專利名稱：自適應(yīng)hvac；ac電動機(jī)速度，空氣溫度和空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及供熱、通風(fēng)、和空調(diào)(HVAC)設(shè)備的閉環(huán)光學(xué)可編程(OP)動態(tài)直接模擬控制。具體而言，本發(fā)明持續(xù)地并且同時地自適應(yīng)供給空氣(風(fēng)扇)輸出(排氣、室內(nèi)回流、室外進(jìn)氣)；以及其他氣候調(diào)節(jié)變量像流體流動供熱或制冷(流體控制閥)；室外空氣(節(jié)流控制)和/或來自一個或更多控制輸入(數(shù)字或模擬)的其他氣候變量。本發(fā)明使用基于OP的技術(shù)利用單個緊湊、簡單的封裝實現(xiàn)，所述技術(shù)允許容易地現(xiàn)場或工廠升級HVAC設(shè)備和系統(tǒng)以改善氣候調(diào)節(jié)和受控空間的氣候、溫度和空氣質(zhì)量需求。
背景技術(shù)：
實施減速或加速電子馬達(dá)以滿足變化室內(nèi)氣候的要求或需求是普遍的并且存在某些完成這種實施的大量技術(shù)。還存在在某種程度上創(chuàng)建、發(fā)送和解釋成為修改馬達(dá)速度的輸入準(zhǔn)則的環(huán)境參數(shù)的若干現(xiàn)有技術(shù)。
改變HVAC系統(tǒng)中風(fēng)扇以及相關(guān)電子馬達(dá)速度的原因和結(jié)果是多方面的1)改進(jìn)過程控制以滿足有關(guān)馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)的變化的速度或轉(zhuǎn)矩要求；2)減小以分貝為單位度量的被占空間的周圍環(huán)境噪聲水平；3)減小以電力的千瓦小時(kWh)度量的能耗；4)減小以kW要求度量的功率要求負(fù)荷；5)改進(jìn)氣候受控區(qū)域的期望溫度或濕度的控制和保持。
另外，存在大量的其他已經(jīng)驗證和證明的益處和改進(jìn)之處，盡管有時難以進(jìn)行量化礦物燃料節(jié)約，改進(jìn)濕度控制，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，提高安全性，增加生產(chǎn)率，以及減小居民疾病以及與惡劣的室內(nèi)空氣質(zhì)量和惡劣的氣候或環(huán)境控制相關(guān)的曠工。
HVAC工業(yè)中的現(xiàn)有技術(shù)解決途徑已經(jīng)在傳統(tǒng)上使用變頻驅(qū)動(VFD)；變速驅(qū)動(VSD)、調(diào)速驅(qū)動(ASD)、脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動以及其他數(shù)字技術(shù)以減速或改變用于驅(qū)動HVAC系統(tǒng)中風(fēng)扇的異步感應(yīng)AC電動機(jī)的速度。VFD等等更普遍的用途已經(jīng)絕大部分在于工業(yè)和商用系統(tǒng)中的整數(shù)(更大的多馬力)馬力AC電動機(jī)并且還沒有被廣闊地在分?jǐn)?shù)功率AC電動機(jī)上使用，這通常是因為它們通常不經(jīng)濟(jì)。
由于很多的原因，變速驅(qū)動和相關(guān)技術(shù)在傳統(tǒng)上已經(jīng)不是優(yōu)選或被用于分?jǐn)?shù)功率電動機(jī)。這些設(shè)施通常比“添加到”的電動機(jī)本身更為昂貴。由于絕大多數(shù)現(xiàn)有的電動機(jī)不是VFD可兼容的，它們常常需要受控的電動機(jī)利用更昂貴的電動機(jī)升級進(jìn)行替換。用于這些升級的能量回報變得更加困難。VFD通常需要給安裝上它們的現(xiàn)有HVAC設(shè)備添加復(fù)雜的硬件(hw)和軟件(sw)接口。這使得這種設(shè)備和AC高壓輸電網(wǎng)的電力噪聲增加并且常常需要特殊添加的電濾波器。
除VFD/數(shù)字驅(qū)動或控制器技術(shù)之外，其他較廉價的改變電動機(jī)速度的方式也是可獲得的。這些成本較低的技術(shù)諸如只電壓調(diào)節(jié)、“相位消波(chopping)”技術(shù)、或其他簡單的方法通常在許多方面受到限制并且也會產(chǎn)生嚴(yán)重的電動機(jī)或系統(tǒng)問題。其中的部分問題是僅僅少數(shù)選擇電動機(jī)類型、大小、或應(yīng)用的可應(yīng)用性；對電動機(jī)工作和發(fā)熱的負(fù)面影響；難以集成到現(xiàn)有的HVAC設(shè)備中；頻率固定；系統(tǒng)破壞電壓和電流峰值；在一個時間不能同時改變不止一個變量像頻率、電壓和相位；不能容易地接口現(xiàn)有的數(shù)字構(gòu)建管理系統(tǒng)(BMS)；較高的內(nèi)部功率開銷；受到限制或不可忽略的能量節(jié)約；高輸出的電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)；范圍受到限制的電動機(jī)速度控制；以及通常非常受限制的控制輸入和/或輸出能力。
另外有些其他現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)被選擇用于通常與AC電感類型相對的DC類型的專用電動機(jī)(DC無刷、或開關(guān)磁阻或電子換向)。實際上所有這些較新類型的電動機(jī)通常應(yīng)用如上對于VFD等電動機(jī)換向和控制所概述的類似的數(shù)字開關(guān)技術(shù)和方法。因此，反過來這些“較新類型的數(shù)字開關(guān)換向電動機(jī)”面臨以上對VSD和不是基于模擬的其他驅(qū)動所概述的許多相同的問題和困難。而且盡管這些電動機(jī)可能是“單電動機(jī)封裝”，這些專用電動機(jī)很少能夠被“插入”替換或升級現(xiàn)有的AC電感電動機(jī)和沒有主要產(chǎn)品升級和更新的設(shè)備。同樣它們也不是容易或者推薦用于其他基于標(biāo)準(zhǔn)AC電動機(jī)的HVAC系統(tǒng)的現(xiàn)場替換單元(frus)或現(xiàn)場升級。
這些引用的現(xiàn)有技術(shù)馬達(dá)控制技術(shù)的絕大部分典型地使用一個或更多通過復(fù)雜但有限的軟件(sw)算法產(chǎn)生的數(shù)字輸入信號，并且已經(jīng)典型不依賴于簡單的光學(xué)、或模擬控制電路，所述算法具有軟件和硬件所需的復(fù)雜以及多個的接口。在同時或?qū)崟r的基礎(chǔ)上附加集成、管理、和控制多個輸入和輸出信號、傳感器或設(shè)備的能力進(jìn)一步增加了這種數(shù)字控制器的復(fù)雜度和成本。
為了容納這種增加的數(shù)據(jù)速率和輸入/輸出信號的量通常要求添加或包括數(shù)字信號處理器(dsp)。但是，本身非常復(fù)雜的dsp仍需要更多的用以共同管理附加信息的控制、接口、軟件等等，這進(jìn)一步增加了復(fù)雜度和成本。部分具有模擬I/O特征的dsp能夠甚至進(jìn)一步和直接地捕獲、接口、代數(shù)方法求和、以閉環(huán)實時的方式同時地管理或控制多個輸入和輸出信號；諸如在本公開中所提出的但是使用基于OP的技術(shù)而這些dsp附加設(shè)備通常另外附加了這種成本和復(fù)雜度，它使得這些基于數(shù)字的方法中的絕大多數(shù)方法處于分?jǐn)?shù)功率電動機(jī)或基于消費者的產(chǎn)品的購買能力范圍之外。
由于在本公開之前低成本、多輸入、多輸出、高功能風(fēng)扇電動機(jī)控制技術(shù)還沒有能低成本地獲得，并用于安裝在基于分?jǐn)?shù)功率AC電動機(jī)的HVAC系統(tǒng)上，因此許多這些系統(tǒng)以持續(xù)的高速度或在占用模式期間完全地關(guān)閉來操作電動機(jī)和風(fēng)扇。這些固定速度的電動機(jī)系統(tǒng)迫使它們調(diào)節(jié)空間的居民犧牲有關(guān)溫度、濕度、噪聲和室內(nèi)空氣質(zhì)量方面的氣候或環(huán)境舒適度。這些固定的速度單元通常比必要時消耗更多的電力和/或礦物燃料資源。這些還能夠?qū)ζ渌ㄖ到y(tǒng)以及公用電力傳輸系統(tǒng)就過度需求而言造成負(fù)面的影響。它們能夠過早地使電動機(jī)惡化、使空調(diào)系統(tǒng)由于過度熱量產(chǎn)生而負(fù)重?fù)?dān)，以及能夠?qū)е戮用裨黾咏】岛蜕a(chǎn)率的關(guān)心。
