可变容量压缩机的控制和保护系统 |
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申请号 | CN200680002206.1 | 申请日 | 2006-05-24 | 公开(公告)号 | CN101103201A | 公开(公告)日 | 2008-01-09 |
申请人 | 爱默生气候技术公司; | 发明人 | N·贾扬特; | ||||
摘要 | 一种系统,包括电源,在小容量模式和全容量模式下运行的 压缩机 ,以及在小容量模式和全容量模式之间调节压缩机的启动装置。 控制器 在电源供应到启动装置之前将电源降低到预定 水 平,从而为启动装置利用,在小容量模式和全容量之间控制压缩机。 | ||||||
权利要求 | 1.一种系统,包括: |
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说明书全文 | 发明领域[0001]本发明涉及压缩机,更具体地,涉及一种容量可调节的压 缩机。 背景技术[0002]冷却系统,如那些在居民楼和商业楼使用的,通常包括至 少一台压缩机,使制冷剂在蒸发器和冷凝器之间循环,从而提供所需 要的冷却作用。压缩机可以直接或间接装配一个能控制其运转的恒温 器,从而控制冷却系统的运转。通常恒温器在居民或商业楼被安置在 中央或楼内其他可表示温度的地方。 [0003]冷却系统的压缩机可以输出一种以上容量的压缩制冷剂。 这样的压缩机允许恒温器在全容量模式和小容量模式之间选择,使压 缩机的输出更加密切地匹配建筑物的冷却需求。 [0004]在压缩机中,启动装置,如螺线管,通过在压缩机的非旋 转涡轮元件与旋转涡轮元件之间选择性地提供泄漏途径,可以用于在 小容量模式和全容量模式之间调节压缩机容量。泄漏路径通过以下方 式获得:径向或轴向选择分开涡轮,由此减小涡轮压缩制冷剂的能力。 [0005]电力可以选择性地供给螺线管,使压缩机在小容量模式和 全容量模式之间转换,并且通常由于供电产生温度升高。另外,由于 螺线管与旋转涡轮元件和非旋转涡轮元件中的至少一种相互作用,因 此螺线管可以部分设置在涡旋压缩机壳内,并且由于压缩机的运转产 生温度升高。给螺线管供电和/或压缩机内制冷剂缺乏循环都会使温度 升高,在这种温度升高的情况下,螺线管的运行也会负面影响其本身 的性能和耐久性。 [0006]螺线管在某些压缩机运转条件下的运行可以损坏螺线管 或压缩机。例如,如果压缩机存在下侧故障,如吸入压力丧失或是简 单的停机,制冷剂不能经过压缩机循环,如果运行,螺线管将过热。 在压缩机不能正常运转的任何其它工作条件(如堵转,电子故障如风 扇电容器故障,线圈电路断开等等),如果运行,同样也会引起螺线管 过热,并且可以造成螺线管或压缩机的损坏。 发明内容[0007]系统包括电源,在小容量模式和全容量模式下运转的压缩 机,以及启动装置,启动装置可以在小容量模式和全容量模式之间调 节压缩机。控制器在对启动装置供电之前控制电源到预定水平,以便 启动装置在小容量模式和全容量模式之间控制压缩机时使用。 [0009]从详细描述和附图中,将能更加完全地理解本发明的原 理。在附图中: [0010]图1是根据本发明原理的压缩机的立体图; [0011]图2是图1压缩机沿线A-A的剖视图; [0012]图3是图1压缩机使用的控制系统的框图; [0013]图4是冷却系统布置图,其中包括图1的压缩机和图3的 控制系统; [0014]图5是图3的控制系统的流程图;以及 具体实施方式[0016]以下的描述本质上仅仅是例证性的,决不限制本发明的原 理、应用或使用。 [0017]参考附图,表示冷却系统12的控制系统10。控制系统10 监视冷却系统12的运行特性,并且在小容量模式和全容量模式之间调 节与冷却系统12相连的压缩机13。