變頻驅(qū)動器操作和控制的裝置、系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請總地涉及變頻驅(qū)動器操作和控制的裝置、系統(tǒng)和方法。變頻電動機驅(qū)動器 提供了針對例如驅(qū)動壓縮機或用于加熱、換氣、空調(diào)或冷卻（HVACR)系統(tǒng)的其它負載的應 用的若干潛在好處，包括用于增強效率、功率密度和速度控制精度的潛力。這種電動機驅(qū)動 器關(guān)于廢熱和廢熱的控制存在獨特的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的設計通常尋求在所有操作狀況下根據(jù)其 它操作目標而最大限度地將浪費損失減小至盡可能的程度。已經(jīng)做出某些方案用于回收由 于變頻驅(qū)動器操作產(chǎn)生的一部分廢熱。這些方案承受了許多不利和缺點，包括那些關(guān)系到 廢熱的控制和有效利用的缺點。這種電動機驅(qū)動器關(guān)于可聽噪聲和其控制也存在獨特的挑 戰(zhàn)。傳統(tǒng)的設計通常尋求在所有操作狀況下通過例如設定與電動機負載所容許一樣高的開 關(guān)頻率，從而最大限度地減小可聽噪聲。這些方案承受了許多不利和缺點，包括那些關(guān)系到 系統(tǒng)效率和廢熱產(chǎn)生的缺點。當前對于這里公開的獨特且新穎的裝置、方法和系統(tǒng)仍存在 極大的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002] 出于清晰、簡明且精確地描述本發(fā)明的典型實施例、制造和使用它們的方式和過 程，并且可制造和使用它們進行實踐的目的，現(xiàn)在將參考某些典型的實施例，包括圖中所示 的那些實施例，并且專用術(shù)語將用于描述它們。然后應該懂得不會因此產(chǎn)生本發(fā)明的范圍 限制，而且本發(fā)明包括和保護本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所能想到的典型實施例的這種變體、改 型和進一步的應用 總結(jié) 下面將概括許多非限制性的典型實施例。從以下描述和附圖中將明晰進一步的實施 例、形式、目的、特征、優(yōu)勢、方面和好處。
[0003] -個典型的實施例是一種系統(tǒng)，其包括：壓縮機、膨脹器、第一熱交換器和第二熱 交換器，其在流體方面聯(lián)接在一起從而形成蒸氣壓縮回路；電動機，其配置成驅(qū)動壓縮機； 變換器（inverter)，其包括多個開關(guān)元件，變換器配置成通過開關(guān)元件的操作而為電動機 提供輸出電壓；廢熱回收回路，其配置成將廢熱從變換器傳遞給系統(tǒng)的選定的構(gòu)件；以及 控制器，其包括構(gòu)造成感測系統(tǒng)狀況的系統(tǒng)狀況模塊，構(gòu)造成至少部分地基于系統(tǒng)狀況而 確定熱量產(chǎn)生要求的熱量生產(chǎn)模塊，以及構(gòu)造成為變換器的開關(guān)元件提供開關(guān)命令的變換 器操作模塊，其中控制器配置成至少部分地基于熱量產(chǎn)生要求而改變每單位時間的開關(guān)命 令的數(shù)量。
[0004] 在某些形式中，控制器配置成通過改變PffM信號的開關(guān)頻率而改變每單位時間的 開關(guān)命令的數(shù)量。在某些形式中，控制器配置成通過在連續(xù)的PWM信號和不連續(xù)的PWM信 號之間的變化而改變每單位時間的開關(guān)命令的數(shù)量。在某些形式中，狀況包括系統(tǒng)起動狀 況。在某些形式中，蒸氣壓縮回路的工作流體包括制冷劑和油；并且廢熱回收回路構(gòu)造成將 熱量從變換器傳遞給工作流體，使得制冷劑沸騰并與油分離。在某些形式中，廢熱回收回路 配置成與壓縮機潤滑油交換熱量。在某些形式中，選定的構(gòu)件是壓縮機的吸入管線，并且狀 況包括吸入管線中的制冷劑的溫度。某些形式還包括反向機構(gòu)，其可操作成使蒸氣壓縮回 路中的制冷劑的流向反轉(zhuǎn)。在某些形式中，選定的構(gòu)件是第一熱交換器和第二熱交換器中 的至少一個，并且狀況包括流向的反轉(zhuǎn)。某些形式還包括溫度傳感器，其配置成感測變換器 溫度；其中變換器操作模塊進一步構(gòu)造成響應于變換器溫度高于基準溫度而減少每單位時 間的開關(guān)命令的數(shù)量。