為了改變在用于HVAC系統(tǒng)風(fēng)扇中分?jǐn)?shù)功率電動機(jī)的速度，已經(jīng)開發(fā)出某些變速風(fēng)扇電動機(jī)控制器，這些控制器不需要集成到現(xiàn)有的數(shù)字HVAC或可能安裝在設(shè)備上的BMS控制系統(tǒng)中。在授予Byrnes等人的第6684944號美國專利以及授予Byrnes等人的第6070660號美國專利中描述了一個例子，其中在使用溫度檢測的供熱或冷卻循環(huán)的啟動和關(guān)閉階段期間不斷地改變風(fēng)扇速度。表面上類似于許多其他的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，但是在其實施期間看起來很簡單，但它很快地變得非常的棘手并且復(fù)雜。例如它們在兩個獨立空間(兩個獨立空間之間具有差別)中使用兩個獨立的控制器，兩個獨立的溫度傳感器。該速度僅僅在啟動和關(guān)閉循環(huán)時是“可變的”(必須定義、定時、輸入和并列)。它們只通過改變電壓來僅僅“改變風(fēng)扇速度”；這在有時候會嚴(yán)重地限制(或損壞)電動機(jī)的工作能力，除非也均衡地改變頻率。通常只有風(fēng)扇速度通過/能夠通過控制器進(jìn)行改變，而其他系統(tǒng)電動機(jī)驅(qū)動的設(shè)備保持固定的速度。
用于HVAC控制系統(tǒng)的方法和設(shè)備的另一個實例在授予Gauthier的第6062482號美國專利中所公開。類似于上面的描述，其看似作出了一些相同的氣候調(diào)節(jié)改進(jìn)，但是所述技術(shù)再次變得非常復(fù)雜。有大量的設(shè)備和傳感器必須連接到微處理器，這立即需要大量的數(shù)字接口、總線、存儲器以及數(shù)字OS軟件、應(yīng)用程序、軟件、cpuI/O等等；成本和復(fù)雜度迅速地變得明顯。我們相信，本發(fā)明局限以及所有其他現(xiàn)有技術(shù)的局限的絕大部分主要由于象Gauthier發(fā)明領(lǐng)域中所闡述的那樣“這是……數(shù)字化實現(xiàn)的HVAC控制”，以代替基于“光學(xué)模擬”的技術(shù)。
均衡/“變速”電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)也已被描述能夠積分兩個輸入信號以產(chǎn)生輸出信號。在授予Bowman的第4422571號美國專利中描述了“可變輸出HVAC控制”的一個例子。但是這種技術(shù)應(yīng)用于驅(qū)動節(jié)氣閥(使用“變速”電動機(jī)驅(qū)動)，但僅僅將該節(jié)氣閥置于兩個固定位置的其中一個位置上。這種可變節(jié)氣閥定位實際上在操作期間在某一時間是固定到兩個位置的其中一個位置上；它是不同的節(jié)氣機(jī)械閥，然后依次調(diào)節(jié)空氣流，而不是電動機(jī)變化或風(fēng)扇速度。
在授予Saunders等人的第4353409號美國專利以及授予Archer的第5592059號美國專利中已經(jīng)描述了使用與機(jī)械調(diào)節(jié)并占據(jù)的空間相關(guān)和/或通過其產(chǎn)生的一個或更多環(huán)境輸入?yún)?shù)，以產(chǎn)生對于到達(dá)該空間中的空氣流速具有結(jié)果影響的輸出信號。但是這些專利沒有一個指示或教導(dǎo)這些信號能夠聯(lián)合或者以別的方式用于直接和“自適應(yīng)地”控制或驅(qū)動風(fēng)扇電動機(jī)的速度，或者甚至真正地連續(xù)地改變電動機(jī)或風(fēng)扇的速度。
還有大量的其他技術(shù)、方法和設(shè)備用于改進(jìn)和控制室內(nèi)空間中的氣候條件，這些中的一部分包含各種并且新穎的構(gòu)思，但是這些中的許多也應(yīng)用相當(dāng)復(fù)雜的基于數(shù)字化的系統(tǒng)，或者基于相當(dāng)受限制的三端雙向可控硅開關(guān)的只電壓系統(tǒng)，或者機(jī)械節(jié)氣閥類型的控制，或僅僅多個步進(jìn)速度(盡管常常稱之為變速)；但是沒有一個公開或教導(dǎo)“自適應(yīng)速度控制”即完全、動態(tài)地、連續(xù)地可變閉環(huán)速度控制。
在授予DurhamIII的第5665965號美國專利中描述了一種替換的低成本、簡單、但有效的經(jīng)由低成本、簡單的光學(xué)裝置接口、控制和改進(jìn)(編程)多輸入和輸出信號、傳感器或設(shè)備的技術(shù)。另外，在授予DurhamIII的第6087654號美國專利中已經(jīng)詳細(xì)描述了以一種低成本、簡單、但是有效的方式積分兩個或更多信號的能力，而不論這些信號在模擬還是在數(shù)字域中，或者在二者中，其中光學(xué)編程和處理再次共同使能這種唯一性。
根據(jù)以上的部分描述顯示出傳感器、設(shè)備、信號、數(shù)據(jù)等等能夠利用數(shù)學(xué)、邏輯、代數(shù)、微分、積分、或其他算術(shù)函數(shù)使用光學(xué)編程和處理(OP)技術(shù)和方法光學(xué)產(chǎn)生、控制、混合、和輸出。有關(guān)的構(gòu)建以及應(yīng)用這些基于光學(xué)的設(shè)備和方法中的一部分已經(jīng)提供了完全新的單一、簡單、低成本的HVAC控制系統(tǒng)(CS)封裝。這種基于OP的CS現(xiàn)在能夠應(yīng)用于各種各樣的HVAC產(chǎn)品中，不僅“在工廠”，特別獨特的是也“在現(xiàn)場”能夠使用標(biāo)準(zhǔn)AC感應(yīng)電動機(jī)；并且具有最小的產(chǎn)品成本或負(fù)面影響。
本發(fā)明利用最新特定的基于OP的設(shè)備和方法積分多個、相似或不相似的輸入(模擬或數(shù)字)以產(chǎn)生多個、相似或不相似的輸出(模擬或數(shù)字)。這種CS提供了“基于模擬的；低成本、簡單、但有效的和功能豐富的基于OP的多參數(shù)HVAC氣候控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)”。這不僅是一種改進(jìn)的氣候系統(tǒng)控制，并且以更低的成本和更簡單的技術(shù)，而且能夠容易地集成到大多數(shù)現(xiàn)有HVAC產(chǎn)品和控制方案中，或者與其并列的氣候系統(tǒng)控制。而且通常不管現(xiàn)有單元復(fù)雜度水平和基本功能如何，這種CS能夠容易地在工廠(即oem)水平或現(xiàn)場(更新/升級)水平進(jìn)行添加。

發(fā)明內(nèi)容
所以本發(fā)明的主要目的是使用單個簡單的多參數(shù)控制和能夠在工廠或現(xiàn)場安裝的動力裝置，通過連續(xù)地和自適應(yīng)地變更/改變系統(tǒng)或單元空氣流和空氣熱容量來提高氣候受控空間的舒適度和空氣質(zhì)量，以改進(jìn)氣候條件的設(shè)備和方法，從而提供HVAC系統(tǒng)的閉環(huán)、動態(tài)、光學(xué)可編程管理和控制。
本發(fā)明的另一個目的是使用與氣候-空氣溫度曲線相對的一個或更多新穎的、光學(xué)編程(OP)、非線性空氣流。
本發(fā)明的再一個目的是識別和自適應(yīng)排出空氣流速率為至少空氣溫度(度)和空氣熱容量(btu)；以及其他所需或想要的氣候變量的函數(shù)。
本發(fā)明的又一個目的是提供單點控制技術(shù)，該技術(shù)同時控制和自適應(yīng)HVAC系統(tǒng)的供熱和冷卻模式而不“需要”手動干預(yù)。
本發(fā)明的再一個目的是提供單點控制，它能夠創(chuàng)建和“編程”適當(dāng)?shù)?以及不同的)用于供熱和冷卻模式二者的溫度曲線而不用外部HVAC系統(tǒng)干擾或系統(tǒng)重新編程。
本發(fā)明的再一個目的是提供HVAC控制系統(tǒng)，它以“自適應(yīng)和重新可編程均衡”設(shè)備的排出空氣溫度和熱容量連續(xù)地改變或變更空氣流，而不論是否單獨處于供熱、通風(fēng)或冷卻模式或疊加和/或組合模式。
本發(fā)明的再一個目的是提供“穿過墻體的”HVAC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有這種新的技術(shù)，其通過去除差的密封/擬合矩形尺寸過大的孔和電機(jī)(或機(jī)械)外部空氣(OA)節(jié)氣閥以被動地帶入外部空氣；和利用更好的密封/擬合較小的圓孔“穿過墻體”到外部以代替這種孔，該外部耦合至單獨的變速外部空氣(OA)風(fēng)扇以控制、改變和提高所需外部空氣的量。
本發(fā)明的再一個目的是通過保持可編程的“最大或最高”速度風(fēng)扇設(shè)置總是小于全線電壓可選擇/可編程的百分比來減小以kWh度量的風(fēng)扇電動機(jī)的能耗。
本發(fā)明的再一個目的是通過自適應(yīng)和調(diào)節(jié)百分比最大速度減小低于線電壓，從而減小以kWh度量的風(fēng)扇電動機(jī)的能耗，因此這種百分比量能夠解決或忽略線電壓波動。如果線電壓降低它能夠通過降低百分比下降“保持電壓”；但是如果線電壓增加它將通過增加百分比下降“保持電壓”；或者它能夠被編程成忽略這種自適應(yīng)并且正好“跟隨固定的百分比低于”AC線。
