會造成一個在該規劃之LCHLT設定點斜變率下自該舊有效設定 點值至該新LCHLT設定點值的斜變。
其次，該容量控制演算法可比較一些測得之系統參數與一些預定之臨界值，以決定一些輸出限制器和/或超馳(步驟304)。該等具有輸出限制器和超馳之系統參數，可包括高冷凝器壓力限制器和超馳、低蒸發器壓力限制器和超馳、馬達電流限制器和超馳、和至該VSD限制器和超馳之輸入電流。圖8和9顯示該對應之限制區域和超馳區域連同該冷凝器壓力、蒸發器壓力、該馬達電流、和該VSD輸入電流的對應之改變。
就該冷凝器壓力、該馬達電流、和該VSD輸入電流而言，圖8中之曲線圖顯示就一個逐漸增加之系統參數而言在該第一臨界值與該第二臨界值間的一個加載限制區域和在該第二臨界值與一個第三臨界值間的一個超馳區域。就該蒸發器壓力而言，圖9中之曲線圖顯示就一個逐漸降低之蒸發器壓力而言在該第一臨界值與該第二臨界值間的一個加載限制區域和在該第二臨界值與該第三臨界值間的一個超馳區域。在一個實施例中，該等第一臨界值、第二臨界值、和第三臨界值可為一些基於該對應之系統參數預先選定的值。在另一個實施例中，該第二臨界值可為一個基於該對應之系統參數預先選定的值，以及該等第一和第三臨界值可使導自該第二臨界值，亦即，該第一臨界值可為該第二臨界值加上或減除一個預定之值，以及該第三臨界可為該第二臨界值加上或減除一個預定之值。此外，該離開之冷凍液體溫度(LCHLT)亦可具有一個低溫度超馳控 制。圖10中之曲線圖顯示就一個逐漸降低LCHLT而言在該第二臨界值與該第三臨界值間的一個超馳區域。
在一個範例性實施例中，該冷凝器壓力有關之第二臨界值，可在44.9 PSIG至162.5 PSIG之範圍內，以及可為162.5 PSIG。當水為程序流體時，該蒸發器壓力有關之第二臨界值可為27 PSIG，以及當該程序流體為某一鹽水時，該第二臨界值可由一個操作員來規劃。該馬達電流有關之第二臨界值，可為如選擇自該等馬達和VSD所決定出之最高三相馬達電流或極大馬達電流的100%滿載安培數(FLA)。在一個實施例中，該100%FLA可為505 A。該VSD輸入電流有關之第二臨界值可為該有效輸入電流限制，其係對應於本地輸入電流限制、該遠距輸入電流限制、和下拉電流限制之極小值，正如選擇自該最高之三相馬達電流。該LCHLT有關之第二臨界值可為該LCHLT停機溫度+2℉。該第二臨界值有關之最大值可為低於該LCHLT設定點1℉。
若該測得之系統參數為在該加載限制區域內，該容量控制程式仍可增加該系統之容量，但該增加之數量或百分比係被限制至一個(些)就該系統參數所建立的預定值或數量。舉例而言，就該加載限制區域可存在一個預定之值，或者就該加載限制範圍可存在某一範圍之預定值，其中，該預定值係基於有關該系統參數所測得之值加以決定。在一個範例性實施例中，該容量增加之預定數量或百分比可在0.01至5.0間之範圍內以及可為0.50。若該測得之 系統參數為在該超馳區域內，該容量控制程式會被迫降低該系統之容量，即使該容量控制程式需要增加容量。該降低之數量或百分比係被限制至就該系統參數所建立的一個(些)預定之數量或值。舉例而言，就該超馳範圍存在一個預定之值而言，或者就該超馳範圍存在某一範圍之預定值而言，其中，該預定值係基於就該系統參數所測得之值加以決定。在一個範例性實施例中，該容量降低的預定數量或百分比可在-5.0至-0.01間之範圍內以及可為-0.10。關於該系統容量增加或降低之百分比或數量，正數係反映一個有關增加容量之請求，以及負數係反映一個有關降低容量之請求。
一旦該等測得之參數與該加載限制區域和該超馳區域有關的臨界值相比較，便會有一個關於是否有任何一個測得之參數在該加載限制區域或該超馳區域之範圍內被決定(步驟306)。若有一或多個測得之參數為在該加載限制區域或該超馳區域之範圍內，則會基於該被決定之輸出限制器和/或超馳而對該CC輸出做出調整(步驟308)。在一個實施例中，該CC輸出可自該LCHLT PID和每個被決定之加載限制器和超馳值被調整至上述計得之容量改變的極小量之增加。同理，該CC輸出可自該LCHLT PID和每個被決定之加載限制器和超馳值被調整至上述計得之容量改變的極小量之降低。
