Способ и устройство для управления системой охлаждения (варианты), способ и устройство управления центробежным компрессором - RU2107234C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к системам управления для систем кондиционирования /охлаждения воздуха.

Новейшее международное законодательство, появившееся в связи с проблемами окружающей среды вследствие наступления глобального потепления и уменьшения озонового слоя, закрепило исключение фреонов, в том числе и используемых в многомиллиарднодолларовой индустрии кондиционирования/охлаждения воздуха.

Заменяющие хладагенты с более отвечающими окружающей среде показателями, как R134A (замена для R12, широко используемого в автомобильной промышленности), предназначены для использования в стандартных системах кондиционирования/охлаждения, но ценой значительной потери входной мощности, уменьшения емкости в заданных габаритах и других недостатков таких, как несовместимость смазки.

Более современные устройства кондиционирования и охлаждения воздуха, особенно малоемкие, что типично для домашних и автомобильных кондиционеров, используют нагнетательный объемный компрессор с относительно низким отношением давлений (например, 4/1). Такие устройства, вращающиеся, как правило, с постоянной скоростью, заряжают аккумулятор или устройство хранения сильно сжатым хладагентом для последующего его расширения (и охлаждения) в теплообменнике испарителя.

Эти системы циклически включаются и выключаются для поддерживания давления в резервуаре аккумулятора. Когда уменьшается нагрузка охлаждения и требуется меньший поток хладагента, длительность цикла включение-выключение увеличивается. Такой подход имеет следующие недостатки: тот факт, что энергетическая отдача во время запуска значительно ниже, чем в положении постоянного вращения; частое циклическое повторение во время всего эксплуатационного режима может вредно отразиться на надежности; требуемые изменения в охлаждении значительны из-за зарядки и разрядки аккумулятора; и фактически изменение нагрузки, которое может быть приспособлено к такому типу работ, несколько ограничено.

Последующие улучшения этого типа работ могут быть найдены в более новых системах, которые модулируют скорости компрессора и в некоторых случаях испарителя, и вентилятора конденсатора для получения более равномерной работы и несколько улучшенных сжатого диапазона цикла и эффективности. В этих системах используются компрессоры с фиксированным или изменяющимся перемещением поршня, со спиральной камерой или с колеблющейся пластиной, многочисленные примеры которых можно найти в литературе.

Описаны новейшие технологии, использующие хладагенты с более высокими удельными объемами, чем стандартные жидкости R12 и R22. Эти системы, прекрасно приспособленные для использования маленьких, высокоскоростных центробежных компрессоров, требуют более высоких отношений давлений, но гораздо меньших абсолютных давлений, чем встречается обычно (патент США N 5065590, F 25 B 1/10, 1991).

Как правило, модулированные системы, как упомянутая в этом патенте, управляют изменением нагрузки и изменениями окружающих условий с помощью перепускного клапана горючего газа (очень неэффективно) или с помощью изменения скорости компрессора перепускным клапаном компрессора (ограниченный диапазон от максимума до минимума нагрузки, с меньшей эффективностью, сем оптимальная).

Однако эти и другие схемы, описанные здесь не очень подробно, ограничены как по потреблению энергии, так и по диапазону работ в работоспособности и оптимизации характеристик тем, что все основано на использовании заранее запрограммированных входов (таблицы преобразования), относящихся не только к механическим ограничениям компрессора, производственным допускам, механическим условиям, рабочим характеристикам и ограничивающим параметрам, но и к термодинамическим и аэродинамическим параметрам потока хладагента.

В основу изобретения положена задача устранить недостатки существующего уровня техники:
обеспечение системы кондиционирования/охлаждения воздуха, в которой возможно использование безвредного для окружающей среды хладагента без потерь в эффективности в отличие от существующих систем;
обеспечение системы управления кондиционированием/охлаждением воздуха, которая обеспечивает высокую эффективность по всему диапазону нагрузок;
обеспечение системы управления кондиционированием/охлаждением, приспособленной для использования компрессора, например одноступенчатого центробежного компрессора, двуступенчатого центробежного компрессора, осевого/центробежного компрессора или комбинированного компрессора смешанного потока, который может быть модулирован в скоростном диапазоне для областей средней и высокой нагрузки и может циклично включаться и выключаться для диапазонов средней и низкой нагрузки;
обеспечение системы управления для системы кондиционирования/охлаждения воздуха, делающей возможной свободную от колебаний работу во время установившегося состояния и во время изменений в нагрузке;
обеспечение системы управления кондиционированием/охлаждением воздуха, которая минимизирует время разгона компрессора от остановки до полной нагрузки;
обеспечение системы кондиционирования/охлаждения воздуха, имеющей возможность использования других хладагентов в одной и той же системе;
обеспечение системы управления для системы кондиционирования/охлаждения воздуха, включающей в себя собственную диагностическую способность определять изношенные и/или поврежденные детали;
обеспечение системы управления кондиционированием/охлаждением воздуха, которая максимизирует эффективность цикла путем управления степенью перегрева во время установившегося состояния и переходного режима.