本發(fā)明的一個目的是通過單獨地控制啟動和運轉(zhuǎn)繞組提高有關(guān)永久分離單相電動機(jī)(pscs)的風(fēng)扇電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和能量效率。
本發(fā)明的又一個目的是通過光學(xué)可編程(OP) “軟啟動”-平緩序列防止過多的電動機(jī)涌入電流和過多的系統(tǒng)啟動應(yīng)力。
本發(fā)明的再一個目的是通過提供“更平緩的”電動機(jī)速度斜線向上或顯著使用較少能量啟動電動機(jī)的“軟啟動”實現(xiàn)kW要求減小和kWh使用率減小。
本發(fā)明的再一個目的是通過經(jīng)由動態(tài)電壓/頻率控制和調(diào)節(jié)提供“檢測和速度恢復(fù)”和/或“降低電壓經(jīng)受通過能力”，當(dāng)被暴露提供在高要求時間周期期間降低的電壓，這通常已知為“降低電壓”時，減小電動機(jī)的過早故障和減小電動機(jī)降低電壓。
本發(fā)明的再一個目的是通過提供電壓降低“檢測和速度恢復(fù)”和/或電壓降低經(jīng)受通過能力幫助提供部分安全措施給應(yīng)用和系統(tǒng)操作。
本發(fā)明的再一個目的是根據(jù)需要動態(tài)地調(diào)節(jié)、自適應(yīng)和混合電動機(jī)電壓、頻率和相位以成本經(jīng)濟(jì)地優(yōu)化和提高電動機(jī)和/或系統(tǒng)性能。
本發(fā)明的再一個目的是使用軟啟動提高電動機(jī)壽命；更平緩的操作和轉(zhuǎn)換；根據(jù)需要優(yōu)化電壓、頻率(v/f)和相位(v，f，φ)；以最小電壓/需要的功率電平工作(通常非常小于線電壓電力)；以及非常少的完全的開-關(guān)循環(huán)。
本發(fā)明的再一個目的是通過“精確和連續(xù)地保持供熱和/或冷卻和/或通風(fēng)空氣的最小空氣流-空閑水平”到被占(或未占)的氣候空間中，保持被占空間中較高的舒適度水平。
本發(fā)明的再一個目的是不停止(切斷)風(fēng)扇電動機(jī)空氣流；但是相反通過設(shè)置“風(fēng)扇友好的”可編程最小電壓和頻率，以保持單元風(fēng)扇電動機(jī)速度為最小工作電平或“空閑速度”。
本發(fā)明的再一個目的是通過檢測、調(diào)節(jié)和保持電動機(jī)工作/速度為每光學(xué)可編程設(shè)置，防止電動機(jī)在“空閑水平”或最小/低速工作期間由于系統(tǒng)異?；蚱渌兓鸬氖佟?br> 本發(fā)明的另一個目的是通過單獨地控制啟動和運轉(zhuǎn)繞組改進(jìn)永久分離單相電動機(jī)(pscs)的風(fēng)扇電動機(jī)低速或“空閑電平工作”。
本發(fā)明的再一個目的是通過“平緩但精確和連續(xù)地改變或自適應(yīng)”空氣流成氣候需要并因此傳輸供熱和/或冷卻和/或通風(fēng)的空氣以最小化溫度波動保持被占空間中較高水平的舒適度。
本發(fā)明的另一個目的是通過檢測線圈空氣流溫度和空氣容量以及根據(jù)需要動態(tài)并連續(xù)地調(diào)節(jié)或自適應(yīng)空氣流成超前或滯后空氣溫度，減小/防止線圈凍結(jié)。
本發(fā)明的另一個目的是通過檢測熱交換器空氣流溫度和空氣溫度并根據(jù)需要動態(tài)和連續(xù)地調(diào)節(jié)或自適應(yīng)空氣流成超前或滯后的空氣溫度從而減小/防止熱交換器燒毀。
本發(fā)明的再一個目的是通過減小過度的供熱或冷卻以保存產(chǎn)生傳送到熱交換器或冷凝器的供熱或冷卻容量所需的礦物燃料和/或電能。
本發(fā)明的再一個目的是通過防止過度供熱和/或過度冷卻各個區(qū)借此最小化系統(tǒng)影響損失，增加設(shè)備供熱和或冷卻工廠的可用容量。
本發(fā)明的再一個目的是通過總是控制/自適應(yīng)電動機(jī)速度成匹配/保持所需熱輸出需要的最小速度(最小噪聲)減小被占空間中的噪聲水平。
本發(fā)明的另一個目的是通過單獨地控制永久分離單相電動機(jī)(pscs)的啟動和運轉(zhuǎn)繞組減小風(fēng)扇電動機(jī)工作噪聲和特別是在“空閑電平工作”期間。
本發(fā)明的再一個目的是通過自適應(yīng)地控制和保持高速度小于完全線電壓減小被占空間中的噪聲水平。
本發(fā)明的再一個目的是當(dāng)/如果需要時，通過提供同時減小電源頻率低于60Hz以及減小電壓和相位調(diào)節(jié)的能力減小被占空間中的噪聲水平。
本發(fā)明的再一個目的是使用自適應(yīng)或可變控制技術(shù)以滿足空氣質(zhì)量和通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，從而提高、保持、或提供外部空氣足夠供應(yīng)的引入。
本發(fā)明的再一個目的是通過減小冷卻線圈表面上的空氣速度和降低過度通風(fēng)在冷卻循環(huán)期間減小濕度。
本發(fā)明的再一個目的是通過減小穿過線圈的空氣速度，通過增加在HVAC設(shè)備中存在的一定過濾器媒介的效率改善被調(diào)節(jié)空間中的空氣質(zhì)量。
本發(fā)明的再一個目的是減小電動機(jī)速度而不用產(chǎn)生由于其他電動機(jī)速度控制器引起的過多或增加的電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)、功率因子失真(PF)和總諧波失真。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種允許紅外或無線電發(fā)送、完全遙控所有HVAC控制器能力的接口。
本發(fā)明的一個目的是減小現(xiàn)有HVAC控制系統(tǒng)中的電動機(jī)速度同時消耗非常少的電源開銷。
本發(fā)明識別優(yōu)良?xì)夂蚩刂频膹?fù)雜本質(zhì)是需要被同時捕獲、監(jiān)控、管理和控制的多個疊加參數(shù)和變量的組合。許多其他人也已經(jīng)意識到這些需要，但是本發(fā)明的獨特之處在于它以一種簡單、但顯著改進(jìn)的方式控制和積分它們。它使用例如允許使用非常高級的非線性溫度/氣候vs空氣流曲線的OP方法和設(shè)備，所述曲線能夠利用簡單、低成本但是適合的技術(shù)改進(jìn)熱/冷卻能量的傳送；但是如果想要它利用許多其他并行的參數(shù)，完全以單個、緊湊的封裝完成這種改進(jìn)。
這種新的HVAC管理和控制系統(tǒng)能夠使用在Durham第5665965號專利圖12A中先前公開的“基于OP的混合技術(shù)”接受單個輸入，多個輸入或各種組合并同時產(chǎn)生一個輸出，多個輸出或組合。所述輸入能夠來自于通常位于排出空氣流(或其他位置)中的一個或多個傳感器并且能夠是溫度、濕度、壓力、CO、CO2、占有率等等的類型。除直接傳感器輸入之外，如電壓、電流、電阻或基于電子或模擬或數(shù)字的其他系統(tǒng)控制信號還能夠用作控制輸入。系統(tǒng)設(shè)備或傳感器輸入、或其任何組合、或其擴(kuò)展能夠根據(jù)需要組合或操作。在電子格式或組合和/或以上擴(kuò)展的類似范圍中還能夠產(chǎn)生輸出(控制和/或能量)。
HVAC控制系統(tǒng)接收上述輸入和產(chǎn)生以上輸出以根據(jù)需要最小地影響單個或多個電動機(jī)速度(風(fēng)扇、節(jié)氣閥、閥等等)。其它基于非電動機(jī)但基于電子控制的節(jié)氣閥和/或控制閥也能夠通過這種相同、簡單、單一的HVAC控制系統(tǒng)改變或管理。
基于所述輸入HVAC控制系統(tǒng)改變電動機(jī)速度以匹配HVAC系統(tǒng)中可獲得的(典型以溫度和/或btu(英制熱單位)術(shù)語定義)供熱或冷卻的水平。如果在熱交換器/線圈中沒有過多的熱/冷卻可獲得，在“自動或氣候控制模式”中本發(fā)明的控制系統(tǒng)使得風(fēng)扇電動機(jī)持續(xù)地以“空閑或非常低的速度”工作，取代繼續(xù)停留在全速度上或關(guān)閉。這種“空閑速度模式”考慮到平滑、持續(xù)的平緩空氣流保持較佳的平衡，嚴(yán)厲以及更改進(jìn)的室內(nèi)氣候和空氣質(zhì)量控制。
當(dāng)熱(或冷卻)在熱交換器/冷卻線圈中變得可獲得時，控制系統(tǒng)通過一個或更多空氣流光學(xué)可編程的傳感器識別可獲得熱(或冷卻)的增加以及以逐步自適應(yīng)連續(xù)的方式增加電動機(jī)速度/空氣流。這種相同的自適應(yīng)過程能夠僅僅在供熱中或僅在冷卻中進(jìn)行或如本公開所描述的它還唯一地考慮到選擇動態(tài)地自適應(yīng)于供熱和冷卻的“自動氣候模式”。
這種自適應(yīng)自動機(jī)速度OP非線性溫度(氣候)曲線通過進(jìn)一步識別熱輸出的非線性復(fù)雜本質(zhì)從而在被占用空間中提供改進(jìn)的舒適度水平。熱交換器從65到75華氏度10度的增量溫度與從95到105華氏度的10度增量具有不同的btu容量。同樣地對抗現(xiàn)有技術(shù)通常使用的線性斜坡溫度曲線不識別或利用這個事實。但是通過非線性，所述關(guān)系是一種空氣流對“可獲得熱/冷卻容量”(空氣溫度和but容量)的均衡和可編程的關(guān)系。
