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CN101411045A - 变速驱动器控制 - Google Patents

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Abstract

压缩机由马达提供动力，而马达则由变速驱动器(VSD)提供动力。VSD的开关频率与电压/频率的关系可被动态调节以使效率最大化。

Description

变速驱动器控制
相关申请的交叉引用
要求序号为60/623,263、提交于2004年10月29日、名称为“变速驱动器控制”的美国专利申请的优先权，其公开的内容如同详细的阐述一样在这里作为参照引入。
背景技术
本发明涉及马达控制。尤其是，涉及对用于压缩机马达的变速驱动器的控制。
在制冷应用中，压缩机用于将工作流体(制冷剂)从初始(吸入)状态压缩到压缩(排出)状态。初始状态以饱和吸入温度(SST)为特征而排出状态以饱和排出温度(SDT)为特征。对于给定的制冷剂，压缩机(不包括为其提供动力的马达)将具有由多种考虑因素决定的性能范围，这些因素包括效率和可靠性。该性能范围可由三维空间近似表示，其维度是SST、SDT以及第三维度(例如，压缩机速度或功率参数)，该第三维度表现考虑了其他两个维度的输出。涉及马达和其他组件的考虑因素将在压缩机的运行范围中进一步限定系统的运行范围。
典型的压缩机由密封的马达提供动力，而马达则由变速驱动器(VSD)提供动力。VSD供给调制交流电输出，该交流电输出具有特有的输出电压和输出频率。VSD从动力供给装置(例如，460VAC，60Hz)接收动力。在基本的VSD中，输出电压和输出频率间的关系是大致固定和近似线性的。由于这样的基本VSD和密封马达，使得马达的速度是驱动频率的大致固定且近似线性的函数。在没有可变比率传动的情况下，马达速度与压缩机速度的比率将是固定的并且可以是简单的1∶1的比率。
压缩机所需转矩(并且因此由马达供给)将基本上是SDT和SST的函数，并且将基本上独立于第三压缩机性能范围参数。在基本的运行中，在给定的SST和SDT下，马达和压缩机速度将由负载(例如，空气调节负载)决定。给定的马达速度与驱动器的固定电压/频率曲线(直线)上成比例的频率位置相关联。然而，在电压/频率曲线的给定点上，驱动器的电流消耗(current draw)将相应地由SST值和SDT值决定。例如，在给定的电压和频率下，如果SDT突然增加，转矩将会在给定的速度下增加，从而迫使来自VSD的动力增加和相应的电流增加。
某些VSD允许电压/频率关系的选择。当驱动器与其马达相关联用于给定的应用时，这些通常是预设的。
在压缩机/空调系统的设计中运行效率始终是令人关注的。
发明内容
本发明的一方面是一种控制变速驱动器的方法，该变速驱动器为马达供给有输出电压和输出频率的脉宽调制电力以驱动压缩机。该方法包括至少如下之一的步骤：与改变输出频率相关联地，动态改变换流器开关频率；以及在所述频率的频域的第一部分内，按照所述电压与所述频率之间的动态变化的关系，运行驱动器。
在不同实施中，可施行该方法，以便与所述电压与所述频率间基本恒定的比率及基本恒定的所述换流器开关频率相比，提高效率。这可以包括通过至少下述方法之一来所述动态地改变换流器开关频率：基本上通过阶跃函数，所述阶跃函数至少在下述二值之间：与输出频率的第一范围相关联的换流器开关频率的第一值；和与输出频率的第二范围相关联的换流器开关频率的第二值；以及在输出频率的范围内，与改变输出频率相关联地连续改变换流器开关频率。
本发明的另一方面包含压缩机系统。马达与压缩机结合以驱动该压缩机并具有马达速度。变速驱动器与马达结合，以便为马达供给具有电压和频率的电力。控制装置与该变速驱动器结合并被构造成运行该变速驱动器以供给所述电力，以便改善马达和变速驱动器的组合效率，使其高于基准效率，该基准效率与基本恒定的换流器开关频率、以及所述电压与所述频率间基本恒定的比率相关联。
在不同实施中，在所述速度的第一范围内，所述电压可随所述速度大致线性增加。在所述速度的高于所述第一范围的第二范围内，所述电压可保持基本恒定。该控制装置可构造成在第一范围内以基本上随所述速度线性增加的所述频率供给所述电力。
本发明的另一方面包括一种用于再造变速驱动器和马达的组合或者将所述组合的构造从基准状态再设计到第二状态的方法。控制硬件或软件配置与变速驱动器结合，用于运行该变速驱动器以供给所述电力。该控制硬件或软件被构造成，改善马达和变速驱动器的组合效率，使其高于基准状态效率，该基准状态效率与基本恒定的换流器开关频率以及所述电压与所述频率间基本恒定的比率相关联。
在不同实施中，该组合效率可在该组合的至少一半频域内与基准效率相比得到改善。该组合效率在该组合的基本整个频域内与基准效率相比得到改善。该第二状态可包括非恒定的换流器开关频率和所述电压与所述频率间非恒定的比率。该第二状态可包括：换流器开关频率作为所述频率的函数连续变化；所述电压在所述频率的一部分频域内基本恒定。该第二状态可包括：换流器开关频率作为所述频率的阶跃函数变化，并且所述换流器开关频率具有2-10个开关频率等级。