Вышеперечисленные и другие задачи решаются данным изобретением, приспособленным для использования безвредного для окружающей среды хладагента центробежными компрессорами переменной скорости или другого типа.

Изобретение обеспечивает уникальную схему управления для максимизации эффективности во всем диапазоне нагрузок системы кондиционирования/охлаждения воздуха для восстановления эффективности, которая в ином случае может быть потеряна при переходе на пригодные для окружающей среды рабочие жидкости.

Новая система управления кондиционированием/охлаждением воздуха, описанная здесь, предназначена для использования безвредных для окружающей среды хладагентов, имеющих высокие удельные объемы, высокие отношения давлений и меньшие абсолютные давления, чем в обычных охладительных системах. Низкие абсолютные давления позволяют вырабатывать ключевые детали из композитных материалов.

Система управления предпочтительно используется в системе кондиционирования/охлаждения воздуха, содержащей
электрически управляемый, герметически уплотненный компрессор переменной скорости, который может иметь единичную центробежную ступень, две центробежные ступени, комбинированные осевые/центробежные ступени или компрессор смешанного потока;
индукционный, постоянный магнит или мотор с изменяющимся магнитным сопротивлением и связанный с ним инвертор широтно-импульсной модуляции, который работает не только как источник питания, но и как датчик;
электронно- модулированный управляющий клапан проверки/потока;
конденсатор с вентилятором переменной скорости;
комбинацию фильтр/высушиватель/аккумулятор для создания цикла, при необходимости;
электронно включаемый расширительный клапан и
испаритель с вентилятором переменной скорости.

В одном своем аспекте изобретение направлено на способ управления системой охлаждения, имеющей рабочую жидкость, и установленные друг за другом испаритель, центробежный компрессор переменной скорости, конденсатор и расширительный клапан путем изменения нагрузки компрессора.

При этом ускоряют вращение упомянутого компрессора, измеряют ускорение упомянутого компрессора, измеряют температуру или давление рабочей жидкости в упомянутом компрессоре, определяют степень изменения температуры или давления упомянутой рабочей жидкости во время любого ускорения упомянутого компрессора, уменьшают ускорение упомянутого компрессора, если упомянутая степень изменения температуры или давления упомянутой рабочей жидкости показывает перенапряжение упомянутого компрессора, и повторяют вышеуказанные операции, следующие за операцией ускорения вращения, до прекращения ускорения компрессора.

Ускорению упомянутого компрессора заранее задают максимальный уровень.

Температуру рабочей жидкости компрессора измеряют внутри или ниже по потоку рядом с упомянутым компрессором.

Давление рабочей жидкости компрессора измеряют внутри или ниже по потоку рядом с упомянутым компрессором.

Так как перенапряжение компрессора может появляться во время и увеличения, и уменьшения скорости компрессора, управление ускорением важно в обоих направлениях. По существу, ссылки здесь на увеличение или уменьшение ускорения относятся к абсолютному значению ускорения, тогда как положительные или отрицательные ускорения могут быть введены.

Изобретение включает в себя устройство для управления системой охлаждения, имеющей рабочую жидкость и установленные друг за другом испаритель, центробежный компрессор переменной скорости, конденсатор и расширительный клапан, а также содержит датчик для измерения ускорения упомянутого компрессора, датчик для измерения температуры или давления рабочей жидкости упомянутого компрессора и микропроцессорное управление для определения степени изменения температуры или давления упомянутой рабочей жидкости во время любого периода ускорения упомянутого компрессора и уменьшают ускорение компрессора, если упомянутая степень изменения температуры или давления упомянутой рабочей жидкости показывает перенапряжение упомянутого компрессора.

Изобретение содержит способ управления системой охлаждения, имеющей рабочую жидкость и установленные друг за другом испаритель, центробежный компрессор переменной скорости, конденсатор и расширительный клапан путем изменения нагрузки компрессора, в котором осуществляют работу упомянутого компрессора на постоянной скорости, поддерживают упомянутую рабочую жидкость на первом заранее заданном уровне перегрева между упомянутым испарителем и упомянутым компрессором, когда упомянутый компрессор работает на постоянной скорости, осуществляют ускорение вращения упомянутого компрессора, увеличивают перегрев упомянутой рабочей жидкости между упомянутым испарителем и упомянутым компрессором до второго заранее заданного уровня выше первого заранее заданного уровня и поддерживают перегрев на упомянутом втором заранее заданном уровне, когда упомянутый компрессор ускоряется, и уменьшают перегрев упомянутой рабочей жидкости до упомянутого первого заранее заданного уровня, когда упомянутый компрессор возвращается на постоянную рабочую скорость.

Упомянутый расширительный клапан регулируют для изменения потока упомянутой рабочей жидкости в системе, перегрев упомянутой рабочей жидкости увеличивают во время операции увеличения перегрева рабочей жидкости между испарителем и компрессором, когда компрессор возвращается на постоянную скорость путем регулирования потока упомянутой рабочей жидкости через упомянутый расширительный клапан.