在基於任何被決定之輸出限制器和/或超馳來調整該CC輸出之後，或者若並無輸出限制器和/或超馳被 決定，便會有一個極小之VSD頻率可被決定(步驟310)。該極小VSD頻率可為該極小運作系統速率或該抗振盪極小頻率中的較低者。該VSD頻率有關之極小限制，可被用來維持充份之壓縮機揚程(壓力揚程)或排出壓力，以克服該冷凝器壓力以及避免該運作期間之振盪。該抗振盪極小頻率可在該容量控制演算法或一個使用方程式1之公用常式的每個週期中加以計算。
抗振盪極小頻率=振盪頻率*極小頻率乘數*極小頻率乘數2+極小頻率抵補值 (1)
其中：振盪頻率係決定自運作期間之亞米茄(Ω)和VGD位置。
亞米茄(Ω)=等熵頭/(聲速)2
聲速係基於該系統所使用之冷媒，舉例而言R134a，而決定自該蒸發器壓力。
等熵頭係基於該系統所使用之冷媒，舉例而言R134a，而決定自該蒸發器壓力和該冷凝器壓力。
該等極小頻率乘數、極小頻率乘數2、和極小頻率抵補值，係一些被用來確保對該計得之抗振盪極小頻率的適當裕度以解決儀器和系統變動之值。
在另一個範例性實施例中，該容量控制演算法可基於該系統中所使用之特定壓縮機尺寸而使用一個內建圖譜來決定該極小VSD頻率。該圖譜具有兩條軸線-VGD位置和等熵頭(計為參數亞米茄(Ω))。該VGD位置可以電子方式 測得，以及該等熵頭可使用冷凝器壓力和蒸發器壓力測得。在該亞米茄之決定中所需要的聲速，係計算自該壓縮機吸入溫度(或基於蒸發器壓力之蒸發器飽和溫度)。該圖譜可就一個給定之VGD位置和亞米茄指示該極小VSD速率應為何值以確保該壓縮機之穩定的及有效率的運作(亦即，避免振盪)。在另一個實施例中，該圖譜經調整可使該極小VSD速率或將會確保避免停頓，一種會設定該壓縮機極小速率高於避免振盪所需者的更保守之解決方案。
在又一個範例性實施例中，一個適性容量控制可被用來取代該內建之圖譜。該適性容量控制需要偵測停頓或振盪何時會發生，其舉例而言係使用該等蒸發器與冷凝器間之壓力差的降低，來指示上述來自一個釋放壓力感應器而用以指示停頓之信號中在一個特定頻帶內的振盪或"噪音"。該項控制可使該VGD位置以一種探測方式來改變，以找出及記錄就一個給定之壓縮機運作條件(等熵頭或亞米茄)有關VSD速率和VGD位置之運作限制，以及藉此產生所說明之圖譜，故其不必非要被預先規劃不可。
此外，在一個範例性實施例中，該容量控制演算法會在該系統等熵頭增加暫態事件期間，舉例而言一個下拉運作(使LCHCT自周遭條件降低至該LCHLT設定點)，計算一個對該抗振盪極小頻率之額外增加。該亞米茄之改變率會被監控，以及該容量控制演算法，會在該亞米茄正在迅速改變時施加一個比例暫時性抵補值。一個比例暫時性抵補值之施加，會避免該動力傳動系統速率增加因傳送及 處理時間所致而需要之速率推遲。
在一個實施例中，該抗振盪極小頻率可依需要使立刻增加。該壓縮機速率會依需要連續地增加，以避免運作低於該抗振盪極小頻率，而不論容量是否另有需要增加或降低。在該抗振盪極小頻率下運作可產生額外之容量，但該容量控制演算法邏輯可響應該LCHLT和超馳控制，以及可依需要運作另一個控制裝置，以維持該設定點或適應該等限制。
在另一個實施例中，該抗振盪極小頻率可使降低或斜變至一個新的較低計得之抗振盪極小頻率。依據該HGBV(若存在)是否完全被關閉，會應用兩個分開之可規劃式斜變率。當該抗振盪極小頻率被降低時，會存在有一些額外之機會來降低速率。當降低該抗振盪極小頻率時，該VSD速率可以：1)若該容量控制邏輯要求卸載，便降低進入該額外之運作頻帶內；2)若該LCHLT設定點符合要求或被滿足，或者若需要加載以及加載需求可藉由關閉該HGBV或打開該VGD使符合要求或被滿足，便使保持不變；或者3)若需要加載及另一個控制裝置已被佈置至彼等之極限，便依需要使增加。
一旦該抗振盪極小頻率被計算出，便會決定該計得之抗振盪極小頻率是否大於該容量控制程式所決定之運作頻率(步驟312)。該計得之抗振盪極小頻率大於該容量控制程式所決定之運作頻率，則會基於該抗振盪極小頻率來調整該CC輸出(步驟314)。在基於該抗振盪極小頻率調整了 該CC輸出之後，或者若該抗振盪極小頻率小於該容量控制程式所決定之運作頻率，該經調整之CC輸出便會施加給該壓縮機(步驟316)。在該CC輸出施加給該壓縮機之後，該程式便會以次一控制週期重新開始。
