TWI638123B - 馬達外殼溫度控制系統 - Google Patents

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Abstract

提出一種於一冷卻系統中控制具有一馬達冷卻回路之一壓縮機馬達之溫度之方法及裝置。該馬達冷卻回路具有一第二膨脹閥提供該冷凝器與該壓縮機馬達間之流體連通。該壓縮機馬達係與在該第一膨脹閥下游與一壓縮機入口間之該冷卻回路呈流體連通。冷媒提供給該馬達冷卻回路作為冷卻流體。一次比例積分微分(PID)迴路及二次PID迴路係用以控制冷媒之溫度及流至馬達之流速。

Description

馬達外殼溫度控制系統 發明領域
本發明大致上係有關於馬達溫度之控制系統，及更明確言之，係有關於一經冷卻之馬達中壓縮機馬達外殼溫度之控制。
發明背景
晚近壓縮機設計上的改變已經使得如何控制馬達溫度需要改變。過去馬達溫度之控制方法曾經使用比例積分微分(PID)控制系統以控制該系統馬達溫度。傳統PID控制系統監控該馬達外殼之溫度以控制該系統馬達溫度。傳統PID控制系統係用以當溫度超過一預選定之設定點時控制一閥，其提供冷卻劑進入該馬達以冷卻該馬達。於一個系統中，該馬達係用以操作一壓縮機，及該冷卻劑為冷媒。當該閥為一電子膨脹閥(EEV)時，該閥操作以膨脹液體冷媒，降低該冷媒之壓力及溫度，使得一氣霧進入該馬達用於冷卻目的。該PID控制系統監控該馬達外殼之溫度以判定是否到達一預選定之設定點，及當到達該設定點時發訊開啟該閥，及關閉該閥，因而當溫度低於該設定點時限制冷卻流體之流入該馬達。
晚近壓縮機設計之進展已經產生更大型壓縮機。此等大型壓縮機具有大型馬達，結果導致具有大型馬達外殼。大型馬達也導致馬達產生之熱量增加，同時大型馬達外殼增加的額外質量增加了馬達系統之熱容。此外，若干此等壓縮機設計已經結合了電磁(EM)軸承以於操作期間平衡轉子，其於馬達外殼內部產生了額外熱量。某些設計中，已經改變用於馬達外殼之材質。因此，其中大型鑄鐵馬達外殼已經取代了小型鋁或鋁合金馬達外殼之該等設計中，不僅馬達外殼之質量改變，同時外殼之導熱率也改變，鋁及鋁合金及銅及銅合金馬達外殼具有比鑄鐵馬達外殼更高的導熱率。一般而言，鑄鐵也具有比鋁更低的比熱容，達一因數2。如此表示針對具有相同材料質量及相同熱輸入之一系統，一鑄鐵外殼之溫度將以鋁外殼的兩倍速率升高。顯然，具有較大型馬達，從具有較低導熱率之材料製成的較大型馬達外殼及結合額外熱源，諸如EM軸承之系統根據馬達外殼溫度變化，將對冷卻之反應性較低。如此處使用，導熱率、組件(馬達外殼)質量、該組件質量之比熱容及該組件內部產生之熱之組合係用於此處稱作為該系統之熱慣量。運用大型鑄鐵馬達外殼及大型馬達之晚近壓縮機進展係於此處定義為高熱慣量系統，原因在於其加熱及冷卻速率較慢；及也可包括EM軸承，而利用鋁、鋁合金、銅或銅馬達外殼，利用小型鑄鐵馬達外殼之小型馬達及機械軸承之先前技術系統係於此處定義為低熱慣量系統，當相同冷卻設計用於高熱慣量及低熱慣量系統時後者傾向於對冷卻具有 較高反應性。當兩個系統具有相同質量但對馬達外殼利用不同材料諸如鑄鐵及鋁合金時，當運用相同冷卻系統時，鋁合金系統作為低熱慣量系統將對溫度的改變較快速反應。
隨著馬達大小的增加同時呈高熱慣量材料之具有較高成本效益之材料結合於該設計中，需要有一種控制方案，其比較用在低熱慣量系統之目前控制方案，於具有高熱慣量之一系統中對馬達溫度之變化更具反應性。
發明概要
本發明包含具有可藉馬達旋轉之一主軸的渦輪機。該馬達包括一定子及一轉子，該轉子駐在一馬達外殼內部及該轉子連結至該渦輪機主軸。該馬達也包括用以將該轉子及附接之主軸對中於該渦輪機內部之軸承。該馬達及馬達外殼係藉於該馬達外殼內部循環之一流體加以冷卻。於本發明中，流體循環進入該馬達及藉一閥控制，諸如電子膨脹閥(EEV)。該EEV係藉一控制器控制，其提供一信號以調節該閥位置。於本發明中，由該控制器發送給該閥之信號係響應於發送給該控制器之測得之溫度。