Упомянутый испаритель содержит вентилятор переменной скорости для изменения скорости теплопередачи упомянутой рабочей жидкости, перегрев упомянутой рабочей жидкости увеличивают во время операции увеличения перегрева рабочей жидкости между испарителем и компрессором, когда компрессор возвращается на постоянную скорость путем регулирования теплопередачи упомянутой рабочей жидкости в упомянутом испарителе.

Изобретение также включает устройство для управления системой охлаждения, имеющей рабочую жидкость и установленные друг за другом испаритель, центробежный компрессор переменной скорости, конденсатор и расширительный клапан и содержит датчик для определения, когда упомянутый компрессор работает на постоянной скорости, микропроцессорное управление для поддержания упомянутой рабочей жидкости на первом заранее заданном уровне перегрева между упомянутым испарителем и упомянутым компрессором, когда упомянутый компрессор работает на постоянной скорости, датчик для определения, когда вращение упомянутого компрессора ускоряется, и микропроцессорное управление для увеличения перегрева упомянутой рабочей жидкости между упомянутым испарителем и упомянутым компрессором до второго заранее заданного уровня выше первого заранее заданного уровня и поддержания перегрева на упомянутом втором заранее заданном уровне, когда упомянутый компрессор ускоряется.

Изобретение включает также способ управления центробежным компрессором переменной скорости в системе охлаждения, имеющей рабочую жидкость путем изменения потока рабочей жидкости, в котором осуществляют ускорение вращения упомянутого компрессора в начальный период при измерении ускорения упомянутого компрессора, измерении подачи энергии на упомянутый компрессор и измерении степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в упомянутом компрессоре, повторяют операции по измерению ускорения упомянутого компрессора для сбора множества упомянутых измерений, осуществляют хранение упомянутых измерений ускорения, подачи энергии и степени изменения температуры или давления в рабочей жидкости в упомянутый начальный период, ускоряют вращение упомянутого компрессора в следующий за упомянутым начальным периодом период при измерении ускорения упомянутого компрессора, измерении подачи энергии на упомянутый компрессор и измерении степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в упомянутом компрессоре, определяют индикацию износа упомянутого компрессора путем сравнения упомянутых измерений ускорения, подачи энергии и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в упомянутый следующий период с упомянутыми измерениями ускорения, подачи энергии и степени измерения температуры или давления рабочей жидкости в упомянутый начальный период.

Дополнительно производят операцию по сигнализации износа приводной детали упомянутого компрессора, если при определении индикации износа упомянутого компрессора подача энергии на упомянутый компрессор в упомянутый следующий период увеличивается на заранее заданное значение относительно подачи энергии в упомянутом начальном периоде, когда измерения ускорения и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости остаются постоянными между упомянутыми периодами.

Способ дополнительно включает операцию по сигнализации износа создающей давление детали упомянутого компрессора, если при определении индикации износа упомянутого компрессора степень изменения температуры или давления упомянутой рабочей жидкости в упомянутый следующий период уменьшается на заранее заданное значение относительно степени изменения температуры или давления в упомянутой рабочей жидкости в упомянутый начальный период, когда ускорение компрессора остается постоянным между периодами.

Упомянутым компрессором управляют электрически запитываемым мотором, упомянутую подачу энергии на упомянутый компрессор во время начального периода и в следующий за ним период измеряют уровнем подачи электрической энергии на упомянутый мотор.

Вслед за определением износа упомянутого компрессора упомянутые операции измерения ускорения, подачи энергии и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости во время начального периода и совокупность измерений и хранение этих измерений повторяют в новый начальный период и операции измерения ускорения, подачи энергии и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости после начального периода и определяют индикацию износа упомянутого компрессора для определения индикации износа упомянутого компрессора в упомянутом новом начальном периоде.

Кроме того, изобретение включает устройство для управления центробежным компрессором переменной скорости в системе охлаждения, имеющей рабочую жидкость, содержащее датчик для измерения ускорения упомянутого компрессора, датчик для измерения подачи энергии на упомянутый компрессор, датчик для измерения степени измерения температуры или давления рабочей жидкости упомянутого компрессора и микропроцессорное управление для хранения измерений ускорения, подачи энергии и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в начальный период и определения индикации износа упомянутого компрессора путем сравнения измерений ускорения, подачи энергии и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в следующий период с упомянутыми измерениями ускорения, подачи энергии и степени изменения температуры или давления в упомянутый начальный период.

Изобретение также включает способ управления системой охлаждения, имеющей рабочую жидкость и установленные друг за другом испаритель, центробежный компрессор переменной скорости, конденсатор и расширительный клапан, путем изменения нагрузки компрессора, в котором осуществляют ускорение вращения упомянутого компрессора в начальный период при измерении ускорения упомянутого компрессора, измерении степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в упомянутом компрессоре, повторяют операции ускорения вращения упомянутого компрессора в начальный период для сбора множеств упомянутых измерений, осуществляют хранение упомянутых измерений ускорения и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в указанный начальный период, ускоряют вращение упомянутого компрессора в следующий за упомянутым начальным периодом период при измерении ускорения упомянутого компрессора и сравнении упомянутого измерения ускорения в упомянутый следующий период с упомянутыми измерениями ускорения и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в упомянутый начальный период и уменьшают ускорение упомянутого компрессора, если для сравниваемого ускорения в упомянутый начальный период упомянутая степень изменения температуры или давления упомянутой рабочей жидкости в упомянутый начальный период показывает перенапряжение упомянутого компрессора.