所述控制系統(tǒng)能夠影響冷卻系統(tǒng)中類似的變化。在冷卻系統(tǒng)中風(fēng)扇電動機(jī)速度隨排出空氣溫度變冷(低于設(shè)置點)而增加并且當(dāng)排出空氣溫度變暖(接近室內(nèi)周圍環(huán)境)時返回到空閑速度以及冷卻線圈由于滿足被占空間溫度(或某些其他控制參數(shù))變得不激活。但是，隨著供熱循環(huán)，本發(fā)明識別空氣流相對空氣溫度是非線性，并且相應(yīng)地編程適當(dāng)?shù)那€。例如，在供熱模式中有一個大于來自周圍環(huán)境100華氏度的工作范圍，以及在冷卻模式中有一個小于來自周圍環(huán)境50華氏度的工作范圍。
這種自適應(yīng)連續(xù)溫度控制，除給出較佳的溫度氣候操作之外，顯著地減小了電動機(jī)、風(fēng)扇、和空氣噪聲；并且提高了HVAC系統(tǒng)的濕度和空氣質(zhì)量特性。而且在許多情況下，如果受控設(shè)備能夠以一種均衡和可控的方式引入外部空氣，那么能夠進(jìn)一步提高和更加精確地控制空氣質(zhì)量。另外，已經(jīng)展示和公開了結(jié)合這種CS使用的適當(dāng)類型的空氣過濾器能夠極大地增強室內(nèi)空氣質(zhì)量。
除了提高所列表的環(huán)境特性之外，HVAC控制系統(tǒng)還能夠延長電動機(jī)壽命，允許電動機(jī)經(jīng)過或幸免于降低電壓情況，降低電動機(jī)在低電壓工作中失速的可能性，減少電力和礦物燃料使用，減少電力需求，降低在中央供熱或冷卻系統(tǒng)中系統(tǒng)效果損失，最小化RFI、EMI和諧波失真，并利用非常少的電力開銷在HVAC控制系統(tǒng)層上工作。


在以下優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述中，將參考形成實施例一部分的附圖，并且其中通過示例具體實施例的方式示出，通過這些實施例可以實施本發(fā)明。應(yīng)該明白可以在不背離本發(fā)明范圍的情況下使用其他實施例以及作出結(jié)構(gòu)的改變。
參考圖1a101a表示墻上安裝的完全univent類型的HVAC設(shè)備的一個例子，該設(shè)備通常具有在被占環(huán)境諸如具有“穿過墻體外部空氣吸入”的教室、研究所、辦公樓等等中經(jīng)常出現(xiàn)的設(shè)備和系統(tǒng)。本圖示出了能夠從基于固定速度風(fēng)扇的系統(tǒng)現(xiàn)場型更新和升級以完全地自適應(yīng)變速的方式；但是這種“升級”能夠只是在工廠中容易地進(jìn)行。
這個例子所示為具有外部空氣通風(fēng)的供熱和/或冷卻系統(tǒng)；其中室內(nèi)溫度傳感器111a將被占空間的溫度輸入給自動化建筑管理系統(tǒng)的基于計算機(jī)(或基于其他可編程智能的控制)控制的前端110a，其中該解析該輸入的溫度?？臻g溫度有可能或沒有可能與其他環(huán)境輸入信號集成到前端110a的算法中，并且然后將產(chǎn)生的信號發(fā)送給位于受控HVAC設(shè)備101a內(nèi)的建筑管理系統(tǒng)控制器118a。
建筑電源系統(tǒng)109提供120/240V交流電(或可獲得的以及HVAC系統(tǒng)設(shè)備需要的任何工作電源)給建筑管理系統(tǒng)控制器118a和/或HVAC控制系統(tǒng)100?；蛉绻ㄖ芾硐到y(tǒng)控制器118a首先被饋給120(或240)V交流電，那么它能夠給HVAC控制系統(tǒng)(CS)100饋給120(或240)V交流電。
115是用于供熱、冷卻或者二者的橋結(jié)構(gòu)中的溫度傳感熱敏電阻對(參見氣候調(diào)節(jié)/溫度控制電路建立的圖4a區(qū)域d)，它布置在HVAC設(shè)備101a的排出空氣流117中。熱敏電阻橋115通過電纜116連接HVAC CS100，其中電纜116將排出空氣117的溫度信息傳送給HVAC CS100?；趤碜詿崦綦娮铇?15的信息(參見用于溫度信號曲線類型的圖3)，HVAC CS100依賴于其內(nèi)部基于光學(xué)的編程(OP)(參加圖4a，區(qū)域g)來發(fā)送均衡的電壓(以及根據(jù)需要發(fā)送均衡的頻率)給電動機(jī)102。
在供熱模式中大于被編程溫度曲線的排出空氣117溫度導(dǎo)致較高的電壓(根據(jù)需要為均衡頻率)信號給電動機(jī)102，借此增加電動機(jī)速度和風(fēng)扇120速度，這導(dǎo)致增加的空氣流到被占空間(參見用于氣候/溫度控制曲線的實際例子的圖3)。類似在冷卻模式中，較低的排出空氣117溫度(低于光學(xué)編程的)也將導(dǎo)致較高的電壓(以及根據(jù)需要為均衡頻率)信號給電動機(jī)102。在每種情況下，以和實際排出空氣117溫度/氣候以一種可編程的比例連續(xù)和自適應(yīng)地改變電動機(jī)102速度(參見圖3以及圖4a區(qū)域d)。
另外通過OP提供的擴(kuò)展多維控制，HVAC CS能夠唯一地被編程(設(shè)置成自動或氣候控制模式)以便CS將自適應(yīng)供熱和冷卻曲線而不用手動或BMS干預(yù)。它還能夠包括其他環(huán)境參數(shù)像在圖3中示例的濕度和壓力。這允許利用單個、簡單的系統(tǒng)完全控制和升級，其中HVAC CS能夠捕獲、檢測和自適應(yīng)系統(tǒng)氣候參數(shù)于系統(tǒng)需要而不用價格高、復(fù)雜添加的設(shè)備和應(yīng)用程序或系統(tǒng)重新編程或手動干預(yù)。
HVAC CS100能夠通過通信電纜119a與現(xiàn)有建筑管理系統(tǒng)控制器118a通信，其中發(fā)送到或從HVAC CS100接收的信號能夠用于修改HVAC設(shè)備101a輸出(參見圖2a區(qū)域4e以及圖4a區(qū)域e、區(qū)域d)。HVAC CS100還能夠發(fā)送和空氣流成正比例或反比例的信號到節(jié)氣閥激勵器105或控制閥112a或二者都發(fā)送。來自HVAC CS100的可變控制信號和/或電源電壓(0到10，24，100或相反)能夠被發(fā)送，用以調(diào)節(jié)節(jié)氣閥激勵器105，從而通過增加外部空氣節(jié)氣閥106的開口，以便提供比例增加的外部空氣107；以及通過減小回流空氣節(jié)氣閥104的開口同時減小回流空氣103的比例(參見圖2a、2b；4e、4g以及圖4a區(qū)域e、區(qū)域d)。類似地，能夠發(fā)送直接控制信號或電源電壓到控制閥112a以調(diào)節(jié)流向熱交換器或線圈113的熱或冷水或蒸氣的量。
基于室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)裝置或傳感器111a產(chǎn)生的信號增加或降低空間溫度，建筑管理系統(tǒng)控制器118a或HVAC CS100可以發(fā)送可變的、成比例的(或簡單的開/關(guān))信號給控制閥112a，從而調(diào)節(jié)它開啟或關(guān)閉的百分比。當(dāng)線圈113中流體的溫度根據(jù)控制閥112a的變化位置而進(jìn)行變化時，排出空氣溫度117也發(fā)生變化，并且光學(xué)編程的熱敏電阻橋115發(fā)送可變的信號給HVAC CS100a(參見圖3、圖4a區(qū)域d)以相應(yīng)地改變電動機(jī)102和風(fēng)扇120的速度進(jìn)行自適應(yīng)。
之前提到的HVAC CS100能夠甚至以最高的工作速度提供小于線電壓的電壓給電動機(jī)102(參見圖5B 402；圖4a區(qū)域b、區(qū)域c)。通過安裝適當(dāng)類型的空氣過濾器108，已經(jīng)顯示如果全風(fēng)扇速度空氣處于減小的速度則能夠捕獲更多的空氣傳播顆粒。當(dāng)風(fēng)扇空氣流120隨變化的排出空氣117溫度減速時，速度繼續(xù)降低以允許捕獲甚至更多的空氣傳播顆粒。
如果在電動機(jī)軸上安裝圖形編程或光學(xué)編程(GP/OP)的軸編碼器114，HVAC CS100能夠進(jìn)一步提高HVAC設(shè)備101a的性能。編碼器114提供實時電動機(jī)換向以及能夠直接驅(qū)動101a中電動機(jī)和設(shè)備的控制算法。例如除給出風(fēng)扇變速之外，它還給風(fēng)扇提供過速(即大于最大的AC線速度)和它能夠以相同的速度給風(fēng)扇提供明顯更多的轉(zhuǎn)矩。
如在Durham第5665965和6087654號專利中描述的，GP/OP編碼器能夠添加大量的其他功能給電機(jī)功能，其中的一部分功能是它能夠動態(tài)地和圖形化地改變頻率、相位、波形和圖案改進(jìn)和擴(kuò)展性能。而且圖形化或光學(xué)編程的編碼器能夠同時地控制和提高壓縮機(jī)或線圈冷凝器的操作。它不僅能夠使其自適應(yīng)速度并且實現(xiàn)以上對風(fēng)扇描述的大部分功能，而且OP編碼器能夠提供非線性動態(tài)換向曲線給壓縮機(jī)，這顯著地提高它們的性能并且減少了它們的低效率和工作溫度。
除經(jīng)由OP編碼器特別地改進(jìn)這些基于電動機(jī)的設(shè)備之外，還使用控制和換向數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和指令BMS118a功能和/或同時控制閥112a、節(jié)氣閥105以及其他相關(guān)的101a設(shè)備。
對于本公開的基礎(chǔ)，經(jīng)由OP/GP編碼器描述和增強的許多這些添加的特征并沒有公開或使用。
參見圖1b該圖非常類似于圖1a之處是具有許多與圖1a所描述相同的特征和功能。但是圖1b所示為改進(jìn)的HVAC univent型的“穿過墻體”進(jìn)行外部空氣控制和構(gòu)造的新技術(shù)。本公開去除了電機(jī)(或機(jī)械)外部空氣(OA)節(jié)氣閥104、105、106以及不合格的密封/擬合矩形尺寸過大的孔107a以被動地引入外部空氣；用較佳的密封/擬合較小的圓孔107b“穿過墻體”到外部代替107a，并且使用單獨的變速外部空氣(OA)風(fēng)扇122改變或控制所需外部空氣的量，并代替104、105、106節(jié)氣閥設(shè)備。
當(dāng)OP控制的風(fēng)扇明確地提供比機(jī)械激勵和定位的節(jié)氣閥較佳和更精確的空氣流時，這將提供較佳改進(jìn)的可變空氣流控制。它將提供改進(jìn)的靜態(tài)壓力控制。它會降低穿過墻體放置孔(較小的圓孔vs一個長的大矩形開口)的成本和復(fù)雜度。它應(yīng)該增強整個HVAC系統(tǒng)性能正如室內(nèi)風(fēng)扇勝過基于被動對流的系統(tǒng)。它將啟用更多的系統(tǒng)選項(添加的過濾器、具有封口的多個孔，反向空氣流等等)。
參考圖2a和圖2b圖2a使用方框圖、功能描述和信息以及數(shù)據(jù)流描述并公開了新技術(shù)HVAC管理和控制系統(tǒng)(CS)的“一般的方法和設(shè)備實施例”。描述的多個配置顯示廣泛和不同的特征和功能能夠提供單個CS封裝。圖2b進(jìn)一步使用方框圖、功能描述和信息以及數(shù)據(jù)流描述和公開了已經(jīng)實現(xiàn)和變?yōu)閷嵺`的這種新技術(shù)HVAC管理和控制系統(tǒng)(CS)的“具體方法和設(shè)備實施例”。
圖2a和2b示出了對于電路和系統(tǒng)設(shè)計的模塊化光學(xué)編程(OP)自頂向下的方法。電路和系統(tǒng)功能塊利用概念即通常對于每個塊的輸入和/或輸出信號將會但不局限于光學(xué)或OP信號來設(shè)計和實現(xiàn)。
系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)利用“模擬邏輯”電平方法，流程圖類型的方法開始。但是不像使用“開/關(guān)”或“1”&“0”數(shù)字那樣，這種方法使用如在設(shè)計中所考慮的功能塊的“灰色”狀態(tài)。
通常，光學(xué)信號的多維信息內(nèi)容方面是豐富的。若干同時的功能、計算、變換可以存在于單個OP塊上/中，這里能夠?qū)鈱W(xué)編程的信號同時并多維地執(zhí)行功能、計算、變換。這允許我們使用較小、較簡單的電子電路同時增加這些電路的復(fù)雜度以同時執(zhí)行若干多層模擬功能。
OP電路和系統(tǒng)實現(xiàn)的一個例子將是在圖2a中更特別是在圖2b中以一般方塊形式描述的OGD A1系統(tǒng)的子組件，以及圖4a中的實際電路加以實現(xiàn)。
圖2a&2b的部分功能和細(xì)節(jié)進(jìn)一步在圖3空氣流vs氣候曲線圖表的具體功能實現(xiàn)中，在圖4a中經(jīng)由圖4b到4g子電路的示意性和電路實現(xiàn)；以及在圖5a&5b的實際測試結(jié)果圖表中進(jìn)行討論。這些隨后的圖示出了實際實施的和變?yōu)閷嵺`的實現(xiàn)所述發(fā)明功能的功能結(jié)構(gòu)，而圖1a完全公開了用于任何和絕大多數(shù)CS選項的一般方法和裝置的系統(tǒng)實施例。
利用圖2a的AC線開始，這種CS使用和管理的輸入電源能夠是110/120v交流或220/240v交流或其他類型的單相電壓并且為60或50赫茲。接下來區(qū)域4c是執(zhí)行若干基本功能的電動機(jī)控制區(qū)諸如電動機(jī)軟或平緩啟動；降低電壓檢測，恢復(fù)或短暫維持(ride thru)；對抗停機(jī)等等；區(qū)域4f所示為頻率和相位控制區(qū)；有一個區(qū)域用于獨立于運行繞組單獨控制開始繞組然后是功率電子部件區(qū)域4b。其他區(qū)域諸如4d和4g是使用OP捕獲、積分、編程以及使用各種功能、信號和數(shù)據(jù)影響區(qū)域4b和4e的輸出控制的控制區(qū)。
圖2a公開的CS及其一般裝置在圖2b中重復(fù)；然而圖2b表示出已經(jīng)以低成本、緊湊的單個封裝構(gòu)建和工作的實際設(shè)備。在隨后的圖3、4a&5a、5b還進(jìn)一步表示這種相同封裝的結(jié)構(gòu)。在這些接下來的圖中，圖2a中顯示和描述的相同區(qū)域?qū)?yīng)于這些其他圖中的實際實施例；例如在以上描述的有關(guān)電動機(jī)啟動、降低電壓等等操作的圖2a區(qū)域4c全部實際上以圖4a區(qū)域c中所示的電路實施。類似的相應(yīng)功能和特征對于圖2a和圖2b的所有其他單元都是存在的。
參考圖3這是能夠被簡單光學(xué)編程到控制電路的溫度(氣候)區(qū)域中(參見圖4a區(qū)域d)的非線性空氣排出溫度相對空氣流曲線的方法實例。正如所示例的能夠配置任何數(shù)量的曲線反作用于響應(yīng)曲線范圍內(nèi)的供熱和冷卻溫度(或其他氣候/環(huán)境參數(shù))，該曲線能夠容易地被優(yōu)化用于實際的被占空間需求。對于本新穎公開的CS這種選擇被包括設(shè)置成和絕大多數(shù)傳統(tǒng)的HVAC系統(tǒng)一樣；其中供熱和冷卻活動是獨立的，不同的以及有關(guān)何時切換模式手動地或經(jīng)由BMS程序“告知、指令或改變”所述CS(參見圖2b區(qū)域4e)。
但是本公開的CS還具有同時在供熱和冷卻模式中動態(tài)地、智能和自適應(yīng)工作的獨特能力而不用“干預(yù)或幫助”(在HVAC單元中，其中使用相同的排氣出口用于氣候條件以及供熱和冷卻的被占空間)。正如在圖2b區(qū)域4d中所示和討論的各種圖表中所述；空氣流(風(fēng)扇電動機(jī)速度)和溫度界限的上下范圍完全地自適應(yīng)從而這一個HVAC CS能夠控制大量的陣列和HVAC單元類型；并且優(yōu)選地允許放置傳感器靠近或遠(yuǎn)離熱/冷源而仍然給出完全的控制范圍。
也可以設(shè)置(編程)允許和保持“平緩但連續(xù)的”空氣流的最小或“空閑速度”以便它能夠在其曲線中更高、更低、更寬或更窄。這考慮各種未成年人房間溫度波動，這可能對實際系統(tǒng)感應(yīng)變化(即要求熱或冷)沒有絲毫影響從而在最小程度上對空氣流速沒有影響。但是如果/當(dāng)溫度繼續(xù)偏移設(shè)置點(周圍環(huán)境)時，所述曲線將注意到這種偏移并且開始相應(yīng)地調(diào)節(jié)空氣流以使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)中。相反地非常尖的曲線最小值能夠被編程因此系統(tǒng)將更積極主動地反作用于氣候的變化。
盡管將溫度示例為主要驅(qū)動參數(shù)，這將會是僅僅溫度變化的結(jié)果或者它將會是光學(xué)混合成空氣流基礎(chǔ)的若干共同作用參數(shù)的合成結(jié)果。例如在圖2b區(qū)域4d、4e、4g中所示，能夠緩和溫度變化或基于濕度修改曲線以便空氣流速可能在冷卻側(cè)基于濕度更陡峭或更平坦。或者靜態(tài)壓力是能夠修改結(jié)果的另一個氣候條件。先前已經(jīng)公開的其他參數(shù)需要潛在地將不止一個溫度控制點計算在控制算法中；但是沒有任何公開使用OP技術(shù)同時檢測、捕獲、跟蹤、反作用于以及合并計算所有這些多個參數(shù)(基于氣候的、BMS指令以及其他的傳感器和設(shè)備)到單個控制向量中的簡單本質(zhì)。
這種在圖2b區(qū)域4d、4e、4g中描述和公開的用于OP的混合各種氣候因素、BMS信號和其他參數(shù)到信號中以及接口到以及與如在圖4a區(qū)域4d、4e、4g中實現(xiàn)的單個CS OP電路相互作用的獨特多維共同作用能力顯然產(chǎn)生了這種新穎的方法和設(shè)備。而且沒有人利用圖4a中公開的提供如此許多其他功能(即電壓、頻率、相位控制)的簡單但有能力的OP電路技術(shù)的其他部分這樣作。所有這些多個功能、特征、方法和設(shè)備能夠全部用于設(shè)置/驅(qū)動一個或更多參數(shù)的事實使得本發(fā)明不同于現(xiàn)有技術(shù)，其中這些參數(shù)能夠依次產(chǎn)生自適應(yīng)連續(xù)變化的控制響應(yīng)。