發送給該控制器之測得之溫度中之至少一者係與定子相聯結。與定子相聯結之測得之溫度為相對應於定子馬達繞組之繞組溫度設定點Twindingspt，其係藉第一PID控制器設定。定子控制溫度也藉第二PID控制器監控，其控制該EEV之位置調節冷卻流體流經該馬達外殼之量。該冷卻 流體流將冷卻，或限制其流量將允許該馬達外殼加熱以將該定子繞組溫度調整至設定點Twindingspt。第一PID控制器監控馬達外殼溫度Thousing，及決定適當繞組溫度設定點Twindingspt。Thousing為藉熱偶、熱敏電阻或其它溫度感測器測得之該馬達外殼之實際溫度。Twindingspt係藉第一PID控制器基於測得之該馬達外殼溫度及其設定點求出之一設定點。然後從該第一PID控制器發送指示該適當繞組溫度設定點Twindingspt之一信號給第二PID控制器。由於該定子繞組溫度與該馬達外殼溫度相關聯，藉升降該第二PID控制器之定子繞組溫度設定點Twindingspt，其又轉而調節通過EEV至馬達外殼(其包括定子)之冷卻流體之量，該第一PID控制器許可該馬達外殼溫度Thousing趨近該馬達外殼設定點Thousingspt。當第二PID控制器經妥適設定時，馬達外殼溫度Thousing及定子繞組溫度Twinding兩者須具有相對應設定點，或若非相對應則應彼此緊密趨近於或接近於平衡之設定點。
由該第二PID控制器使用定子溫度Twinding以控制冷卻流體流入該壓縮機馬達用在當該冷激器頭壓高時用以克服該高熱慣量係有用的。如此處使用，高冷激器頭壓表示該冷凝器與氣化器間之壓差大。比起較低頭壓，當EEV係於相同位置開啟時，較高頭壓可驅動較多冷卻冷媒至該馬達外殼。冷激器頭壓隨冷激器操作條件而改變。當該頭壓高時，定子溫度將比馬達外殼溫度遠更快速地響應EEV之位置改變。
於一高熱慣量系統中，該馬達外殼對加熱及冷卻 結果反應遲緩，故使用馬達外殼溫度Thousing以控制冷卻劑之流入馬達可能導致加熱期間之高定子溫度。此點通常為不合所需，原因在於此種高定子溫度可能縮短定子之操作壽命。
相反地，於該高熱慣量系統中，當冷卻劑流冷卻該馬達外殼時，該馬達外殼及馬達外殼溫度之反應遲緩可能導致低過調馬達外殼溫度，此點也不合所需，原因在於此種低溫可能導致水分從大氣冷凝至該馬達外殼之外部上。
指示馬達外殼溫度Thousing之一信號係由馬達外殼溫度感測器提供給第一PID控制器。此種測得之馬達外殼溫度係由第一PID控制器與規劃之馬達外殼設定點比較。基於此溫度差異，其可經預先決定，該第一PID控制器可提供一信號給第二PID控制器以維持該定子繞組溫度設定點Twindingspt或修改之，該定子繞組溫度設定點Twindingspt係藉該第一PID控制器，根據得自該馬達外殼溫度感測器指示該馬達外殼溫度Thousing之該信號及由於控制繞組溫度至其設定點之結果，其與該馬達外殼溫度設定點Twindingspt之變方而視需要地動態地計算及修改。用以動態決定Twindingspt之演算法可為規劃至該第一PID之韌體或軟體。
於一冷卻系統中用以控制具有一馬達冷卻回路之一壓縮機馬達之溫度之系統及方法可為前述系統之混合。當該冷激器頭壓為高時，因外殼之熱慣量之故，使用馬達繞組溫度及馬達外殼溫度以控制冷卻流之流至該馬達可有 效控制該馬達外殼溫度。但當該冷激器頭壓為低時，實際馬達外殼溫度係更有效用以控制冷卻流之流至該馬達以控制該馬達外殼溫度，原因在於繞組溫度對EEV位置之反應遲緩(若有)之故。雖然EEV仍然控制冷卻劑之流至馬達，但EEV之控制可由馬達外殼溫度Thousing或馬達繞組溫度及馬達外殼溫度決定。
於此種情況下(低頭壓)，繞組溫度Twinding係經監測及輸入級聯控制之第二PID。馬達外殼溫度Thousing係輸入級聯控制之第一PID或孤立PID。該系統也包括感測器以監控於該冷凝器及該氣化器之壓力，指示該等壓力之一信號發送給該控制系統，其也包括軟體以基於該等接收之信號而監控系統頭壓。該控制系統包括針對該頭壓差之可規劃設定點以及在該頭壓差以內之一預設時間。當該頭壓差超過該預設設定點歷經一預設時間時指示高頭壓，該控制系統使用該級聯PID控制器以控制該EEV。如此，Twinding及其與Twindingspt之關係有效地控制了冷卻冷媒之流經EEV且有效地排除了因該系統之熱慣量所致之該系統過熱。但當來自該等感測器之信號指示該頭壓差並未超過該可規劃設定點歷經一預定時間週期時，指示一低頭壓情況其中該級聯控制可能不穩定，則Thousing係用以控制冷媒之流經該EEV。於此種情況下，該孤立PID係用以控制冷媒之流經該EEV，使得Thousing有效地控制流經該EEV之冷媒量。
使用混合系統其中Thousing或Twinding及Thousing係用以控制EEV及冷媒之冷卻流至該馬達之優點為對該馬達溫 度之控制係於該冷激器操作頭壓範圍之全部範圍提供。
當該冷激器操作頭壓為高及藉監控該馬達外殼之溫度該系統之熱慣量排除了該馬達之妥適溫度控制時，該混合系統提供了使用定子繞組溫度對該壓縮機馬達之溫度控制。
當該冷激器操作頭壓為低時，該混合系統也優異地提供了該壓縮機之溫度控制。
本發明之其它特徵及優點從後文較佳實施例之更詳細說明部分結合附圖其舉例例示說明本發明之原理將更為彰顯。
170‧‧‧壓縮機馬達
172‧‧‧入口
174‧‧‧外殼
176‧‧‧定子