Изобретение, кроме того, содержит устройство для управления системой охлаждения, имеющей рабочую жидкость и установленные друг за другом испаритель, центробежный компрессор переменной скорости, конденсатор и расширительный клапан, содержащее датчик для изменения ускорения упомянутого компрессора, датчик для измерения степени измерения температуры или давления рабочей жидкости упомянутого компрессора и микропроцессорное управление для хранения измерений ускорения и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в начальный период, сравнения измерения ускорения в упомянутый следующий период с упомянутыми измерениями ускорения и степени изменения температуры или давления рабочей жидкости в упомянутый начальный период и уменьшения ускорения упомянутого компрессора, если для сравниваемого ускорения в упомянутый начальный период упомянутая степень изменения температуры или давления упомянутой рабочей жидкости в упомянутый начальный период показывает перенапряжение упомянутого компрессора.

На фиг. 1 показан график типичных рабочих характеристик компрессора, работающего по предпочтительному варианту выполнения изобретения, который полезен для понимания параметров управления системы кондиционирования/охлаждения воздуха; на фиг. 2 - блок-схема предпочтительно варианта выполнения системы управления кондиционированием/охлаждением воздуха по изобретению; на фиг. 3 - логическая диаграмма одного аспекта системы управления по изобретению.

Система управления кондиционированием/охлаждением воздуха по данному изобретению разработана для совмещения преимуществ эффективности компрессора высокого давления с единственной рабочей точкой, преимуществ работы с переменной скоростью для высокой и средней нагрузки и преимуществ системы, работающей циклически для более высокого общего КПД системы для работы с низкой нагрузкой в далекой от расчетной точке. Эта работа с переменным циклом достигается путем уникальной системы управления работой.

Типичные рабочие характеристики компрессора показаны на фиг. 1, которая представляет собой давлений компрессора, то есть выходного давления компрессора к входному давлению компрессора (P1/P2) по ординате, и скорость потока хладагента по абсциссе.

Графически изображенная так называемая "линия перенапряжения" 80, то есть линия для любого конкретного компрессора, которая разделяет безопасную область работы, вниз и право от линии, от нестабильной области работы, то есть вверх и влево от линии перенапряжения. Линия перенапряжения представляет предел стабильной работы для максимального отношения давлений компрессора при любом заданном потоке.

На этот график также нанесен набор линий работы в установившемся состоянии, чтобы быть специально на максимально эффективных характеристиках. Характеристики перенапряжения изменяются для разных компрессоров и могут определяться для каждого отдельного компрессора хорошо известными способами тестирования. Ниже линии 80 перенапряжения линии 82, 84 и 86 показывают линии постоянной скорости NI компрессора, которая увеличивается в направлении, показанном стрелкой.

Линия нормальной работы для нагрузки в установившемся состоянии компрессора 12 показана пунктирной линией 90. На линию нагрузки в установившемся состоянии наложены линии 92,94, формирующие "острова" постоянной эффективности компрессора, которая увеличивается в направлении, показанном стрелкой.

В существующих системах кондиционирования/охлаждения воздуха линия 90 нормальной нагрузки компрессора помещена так, как определено тестированием, чтобы быть на безопасном расстоянии от линии 80 перенапряжения. Причиной для поддержания заранее заданного расстояния от линии 80 перенапряжения является то, что во время изменения скорости (ускорения) компрессора линия переходной нагрузки компрессора, показанная пунктирной линией 100, может сдвинуть работу компрессора в нестабильную область перенапряжения над линией 80 перенапряжения.

В изобретении измерение и управление ускорением обеспечивается, когда компрессор увеличивает скорость, а также когда уменьшает скорость, так как проблемы перенапряжения компрессора могут появиться в обоих направлениях. Компрессоры, даже совершенно эффективные, если они разработаны и подогнаны для других составляющих системы, имеют тенденцию к наличию трудностей при определенных условиях в переходе от остановки к работе с полной нагрузкой и обратно к остановке.

Недостаток состоит в том, что поток отстает от отношения давлений и линия нагрузки переходного ускорения может переместиться в область перенапряжения с нестабильной работой (часто безвозвратно) с нарушениями в работе и попутным риском повреждения деталей. Обычной практикой в прошлом было задать системе управления искусственный предел для гарантии того, что скорость компрессора никогда не приблизится к линии перенапряжения ни при каком сочетании нагрузки, окружающих условий и состояния аппаратурных деталей. Хотя эта система работает очень хорошо на практике, запрограммированный интервал между рабочими условиями и линией перенапряжения ограничивает достижение максимума эффективности цикла.

Во избежание переходной работы в нестабильной области перенапряжения и повреждения компрессора система управления данного изобретения обеспечивает, в одном аспекте, средства для наблюдения ускорения компрессора и параметров хладагента, а также для управления ускорением компрессора, если степень изменения наблюдаемого состояния хладагента показывает перенапряжение компрессора.