在小容量模式和全容量模式之间 的调节,使控制系统10将压缩机13的输出量调节到冷却系统12的制 冷需求,这样,提高了冷却系统12的总效率。 [0018]压缩机13可以是可变容量的压缩机并且可以包括压缩机 保护和控制系统(CPCS)15,与控制系统10联合工作。CPCS 15根 据检测的压缩机参数决定压缩机13的运转模式,当条件不利时通过限 制运转保护压缩机13。CPCS 15可以是受让人共同拥有的美国专利申 请11/059646中披露的类型,该申请的提交日为2005年2月16日, 其内容通过引用结合在此。 [0019]尽管压缩机13被描述和显示为一种两段式的涡旋压缩 机,但应该理解的是,任何类型的可变容量压缩机都可以与控制系统 10一起使用。此外,尽管压缩机13将在下面的冷却系统12中加以描 述,但压缩机13可以同样应用于其它的类似系统,例如,冰箱、加热 泵、HVAC或冷凝系统,但不限于此。 [0020]特别参考图1,图示的压缩机13包括基本圆柱形的密封 壳体14,其具有位于顶部的焊接帽16,以及具有位于底部的多个焊接 的脚20的底18。帽16和底18结合在壳体14上,形成压缩机13的 内部空间22。帽16具有排放管接头24,同时壳体14类似地具有进入 管接头26,基本设置在帽16和底18之间。另外,电气箱28牢固地 装在壳体14上,基本处于帽16和底18之间,并且可操作地支撑一部 分CPCS15。 [0021]电机32驱动曲轴30相对壳体14旋转。电机32包括牢固 支撑在密封壳体14上的定子34,穿过其中的绕组36,以及压配合在 曲轴30上的转子38。电机32和相关的定子34、绕组36和转子38 驱动曲轴30相对壳体14旋转,从而压缩流体。 [0022]压缩机13还包括旋转涡轮元件40,在其顶面具有螺旋叶 片或齿(wraps)42,用于接收和压缩流体。在旋转涡轮元件40与轴 承壳46之间具有Oldham连接44,它对于旋转涡轮元件40和非旋转 涡轮元件48是关键的。Oldham连接44将旋转力从曲轴30传递到旋 转涡轮元件40,从而将旋转涡轮元件40和非旋转涡轮元件48之间的 液体压缩。Oldham连接44及其与旋转涡轮元件40和非旋转涡轮元 件48的相互作用,可以是受让人共同拥有的美国专利5320506中披露 的类型,其内容通过引用结合在此。 [0023]非旋转涡轮元件48还包括齿(wrap)50,其定位是与旋 转涡轮元件40的齿42啮合。非旋转涡轮元件48在中央具有排放通道 52,与向上开口的凹陷54连通。凹陷54与帽16形成的排放管接头 24以及隔件56流体相通,从而使压缩的流体经过通道52、凹陷54 和排放管接头24流出壳体14。非旋转涡轮元件48设计成以适当方式 安装在轴承壳46上,例如美国专利4877382或美国专利5102316中披 露的方式,其内容通过引用结合在此。 [0024]电气箱28包括下壳58、上壳60和空腔62。下壳58利用 多个小柱64装在壳体14上,小柱64焊接或牢固固定在壳体14上。 上壳60咬合安装在下壳58中,并在它们之间形成空腔62。空腔62 可操作以容纳控制系统10和/或CPCS15的相应部件。 [0025]图示的压缩机13为两段式压缩机,具有启动装置51,可 以选择性地将旋转涡轮元件40与非旋转涡轮元件48分离,从而调节 压缩机13的容量。启动装置51可以包括连接到旋转涡轮元件40的 DC螺线管53,使螺线管53在全容量位置与小容量位置之间的运动导 致旋转涡轮元件40的同时运动,由此调节压缩机容量。虽然图2所示 的螺线管53全部设置在压缩机13壳体14中,但螺线管53也可以位 于压缩机13壳体14的外部。应该理解的是,虽然使用了DC螺线管 53,但也可以在启动装置51内使用AC螺线管,并且也应当认为在本 发明原理范围内。 [0026]当螺线管53处于小容量位置时,压缩机13处于小容量模 式,这产生一部分总有效容量。例如,当螺线管53处于小容量位置时, 压缩机13可以仅仅产生约2/3的总有效容量。其它的小容量也是可以 的,例如达到或低于10%到等于或高于90%。但是,当螺线管53处 于全容量位置时,压缩机13处于全容量模式,并且为冷却系统12提 供最大冷却容量(如,约100%容量或更多)。 [0027]螺线管53运动到小容量位置,使旋转涡轮元件40的齿 42与非旋转涡轮元件48的齿50分离,从而减小压缩机13输出量。 相反,螺线管53运动到全容量位置,使旋转涡轮元件40的齿42靠近 非旋转涡轮元件48的齿50,增大压缩机13输出量。在这种方式下, 可以根据制冷需求或响应于故障条件调节压缩机13的容量。优选地, 启动装置51是受让人共同拥有的美国专利6412293中披露的类型,其 内容通过引用结合在此。 [0028]参看图2和3,控制系统10在电气箱28内包括具有整流 器72的控制器70、微控制器74和装在压缩机13壳体14上的三端双 向可控硅开关元件(Triac)76。虽然描述和图示的控制器70装在压 缩机13的壳体14上,但控制器70也可以位于距离压缩机13较远的 位置,用于控制螺线管53的运行。 [0029]整流器72、微控制器74和Triac76与螺线管53的控制运 动配合,从而调节压缩机13的容量。系统10由连接到Triac76的AC 电源79供电,例如24伏AC。Triac76接收AC电并在供应到整流器 72之前降低电压。虽然Triac76描述为连接到24伏AC电源,但Triac76 可以连接到任何适合的AC电源。 [0030]微控制器74连接到AC电源79,监测Triac76的输入电 压;并且还连接到Triac76,用于控制供应到螺线管53的电源。微控 制器74另外连接到恒温器78,并根据从恒温器78接收的输入,控制 Triac76的运行。虽然控制器70描述为包括微控制器74,但控制器70 也可以与CPCS15共享处理器,例如微控制器。此外,虽然给出了微 控制器74,但CPCS15和控制器70也可以使用任何适合的处理器。 [0031]处理器74也可以是控制系统10单独使用的单独处理器, 或者可以是由控制系统10和CPCS15共享的公共处理器。在任一种 情况下,微控制器74与CPCS15相通。微控制器74和CPCS15之间 的通讯,允许微处理器74保护螺线管53在CPCS15确定压缩机和/ 或系统故障条件期间不受损坏。 [0032]例如,如果CPCS15检测到下侧故障,例如丧失吸入压力, 微控制器74对检测到的特定故障作出反应并限制给螺线管53的电力。 在下侧故障例如丧失吸入压力状态下继续运转螺线管可能会使螺线管 过热,因为制冷剂不能经过压缩机13循环并且由此不能在运行过程中 冷却螺线管53。这种作用在压缩机13和/或系统12不利的条件下防止 螺线管53运行。 [0034]在运行时,整流器72从Triac76接收降压的AC电,并在 供应到螺线管53之前将AC电转换为DC电。Triac76供应的降压AC 电,使降压的DC电供应到螺线管53(通过整流器72),由此降低螺 线管53的工作温度。结果,防止螺线管53与过热有关的损坏。虽然 给出了Triac76,但也可以使用任何适合的装置降低电源79的AC电 压,例如,MOSFET,但不限于此,并且这应该被认为是在本发明原 理范围内。 [0035]参看图5和图6,下面详细描述控制系统10和冷却系统 12的运行。螺线管53开始偏在小容量位置,使压缩机13处于小容量 模式。以这种方式定位螺线管53,使压缩机13开始工作在小容量模 式(即,在部分负载下)。