[0005] -個典型的實施例是一種系統(tǒng)，其包括：制冷劑環(huán)路，其包括壓縮機、冷凝器、膨脹 器和蒸發(fā)器；電動機，其配置成驅(qū)動壓縮機；變頻驅(qū)動器，其包括配置成驅(qū)動電動機的變換 器；冷卻回路，其配置成接收由于變換器的操作而產(chǎn)生的熱量；控制器，其配置成將開關(guān)命 令提供給變換器；其中控制器配置成基于一個或多個第一準則而改變開關(guān)命令的速率，以 便選擇性地增加由變換器產(chǎn)生的熱量，從而提高對冷卻回路的熱傳遞，并基于一個或多個 第二準則而選擇性地減少由變換器產(chǎn)生的熱量。
[0006] 在某些形式中，控制器配置成通過不提供開關(guān)命令達預定的持續(xù)時間或預定的時 間，而改變開關(guān)命令的速率。在某些形式中，冷卻回路進一步配置成將熱量傳遞給蒸發(fā)器的 制冷劑入口和壓縮機之間的制冷劑環(huán)路，其中第一準則包括在蒸發(fā)器的制冷劑入口和壓縮 機之間的工作流體的溫度低于預定的過熱溫度。在某些形式中，冷卻回路進一步配置成將 熱量傳遞給蒸發(fā)器，其中第一準則包括檢測到蒸發(fā)器上的結(jié)霜。某些形式還包括油管線，其 配置成將油供給壓縮機，其中冷卻回路進一步配置成將熱量傳遞給油管線。
[0007] -個典型的實施例是一種方法，其包括：為變換器提供脈寬調(diào)制（PffM)模式，PffM 模式在第一信號幅度和第二信號幅度之間轉(zhuǎn)變，第一信號幅度大于第一信號幅度；基于 PWM模式操作變換器，以便提供電壓輸出，從而驅(qū)動電動機，其中熱量是作為操作變換器的 副產(chǎn)物而產(chǎn)生的，并且產(chǎn)生的熱量數(shù)量與在第一信號幅度和第二信號幅度之間的轉(zhuǎn)變的數(shù) 量相關(guān)聯(lián)；利用電動機驅(qū)動制冷系統(tǒng)的壓縮機，制冷系統(tǒng)包括壓縮機、冷凝器和蒸發(fā)器；在 變換器和制冷系統(tǒng)的構(gòu)件之間利用在熱方面聯(lián)接在變換器和該構(gòu)件上的熱量傳遞回路而 傳遞熱量；確定構(gòu)件上是否需要額外的熱量；并且響應于這種確定而修改PWM模式，使得 PWM模式在第一信號幅度和第二信號幅度之間更頻繁地轉(zhuǎn)變。
[0008] 某些形式還包括確定構(gòu)件上是否不再需要熱量，并基于這種確定而停止傳遞熱 量。在某些形式中，構(gòu)件包括蒸發(fā)器，在變換器和蒸發(fā)器之間傳遞的熱量會加熱蒸發(fā)器中的 工作流體，工作流體包括制冷劑和滑潤劑。某些形式還包括通過利用傳遞的熱量使制冷劑 沸騰而使滑潤劑與制冷劑分離，以及使滑潤劑返回壓縮機。某些形式還包括確定是否需要 產(chǎn)生較少熱量，并響應于這種確定而修改PWM模式，使得PWM模式在第一信號幅度和第二信 號幅度之間較不頻繁地轉(zhuǎn)變。在某些形式中，修改PWM模式包括在對應于電動機中的電流 波形的波峰和波谷中的一個的預定的時間提供第一信號幅度和第二信號幅度中的僅一個 信號幅度，達電流波形周期的至少百分之十的預定持續(xù)時間。在某些形式中，電流波形包括 合成的正弦波。在某些形式中，確定是否需要產(chǎn)生較少熱量包括確定變換器的溫度是否高 于閾值溫度。
[0009] -個典型的實施例是一種系統(tǒng)，其包括壓縮機、冷凝器、膨脹器和蒸發(fā)器，其在 流體方面聯(lián)接起來，以形成蒸氣壓縮回路；控制器，其包括可聽噪聲模塊，可聽噪聲模塊 配置成確定目標可聽噪聲分布，其包括由系統(tǒng)產(chǎn)生的可聽噪聲的目標最高水平；計劃 (schedule)選擇模塊，其配置成至少部分地基于目標可聽噪聲生產(chǎn)分布而選擇開關(guān)計劃； 變換器操作模塊，其配置成根據(jù)選定的開關(guān)計劃而提供變換器命令，其包括多個開關(guān)命令； 變換器，其包括多個響應于開關(guān)命令的開關(guān)元件，變換器配置成響應于變換器命令而輸出 電壓信號；以及電動機，其驅(qū)動地聯(lián)接在壓縮機上并響應于電壓信號。
[0010] 在某些形式中，目標可聽噪聲分布包括多個頻率的可接受幅度的分布。在某些形 式中，可聽噪聲模塊配置成至少部分地基于一個或多個用戶選擇和一天中的時間而確定目 標可聽噪聲分布。在某些形式中，控制器還包括脈寬調(diào)制（PWM)計劃模塊，其配置成提供一 組PffM模式，其中計劃選擇模塊配置成從這組PffM模式中選擇開關(guān)計劃。在某些形式中，控 制器還包括狀況模塊，其配置成確定從變換器的溫度、電動機中的電流的電噪聲水平和電 流波紋（ripple)組成的狀況組中選擇的一個或多個狀況；并且計劃選擇模塊進一步配置 成基于所述一個或多個狀況而選擇開關(guān)計劃。在某些形式中，計劃選擇模塊進一步配置成 確定不會違反可聽噪聲分布的PWM模式子集，并從子集中選擇開關(guān)計劃。在某些形式中，計 劃選擇模塊進一步配置成確定不會違反感測狀況的預定參數(shù)的PWM模式子集，并從子集中 選擇開關(guān)計劃。在某些形式中，該系統(tǒng)還包括傳感器，其配置成感測狀況，并將關(guān)于該狀況 的信息傳送給狀況模塊。在某些形式中，電動機是表面安裝的永磁電機。
[0011] -個典型的實施例是一種系統(tǒng)，其包括：制冷劑環(huán)路，其包括壓縮機、冷凝器和蒸 發(fā)器；電動機，其配置成驅(qū)動壓縮機；變頻驅(qū)動器，其包括配置成驅(qū)動電動機的變換器；以 及控制器，其配置成至少部分地基于載波頻率和PWM技術(shù)而根據(jù)脈寬調(diào)制（PWM)計劃將開 關(guān)命令提供給變換器；其中控制器配置成基于一個或多個準則而確定目標可聽噪聲水平， 并至少部分地基于目標可聽噪聲水平而改變載波頻率和PWM技術(shù)中的至少一個。
[0012] 在某些形式中，控制器進一步配置成基于電噪聲的產(chǎn)生和電流波紋中的至少一個 而改變載波頻率和PWM技術(shù)中的至少一個。在某些形式中，電動機表面安裝的永磁電動機。 在某些形式中，控制器進一步配置成改變開關(guān)命令，使得變換器不會過熱。某些形式還包括 用戶接口，其可操作成改變目標可聽噪聲水平。在某些形式中，控制器進一步配置成改變開 關(guān)命令，使得選定的構(gòu)件不會在其固有頻率下被激勵比第一預定的持續(xù)時間更長的時間。
[0013] -個典型的實施例是一種方法，其包括：基于一個或多個準則確定目標可聽噪聲 分布，目標可聽噪聲分布包括用于HVACR系統(tǒng)的目標可聽噪聲水平，HVACR系統(tǒng)包括變換 器；至少部分地基于可聽噪聲分布而選擇第一脈寬調(diào)制（PWM)計劃；根據(jù)第一 PWM計劃將 第一系列開關(guān)命令提供給包括變換器的變頻驅(qū)動器，響應于第一系列開關(guān)命令而產(chǎn)生變換 器波形；利用變換器波形為電動機提供功率，使得電動機驅(qū)動蒸氣壓縮回路的壓縮機。
[0014] 在某些形式中，這種確定基于用戶選擇和一天中的時間中的至少一個。在某些形 式中，這種選擇包括根據(jù)多個PWM計劃的各個PWM計劃將可聽噪聲分布與HVACR系統(tǒng)操作 時所產(chǎn)生的噪聲進行比較。某些形式還包括：確定變頻驅(qū)動器、電動機和壓縮機中的一個的 構(gòu)件的固有頻率；至少部分地基于構(gòu)件的固有頻率選擇第二PWM計劃；提供第一系列開關(guān) 命令達第一預定的時間；該方法還包括根據(jù)第二PWM計劃提供第二系列開關(guān)命令達第二預 定的時間。在某些形式中，可聽噪聲分布是第一選擇準則，并且這種選擇還基于第二選擇準 貝1J，各個選擇準則被分配權(quán)重值。在某些形式中，第二選擇準則選自由變換器溫度、電噪聲 的產(chǎn)生和系統(tǒng)效率組成的準則組。在某些形式中，所述多個選擇準則中的至少一個是關(guān)鍵 的選擇準則，其中第一 PWM模式經(jīng)過選擇，從而滿足關(guān)鍵的選擇準則。在某些形式中，第二 選擇準則是變換器的最大操作溫度，并且最大操作溫度是關(guān)鍵的選擇準則。
【附圖說明】
[0015] 圖1是具有廢熱回收回路的典型HVACR系統(tǒng)的示意圖。
[0016] 圖2是典型的變頻驅(qū)動器和永磁電動機的示意圖。
[0017] 圖3是圖2系統(tǒng)的變換器模塊的示意圖。
[0018] 圖4是用于改變變換器的熱量產(chǎn)生的過程的示意性的流程圖。
[0019] 圖5A是與2 kHz的載波頻率相對應的說明性的連續(xù)PffM模式。
[0020] 圖5B是與4 kHz的載波頻率相對應的說明性的連續(xù)PffM模式。
[0021 ] 圖6A是與2 kHz的載波頻率相對應的說明性的非連續(xù)PffM模式。
[0022] 圖6B是與4 kHz的載波頻率相對應的說明性的非連續(xù)PffM模式。
[0023] 圖7是典型的廢熱回收回路的示意圖。
[0024] 圖8是可用于圖1系統(tǒng)的控制器的說明性的示意圖。
[0025] 圖9是典型的HVACR系統(tǒng)的示意圖。
[0026] 圖10是可用于圖9 HVACR系統(tǒng)的控制器的示意圖。
[0027] 圖11是流程圖，