Информация, типа изображенной на фиг. 1, может храниться как таблица преобразования в памяти стандартного микропроцессорного управления для определения зарождающегося перенапряжения. Однако изобретение обеспечивает систему и способ, способный избежать опоры на такие таблицы в управлении системой кондиционирования/охлаждения воздуха и поставит незапрограммированные заранее пределы между рабочими состояниями компрессора и границами перенапряжения.

Было найдено, что лучший способ управления системой, когда линия переходной нагрузки достигает линии перенапряжения, - это наблюдение степени изменения скорости компрессора или ускорения ротора компрессора и степени изменения температуры и/или давления хладагента в компрессоре.

Измерением степени изменения скорости компрессора (dn/dt) и управлением подачей энергии на безопасный и стабильный уровень, обеспечиваются наиболее быстрые, свободные от перенапряжения и эффективные переходы. Далее путем выполнения подходящего устройства обнаружения зарождающегося перенапряжения, такого как быстро откликающиеся датчики температуры и давления, и подходящей логической схемы устройства управления этот график ускорения может автоматически изменяться для приспособления к условиям не упреждающей нагрузки, окружающей среды, к термодинамическим или механическим условиям. Существующие системы, как описанные в патенте США N 5065590, требуют комплексных перепускных схем и клапанов управления перенапряжением, которые устранены данной системой.

Предпочтительный вариант выполнения системы управления описывается со ссылкой на систему 10 кондиционирования/охлаждения воздуха, изображенной на фиг.2.

Компрессор 12 переменной скорости содержит индукционный мотор 14, имеющий двухсторонний вал, присоединенный одним концом к центробежному компрессору 18 низкого давления и к центробежному компрессору 22 высокого давления противоположным концом.

Газообразная рабочая жидкость или хладагент подается на компрессор низкого давления по линии 32. Легкодоступные быстрореагирующие датчики температуры и давления предусмотрены для изменения входной температуры T1 и входного давления P1, абсолютного и как функции времени DT1/DT и DP1/DT соответственно.

Линия 20 затем подает хладагент с компрессора 18 низкого давления на компрессор 22 высокого давления. Может использоваться двуступенчатый центробежный компрессор типа описанного в патенте США N 5065590, описание которого включено здесь в качестве ссылки. В зависимости от конструктивных параметров системы, совершенно очевидных для специалистов, этот двуступенчатый компрессор может быть заменен компрессором любого другого типа, таким как одноступенчатый центробежных компрессор или двуступенчатый комбинированный осевой/центробежный компрессор.

Для меньших применений в диапазоне 25000-50000 BtU (британская термическая единица/час) двуступенчатый центробежный компрессор может, как правило, иметь отношение давлений DP2/DP1 в диапазоне 8-15 и может работать на скоростях, превышающих 100000 об/мин.

Стандартные датчики скорости предусмотрены для измерения скорости NI вращения и ускорения DN1/DT' вала компрессора. Стандартный инвертор 16 предусмотрен для приложения импульсного выходного сигнала к мотору 14 переменной скорости. Частота выходного сигнала инвертора регулируется тактирующими сигналами, передаваемыми с логической схемы. Напряжение V и ток A инвертора измеряют стандартными датчиками напряжения и тока. Особый метод, которым управляется степень изменения вращения компрессора в одном важном аспекте данного изобретения, будет раскрыт далее более подробно.

Компрессор 22 высокого давления подключен через линию 24 хладагента к переменному регулирующему клапану 26 остановка/поток. Быстрореагирующие датчики температуры и давления снова предусмотрены для изменения выходной температуры T2 и выходного давления P2 конденсатора, соответственно абсолютных и как функций времени DT2/DT и DP2/DP соответственно.

Переменный регулирующий клапан остановка/поток должен иметь относительно небольшой перепад давления при применении относительно низкого давления с безвредными для окружающей среды хладагентами. В зависимости от установки клапана 26 хладагент либо проходит по линии 28 и через клапан 30 низкого давления для возвращения в компрессор 18 низкого давления по линии 32 для достижения должного баланса потока, либо выходит по линии 34 через клапан 36 высокого давления и линию 38 на конденсатор 40 или модулируется на оба этих пути. Когда хладагент проходит через конденсатор 40, вентилятор 42 переменной скорости конденсатора (включающий стандартные средства для измерения скорости N3 вентилятора) тянет окружающий воздух 44 с температурой TA через конденсатор для охлаждения и снижения хладагента и выпускает нагретый окружающий воздух 46 обратно в окружающую среду.

Хладагент в жидкостном виде проходит по линии 48 на стандартный аккумулятор 50, по линии 52 - на стандартный фильтр (высушиватель 54 хладагента), по линии 56 - на стандартное смотровое стекло 58 и, наконец по линии 60 - на клапан 62 переменного расширения.