參考圖4a圖4a描述和公開了當(dāng)前HVAC控制系統(tǒng)(CS)示意圖以及顯示實現(xiàn)所述發(fā)明功能的實際實施和功能結(jié)構(gòu)的電路的具體設(shè)備實施例。盡管這是完全的功能系統(tǒng)示意圖或電路；但是應(yīng)該明白可以使用其他電路實施例以及在不背離本發(fā)明范圍的情況下可以作出結(jié)構(gòu)的變化。
圖4區(qū)域b或sec b是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的HVAC CS電路示意圖的一部分，在該區(qū)域中配置功率電子部件，其中示出了輸入功率、輸出功率以及某相位角功率電路。這些全部是通過以下描述和公開的在絕大多數(shù)情況下使用光學(xué)編程技術(shù)影響這種控制的電路單元動態(tài)地閉環(huán)控制和指令。
圖4區(qū)域c是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的HVAC CS電路的完整示意圖的一部分，其中使用光學(xué)編程(OP)技術(shù)和OP電路提供能夠“檢測、恢復(fù)和影響”以下功能的設(shè)備AC電動機(jī)“軟啟動”；AC電動機(jī)“停機(jī)恢復(fù)”和AC電動機(jī)“低電壓暫時維持”。在圖4a區(qū)域c中公開的電路單元中實現(xiàn)所有這些控制功能；但是為了示例這種控制如何廣泛在圖5a&5b中描述了OP電路的這單個區(qū)域能夠影響控制的特征。在圖5a中描述了流程圖和功能方框圖，同時圖5b示出了這種OP電路能夠?qū)崿F(xiàn)的實際測試圖表。提供這單個實例以一種編程和邏輯的擴(kuò)展概述顯示區(qū)域C的具體特征，這種編程和邏輯內(nèi)置于電路的這部分中，但是以下列表的用于各種其他OP電路區(qū)域4d到4g的圖4a的整個電路能夠類似地用于這種詳細(xì)的功能圖和圖表闡述。
圖4區(qū)域d是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的HVAC CS電路的完整示意圖的一部分，其中使用光學(xué)編程(OP)技術(shù)和OP電路連接、控制、接口和編程“氣候類型”輸入傳感器和信號。溫度是能夠直接捕獲、輸入、調(diào)諧或繪制曲線然后接口到HVAC CS電路和功能剩余部分的若干參數(shù)中的一個參數(shù)(參見圖3)。在圖2b區(qū)域4d(還有部分圖2b區(qū)域4e&區(qū)域4g)中以方框圖形式擴(kuò)展和顯示這些各種區(qū)域和選項的實例(所有使用公開的電路4a區(qū)域d可獲得并且有可能)。
圖4區(qū)域e是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的HVAC CS電路的完整示意圖的一部分，其中使用光學(xué)編程(OP)技術(shù)和OP電路連接、控制、接口和編程將要接口的其他輸入和輸出(I/O)設(shè)備、電動機(jī)、傳感器和信號。所公開的電路控制電平信號位于具有如這里所示的過濾器和積分器的0到28v直流和/或28到0v直流；但是這并不局限于所述伏特或信號電平并且這些I/O控制能夠是電源電壓直到實際風(fēng)扇電動機(jī)的電源輸出電平。圖2b區(qū)域4e以及圖2a輸出控制示例和公開了輸入/輸出選項的擴(kuò)展本質(zhì)。
圖4區(qū)域f是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的HVAC CS電路的完整示意圖的一部分，其中使用光學(xué)編程(OP)技術(shù)和OP電路提供和影響自適應(yīng)頻率的范圍，該頻率被調(diào)諧成匹配能夠光學(xué)編程用于各種電壓/頻率(V/F)曲線的輸出電壓。共同編程和改變頻率同時其他電路功能的這種能力是這些簡單相位控制類型電路的另一個獨特的設(shè)備和方法公開。圖2aOP頻率控制和圖2b 4f顯示了共同編程頻率連同許多其他多個參數(shù)和功能的增加的選擇。
圖4區(qū)域g是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的HVAC CS電路的示意圖的若干部分，其中示例了使用光學(xué)編程技術(shù)允許變化的但直接的多個輸入的接口控制電路。這種單個HVAC CS的多個和變化的特征在整個的示意圖中通過主要使用用于所有各種電路的光學(xué)編程模擬方式和特征，全部簡單地和共同作用地集成、共同編程、相互作用、控制和管理而不用復(fù)雜的接口和數(shù)字技術(shù)或軟件。如在圖2a和圖2b中描述的方法顯示了這種CS發(fā)明的大量和變化的本質(zhì)，在圖4a中實施和公開了并且主要在區(qū)域g中示出了圖2b方法的實際設(shè)備實現(xiàn)。
參者圖5a&5b圖5a描述和公開了表示完整電路實現(xiàn)的特征和功能的一部分或一個區(qū)域的流程圖和功能方框圖。具體而言該圖示出了圖2b區(qū)域4c的方框圖的一部分以及圖4a區(qū)域4c電路的一部分。兩個圖的特征和功能完全公開了控制各種電動機(jī)功能諸如軟啟動、對抗停機(jī)和低電壓暫時維持的方式的方法和設(shè)備。如在圖5a中的描述這顯示了邏輯狀態(tài)和方框但是應(yīng)該明白實際實現(xiàn)本質(zhì)上將會通常是模擬/連續(xù)的。
圖5b顯示了作為電路和OP指令和控制結(jié)果的系統(tǒng)響應(yīng)和功能的實際圖表。
利用圖5a開始，輸入AC線電壓401a進(jìn)入提供充足輸入功率的400功率部分；進(jìn)入控制采樣和保持功能402和軟啟動功能的406a。
在圖5b中相應(yīng)的數(shù)字顯示繪成圖表的結(jié)果數(shù)據(jù)或信號例如401aAC線顯示了AC線作為時間函數(shù)的例子，其中電壓電平作為時間的函數(shù)變化。
AC線還連接402，402還連接到OP邏輯方框404，其中采樣所述AC線并與門限設(shè)置比較。如果AC線電壓波動低于OP設(shè)置電平，它識別這種情況并且將會使電動機(jī)電壓斜坡上升到通過407a和407b指令的電壓電平。
如果HVAC控制系統(tǒng)(CS)處于初始加電中，那么406a和406b將提供低電壓控制信號給功率電子部件400以提升電動機(jī)電壓(如果需要提升頻率)到“啟動它”然后一旦電動機(jī)啟動調(diào)節(jié)回來，以及接下來406進(jìn)入“睡眠模式”除非需要和通過405、407或410喚醒以重新啟動或提升。
只要電動機(jī)在其OP定義界限(404、407a、409)內(nèi)工作，那么它將跟蹤任何用于指令407b的外部控制信號。如果電動機(jī)開始“下降”低于它編程的空閑速度408或工作電壓電平407b，那么405和/或410將“幫助”電動機(jī)恢復(fù)到它適當(dāng)?shù)拈T限。
正如在這些圖5a和5b中公開和描述的，使用圖4a區(qū)域c中描述的簡單基于OP電路實施和實現(xiàn)所有這種功能和控制。
對于圖4a的區(qū)域d到區(qū)域g中描述的其他區(qū)域的每個區(qū)域能夠詳細(xì)描述圖4a電路功能和特征的類似擴(kuò)展和圖表；對于圖2b區(qū)域4d和4g如使用圖5a和5b對區(qū)域c所描述的；但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該能夠根據(jù)和預(yù)排耦合的這兩個圖理解CS的OP電路的所有其他區(qū)域如何能夠以相似的方式工作。
權(quán)利要求
1.一種用于HVAC系統(tǒng)的控制器，該系統(tǒng)包括通過加熱或冷氣空氣調(diào)節(jié)傳送到HVAC系統(tǒng)所供應(yīng)空間的空氣的部分，操作鼓風(fēng)機(jī)的電動機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)傳送調(diào)節(jié)的空氣到HVAC系統(tǒng)所供應(yīng)的空間，其中所述控制器包括適于接收輸入給控制器和HVAC系統(tǒng)的功率的連接器；接收表示第一變量的信號的第一輸入，該變量表征HVAC系統(tǒng)供應(yīng)空間中的環(huán)境；接收表示第二變量的信號的第二輸入，該變量表征輸入功率；包括多個光學(xué)編程設(shè)備的程序部分，每個設(shè)備由以下構(gòu)成通過表示控制其輸出的一個或更多變量的輸入信號電子驅(qū)動的輻射能量發(fā)射器；可操作耦合所述發(fā)射器的傳感器；以及相關(guān)的單元，這些單元和發(fā)射機(jī)和傳感器互操作以提供一個或更多變量的編程響應(yīng)來定義工作曲線；耦合至第一輸入的環(huán)境參數(shù)部分，它和所述程序部分互操作以根據(jù)第一工作曲線產(chǎn)生和環(huán)境變量有關(guān)的模擬電動機(jī)控制信號；耦合至第二輸入的功率調(diào)節(jié)部分，它和所述程序部分互操作以根據(jù)第二工作曲線產(chǎn)生和輸入功率變量相關(guān)的模擬功率調(diào)節(jié)控制信號；以及提供功率給鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動部分；其中該電動機(jī)驅(qū)動部分響應(yīng)于電動機(jī)控制信號和功率調(diào)節(jié)控制信號以通過第一和第二工作曲線確定的速度來提供驅(qū)動電動機(jī)的功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，還包括接收表示鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)工作狀態(tài)的信號的第三輸入；耦合至第三輸入的電動機(jī)啟動控制單元，它和所述程序部分互操作以根據(jù)第三工作曲線產(chǎn)生和工作變量狀態(tài)相關(guān)的模擬電動機(jī)啟動控制信號；和其中電動機(jī)驅(qū)動部分響應(yīng)于電動機(jī)啟動控制信號給電動機(jī)提供啟動電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制器，其中第三工作曲線的組成是持續(xù)時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制器，其中電動機(jī)工作變量的狀態(tài)是電動機(jī)驅(qū)動輸出的電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制器，其中所述環(huán)境參數(shù)部分可操作耦合至第一程序部分中的第一光學(xué)編程設(shè)備；和電動機(jī)啟動控制單元和功率調(diào)節(jié)部分可操作地耦合至所述程序部分中的第二光學(xué)編程設(shè)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述環(huán)境變量是空氣溫度或兩個位置之間的空氣溫度差。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述環(huán)境變量是排出調(diào)節(jié)區(qū)域的被調(diào)節(jié)空氣的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)的所述速度還與期望的溫度設(shè)置有關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述輸入功率變量是輸入線電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中功率調(diào)節(jié)部分包括一個降低電壓暫時維持單元，其可操作耦合至程序部分中的光學(xué)編程設(shè)備其中之一，并響應(yīng)于輸入功率變量中的預(yù)定變化，所述輸入功率變量持續(xù)至少最小的持續(xù)時間，以根據(jù)第四工作曲線調(diào)節(jié)提供給電動機(jī)驅(qū)動部分的至少一個控制器信號，從而保持鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)的期望電壓電平。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制器，其中第四工作曲線的組成是預(yù)定的持續(xù)時間；以及輸入功率變量中的預(yù)定變化是輸入線電壓的預(yù)定下降。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述功率調(diào)節(jié)部分還包括高低電動機(jī)速度控制單元，它和程序部分中的光學(xué)編程設(shè)備的其中一個設(shè)備互操作以建立鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)的最大和最小速度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述功率調(diào)節(jié)部分還包括電動機(jī)停機(jī)防止單元，該單元可操作耦合至程序部分中的光學(xué)編程設(shè)備的其中一個設(shè)備，它響應(yīng)于輸入線電壓和電動機(jī)工作變量的狀態(tài)防止電動機(jī)輸出部分的功率輸出的變化，當(dāng)它低于預(yù)定的速度工作以及存在線電壓降低時，這種變化將會導(dǎo)致電動機(jī)減速或停機(jī)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述環(huán)境參數(shù)信號發(fā)生部分包括響應(yīng)于至少一個第二環(huán)境變量的電路部分；和所述程序部分響應(yīng)于表示第一和第二環(huán)境變量的信號以根據(jù)第四工作曲線產(chǎn)生模擬電動機(jī)控制信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的控制器，其中從期望的溫度設(shè)置、實際溫度、兩個位置之間的實際溫度差、濕度讀取、靜態(tài)壓力讀取、空氣質(zhì)量讀取、年的時間和天的時間所構(gòu)成的組中，選擇電動機(jī)控制信號相關(guān)的兩個或更多環(huán)境變量。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，還包括耦合作為電動機(jī)驅(qū)動部分輸入的時鐘信號發(fā)生器并且可操作用于以不同的頻率產(chǎn)生至少兩個時鐘信號；以及選擇電路響應(yīng)于電動機(jī)工作變量的狀態(tài)選擇其中一個時鐘信號以控制到電動機(jī)功率的傳送，從而電動機(jī)驅(qū)動部分在和所需電動機(jī)速度直接相關(guān)的頻率處提供負(fù)載功率。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述電動機(jī)驅(qū)動部分還操作用于控制外部空氣源。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述驅(qū)動器部分可操作用于根據(jù)第六工作曲線以可變速度驅(qū)動HVAC系統(tǒng)中的第二電動機(jī)以提供外部空氣的可調(diào)節(jié)流。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述驅(qū)動器部分可操作用于提供啟動電流給HVAC系統(tǒng)中的第二電動機(jī)，并且根據(jù)其他工作曲線以可變速度驅(qū)動第二電動機(jī)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制器，其中所述程序部分可操作用于提供降低電壓暫時維持、對抗停機(jī)保護(hù)和高低速度限制給第二電動機(jī)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制器，其中所述第二電動機(jī)自適應(yīng)于操作閥、或泵或壓縮機(jī)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，還包括從建筑管理系統(tǒng)接收管理控制信號的第六輸入；并且其中所述程序部分可操作用于根據(jù)所述管理控制信號修改電動機(jī)控制信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述程序部分可操作用于根據(jù)其他工作曲線提供操作除鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)之外的HVAC系統(tǒng)組件的輸出。
24.一種控制HVAC系統(tǒng)操作的方法，該系統(tǒng)包括傳送已經(jīng)冷卻或加熱的調(diào)節(jié)空氣給系統(tǒng)供應(yīng)空間的鼓風(fēng)機(jī)，和/或其他基于流體的HVAC子系統(tǒng)，用于操作鼓風(fēng)機(jī)的電動機(jī)組件；鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動和電動機(jī)驅(qū)動的控制器，其中該控制器包括具有多個光學(xué)編程設(shè)備的程序部分，每個設(shè)備由以下構(gòu)成即輸入信號電子驅(qū)動的控制其輸出的輻射能量發(fā)射機(jī)，可操作耦合至該發(fā)射機(jī)的傳感器；和所述發(fā)射機(jī)和傳感器互操作以提供一個或更多變量的編程響應(yīng)，從而定義系統(tǒng)的工作曲線的相關(guān)單元；所述方法包括以下步驟耦合所述控制器到外部電源；確定表征HVAC系統(tǒng)供應(yīng)空間中環(huán)境的第一變量的值；確定表征輸入功率的第二變量的值；耦合作為輸入的表示環(huán)境變量的第一信號到所述程序部分；響應(yīng)于第一信號操作該程序部分以根據(jù)第一曲線產(chǎn)生模擬電動機(jī)速度控制信號；耦合作為輸入的表示輸入功率變量的第二信號到所述程序部分；響應(yīng)于第二信號操作該程序部分以根據(jù)第二曲線控制通過電動機(jī)驅(qū)動到電動機(jī)的負(fù)載功率的傳送；和操作所述電動機(jī)驅(qū)動以提供功率以和第一和第二曲線相關(guān)的速度驅(qū)動電動機(jī)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括以下步驟確定表征鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)操作狀態(tài)的第三變量的值；耦合作為輸入的表示電動機(jī)工作變量狀態(tài)的第三信號到所述程序部分中的光學(xué)編程設(shè)備；響應(yīng)于第三信號操作該程序部分以根據(jù)第三曲線提供用于電動機(jī)驅(qū)動的啟動電流控制信號；和操作該電動機(jī)驅(qū)動以根據(jù)啟動電流控制信號提供啟動電流給鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述電動機(jī)工作變量狀態(tài)是電動機(jī)驅(qū)動輸出的電壓。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中第一信號可操作耦合到所述程序部分中的第一光學(xué)編程設(shè)備；和第二和第三信號可操作耦合到所述程序部分中的第二光學(xué)編程設(shè)備。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述環(huán)境變量是空氣溫度或兩個位置之間的空氣溫度差。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述環(huán)境變量是被調(diào)節(jié)空氣的溫度。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)的速度還和期望的溫度設(shè)置有關(guān)。
31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括響應(yīng)于輸入線電壓的降低操作所述程序部分，以根據(jù)第四曲線提供用于電動機(jī)驅(qū)動的降低電壓暫時維持控制來保持電動機(jī)的期望電壓電平的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括響應(yīng)于輸入功率變量操作所述程序部分以保持鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)的最大和最小速度的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括當(dāng)線電壓降低以及電動機(jī)低于預(yù)置速度運行時，響應(yīng)于第二和第三變量操作光學(xué)編程設(shè)備以提供電動機(jī)停機(jī)保護(hù)的步驟。
34.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括響應(yīng)于至少第二環(huán)境變量操作所述程序部分，以便模擬電動機(jī)控制信號和兩個或更多環(huán)境變量相關(guān)的步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中從由期望的溫度設(shè)置、實際溫度、兩個位置之間的實際溫度差、濕度讀取、靜態(tài)壓力讀取、空氣質(zhì)量讀取、年的時間和天的時間所構(gòu)成的組中選擇兩個或更多環(huán)境變量。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，還包括響應(yīng)于一個或更多環(huán)境變量、輸入功率變量產(chǎn)生第二模擬控制信號以給外部空氣源提供功率的步驟。
37.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括響應(yīng)于表示一個或更多環(huán)境變量的信號操作所述程序部分以根據(jù)預(yù)定的工作曲線給HVAC系統(tǒng)中的第二電動機(jī)提供啟動電流并且以可變速度驅(qū)動電動機(jī)的步驟。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，還包括操作第二變速電動機(jī)以控制外部空氣源的步驟。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，還包括通過防止電動機(jī)驅(qū)動的功率輸出中的變化，操作所述程序部分以給第二電動機(jī)提供停機(jī)防止的步驟，其中當(dāng)它低于預(yù)定的速度工作以及存在線電壓的降低時，這種變化將會使得所述第二電動機(jī)減速或停機(jī)。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，還包括給第二電動機(jī)提供降低電壓暫時維持、對抗停機(jī)保護(hù)、以及高低速度限制的步驟。
41.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，還包括操作第二電動機(jī)控制閥、或泵或壓縮機(jī)的步驟。
42.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括通過防止電動機(jī)驅(qū)動的功率輸出中的變化，操作所述程序部分以給第二電動機(jī)提供停機(jī)防止的步驟，其中當(dāng)它低于預(yù)定的速度工作以及存在線電壓的降低時，這種變化將會使得所述第二電動機(jī)減速或停機(jī)。
43.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括以下步驟從建筑管理系統(tǒng)接收一個或更多控制信號；和響應(yīng)于控制信號操作一個或更多光學(xué)編程設(shè)備以根據(jù)其他工作曲線調(diào)節(jié)電動機(jī)驅(qū)動信號。
44.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括響應(yīng)于表示一個或更多環(huán)境變量的信號操作光學(xué)編程部分，以根據(jù)一個或更多相應(yīng)的工作曲線產(chǎn)生一個或更多附加的模擬控制信號的步驟，該信號用于操作除電動機(jī)之外的HVAC系統(tǒng)的組件。
45.一種HVAC系統(tǒng)包括通過加熱或冷卻空氣調(diào)節(jié)傳送到該系統(tǒng)所供應(yīng)空間的空氣的部分；傳送被調(diào)節(jié)的空氣到所述空間的鼓風(fēng)機(jī)；操作鼓風(fēng)機(jī)的電動機(jī)；和用于根據(jù)權(quán)利要求2-23任何所述的鼓風(fēng)機(jī)電動機(jī)的控制器。
全文摘要
使用連接風(fēng)扇(120)、其他電動機(jī)或電子供電設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)AC電子感應(yīng)電動機(jī)(102)給被占空間提供供熱、冷卻、通風(fēng)、或其任何組合的“閉環(huán)自適應(yīng)氣候控制”的(HVAC)管理和控制系統(tǒng)(CS)。這種新穎的CS使用基于光學(xué)編程&處理(OP)模擬技術(shù)(4G)的方法和設(shè)備，這種技術(shù)允許多維同時作用變量連續(xù)地和自適應(yīng)地改變排出空氣、回流空氣、外部空氣(在可獲得的情況下)的量和/或速率、排出空氣溫度和熱(熱或冷)流體流動。這種新穎的CS通過根據(jù)需要同時調(diào)節(jié)電動機(jī)電壓、頻率和相位自適應(yīng)、調(diào)節(jié)、改變電動機(jī)和設(shè)備、速度和動作；以控制風(fēng)扇輸出、相關(guān)的節(jié)氣閥激勵器、閥激勵器、或其他單元設(shè)備(G5)。
文檔編號G05D23/24GK101027615SQ200580027585
公開日2007年8月29日 申請日期2005年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月14日
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