压缩机13在小容量模式下开始运转,可以 防止压缩机13内部零件的过度磨损和不必要磨损,因此延长压缩机 13的工作寿命。压缩机在小容量负载下启动,也避免了对启动电容或 启动工具包(例如,电容和继电器的组合)的需求,因此降低系统成 本和复杂性。 [0036]在运行时,恒温器78监测制冷空间81的温度,例如建筑 物或冰箱内部,将检测的温度与设定的温度对比(图4)。设定温度一 般是由恒温器78输入的,从而允许居民将建筑物内部的温度调节到所 需数值。当恒温器78判断冷却空间81的检测温度超过设定温度,则 恒温器78首先确定检测的温度超过设定温度的程度。 [0037]如果检测的温度超过设定温度最小数值(例如,在1到3 华氏度之间),则恒温器78通过产生第一控制信号(图5中的Y1所 示)进行第一阶段制冷。如果检测的温度超过设定温度很大数量(例 如,大于5华氏度),则恒温器78通过产生第二控制信号(图5的Y2 所示)进行第二阶段制冷。相应的信号Y1、Y2发送到控制系统10的 微控制器74,从而通过螺线管53的调节而在小容量模式和全容量模 式之间调节压缩机容量。 [0038]上述操作是在使用两段式恒温器的基础上做出的,该恒温 器能基于建筑物内的工作温度产生多个控制信号。由于两段式恒温器 较贵,可以通过监测压缩机13在小容量模式下运行的时间长度,实现 在小容量模式和全容量模式之间控制压缩机13。例如,如果压缩机13 在小容量模式下运行预定的时间长度,并且恒温器78仍执行增大制 冷,则微控制器74可以将压缩机13转到全容量模式。通过基于恒温 器78给出的制冷需求以及压缩机13在小容量模式下运行的时间长度, 允许微控制器74调节压缩机13在小容量模式和全容量模式之间运行, 从而避免使用两段式恒温器。为了简化,下面将结合两段式恒温器78 描述压缩机13和相关CPCS15的运行。 [0039]在开始时,在操作77,压缩机13初始处于停止状态,从 而不为电机32供电。在操作80,微控制器74监测恒温器78的信号 Y1,这表示需要第一阶段制冷。如果恒温器未申请第一阶段制冷,则 压缩机13保持停止。如果恒温器78申请第一阶段制冷,在操作82, 则微控制器74在小容量模式下(即,部分负载)启动压缩机13,使 制冷剂循环经过冷却系统12。此时,螺线管53处于小容量模式下。 [0040]在部分负载下(即,小容量模式)启动压缩机13,减小 压缩机13承受的初始负载。减小负载能延长压缩机13的寿命,并促 进压缩机13的启动。如果压缩机13在全容量模式下启动(即,当螺 线管53处于全容量位置时),压缩机13可能由于较重的负载而产生问 题。 [0041]一旦在小容量模式下运行,在操作84,则微控制器74监 测恒温器78的信号Y2,这表示需要第二阶段制冷。如果恒温器78 未申请第二阶段制冷,则微控制器74继续监测恒温器78的信号Y2, 并继续在小容量模式下运行压缩机13,直到恒温器78不再申请第一 阶段制冷。如果恒温器78申请第二阶段制冷,在操作86,则微控制 器74判断CPCS15是否检测到任何具体系统或压缩机故障。如果 CPCS15检测到具体压缩机或系统故障,在操作88,则微控制器74 保持压缩机13在小容量模式下工作,而不管第二阶段制冷需求,从而 在不利条件下保护压缩机13和螺线管53不在全容量模式下运行。 [0042]诸如堵转状态的压缩机故障,诸如风扇电容器故障或线圈 电路断开的电力故障,和/或诸如负荷损失或冷凝器脏化的系统故障, 可以在压缩机13处于全容量模式运行时导致压缩机13和/或螺线管53 损坏。因此,微控制器74保持压缩机13在小容量模式下运行,从而 在CPCS15检测到这些压缩机、电力和/或系统故障时保护压缩机13 和螺线管53。 [0043]如果CPCS15未检测到压缩机或系统故障,在操作90, 则微控制器74接着检测供应到Triac76的先导电压值(即,电源79)。 对于举例说明的24伏AC电源,如果输入电压小于18V,在操作88, 则微控制器74保持螺线管53处于小容量位置,由此压缩机13处于小 容量模式,而不管第二阶段制冷的需求。但是,如果输入电压大于18V, 在操作92,则微控制器74判断压缩机13是否运行预定时间长度。 [0044]如果压缩机13已经运行了小于5秒的时间长度,则微控 制器74通过将螺线管53的位置保持在小容量位置,使压缩机13继续 在小容量模式下运行。虽然给出了5秒的时间长度,但也可以使用任 何适合的时间长度。 [0045]如果微控制器74判断压缩机13已经运行了超过5秒,在 操作94,则微控制器74再次检测供应到Triac76的先导电压,并调节 供应的DC电压的相位角。将检测的电压与相位控制角绘成曲线(图 6),确定Triac76在将DC电压供应到螺线管53时所用的适合相位角。 [0046]例如,如果检测的电压是22V,则微控制器74将相位角 调节到60%。此外,如果检测的电压是20.5V,则微控制器74将相位 角调节到70%。这些调节使微控制器74在电压波动期间为螺线管53 持续供应恰当的电压值。 [0047]一旦确定了相位角,在操作96,则微控制器74定位螺线 管53,使压缩机13在全容量模式下运行。微控制器74将DC电压通 过Triac76供应到螺线管53约0.9秒。为螺线管53供电,使螺线管 53从小容量位置运动到全容量位置,从而将压缩机的容量从小容量模 式转变到全容量模式。微控制器74继续在全容量模式下运行压缩机 13,直到恒温器78去除Y2信号。虽然这里为螺线管53供电0.9秒, 但根据特定螺线管53和压缩机13,可以为螺线管53供电较长或较短 时间。 [0048]当压缩机13在全容量模式下运行时,分别与蒸发器89和 冷凝器91相连的鼓风机(图4中示意性表示为参考数字85)将增大 旋转速度,从而增大穿过相应热交换器的气流。可以使用从小容量模 式到全容量模式启动压缩机13所用的相同5秒时间延迟,实现增大旋 转速度,从而增大的旋转速度与从第一阶段制冷过渡到第二阶段制冷 一致。 [0049]例如,如果鼓风机85运行大约5秒,则每台鼓风机85可 以自动地将旋转速度增大到全速状态。因此,将鼓风机85的增大旋转 速度自动设置在与压缩机13调节到全容量模式相同的时间出现,并且 不再是恒温器78的指令造成的结果。此设置减小控制系统10的复杂 性,同时仍将提高效率和改善操作。 [0050]控制系统10通过选择性地将DC电压供应到螺线管53, 从而可以在小容量模式和全容量模式之间调节压缩机。所提供的电源 是通过Triac76和整流器72供应的,从而降低供应到螺线管53的电 压。降低电压使螺线管53在较低温度下运行,从而防止螺线管53过 热。此外,降低电压还可以使用较小的变压器(例如在炉子中),冷却 系统12与变压器相连,因为需要较小的电压使螺线管53在小容量位 置与全容量位置之间变换。 [0051]控制系统还可以使用一段式恒温器或两段式恒温器。如上 所述,虽然恒温器可以与压缩机13和CPCS15配合工作,但选择一 段式恒温器而不是两段式恒温器,降低了系统的总成本和复杂性。一 段式恒温器78,通过计算压缩机13在小容量模式下运行的时间长度, 而不是通过供应两个不同的制冷信号(即,一个用于小容量,另一个 用于全容量),控制压缩机13从小容量模式调节到全容量模式,从而 提供两段式的功能。此外,通过协调配合旋转速度的增大与压缩机容 量的增大,也可以将计时原理应用于蒸发器和冷凝器鼓风机85的操 作。因此,控制系统10可以同时降低控制系统10和冷却系统12的复 杂性和成本。 [0052]对原理的描述本质上仅仅是例证性的,并不能将各种变化 认为是偏离本发明原理的精神和范围。 |