Функцией клапана 62 переменного расширения является управление скоростью потока хладагента для поддержания требуемого перегрева в хладагенте, когда он выходит из испарителя в газообразном состоянии. Изобретение управляет степенью перегрева особым образом, который будет описан ниже. Когда хладагент проходит по линии 64 на испаритель 66, вентилятор 68 переменной скорости испарителя (включающий стандартные средства для измерения скорости VN 2 вентилятора) тянет поданный воздух 70 из окружающей среды или из внутренней зоны для охлаждения. После прохождения через испаритель 66 холодный воздух 72 выпускается в зону для охлаждения. Газообразный теперь хладагент затем проходит по линии 74 и через клапан 30 низкого давления и по линии 32 обратно на компрессор 12.

Микропроцессорный контроллер 76 на базе персонального компьютера принимает выходные сигналы (пунктирные линии) со всех сторон различных датчиков, измеряющих вышеуказанные параметры системы, и выдает выходные сигналы (сплошные линии) на различные устройства в соответствии с заранее заданным алгоритмом, как обсуждается ниже.

Логическая схема для одного аспекта предпочтительного варианта выполнения системы управления по изобретению показана на фиг.3. Эта логическая система используется во время работы для поддержания компрессора переменной скорости в безопасной области ниже линии перенапряжения (см. фиг.1).

Система управления также обеспечивает способ для измерения перегрева хладагента, выходящего из испарителя для увеличения эффективности работы. Регулируемые переменные величины данной системы показаны ниже и измеряются в позициях, показанных на фиг.2.

Регулируемые переменные величины системы:
T1 - входная температура компрессора;
T2 - выходная температура компрессора;
TA - входная температура воздуха конденсатора;
P1 -входное давление компрессора;
P2 - выходное давление компрессора;
N1 - скорость мотора компрессора;
N2 - скорость вентилятора испарителя;
N3 - скорость вентилятора конденсатора;
CFCY - положение регулируемого клапана остановка/поток;
EXP - положение расширительного клапана;
V - широтно-испульсно модулированное напряжение;
A - ток мотора.

Логическая схема, изображенная на фиг. 3, может программироваться как алгоритм программного обеспечения в стандартном микропроцессоре, который может использовать только один из протоколов связи вход/выход, используемых в промышленности таких, как стандартных серийный протокол связи RS232, используемый в 1BM - совместимых системах.

Как показано на фиг. 3, термостатом или подобным устройством первоначально сигнализируется требование на увеличение или уменьшение охлаждающего выхода из системы. В это время микропроцессорное управление проверяет скорость N1 мотора компрессора для определения, на желательной ли скорости идет работа. Желательная скорость задана заранее особыми рабочими характеристиками системы кондиционирования/охлаждения воздуха и может храниться в памяти таблицы преобразования.

Если скорость N1 компрессора слишком мала, режим ускорения вращения компрессора DN1/DT увеличивается до первой скорости, заранее заданной рабочими условиями компрессора. В то же время положение EXP расширительного клапана установлено на "закрыто" и скорость N2 вентилятора испарителя увеличивается для подъема перегрева хладагента, выходящего из испарителя, работа которого будет описана ниже более подробно.

Степень изменения давления хладагента на выходе компрессора DP2/DT измеряется и проверяется для определения, находится ли она в желательном диапазоне, показывающем, что компрессор все еще работает в стабильной области ниже линии перенапряжения. Особый безопасный диапазон DP2/DT определяется в соответствии с индивидуальными характеристиками используемого компрессора и хранится в памяти микропроцессора.

Например, возрастание давления на 400 ПА/с может быть определено внутри стабильной области работы ниже линии перенапряжения, тогда как возрастание давления на 2000 Па/c может быть определено как показание угрожающего перенапряжения. В таком случае безопасный диапазон DP2/DT может быть установлен, скажем, на 800 Па/с и любое значение, превращающее это, будет считаться нежелательным.

Как альтернатива использованию степени изменения выходного давления P2 для определения перенапряжения может использоваться степень изменения выходной температуры T2. Установлено, что для предупреждения слабого перенапряжения степень изменения температуры DT2/DT является удовлетворительным индикатором. Однако для предупреждения сильного перенапряжения нестабильность давления проявила себя с лучшей стороны, и степень изменения давления DP2/DT более предпочтительно использовать как индикатор.

Если величина DP2/DN1/ или DT2/DN1/ находится в удовлетворительном диапазоне, система проверяет, стабильна ли N1, т.е. работа ли это при постоянной скорости или это ускорение. Если, с другой стороны, DP2/DN1/ или DT2/DN1/ не находится в пригодном диапазоне, например, у нее чрезмерно высокое значение, показывающее, что компрессор передвигается в область нестабильности над линией перенапряжения, то режим ускорения уменьшается, т.е. DN1/DT уменьшается, и DP2/DT/ или DT2/DN1/ снова проверяется, находится ли оно в пригодном диапазоне без перенапряжения.

Если DP2/DT или DT2/DN1 опять слишком высоки, режим ускорения уменьшается до тех пор, пока он не будет в подходящем диапазоне. Как только это происходит, система опять проверяет, чтобы определить, мала или велика N1 для требуемого входа.

Если скорость N1 компрессора слишком велика, устанавливается режим отрицательного ускорения путем задания первой заранее заданной скорости DN1/DT на замедление компрессора. Установлено, что проблемы с перенапряжением могут возникнуть даже во время чрезмерных скоростей замедления компрессора.