178‧‧‧轉子
180‧‧‧選擇性間隔件
182‧‧‧螺旋狀環
184‧‧‧附接位置
190‧‧‧馬達空腔
200‧‧‧液體出口
202‧‧‧定子/轉子環
204‧‧‧機械後備軸承
206‧‧‧電磁(EM)軸承
208‧‧‧通風口
212‧‧‧選擇性電子裝置殼體
218‧‧‧電路板
220‧‧‧電子組件
222‧‧‧對齊插銷
400、500‧‧‧控制系統
402‧‧‧一次控制迴路
404‧‧‧第一比例積分微分(PID)控制器
406‧‧‧馬達溫度測量系統
412‧‧‧二次迴路、二次控制迴路
414‧‧‧第二PID控制器
502‧‧‧一次PID迴路
504‧‧‧級聯PID控制器
506‧‧‧馬達溫度系統
514‧‧‧孤立PID控制器
530‧‧‧控制輸出選擇器
610‧‧‧PID控制器
1014‧‧‧冷卻系統
1020‧‧‧壓縮機
1030‧‧‧冷凝器
1040‧‧‧第一膨脹裝置
1043‧‧‧第二膨脹裝置、電子膨脹閥(EEV)
1050‧‧‧氣化器
Hpress‧‧‧頭壓
Hpressspt‧‧‧頭壓設定點
Thousing‧‧‧馬達外殼之溫度測量值
Thousingspt‧‧‧預定外殼溫度設定點
Twinding‧‧‧定子繞組溫度
Twindingspt‧‧‧定子繞組溫度設定點
圖1描繪運用來自該冷凝器之冷媒以冷卻該壓縮機之冷媒系統之示意圖。
圖2描繪用於圖1之該冷媒系統之一壓縮機之一馬達及與該壓縮機馬達相聯結的冷卻路徑。
圖3描繪用以控制馬達溫度之一先前技術系統。
圖4描繪用以控制馬達溫度之本發明之一控制系統。
圖5描繪用以控制馬達溫度之一混合控制系統。
較佳實施例之詳細說明
本發明提出一種馬達溫度之控制系統。更明確言之，該系統使用採用冷媒之馬達冷卻回路控制壓縮機馬達外殼溫度。該系統用在具有高熱慣量之馬達特別有效。
圖1描繪利用壓縮機1020諸如本發明使用者之一冷卻系統1014。本發明並不限於特定型別之壓縮機，原因在於任何壓縮機皆可優異地藉此處陳述之硬體配置及方法冷卻，包括但非僅限於螺桿壓縮機、離心壓縮機、渦卷壓縮機、及往復壓縮機。壓縮機1020壓縮工作流體，其為冷媒，呈氣體進入壓縮機入口，當冷媒被壓縮時升高了冷媒氣體溫度。然後經壓縮的高溫冷媒氣體流至一冷凝器1030，於該處高溫冷媒氣體被冷凝成高溫液體。如眾所周知，冷卻塔(圖中未顯示)可用以從冷凝流體去除熱。然後冷媒液體流至第一膨脹裝置1040。於本發明中，來自冷凝器之部分冷媒液體流至第一膨脹裝置。取而代之，其係用以冷卻馬達，容後詳述。確實流經第一膨脹裝置1040之冷媒液體膨脹成減壓低溫氣霧及然後流至氣化器1050或冷卻器。如眾所周知，氣化器/冷卻器可具有與其相聯結的一冷激器(圖中未顯示)，循環至該冷激器的流體被急冷成冷媒氣霧，亦即氣體與液體之混合物，於氣化器1050內氣化進行從液體至氣體之相變化。然後該經急冷的液體可用以冷卻一空間，諸如建築物內部。另外，於某些系統中，來自被冷卻空間呈空氣形式之流體送至氣化器1050，及當氣化液體從液體/氣霧相改變成氣相時直接被冷卻。冷媒氣體被帶回壓縮機1020，及該週期重複循環。
來自冷凝器1030之部分液體冷媒被送至一回路，其冷卻一壓縮機馬達170。如圖1中描繪，來自冷凝器之液體冷媒流經一第二膨脹裝置1043，於該處該液體冷媒被轉 成低溫氣霧。然後冷媒氣霧被送至壓縮機馬達170於該處用以冷卻馬達，該氣霧之液體部分當氣化時從該壓縮機汲取熱量，進行相變化。如圖1顯示，任何未被氣化的液體冷媒從壓縮機1020之馬達170被回送至氣化器1050於該處氣化。來自該壓縮機馬達170之冷媒氣體可在從氣化器1050至壓縮機1020之氣體冷媒入口之任一點回送至冷卻回路。於圖1中，來自壓縮機馬達170之冷媒氣體及冷媒液體顯示為通過分開管線回送至氣化器1050。
諸如可藉本發明冷卻之一馬達170之剖面代表圖係描繪於圖2。所描繪之馬達為例如可用以驅動離心壓縮機之馬達之代表圖，但馬達之使用並非受此所限，原因在於此等馬達係用以驅動其它壓縮機，諸如渦卷壓縮機及螺桿壓縮機。馬達170可用於圖1中描繪之冷卻回路1014。馬達170駐在一外殼174內部。用於大型馬達最具成本效益之外殼174為鐵澆鑄件。灰鑄鐵提供耐振外殼，但也可使用延展性鐵，但成本效益不如灰鑄鐵。用於大型外殼組件之非鐵合金可能顯著提高馬達成本，同時機械性質差。但具有由非鐵材料鋁、銅及鋁與銅之合金製成的外殼之馬達重量較輕，同時比起灰鑄鐵提供更佳的傳熱性質，使得針對其中熱響應及熱控制為重要的應用，此等合金變成較佳工程選項。
仍然參考圖2，於外殼174內部有一定子176及一轉子178，轉子178位在定子176內部。定子176習常包含銅繞組環繞一鐵磁心材，典型地為層合鋼。定子176及轉子178 可氣密地密封於外殼174內部。一選擇性間隔件180置於外殼174與定子176間，選擇性間隔件180為環繞定子176延伸306度之圓筒及視需要用以限制冷卻流體(冷媒)之流動。壓縮機諸如圖1之壓縮機1020可於圖2之附接位置184附接至轉子178。如圖顯示，當壓縮機1020為一離心壓縮機時，該壓縮機之葉輪可螺栓至轉子178，使得葉輪之軸係重合轉子之軸，轉子轉動葉輪主軸及葉輪。附接壓縮機至馬達之任何其它已知方法皆可使用。雖然較佳壓縮機為離心壓縮機，但任何其它迴轉壓縮機皆可用於本發明之馬達170。因此，馬達170將也特別可用於渦卷壓縮機設計或螺桿壓縮機設計以及離心壓縮機設計。
如圖2中顯示，外殼174包括一螺旋狀環182，其係與馬達170之入口172呈流體連通而提供流體通道。螺旋狀環182延伸於外殼內部與選擇性間隔件180相對。當冷媒流體通過入口172進入馬達170時，當存在有間隔件180時，冷媒流經螺旋狀環接觸外殼174及間隔件180兩者。當間隔件180為不存在時，冷媒流也可直接接觸定子176。當定子176被激勵及冷媒流被致動時，冷媒流入馬達外殼174內，從定子176吸熱，原因在於流動中的冷媒比操作中的定子溫度更低之故。取決於是否運用選擇性間隔件180，流動中的冷媒可或可不實體接觸定子176。與是否使用間隔件180獨立無關，當冷媒氣霧之液體部分轉成氣體時，冷媒自定子176汲取熱量。間隔件180可用以防止冷媒產生通過定子176的持久洩漏路徑，原因在於冷媒可能通過定子積層間之任 何間隙洩漏，藉此比較當無洩漏路徑時，藉將冷媒從冷凝器繞道至氣化器之量超過馬達冷卻的需要量而對壓縮機效率造成不良影響。當運用選擇性間隔件180時，流經螺旋狀環182之流動中的冷媒取而代之將接觸間隔件180，其將從定子176傳熱至該冷媒。選擇性間隔件180較佳地係由高導熱材料製造，換言之，由具有高熱傳導係數之材料製造。銅、鋁及銅與鋁之合金乃選擇性間隔件之較佳組成材料。
如前文討論，定子176包含銅線繞組環繞一永久磁鐵心，較佳地以鐵為主之合金或鋼。當利用選擇性間隔件180時，其係藉收縮嵌合，利用任何有效且眾所周知的收縮嵌合法而附接至定子176。具有定子176之間隔件180可利用一對齊插銷222接合外殼174、間隔件180及定子176而防止旋轉或相對於外殼174軸向移動。對齊插銷222較佳地包括一封，以防止冷媒跨越由該外殼所形成的壓力邊界洩漏。
也顯示於圖2者為一選擇性電子電路殼體212或箱安裝於馬達外殼174上。電子電路殼體212罩住電子組件220安裝其上之一或多個電路板218，或以其它方式罩住電子組件。當馬達170於操作中時，電子組件220產生顯著大量熱須從電子電路殼體212去除以防熱積聚對組件造成損壞。為了防止此種損壞，熱量被導引通過電子電路殼體212底部。雖然熱量也可導引通過殼體212側部，但馬達170安裝於其中之該空間本身可能熱量蓄積，其排除了來自環繞周圍大氣的有效冷卻。為了提供安裝於馬達外殼上之電子 電路之有效且可靠的冷卻，熱量有效地主要傳輸通過殼體212及進入外殼174至冷媒。如此，如典型方式安裝電子電路至馬達外殼174提供了又另一熱源給高熱慣量馬達。
從電路板218實體傳熱至外殼174可藉多種方法中之任一者達成，但在電子電路殼體212內部產生之熱的最終傳熱機制係藉從電子電路殼體212諸如從板218傳熱至流經馬達外殼174的冷媒。
如圖2中描繪，針對水平架設之馬達，於通過馬達外殼174之後，有些冷媒氣霧可能仍然維持液體及將藉重力降至馬達空腔190底部。須瞭解針對垂直架設之壓縮機而言，冷媒液體也將藉重力降至一位置於該處其可被捕集。然後該液體流至液體出口200。然後來自液體出口200之冷媒液體可經由與氣化器1050呈流體連通之一連結管道(圖中未顯示)流至氣化器1050。冷凝器1030係位在冷媒回路之高壓側上，氣化器1050係位在冷媒回路之低壓側上，及流動至冷卻壓縮機馬達170的冷媒係在介於冷凝器1030與氣化器1050壓力間之中間壓力，因此冷凝器1030與氣化器1050間之壓力差驅動了冷媒流經馬達170。
於圖2中，留在馬達170內之冷媒然後通過定子/轉子環202汲取，其乃定子176與轉子178間之間隙。然後通過定子/轉子環之冷媒通過馬達外殼174內部之電磁(EM)軸承206及機械後備軸承204(當馬達170為如此配備時)。然後冷媒氣體通過通風口208及返回冷媒回路，較佳地，係在從壓縮機入口至且含氣化器1050之某個進入點。
來自冷凝器1030通過膨脹裝置1043且經由馬達入口172流進馬達外殼之冷媒流係用以控制馬達溫度。示意顯示於圖3之先前技術方法係單獨用以監控馬達外殼溫度。此種系統仍在使用中且有效用於監控低熱慣量系統之馬達溫度。但隨著系統之熱慣量的增高，此種系統變成反應遲緩。溫度量測裝置諸如安裝於馬達外殼上的感測器用以監控馬達溫度。至少一個溫度感測器安裝於外殼174內壁上。此種溫度測量值提供給一分開比例積分微分(PID)控制系統或通常於該系統控制器內部之一PID模組，該PID控制系統或該系統控制器內部之該PID模組，後文稱作為PID控制器且於圖3中標示為610。當馬達外殼之溫度測量值Thousing偏離儲存於PID控制器610中之一預定外殼溫度設定點Thousingspt時，PID控制器610調節流經電子膨脹閥(EEV)1043進入馬達入口172的冷媒以維持馬達外殼之溫度Thousing於或低於其設定點。取決於溫度測量值，冷媒流可從無流動改成最大流速，或調節於中間流速。須瞭解Thousingspt可包括一溫度公差或溫度範圍使得一旦藉到達該公差或溫度範圍之高端而冷卻流被引發時，冷卻流將不受限制直到已經到達溫度公差或溫度範圍之低端為止。此乃眾所周知防止擺動現象(hunting)之特徵，換言之，EEV 1043之重複循環結果導致歷時短時間間隔之冷卻流。溫度公差之低端為經選定可防止外殼過冷之溫度，可能導致馬達外殼外部上的冷凝形成，其可能導致腐蝕，特別當該馬達外殼包含含鐵合金時尤為如此。
雖然先前技術方法用於低熱慣量系統之效果良好，但高熱慣量系統發展出非預期之問題。當圖3陳述之先前技術方法係用於高熱慣量系統時，因系統之高熱質量故，馬達外殼之溫度測量值Thousing精確地緩慢升高。因先前技術系統響應該外殼溫度測量值Thousing，故先前技術方法中之PID控制器響應緩慢，原因在於Thousing響應緩慢故。舉例言之，當馬達之負荷高時，該外殼溫度測量值Thousing不會快速升高，原因在於當該系統為高熱質量系統時系統之熱質量故。唯有當該外殼溫度測量值Thousing達到外殼設定點溫度Thousingspt時，先前技術方法中之PID控制器才響應。當到達馬達外殼設定點Thousingspt時，發訊開啟EEV 443以開始馬達之冷卻，定子繞組溫度Twinding將達到較高溫，及可能為無法接受之溫度歷經非期望之時間週期。又復，若PID增益增高或積分時間縮短而使其反應更快速，則此種馬達外殼控制系統將不穩定。
本發明之方法係例示於圖4，及克服了使用先前技術溫度控制應用至高熱慣量系統的缺點。圖4例示之控制系統許可冷卻系統更迅速反應定子溫度之改變，而非單獨仰賴外殼溫度測量值變化。
參考圖4，控制系統400包括含第一PID控制器404之一次控制迴路402、馬達溫度測量系統406、及包括第二PID控制器414之二次控制迴路412，其也係運用馬達溫度測量系統406。如先前描述，第一PID控制器404可為一分開PID控制系統或該系統控制器內部之一模組。同理，第二PID控 制器414可為一分開PID控制系統或一系統控制器內部之一分開模組。於另一個實施例中，該第一PID控制器404及第二PID控制器可為一PID系統控制器內部之分開模組。PID控制器之特定配置對本發明之操作或效能並無特殊限制，只要分開的PID控制器可獨立操作即可，但此處陳述者除外。
再度參考圖4，控制系統400包括一溫度感測器作為馬達溫度測量系統406之部件，其度量定子繞組之溫度Twinding，及一溫度感測器其度量馬達外殼174之溫度Thousing。第一PID控制器404監控馬達外殼之溫度Thousing及可使用得自該相同溫度感測器之測量值於馬達溫度系統406或不同溫度感測器或多個感測器。第一PID控制器形成一次迴路402之一部分，而第二PID控制器414監控定子繞組之溫度Twinding及形成二次迴路412之一部分。如同於先前技術，馬達外殼溫度感測器係位在馬達外殼174之內表面上。溫度Twinding之定子繞組溫度感測器係安裝於定子上或內部。可能有馬達外殼溫度感測器及定子繞組溫度感測器中之任一者或兩者中之一或多者，及PID 404、414可經程式規劃以對馬達外殼溫度感測器及定子繞組溫度感測器中之任一者或兩者之平均溫度讀數回應，或對例如已經測量最高或最低溫度值之一單一馬達外殼溫度感測器及/或定子繞組溫度感測器回應。
於操作中，Twinding係藉第二PID控制器414監控。第二PID控制器連續地比較Twinding與Twindingspt。於本系統中， 第二PID控制器414控制EEV 1043以調節經由馬達外殼入口172提供給馬達外殼174之冷媒供應。因流經定子繞組之電流將快速加熱定子，Twinding將比Thousing遠更快速升高，特別當冷卻系統被致動及馬達被加熱直到達到穩態熱流狀況時尤為如此。結果，第二PID控制器414快速反應以視冷卻之需要調節冷媒流速。比較圖3中描繪之先前技術配置，響應於定子繞組溫度Twinding，冷媒遠更快速地被導入馬達外殼174內部。此外，一旦冷激器之負荷減低，諸如來自穩態操作，定子繞組將更快速冷卻。第二PID控制器414對定子冷卻快速反應，及控制EEV 1043以調節或停止冷媒之流至馬達外殼174。因此，監控Twinding之二次迴路412快速動作以維持定子繞組溫度於或落入其設定點Twindingspt之預定公差以內。
第一PID控制器404繼續監控馬達外殼溫度Thousing。只要馬達外殼溫度Thousing測量值不在其設定點Thousingspt，則冷媒流係藉第二PID控制器414控制以控制定子繞組溫度Twinding至其設定點Twindingspt，同時具有冷卻馬達外殼之輔助效果，使得馬達外殼溫度Thousing被控制至其設定點Thousingspt。
如圖可知，於一高熱慣量系統中，本發明之二次迴路412快速響應於測量值Twinding。本發明陳述之辦法提供了總體而言更快速之閉路控制，同時維持了控制穩定性。由於快速冷卻結果，可防止定子繞組過熱，可能延長定子壽命。同理，定子繞組藉二次迴路412之相對快速加熱將防 止馬達外殼174之過冷，及減少或實質上消除於外殼上凝結的可能。PID控制器404提供輸入給二次迴路412且可根據感測得之外殼溫度而改變Twindingspt，使得該外殼不會被二次迴路412之操作所過冷或過熱。
於另一個實施例中，二次迴路412可監控由馬達汲取的電流量。另外或此外，於一給定馬達速度及溫度，第二PID控制器414可經程式規劃以監控由馬達汲取的電流量。汲取的電流量係與定子繞組溫度相關。當由馬達汲取的電流量超過於一已知馬達速度規劃至第二PID控制器中的一預定值時，第二PID控制器可發訊通知EEV 1043以開啟與供應冷媒給定子繞組。同理，當電流量係於或低於預定值時，EEV 1043被發訊通知以關閉停止冷媒流至定子繞組。系統恰如前文描述工作，但替代繞組溫度或除了繞組之溫度之外，二次迴路412監控及回應於由繞組所汲取之電流量，及響應於由定子繞組所汲取之電流量之改變、繞組溫度之改變、或兩者中之一者而發訊通矯EEV，當超過時，第二PID控制器414對該電流量之第一設定點或溫度作出回應。
於另一個實施例中，如圖5顯示，陳述一種溫度控制方案，其提供於完全冷激器操作頭壓範圍該壓縮機馬達之有效溫度控制。雖然圖4中描繪之溫度控制方案可用於許多應用用途，但特別利用離心壓縮機及結合冷激器系統之冷卻系統偶爾經驗了利用溫度控制方案之某些控制問題，諸如圖4顯示。於高負荷條件下，諸如當壓縮機於全負荷操 作及出現高冷激器頭壓之熱條件下，於冷激器負荷增高之情況下，適合使用此種參數監控定子繞組溫度Twinding及控制馬達外殼溫度，原因在於Twinding快速響應於定子溫度的改變，否則可能導致在高負荷條件下馬達過熱。但於低負荷條件下，壓縮機不要求以全功率操作。於此等低負荷條件下，壓縮機壓力減低，例如當冷卻負荷減低時，防止於離心壓縮機中之壓縮機湧浪。減低之壓力也導致較低功耗。於高熱慣量系統中，當負荷減低導致較低功耗時，系統能夠以極少的或無額外冷卻，處理於減低功率操作來自壓縮機的熱耗散。於此種情況下，於級聯系統中諸如圖4中描繪，利用定子繞組溫度Twinding以控制馬達外殼冷卻，可能導致不穩定的冷卻控制，且可能導致馬達外殼之過冷。
圖5中之控制系統利用兩個控制器，一個孤立PID控制器514及一個級聯PID控制器504，但PID控制器之配置係與圖4中描繪之配置相異。孤立PID控制器514及級聯PID控制器504兩者監控馬達外殼溫度Thousing及其與馬達外殼溫度設定點Thousingspt之關係。由附接至馬達外殼之一馬達外殼感測器測得之指示馬達外殼溫度之信號係透過一次PID迴路502傳輸給控制器504、514中之各者。此外，級聯PID控制器504也監控如藉附接至定子繞組之一馬達繞組溫度感測器決定的定子繞組溫度Twinding測量值及其與Twindingspt之關係。級聯PID控制器504及孤立PID控制器514兩者與一控制輸出選擇器530通訊。控制輸出選擇器也接收來自一壓力感測器或換能器指示頭壓Hpress，冷凝器與氣化器壓力間 之壓差之一信號。熟諳技藝人士將瞭解雖然級聯PID控制器504、孤立PID控制器514及控制輸出選擇器530係描繪為圖5之該控制系統中的分開組件，但此等組件可組合成不同模組或程式而在單一主機控制器或電腦內部發揮其功能。