本发明一个或更多实施例的细节在下面的附图与描述中予以阐明。本发明其他的特征、目标及优点将从该描述和附图以及权利要求中得以显现。
附图说明
图1是压缩机系统的框图。
图2是图1所示系统的变速驱动器的框图。
图3是换流器开关频率相对于驱动器输出频率的第一曲线图。
图4是换流器开关频率相对于驱动器输出频率的第二曲线图。
图5是在数个功率等级下的马达效率相对于马达输入电压的曲线图。
图6是在最大马达效率下马达输入电压相对于轴速度的曲线图。
图7是在最大驱动器效率下驱动器效率相对于驱动器输出电压的曲线图。
图8是最优化效率条件下驱动器输出电压相对于轴速度的曲线图。
在各图中，相同的附图标记和名称表示相同的元件。
具体实施方式
制冷系统的运行效率可以反映压缩机工作元件、马达和VSD的固有效率，以及协同的效率。如果给定压缩机的物理和运行参数，则可以利用马达和VSD运行参数的控制，来提供有效的运行。例如，压缩机的物理参数包括压缩机的结构和尺寸以及压缩机工作流体的性质。运行参数包括用于某个目标或其他运行环境的饱和吸入温度(SST)和饱和排出温度(SDT)。这些值可用于作为吸入和排出压力的替代。上述参数还包括容量(例如，趋向与马达速度正好成正比的流量)。
图1示出一种典型的系统，在该系统中，VSD20从动力供给装置22中(例如，460V/60Hz典型美国商业电源中的三相AC线路电源)获得电力。VSD20对马达24输出电力，接着马达24提供机械动力以驱动压缩机26(以分体示出，但可选地与马达成一体)。该VSD的输出电压可为脉宽调制(PWM)AC(例如，可控频率的三相电源，用于在与这种频率相关联的马达速度下驱动马达)。
图2示出VSD20的更多细节。该VSD包括经过线路28获得输入电力并输出DC电力的整流器30。换流器32接收该DC电力，并经过输出线路34为马达输出PWM输出电力。DC存储设备36可位于整流器和换流器之间，以调和电压下降、电压尖峰以及其他瞬时的传递或负载现象。
典型的整流器30是三相硅可控整流器(thyristor rectifier)。典型的换流器是使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)的三相电桥，该三相电桥具有形成6个开关的续流二极管，以控制PWM输出电力的电压和频率。
在开关频率下运行换流器。在PWM输出信号中，脉冲和脉冲间空位的持续时间是t的整数倍，这里t是开关频率的倒数。在给定的输出频率下，特定的开关频率可使换流器和马达的总损失最小化。注意换流器损失，它们至少部分是开关频率和电流消耗的函数。因而，降低开关频率可最小化换流器损失。降低开关频率会降低PWM信号对正弦波的紧密度，并因而增加信号中的谐波。马达损失至少部分是谐波的函数。由于较高的开关频率，谐波可被最小化，并且因此能最小化马达的损失。这两种竞争的考虑因素意味着在给定的输出频率下，会存在效率最大化的开关频率(其他情况相同)。在较低的输出频率下，与给定的开关频率相关联的谐波等级被降低。因而能通过输出频率降低/升高时降低/升高开关频率，来再平衡马达和换流器的损失。
图3示出开关频率82(kHz)和输出频率84(最大值的百分数，例如马达最大值和/或驱动器最大值的百分数)间基本的线性关系80，以达到比在基本恒定的开关频率下获得的效率更高的效率。图4示出具有两个等级的阶跃函数关系86。更多的等级是可能的并可用于模拟线性或非线性函数。离散等级的典型数值是2-10。线性的或简单的阶跃函数可硬绑定到VSD的控制电路系统中。然而还可以将更复杂的关系编程设计到控制器90(图1，例如，微控制器)中。这些可考虑其他参数，包括从各种传感器(例如，确定压缩机热力学运行状态的温度传感器92和检测VSD和/或马达状态的电压、电流和/或频率传感器94和96)接收的实时数据。
现在转向马达效率，图5示出在一系列典型功率等级下，马达效率120相对于马达输入电压122的曲线图，由曲线124A、124B和124C分别标识。这些曲线可由实际马达的测量、或由估计值或模拟技术确定。每个曲线的最大值表示相关联的功率和电压下的峰值效率运行状态。对于给定的压缩机，所需的马达转矩将是SST和SDT的函数。如果这些值是固定的，转矩将基本固定。如果马达转矩是固定的，那么马达功率的输出与马达速度成比例。通过使用图5中的几个最大值125A、125B、125C，能够绘出(图6)马达电压122相对于轴速度130生成的效率最大化曲线126，该轴速度130与给定的功率输出相关联。曲线126可接近电压对频率或驱动器速度间的线性关系。对于马达，马达气隙中的通量密度与电压和频率间比率成比例。对于给定的频率，如果电压增加，那么通量密度将相应增加。超出临界密度，马达定子铁损增加。对于典型的马达，近似的临界密度大约是1.4Tesla。只要通量密度低于该值，由通量密度导致的损失就不会实质改变。
现在转回到VSD，可以绘制各种运行条件下驱动器效率140相对于驱动器输出电压142的曲线图。图7示出曲线族144A、144B、144C，功率从曲线144A到144C增加，而每一条表示恒定的功率状态。终点145A、145B、145C表示在驱动器最大运行电压下各自的效率。某些驱动器损失的特征在于随着电流消耗直接变化，而其他随着电流消耗的平方变化。结果是当电流消耗减小时效率增加。特别地，可以认为换流器中主要的损失归为两类：传导损失和开关损失。传导损失被认为具有两个部分：一部分与电流和电压成比例；而另一部分与电流的平方和电阻成比例。当电压增加时，在给定的输出频率和开关频率下，电流减小并且因此换流器传导损失减小。开关损失也与电流成比例并且因此将在较高的电压下很小。因而在给定的频率下，驱动器效率通常随输出电压增加。
驱动器输出电压是马达的输入电压。图8绘出马达输入/驱动器输出电压122、142相对于轴速度130的曲线图。曲线150示出可能的运行状态，该曲线150由效率最大化的马达电压曲线126的低轴速度部分和驱动器电压限度曲线152的较高轴速度部分限定。曲线152反映驱动器拓扑(drive topology)并且其基于对驱动器的输入电压可以是恒定的。它可同时反映效率和可靠性/安全性的考虑因素。作为对比，线154示出标准的或默认的电压/频率曲线(基本通过恒定因数相关联的轴速度和频率)。
基于前述内容，可能的运行协议包括：在选择开关频率以平衡相关联的马达和驱动器损失的同时，控制VSD以在位于或靠近曲线150的电压下运行，以驱动器限制为条件使与电压关联的马达效率最大化。
已经描述了本发明的一个或多个实施例。然而，可以理解的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变形。例如，驱动器/马达控制可考虑那些讨论过之外的另外的因素，并且因而，进一步平衡所得到的结果。相应地，其他实施例处于下列权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种控制变速驱动器的方法，该变速驱动器为马达供给有输出电压和输出频率的脉宽调制电力以驱动压缩机，该方法包括至少如下之一的步骤：
与改变输出频率相关联地，动态改变换流器开关频率；以及
在输出频率频域的第一部分内，按照所述输出电压与所述输出频率之间的动态变化的关系，运行驱动器。
2.如权利要求1所述的方法，包括以下两个步骤：
所述与改变输出频率相关联地动态改变换流器开关频率；以及
所述在输出频率频域的所述第一部分内，按照所述输出电压与所述输出频率之间的动态变化的关系，运行驱动器。
3.如权利要求1所述的方法，执行该方法，以便与所述输出电压和所述输出频率间基本恒定的比率及基本恒定的所述换流器开关频率相比，提高效率。
4.如权利要求1所述的方法，包括通过至少下述方法之一来所述动态地改变换流器开关频率：
基本上通过阶跃函数，所述阶跃函数至少在下述二值之间：与输出频率的第一范围相关联的换流器开关频率的第一值；和与输出频率的第二范围相关联的换流器开关频率的第二值；以及
在输出频率的范围内，与改变输出频率相关联地连续改变换流器开关频率。
5.一种压缩机系统，包括：
压缩机；
与压缩机结合的马达，该马达用于驱动该压缩机并具有马达速度；
与马达结合的变速驱动器，该变速驱动器为马达供给具有电压和频率的电力；以及
与该变速驱动器结合的控制装置，该控制装置被构造成运行该变速驱动器以供给所述电力，以便改善马达和变速驱动器的组合效率，使其高于基准效率，该基准效率与基本恒定的换流器开关频率、以及所述电压与所述频率间基本恒定的比率相关联。
6.如权利要求5所述的系统，其中：
在所述速度的第一范围内，所述电压随所述速度大致线性增加；以及
在所述速度的高于所述第一范围的第二范围内，所述电压保持基本恒定。
7.如权利要求5所述的系统，其中该控制装置构造成在第一范围内以基本上随所述速度线性增加的所述频率供给所述电力。
8.一种用于再造变速驱动器和马达的组合或者将所述组合的构造从基准状态再设计到第二状态的方法，该方法包括：
配置与变速驱动器结合的控制硬件或软件，用于运行该变速驱动器以供给所述电力，以便改善马达和变速驱动器的组合效率，使其高于基准状态效率，该基准状态效率与基本恒定的换流器开关频率以及所述电压与所述频率间基本恒定的比率相关联。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述组合效率在该组合的至少一半频域内与基准效率相比得到改善。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述组合效率在该组合的基本整个频域内与基准效率相比得到改善。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述第二状态包括非恒定的换流器开关频率和所述电压与所述频率间非恒定的比率。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述第二状态包括：
换流器开关频率作为所述频率的函数连续变化；
所述电压在所述频率的一部分频域内基本恒定。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述第二状态包括：
换流器开关频率作为所述频率的阶跃函数变化，并且所述换流器开关频率具有2-10个开关频率等级。
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