В то же время положение EXP расширительного клапана установлено на "закрыто" и скорость N2 вентилятора испарителя увеличивается для подъема перегрева хладагента, выходящего из испарителя, DP2/DT или DT2/DT проверяется для того, чтобы видеть, находятся ли они в безопасном диапазоне без перенапряжения.

Если так оно и есть, система продолжает проверять, стабильна ли скорость N1 компрессора. Если DP2/DT или DT2/DT слишком высоки, DN1/DT увеличивается (так как DN1/DT отрицательно, это ведет к меньшему абсолютному значению ускорения) до тех пор, пока DP2/DT или DT2/DT не будет в безопасном диапазоне. Затем система снова проверяет, мала или велика N1 для требуемого входа.

Как только скорость N1 компрессора становится на желательном уровне для требования, т. е. DN1/DT = 0, то положение EXP расширительного клапана и скорости N2 вентилятора испарителя и N3 вентилятора конденсатора установлены (или переустановлены в случае EXP и N2) как функция окружающей температуры TA и скорости N1 компрессора в соответствии с рабочими характеристиками целой системы.

Одновременно входная температура N1 и входное давление P1 компрессора проверяется для определения, должен ли регулироваться поток через регулирующий клапан остановка/поток. Положение CFCY клапана либо "открыто" для разрешения большого потока, либо "закрыто" для ограничения потока до тех пор, пока не будет достигнута должная установка.

Если требуемый вход системы так мал, что компрессор должен работать на неэффективной скорости CFCY полностью закрыт, компрессор прекращает работу и аккумулятор продолжает подавать хладагент на испаритель, давая возможность системе выключаться во время периодов низкого требования. Таким образом, система управления кондиционированием/охлаждением воздуха, описанная здесь, имеет возможность эффективно работать при нормальных требуемых условиях путем изменения скорости компрессора и, что важнее, управления ускорением компрессора в виде увеличения или уменьшения его скорости.

Наблюдение степени изменения давления или температуры хладагента в компрессоре дает возможность микропроцессору управлять компрессором при рабочих условиях рядом с линией перенапряжения без фактического перехода в область перенапряжения для любой длительности времени, которая может привести к аварии.

При чрезвычайно низкой нагрузке охлаждения компрессор выключается путем использования регулирующего клапана остановка/поток с низким перепадом давления. Этот клапан закрыт только тогда, когда требование системы падает ниже уровня, который показал бы неприемлемую термодинамическую характеристику компрессора.

Самопрограммируемая способность ускорения системы управления обеспечивает значительные выгоды. Например, совершенно разные хладагенты могут использоваться с подобным компрессором и управляющим аппаратным обеспечением для достижения действительно разных характеристик нагрузки без необходимости замены или перепрограммирования системы. Например, базовая система, разработанная для размещения CFC хладагента, такого как R113, может быть переведена на его HFC - замену, такую как HFC43-10, который имеет несколько отличные термодинамические характеристики, без влияния на работу, или может быть проведена на FC123, например, для достижения более чем двойной емкости компрессора без воздействия на управление и/или компрессор.

Таким образом, различные применения, которые ранее считались взаимоисключающими, теперь могут работать с тем же самым основным аппаратным и программным обеспечением. Значительную выгоду дает применение данных компрессоров к несопоставимым требованиям температуры испарителя, которые, как правило, требуют изменений как в управлении, так и в аппаратном обеспечении.

Другим свойством этой системы управления кондиционированием/охлаждением воздуха является способ, которым осуществляется перегрев хладагента. Система управления по данному изобретению обеспечивает способ управления и изменения перегрева выходящего из испарителя хладагента для увеличения эффективности работы.

Прошлая практика основывалась на заранее заданной фиксированной степени перегрева хладагента, выходящего из испарителя, поддерживаемой множеством схем управления для обеспечения того, что жидкость не попадает в компрессор ни при каком изменении нагрузки, аппаратных или окружающий условий. Установлено, то поддержание фиксированной степени перегрева неэффективно в большинстве рабочих условий, так как обеспечивается больший перегрев, чем требуется для безопасной работы, отрицательно отражаясь, таким образом, на эффективности цикла.

В отличие от существующих систем в системе управления по данному изобретению перегрев может поддерживаться управлением установки расширительного клапана на относительно низком уровне, например 2-5^oC, только в периоды постоянной скорости компрессора, т.е. когда DN1/DT = 0.

Тем не менее, когда компрессор ускоряется, когда скорость либо увеличивается, либо уменьшается, перегрев хладагента увеличивается до более высокого заранее заданного уровня, выше нормального уровня в установившемся состоянии. Другими словами, когда система обнаруживает, что DN1/DT больше или меньше 0, расширительный клапан закрыт для увеличения уровня перегрева выше нормального уровня в установившемся состоянии, например, на 10-15^oC. Когда компрессор возвращается на постоянную рабочую скорость, т.е. DN1/DT = 0, то расширительный клапан EXP открыт для уменьшения перегрева до меньшего, заранее заданного уровня в установившемся состоянии.