在一個範例性實施例中，該成就之CC輸出參數會被指引至許多依加載(容量增加)和卸載(容量降低)有關之適當順序中實現全部希望的改變所需要之控制裝置(VSD、VGD、或HGBV)。該等控制裝置響應上述需要某一容量增加之CC輸出參數有關的運作序列可以：1)朝向該關閉位置移動或調整該HGBV(若存在)；2)當該HGBV完全被關閉時，便朝向該打開位置移動或調整該VGD；以及3)當該VGD完全被打開時，增加該VSD速率。該等控制裝置響應上述需要某一容量降低之CC輸出參數有關的運作序列可以：1)降低該VSD速率；2)當該VSD速率處於一個極小限制時，便朝向該關閉位置移動或調整該VGD；以及3)當該VGD到達該極小限制或處於該關閉位置中時，便朝向該打開位置移動或調整該HGBV(若存在)。
在另一個範例性實施例中，一個希望之容量改變在實現上可藉由就每個預定之序列施加該計得之輸出改變(CC輸出)給每個有需要之裝置，而使給每個裝置之改變總和等於所需要之完全改變。若一個完全幅度之改變由於一個限制所致無法施加給一個特定之裝置，該改變之剩餘者便會按順序施加給其他裝置。每個裝置具有一個相關聯之運作增益(可選擇作為其輸出增益設定點)，其係有關容量中 對該裝置在百分比位置或赫茲中之響應的百分比改變。該改變之幅度可依據彼等之個別輸出增益而就每個裝置加以決定。此外，當決定要將該剩餘淨輸出施加給該等控制裝置時，該容量控制演算法便可解釋由於抗振盪控制所造成之任何同時性速率所致的容量增加。舉例而言，若該希望之容量增加為10%，以及該速率業已因某一量等於或對應於6%容量增加(如決定自該VSD增益)之抗振盪控制所致而增加，該等VGD和/或HGBV若存在，或將僅會充份反應至完成剩餘之4%容量增加。
在一個實施例中，該VGD可藉由傳送電流經過該致動器之斷開或閉合繞組來加以調整。該致動器會產生一個不變之指令直至該回授信號等於該指令信號為止。為要降低顫振，一旦該位置到達該指令位置，該等斷開和閉合信號便會保持住。為要重新佈置該裝置，該控制勢必會請求一個改變臨界幅度。
在一個範例性實施例中，就雙級離心式壓縮機而言，該低級段VGD將會就該容量控制而被用作其初級功能，以及會就停頓/振盪控制而被用作其次級功能，如同一個單級機器。該高級段VGD可獨立地僅被使用於高級段葉輪有關之停頓/振盪控制。
理應瞭解的是，本申請案並非受限於以下說明內容所列舉及諸圖中所例示之細節或系統方法。亦理應瞭解的是，本說明書所採用之措辭和術語係僅為說明計而不應被視為有限制意。
本申請案考慮任何用以完成其運作之機器可讀取式媒體的一些方法、系統、和程式產品。本申請案之實施例可能使用現有之電腦處理器，或者藉由一個適當系統有關之專用電腦處理器，或者藉由一個硬線接式系統，來加以完成。
一些在本申請案之界定範圍內的實施例，包括一些包含其上面承載有或儲存有機器可執行式指令或資料結構之機器可讀取式媒體程式產品。該機器可讀取式媒體可為任何可供利用而可被一個通用型或專用型電腦或其他擁有一個處理器之機器存取的非暫時性媒體。藉由範例，該機器可讀取式媒體可包括隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、可抹除可規劃唯讀記憶體(EPROM)、電可抹除可規劃唯讀記憶體(EEPROM)、唯讀光碟(CD-ROM)、或其他光碟儲存器、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置、或任何其他可被用來承載或儲存所希望而成可被一個通用型或專用型電腦或其他擁有一個處理器之機器存取的機器可執行式指令或資料結構之形式的程式碼。當資訊透過一個網路或另一個通訊連線(或硬線接式、無線式、或一個硬線接式或無線式組合)傳遞或提供給一個機器時，該機器會適當地將該連線視為一個機器可讀取式媒體。以上之組合亦包括在該機器可讀取式媒體之界定範圍內。該等機器可執行式指令舉例而言包含一些可使一個通用型電腦、專用型電腦、或專用型處理機器執行某一定功能或功能群之指令和資料。
雖然本說明書中之繪圖可能顯示某一特定順序之方法步驟，該等步驟之順序可能會不同於所描述者。而且，兩個或以上之步驟可能會協同地或部份協同地被執行。一些步驟性能中之變動可取決於所選定之軟體和硬體系統，以及可取決於設計員之選擇。所有此等變動係在本申請案之界定範圍內。同理，彼等實現體可以一些具有用以完成各種連接步驟、處理步驟、比較步驟、和決策步驟之規則式邏輯和其他邏輯的標準程式規劃技術來加以完成。
重要的是要注意到，本申請案顯示在各種範例性實施例中之架構和安排係僅屬例示性。雖然僅有少數實施例業已詳細說明在本揭示內容中，彼等檢閱此揭示內容者將會輕易察覺到的是，有許多修飾體係屬可能(舉例而言，各種元件之尺寸、維度、結構、形狀、和比例中之變動、參數值(舉例而言，溫度、壓力、等等)、安裝配置、使用之材料、顏色、方位、等等)，而末實質上違離本申請案中所說明之主題的獨創性揭示內容和優點。舉例而言，一些被顯示成整合形成式元件可能由多重之部件或元件構成，該等元件之位置可能會被反轉或另做改變，以及該等離散元件之性質或數目或位置可能會被變更或改變。因此，所有此等修飾體預計要包括在本申請案之界定範圍內。任何程序或方法步驟之順序或序列可能會依據他型實施例而被改變或重新定序。在申請專利範圍中，任何之技術功能手段預計係涵蓋本說明書所說明用以執行所列舉之功能的結構，以及涵蓋不僅一些結構上之等效體而且涵蓋一些等效 之結構。該等範例性實施例之設計、運作條件、和安排，可能完成其他之替代、修飾、改變、和省略，而不違離本申請案之界定範圍。因此，本申請案並非受限於一個特定之實施例，而是擴大至各種仍落在所附申請專利範圍之界定範圍內的修飾體。
此外，在提供該等範例性實施例之簡潔說明的努力中，一個實際之實現體的所有特徵可能並未加以說明(亦即，一些與當前預期實踐本發明之最佳模態無關者，或者一些與促成本發明無關者)。理應察覺到的是，在任何此等實際之實現體的發展中，如同在任何之工程或設計研究計劃中，可能完成眾多之實現體專屬性決策。此種發展成果或許會很複雜及耗費時間，但或將仍為一般從業人員得利於本揭示內容之設計、裝配、和製造的例行工作，而無不適當之實驗。
10‧‧‧空調(HVAC)系統
14‧‧‧蒸汽壓縮系統
32‧‧‧壓縮機
34‧‧‧冷凝器
36‧‧‧膨脹閥或裝置
38‧‧‧蒸發器
40‧‧‧控制面板
42‧‧‧類比數位(A/D)轉換器
44‧‧‧微處理器
46‧‧‧非揮發性記憶體
48‧‧‧介面板
50‧‧‧馬達
52‧‧‧可變速率驅動器(VSD)
54‧‧‧管束
56‧‧‧冷卻塔
60‧‧‧管束
60R‧‧‧回流管路
60S‧‧‧供應管路
62‧‧‧冷卻負荷
119‧‧‧可變擴散器(VGD)
134‧‧‧熱氣體旁通閥(HGBV)
194‧‧‧使用者介面

Claims (19)

  1. 一種用以控制壓縮機中之容量的方法，其包含：以一個控制程式計算一個輸出容量參數；測量至少一個系統運作參數；比較該至少一個測得之系統運作參數與該系統運作參數有關之對應預定的臨界值，以決定該至少一個測得之系統運作參數是否在一個對應於該至少一個測得之系統運作參數的限制區域或超馳區域之範圍內；響應於該至少一個測得之系統運作參數為在該限制區域或該超馳區域之範圍內的決定，調整該輸出容量參數；計算該壓縮機有關之極小可變速率驅動頻率，以避免振盪情況；比較該計算得之極小可變速率驅動頻率與一個基於該輸出容量參數之可變速率驅動頻率；響應於該極小可變速率驅動頻率大於上述基於該輸出容量參數之可變速率驅動頻率，修改該輸出容量參數；將該輸出容量參數應用至該壓縮機，以調整該壓縮機之輸出容量；響應於該至少一個測得之系統運作參數為在該限制區域之範圍內，限制該輸出容量參數至一預定增加量；以及響應於該至少一個測得之系統運作參數為在該超馳 區域之範圍內，設定該輸出容量參數至一預定降低量。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該預定增加量係一個基於該至少一個測得之系統運作參數的可變量，以及該預定降低量係一個基於該至少一個測得之系統運作參數的可變量。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中上述計算該極小可變速率驅動頻率之步驟，包括選擇一個預定極小運作系統頻率或一個抗振盪極小頻率中的較低者。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該抗振盪極小頻率係使用等熵頭和該壓縮機中的一個可變擴散器之位置來加以計算。
  5. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該抗振盪極小頻率係可在該壓縮機之運作期間被調整。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中上述施加該輸出容量參數至該壓縮機來調整該壓縮機之輸出容量之步驟，包括應用該輸出容量參數來控制一個可變速率驅動器、一個可變幾何擴散器、或一個熱氣體旁通閥中的至少一個。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中上述測量至少一個系統運作參數之步驟，包括測量冷凝器壓力、蒸發器壓力、馬達電流、或至該可變速率驅動器之輸入電流中的至少一個。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該限制區域係由一個第一預定臨界值和一個第二預定臨界值加以界定，以 及該超馳區域係由該第二預定臨界值和一個第三預定值加以界定。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中上述計算一個輸出容量參數之步驟，包括應用一個比例、積分、導數控制演算法來決定一個對輸出容量的百分比改變。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該對輸出容量的百分比改變係基於一個離開之冷凍液體溫度與一個離開之冷凍液體溫度設定點的比較來加以決定。
  11. 一種系統，其包含：連接成一個閉合冷媒迴路的一個壓縮機、一個冷凝器、一個膨脹裝置、和一個蒸發器；一個連接至該壓縮機以驅動該壓縮機之馬達；一個連接至該馬達以驅動該馬達之可變速率驅動器，該可變速率驅動器可運作來提供一個可變電壓給該馬達及提供一個可變頻率給該馬達；一個用以控制該可變速率驅動器和該系統的一或多個組件之運作的控制面板，該控制面板包含一個微處理器和一個記憶體裝置；一個用以測量該系統之一運作參數的感應器，該感應器係與該控制面板相通訊，以提供該測得之運作參數；以及該控制面板係可被運作來執行一個控制演算法，以決定一個輸出容量調整並將該輸出容量調整應用至該壓縮機，該輸出容量調整係來自一個容量控制程式的一 輸出容量參數，由一輸出限制器或超馳予以修改，該輸出限制器或超馳係從該系統之該測得的運作參數所決定，且該輸出容量調整係用以維持一個極小可變速率驅動頻率以避免振盪情況；響應於該測得之運作參數為在一限制區域之範圍內，限制該輸出容量參數至一預定增加量；以及響應於該測得之運作參數為在一超馳區域之範圍內，設定該輸出容量參數至一預定降低量。
  12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該壓縮機包含一個離心式壓縮機，該離心式壓縮機具有一個可變幾何擴散器和一個熱氣體旁通閥。
  13. 如申請專利範圍第12項之系統，其中該控制面板調整該等可變速率驅動器、可變幾何擴散器、或熱氣體旁通閥中的一或多個，以應用該輸出容量調整。
  14. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該極小可變速率驅動頻率維持該壓縮機中之壓力上升量，以克服冷凝器壓力及避免振盪。
  15. 如申請專利範圍第14項之系統，其中該極小可變速率驅動頻率在系統運作期間被增加及降低。
  16. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該感應器測量冷凝器壓力、蒸發器壓力、馬達電流、或至該可變速率驅動器之輸入電流中的一個。
  17. 如申請專利範圍第11項之系統，其中：該輸出限制器係自該測得之運作參數有關的一第 一預定臨界值和該測得之運作參數有關的一第二預定臨界值所界定的限制區域予以決定；以及該超馳係自該第二預定臨界值和該測得之運作參數有關的一第三預定值所界定的超馳區域予以決定。
  18. 如申請專利範圍第17項之系統，其中該輸出限制器限制壓縮機容量中之增加，以及該超馳降低壓縮機容量。
  19. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該容量控制程式係一個比例、積分、導數控制演算法，其係使用一個離開之冷凍液體溫度與一個離開之冷凍液體溫度設定點的一個比較。
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