控制輸出選擇器530也包括一頭壓設定點Hpressspt其係經規劃入控制輸出選擇器530。頭壓設定點Hpressspt可視需要修正。如此，若控制輸出選擇器包括一程式(或於一主機控制器內部之一程式)，則該控制輸出選擇器程式可經重新規劃以修正頭壓設定點。當該頭壓測量值Hpress係低於頭壓設定點Hpressspt時，控制輸出選擇器530決定孤立PID控制器須控制EEV 1043之操作，如圖5顯示。如此，當頭壓測量值Hpress為低時，如藉與頭壓設定點Hpressspt比較決定，馬達之冷卻係由外殼測量溫度Thousing及其與外殼溫度設定點Thousingspt間之關係決定，及EEV之控制係在於孤立PID控制器514，如圖5之描繪。當頭壓測量值Hpress高時，馬達之冷卻不僅係由藉級聯PID控制器504監控之外殼測量溫度Thousing及其與外殼溫度設定點Thousingspt間之關係決定，同時也由繞組溫度Twinding及其與Twindingspt間之關係(或如前文就圖4討論之電流量)決定。如此，當頭壓高時(高於Hpressspt)，控制輸出選擇器530決定孤立PID控制器須控制EEV 1043之操作及切換EEV之控制遠離孤立PID 514至級聯PID 504。因此，於高頭壓條件下，EEV之控制係在於級聯PID控制器504。於高頭壓條件下，系統正常將對定子溫度(或電流量)之改變起反應，該項改變比馬達外殼溫度之改變更快。於級聯PID 控制器504中，若冷卻不適合將馬達維持於期望之溫度範圍內，則Thousingspt、Twindingspt及Hpressspt中之任一者或全部之程式規劃可視需要修正。於圖5中，馬達溫度系統506包括頭壓感測器以及馬達外殼溫度感測器及定子繞組溫度感測器。當然，系統之可規劃性允許冷卻控制視需要地按季節隨著大氣條件之改變而重新規劃而無需關閉整個冷卻系統。
雖然已經參考較佳實施例描述本發明，但熟諳技藝人士將瞭解可不背離本發明之範圍做出各項改變及相當例可取代其元件。此外，可不背離其精髓而做出許多修正以調整特定情況或材料適應本發明之教示。因此，預期本發明並不限於揭示為預期用以實施本發明之最佳模式之特定實施例，反而本發明將包括落入於隨附之申請專利範圍內之全部實施例。

Claims (16)

  1. 一種用於控制具有馬達冷卻回路之壓縮機馬達之溫度之方法，該壓縮機馬達係在一冷卻回路中，該冷卻回路包含具有一馬達之一壓縮機、與該壓縮機呈流體連通之一冷凝器、與該冷凝器呈流體連通之一第一膨脹閥、與該第一膨脹閥呈流體連通及與該壓縮機呈流體連通之一氣化器，該馬達冷卻回路包含與該冷凝器及該壓縮機馬達呈流體連通之一第二膨脹閥，該壓縮機馬達進一步係在該第一膨脹閥下游至一壓縮機入口間與該冷卻回路呈流體連通，其中該壓縮機馬達進一步包括安裝於一馬達外殼內部之具有繞組之一定子及一轉子，及通過該第二膨脹閥從該冷凝器提供給該馬達冷卻回路作為一冷卻流體之冷媒流體，其中該改良特徵在於：提供一個一次控制迴路(primary PID loop)，該一次控制迴路包括安裝於一馬達外殼表面上之一壓縮機馬達外殼溫度感測器，及與該馬達外殼溫度感測器通訊之一第一比例積分微分(PID)控制器，該第一PID控制器以一馬達外殼溫度設定點進一步規劃；提供一個二次控制迴路(secondary PID loop)，該二次控制迴路包括安裝於該等定子繞組上之一定子繞組溫度感測器、及與該第二膨脹閥及該第一PID控制器通訊之一第二PID控制器，該第二PID控制器以一定子繞組溫度設定點進一步規劃； 提供指示該定子繞組溫度之一信號給該第二PID控制器；提供指示該馬達外殼溫度之一信號給該第一PID控制器；當該定子繞組溫度自該定子設定點溫度改變時，提供得自該第二PID控制器之一信號給該第二膨脹閥而調節冷媒流至該馬達冷卻回路；提供得自該第一PID控制器之一信號給該第二PID控制器重新規劃該定子繞組溫度設定點，該定子繞組溫度設定點係根據得自該馬達外殼溫度感測器指示該馬達外殼溫度之該信號、及由於冷媒流至該馬達冷卻回路，該馬達外殼溫度與該馬達外殼溫度設定點之變方，而由該第一PID控制器動態地計算。
  2. 如請求項1之方法，其中提供包含具有一馬達之一壓縮機之一冷卻回路之該步驟，進一步包含提供選自於由一離心壓縮機、一螺桿壓縮機及一渦卷壓縮機所組成之該組群中之一壓縮機。
  3. 如請求項1之方法，其中提供包括該壓縮機馬達之一馬達冷卻回路，且該壓縮機馬達包括安裝於一馬達外殼上之具有繞組之一定子及一轉子之該步驟，進一步包括置於該外殼內部及在該外殼與該定子間之一間隔件。
  4. 如請求項3之方法，其中該馬達外殼進一步包括一螺旋狀環，其提供從該馬達入口通過該馬達外殼之一流體通道給冷媒。
  5. 如請求項3之方法，其中該間隔件包含一高導熱材料。
  6. 如請求項1之方法，其中提供一馬達冷卻回路之該步驟進一步包括一馬達冷卻回路，其與該冷卻回路呈第一流體連通來提供冷媒液體給該氣化器，及與該冷卻回路呈第二流體連通來提供冷媒氣體給該氣化器。
  7. 如請求項1之方法，其中提供指示該定子繞組溫度之一信號給該第二PID控制器之步驟，係得自安裝於該等定子繞組上之一溫度感測器之一定子繞組溫度。
  8. 如請求項1之方法，其中提供指示該定子繞組溫度之一信號給該第二PID控制器之步驟，係藉一定子繞組電流計測量得之由該等定子繞組汲取之一電流量。
  9. 一種於冷卻系統中冷卻壓縮機馬達之系統，該冷卻系統具有由一馬達驅動之一壓縮機，該馬達進一步包含位在一馬達外殼內部之一定子及繞組、與該壓縮機呈流體連通之一冷凝器、與該冷凝器呈流體連通之一第一膨脹閥、與第一膨脹閥呈流體連通及與該壓縮機呈流體連通之一氣化器、及一馬達冷卻回路，其進一步包括與該冷凝器及該壓縮機馬達呈流體連通之一第二膨脹閥，該壓縮機馬達進一步係在該第一膨脹閥下游與一壓縮機入口之間與該冷卻系統呈流體連通，其中該系統之進一步特徵在於：一個一次控制迴路(primary PID loop)，該一次控制迴路包括安裝於該馬達外殼之一表面上之一壓縮機馬 達外殼溫度感測器，及以一馬達外殼溫度設定點規劃且與該馬達外殼溫度感測器通訊之一第一PID控制器；一個二次控制迴路(secondary PID loop)，該二次控制迴路包括一定子繞組溫度測量指示器、及與該第二膨脹閥及與該第一PID控制器通訊之一第二PID控制器，該第二PID控制器進一步以一定子繞組溫度測量指示器設定點規劃；當該定子繞組溫度測量指示器指示該定子繞組溫度自該定子繞組溫度指示器設定點改變時，響應於來自該定子繞組溫度測量指示器之一信號，該第二PID控制器係與該第二膨脹閥通訊以調節至該馬達冷卻回路之一冷媒流；該第一PID控制器與馬達外殼溫度感測器及該第二PID控制器通訊，根據該馬達外殼之該溫度、及由於冷媒流至該馬達冷卻回路，及該馬達外殼之該溫度與該馬達外殼溫度設定點之變方，該第一PID控制器重新規劃第二PID控制器之該定子繞組溫度指示器設定點。
  10. 如請求項9之系統，其中該定子繞組溫度測量指示器為一電流量感測器，其測量由該等定子繞組所汲取之該電流。
  11. 如請求項9之系統，其中該定子繞組溫度測量指示器為安裝於該等繞組上之一溫度感測器。
  12. 如請求項9之系統，其中該壓縮機馬達進一步包括置於該馬達外殼與該定子間之一間隔件。
  13. 如請求項12之系統，其中該馬達外殼進一步包括與該定子相對之一螺旋狀環作為用於冷媒之一通道。
  14. 如請求項9之系統，其中該馬達冷卻回路進一步包括與該氣化器連通之一液體出口，該液體出口提供液體冷媒給該氣化器。
  15. 如請求項14之系統，其中該馬達冷卻回路進一步包括在該定子與一馬達轉子間之一環，及與該氣化器連通之一通風口，冷媒通過該環及於回送至該氣化器之前提供馬達之進一步冷卻。
  16. 一種於冷卻系統中冷卻壓縮機馬達之系統，該冷卻系統具有由一馬達驅動之一壓縮機，該馬達進一步包含位在一馬達外殼內部之一定子及繞組、與該壓縮機呈流體連通之一冷凝器、與該冷凝器呈流體連通之一第一膨脹閥、與第一膨脹閥呈流體連通及與該壓縮機呈流體連通之一氣化器、及一馬達冷卻回路，其進一步包括與該冷凝器及該壓縮機馬達呈流體連通之一第二膨脹閥，該壓縮機馬達進一步係在該第一膨脹閥下游與一壓縮機入口之間與該冷卻系統呈流體連通，其中該系統之進一步特徵在於：與該膨脹閥呈流體連通之一控制輸出選擇器；一馬達溫度系統，該馬達溫度系統包括一冷卻系統壓力感測器，其監控該冷凝器及與該控制輸出選擇器連通之該氣化器間之壓力差；安裝於該馬達外殼之一表面 上之一馬達外殼溫度感測器及安裝於定子繞組上之一定子繞組溫度感測器；與該馬達溫度系統之該定子繞組溫度感測器及該馬達外殼溫度感測器通訊之一級聯PID控制器，該級聯PID控制器進一步與該控制輸出選擇器選擇性通訊，該級聯PID控制器進一步以一定子繞組溫度設定點規劃；與該馬達溫度系統之該馬達外殼溫度感測器通訊之一孤立PID控制器，該孤立PID控制器進一步與該控制輸出選擇器選擇性通訊，該級聯PID控制器進一步以一馬達外殼溫度設定點規劃；一第一PID迴路，該第一PID迴路提供該馬達溫度系統、該孤立PID控制器與該級聯PID控制器間之通訊；一第二PID迴路，該第二PID迴路提供該馬達溫度系統與該級聯PID控制器間之通訊；其中該控制輸出選擇器基於該冷卻壓力感測器測量得之壓力，提供該級聯PID控制器與該孤立PID控制器間之可選擇性通訊。
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