Желательный уровень перегрева может быть определен для отдельной системы без разрушающего экспериментирования. В дополнении к использованию положения EXP расширительного клапана для определения степени перегрева (или его замена) скорость N2 вентилятора испарителя может увеличиваться во время ускорения компрессора, а затем уменьшаться, когда компрессор возвращается на постоянную рабочую скорость и DN1/DT = 0.

Выполнение такого зависимого от ускорения управления работой вместе с вышеописанным управлением, основанным на обнаружении перенапряжения, допускает более эффективный способ работы. Во время работы в установившемся состоянии система работает только с минимумом перегрева со значительно повышенной эффективностью. С началом переходной работы имеют место соответствующие приспособления, включающие модификацию отношения давлений компрессора, установки расширительного клапана и скорости вентилятора испарителя для увеличения границы перегрева.

Данное изобретение также может использоваться для наблюдения состояния компрессора как функции времени для сигнализации о частичном дефекте или износе компрессора, например механическом или аэродинамическом, и для разрешения стабильной работы системы до тех пор, пока не будет нужна коррекция.

В этом отношении начальный период устанавливается тогда, когда вращение компрессора ускоряется и ускорение замеряется. В то же время измеряется подача энергии на компрессор с инвертора (Y x A) и степень изменения температуры и/или давления хладагента на выходе компрессора (DT2/DT или DP2/DT соответственно). Предпочтительно множество таких измерений делается на различных уровнях ускорения. Эти измерения ускорения, подачи энергии и степени изменения температуры или давления хладагента затем сохраняются, например, в собственной памяти системы управления на базе микропроцессора.

В любое время, следующее за начальным периодом, выполняются измерения подачи энергии на компрессор и степени изменения температуры или давления хладагента на выходе компрессора во время ускоренного вращения компрессора. Эти измерения ускорения подачи энергии и степени изменения температуры или давления хладагента в желательный следующий период сравниваются с сопоставимыми измерениями в начальный период.

Если подача энергии на компрессор в следующем периоде увеличивается на некоторое значительное, заранее заданное значение, например на 5-10% относительно подачи энергии в начальном периоде, когда измерения ускорения и степени измерения температуры рабочей жидкости остаются постоянными между периодами, то это показывает износ механической приводной детали компрессора, например, износ подшипника или втулки. В таком случае соответствующий сигнал этого механического износа может производиться системой для предупреждения оператора.

Если, с другой стороны степень изменения температуры или давления хладагента в следующем периоде уменьшается на значительное, заранее заданное значение, например, на 5-10% относительно степени изменения температуры рабочей жидкости в начальном периоде, когда ускорение компрессора остается постоянным между периодами, то это показывает износ аэродинамической, создающей давление детали компрессора, например лопастей компрессора. Это состояние может затем сигнализироваться системой управления оператору.

Если значительное изменение сравниваемых измеряемых параметров отсутствует между начальным и следующим периодами, это также может индицироваться. Если задана какая-либо индикация износа компрессора, система может быть затем перезапущена таким образом, что дальнейший износ может сигнализироваться оператору.

Самокомпенсирующая способность этой системы управления обеспечивает надежность системы и эффективность работы в том, что существует не только самодиагностическая способность индицировать зарождающийся дефект, но также путем автоматического перезапуска режима ускорения система разрешает стабильную работу в деградированном состоянии до тех пор, пока не будет произведена коррекция.

Путем соответствующего включения вышеуказанных датчиков сравнение подачи энергии с начальным и требуемым "как следует" ускорением служит для диагностирования таких неисправностей, как трение компрессора, падение эффективности из-за разрушения, пробоя лабиринтного уплотнителя и т.п.

Вышеописанная система измерения и хранения параметров системы в начальный период может быть использоваться для управления системой кондиционирования/охлаждения воздуха. Во время периодов, следующих за начальным периодом, компрессор может ускоряться во время нормальной работы, когда идет сравнение реального ускорения с измерениями ускорения и степени измерения температуры или давления рабочей жидкости в начальный период, как хранится в памяти. Если для сравнимого ускорения в начальном периоде степень изменения температуры или давления хладагента в начальный период показывает перенапряжение компрессора, ускорение компрессора может уменьшаться для предупреждения условий перенапряжения.

Реферат

Использование: в системе управления кондиционированием/ охлаждением воздуха, приспособленной для использования с компрессором переменной скорости, измеряющая ускорение компрессора и температуру или давление выходящего из него хладагента, определяющая степень изменения температуры или давления хладагента и уменьшающая ускорение компрессора, если степень изменения температуры или давления рабочей жидкости показывает перенапряжение компрессора. Сущность изобретения: перегрев хладагента поддерживается на первом заранее заданном уровне, когда компрессор работает на постоянной скорости, и увеличивается до второго, более высокого, заранее заданного уровня, когда компрессор ускоряется. Система способна определять износ компрессора путем измерения и сравнения подачи энергии на компрессор и степени изменения температуры или давления хладагента в компрессоре между начальным и следующим периодами и отличать износ приводной детали от износа создающей давление детали компрессора. 8 с. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула