CN101218738A - 用于冷却器***的变速驱动器 - Google Patents

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Abstract

为由感应电动机驱动的冷却器***提供具有升压变换器的变速驱动器。升压变换器能够为紧跟有升压DC/DC变换器或三相脉宽调制升压变换器的二极管或可控硅整流器。升压变换器给DC环节提供经升压的电压，其致使由变速驱动器的逆变器将经升压的电压施加于感应电动机。

Description

用于冷却器***的变速驱动器
技术领域
本发明一般涉及用于冷却器***的变速驱动器。更明确地，本发明涉及用于变速冷却器***的具有升压功能的变速驱动器。
背景技术
过去，冷却器***中用于驱动压缩机的电动机设计为从标准线(主要)电压和频率运转，该电压和频率可从在其电动机运转的设施的配电***中得到。因为电动机被限制于基于电动机的输入频率的一个运转速度，所以线电压和频率的使用典型地将用于调制压缩机的容量的选择限制于像进口导向叶片和滑阀那样的较低效率的机械装置。另外，如果电动机的运转速度不等于压缩机的期望的运转速度，则在电动机与压缩机之间嵌入“提升”或“减低”变速传动箱，以获得压缩机的期望的运转速度。
接下来，开发了能够改变提供给冷却器***的电动机的频率和电压的变速驱动器(VSD)。改变电动机的输入频率和电压的这种能力导致了能够给冷却器***的相应压缩机提供可变的输出速度的电动机。当期望在低于完全负载设计速度的一个速度的运转时，电动机(和压缩机)的变速运转使得冷却器***能够利用在压缩机的部分负载期间发生的效率。除了现有的能够从三相功率线直接运转的电动机，如，感应电动机、或同步电动机之外，变速驱动器的使用也允许冷却器***中需要其自身的电子驱动器的其它种类的电动机的使用。
现有的感应电动机型的VSD的一个局限性是在不造成过量的谐波电压的情况下，来自VSD的基本输出电压的幅度可能不大于输入，或到VSD的电力设施，线电压的幅度。出现有关基本输出电压的这种限制是因为VSD的整流器仅提供具有等于大约提供给VSD的线线AC电压的均方根(rms)值的1.3倍的幅度的DC电压。如果要求固定伏特/赫兹比运转(也已知为常通量运转)，则变速驱动器的输出电压的这种局限性限制传统的感应电动机的最大速度为相应于以线电压运转的电动机的速度的一个速度。为了传递电动机的额定转矩水平，传统的感应电动机需要固定伏特/赫兹比运转。因而，为了获得较大的压缩机速度，在电动机和压缩机之间必须结合“提升”传动装置布置，以增加驱动压缩机的电动机的输出旋转速度。可选择地，倘若电动机能够经受住与这样的高速运转关联的旋转力，能够在超过其额定电压和频率的电压和/或频率运转较低额定电压的电动机。
现有的感应电动机型的VSD的能力也局限制于提供能够使它们经受住输入线电压的暂时跌落的平稳运行(ride-through)能力。因为VSD的变换器不包含补偿输入线电压跌落的设备，在全速运转，输入线电压跌落几乎立即反映在VSD的输出电压上。因为VSD的输出电压依赖于DC环节电压的幅度，当在接近于最大的速度运转时，经受这样的数秒的暂时电压跌落的能力因为会受到限制，因而输入电压受到限制。
另外，对来自VSD的输出电压的这种局限性限制了冷却器***中高速感应电动机的运转效率。用于在不存在“提升”传动装置布置的情况下获得较快的压缩机速度的高速电动机受到限制，其原因是当在最大运转速度可利用降低的最大运转电压时，设计有效的和低成本的电动机更加困难。
因此，所需要的是具有经改善的平稳运行(ride-through)能力，并能够提供冷却器***中高速感应电动机的低成本的、高效率的以及容易实现的运转的电动机的变速驱动器。
同样所需要的是能够驱动设定功率为超过标称输入线固定AC电压的运转电压的电动机的变速驱动器。
发明内容
本发明的一个实施例指向关于冷却器***的压缩机的驱动***。驱动***具有变速驱动器和电动机。变速驱动器配置为接收处于固定的AC输入电压的AC输入电压，并提供处于可变电压和可变频率的AC输出功率。变速驱动器包括连接到提供AC输入电压的AC功率源的变换器级、连接到变换器级的DC环节、和连接到DC环节的逆变器级。变换器级配置为将AC输入电压变换为经升压的DC电压。DC环节配置为滤波经升压的DC电压并存储来自变换器级的能量。逆变器级配置为将来自DC环节的经升压的DC电压变换成为具有可变电压和可变频率的AC输出功率。电动机，优选地为感应电动机，连接到逆变器级，并由逆变器级的输出提供功率。电动机可连接到冷却器***的压缩机，以为压缩机提供功率。变换器配置为通过在AC输入电压的跌落期间维持经升压的DC电压水平而提供平稳运行(ride-through)容量。
本发明的一个优点是通过省略电动机和压缩机之间的传动装置而增加的***效率和潜在的成本降低。
本发明的另一个优点是电动机和逆变器损耗的降低。
本发明的另一个优点是冷却器***的经改善的可靠性。
本发明的另一个优点是变速驱动器的经改善的输入功率品质。
本发明的另一个优点是在输入电压跌落期间，变速驱动器具有经改善的平稳运行(ride-through)能量。
结合作为例子阐明本发明的原理的附图，从下列优选实施例的更加详细的描述中，本发明的其它特点和优点将会很明显。
附图说明
图1示意性地阐明本发明的一般***配置。
图2示意性地阐明本发明的变速驱动器的实施例。
图3示意性地阐明能够与本发明一起使用的致冷***。
图4阐明本发明的变速驱动器的一个实施例的电路图。
无论何种情况下可能，遍及绘图，将使用相同的参考数字指示相同或相似的部分。
具体实施方式
图1一般阐明本发明的***配置。AC功率源102将AC功率供给至变速驱动器(VSD)104，其依次将AC功率供给至电动机106。在本发明的另一个实施例中，VSD 104能够为不止一个电动机提供功率。电动机106优选地用于驱动致冷或冷却器***的相应压缩机(一般参见图3)。AC功率源102从在站点所提供的AC功率电网或配电***将单相或多相(例如，三相)固定电压和固定频率AC功率提供给VSD 104。能够直接从电力设施或者能够从电力设施和AC功率电网之间的一个或多个变电站供给AC功率电网。依赖于相应的AC功率电网，AC功率源102能够优选地将在50Hz或60Hz的标称线频率的三相AC电压或200V、230V、380V、460V、或600V的标称线电压供给至VSD 104。将理解到，依赖于AC功率电网的配置，AC功率源102能够给VSD 104提供任何适当的固定标称线电压或固定标称线频率。另外，特别的站点能够具有能够满足不同的线电压和线频率的要求的多个AC功率电网。例如，一个站点可以具有230 VAC的功率电网，以处理某些应用，以及具有460 VAC的功率电网，以处理其它应用。
VSD 104从AC功率源102接收具有特定的固定线电压和固定线频率的AC功率，并在期望的电压和期望的频率将AC功率提供给电动机106，该期望的电压和频率两者都能够改变以满足特别的要求。优选地，VSD 104能够将AC功率提供给具有比从AC功率源102所接收到的固定电压和固定频率高的电压和频率或者低的电压和频率的电动机106。电动机106可以具有比固定的AC输入电压和频率大的预定的额定电压和频率，然而额定电动机电压和频率也可以等于或低于固定AC输入电压和频率。图2示意性地阐明VSD 104的一个实施例的一些组件。VSD 104能够具有三级：变换器级202、DC环节级204和逆变器级206。变换器202将来自AC功率源102的固定线频率、固定线电压AC功率变换成为DC电压。DC环节204滤波来自变换器202的DC电压，并提供像电容器和/或电感器那样的能量存储组件。最后，逆变器206将来自DC环节204的DC电压变换成为用于电动机106的可变频率、可变电压的AC功率。
电动机106优选地为能够以可变的速度驱动的感应电动机。感应电动机能够具有包括2个电极、四个电极或六个电极的任何适当的电极布置。感应电动机用来驱动负载，优选地为如图3中所示的压缩机。在本发明的一个实施例中，本发明的***和方法能够用来驱动致冷***的压缩机。图3一般阐明连接到致冷***的本发明的***。
如图3中所示，HVAC、致冷或液体冷却器***300包括压缩机302、冷凝器304、蒸发器306、和控制面板308。控制面板308能够包括像模拟数字(A/D)转换器、微处理器、非易失性存储器、和接口板那样的多种不同的组件，以控制致冷***300的运转。控制面板308能够用于控制VSD 104和电动机106，以及冷却器***300的其它组件的运转。
压缩机302压缩致冷剂蒸汽，并通过排放线将蒸汽传递至冷凝器304。压缩机302优选地为离心式压缩机，但是能够是任何适当类型的压缩机，例如，螺杆式压缩机、活塞式压缩机等等。由压缩机302传递至冷凝器304的致冷剂蒸汽进入与流体(如，空气或水)的热交换关系，并且作为与流体的热交换关系的结果，经历至致冷液体的相变。来自冷凝器304的冷凝液体致冷剂流经膨胀装置(未示出)至蒸发器306。
蒸发器306包括关于冷却负载的供给线和返回线的连接。次级液体，如，水，乙烯、氯化钙卤水或氯化钠卤水，经由返回线行进到蒸发器306，并经由供给线退出蒸发器306。蒸发器306中的液体致冷剂进入与次级液体的热交换关系，以降低次级液体的温度。作为与次级液体的热交换关系的结果，蒸发器306中的致冷液体经历至致冷剂蒸汽的相变。蒸发器306中的蒸汽致冷剂退出蒸发器306，并由吸入线返回至压缩机302，以完成循环。将理解到倘若获得冷凝器304和蒸发器306中的致冷剂的适当的相变，***300中就能够使用冷凝器304和蒸发器306的任何适当的配置。
HVAC，致冷或液体冷却器***300能够包括图3中未示出的许多其它特点。已经有意地省略了这些特点，以便为了解释说明的方便而简化绘图。此外，尽管图3阐明了如具有连接在单个致冷电路中的一个压缩机的HVAC，致冷或液体冷却器***300，将理解到，***300能够具有连接在一个或多个致冷电路的每一个中的，由单个VSD或多个VSD提供功率的多个压缩机。
优选地，控制面板、微处理器或控制器能够给VSD 104提供控制信号，以控制VSD 104(且从而电动机106)的运转，以便依赖于由控制面板所接收到的特定的传感器读数，而提供关于VSD 104和电动机106的最佳的运转设置。例如，在图3的致冷***300中，控制面板308能够调节VSD 104的输出电压和频率，以相应于致冷***中的变化条件，即，为了获得电动机106的期望的运转速度以及压缩机302的期望的负载输出，响应压缩机302中增加或减少负载条件，控制面板308能够增加或减少VSD 104的输出电压和频率。
返回参考图2，变换器202为具有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的脉宽调制的升压整流器，以给DC环节204提供经升压的DC电压，以便从VSD 104获得大于VSD 104的输入电压的输出电压。在本发明的优选实施例中，VSD 104能够提供大于提供给VSD 104的固定输入电压的最大输出电压，和大于提供给VSD 104的固定输入频率的最大输出频率。此外，将理解到，只要VSD 104能够给电动机106提供适当的输出电压和频率，VSD 104就能够结合与图2中所示的那些不同的组件。
除了给DC环节204提供经升压的DC电压以外，变换器202还能够控制从AC功率源102所吸取的电流波形的形状和相角，以改善VSD 104的输入功率品质。能够通过评估两个特征来确定输入功率的品质。一个特征是从AC功率源102所吸取的电流的波形的形状，在波形形状越靠近或接近理想的正弦曲线的地方，输入功率的品质越好。另一个特征是输入功率的功率因素，即，所供给的AC输入电压与从AC功率源102所吸取的电流的基本谐波分量之间的相角的余弦，在功率因素越靠近或接近一的地方，输入功率的品质越好。变换器202能够控制从AC功率源102所吸取的电流波形的形状和相角，以致波形的形状为正弦曲线，且大致与AC输入电压同相。因而，变换器202使得VSD 104能够具有经改善的输入功率品质。
此外，变换器202能够用来在AC输入电压的降低，也称为电压跌落期间改善VSD 104的平稳运行(ride-through)能力。能够控制变换器202，以为DC环节204提供基本上独立于并大于AC输入电压的峰值的期望的或预定的输出电压。通过提供不依赖于AC输入电压的DC电压，变换器202(和VSD104)不受AC输入电压的电压跌落的影响，并从而为VSD 104提供经改善的平稳运行(ride-through)性能。即使AC输入电压已跌落，变换器202也能够继续为DC环节204提供期望的DC电压。变换器202的这种平稳运行(ride-through)能力使得VSD104在AC输入电压跌落的时期期间能够继续运转而不中断。
图4示出关于VSD 104的一个实施例的电路图。在VSD 104的这个实施例中，来自三相AC功率源102的输入线连接到用来平滑VSD104的相应线中的电流的电感器434。然后将电感器434的每一个的输出提供给变换器202，以将AC输入电压的每相变换为DC功率。另外，VSD 104能够包括图4中未示出的位于电感器434的上游的另外的组件。例如，能够包括电路断路器，当过量的电流、电压或功率提供给VSD 104时，该电路断路器能够从AC功率源102断开VSD 104。能够包括预先充电电阻器和接触器，以缓慢地给DC环节电容器充电。最后，响应每条线中的过量的电流，能够使用关于每条线的保险丝来断开VSD104的那个输入相或线。
变换器模块202优选地包括三对(对于每个输入相来说一对)功率开关或晶体管430。变换器模块202也包括相应的控制接线(为简单起见未示出)，以控制功率开关430的开关转换。在变换器模块202的一个优选实施例中，功率开关为由脉宽调制技术所控制的IGBT功率开关，以产生DC环节所期望的输出电压。优选地，变换器模块202能够如升压整流器一样运转，以给DC环节204提供经升压的DC电压，以便从VSD 104获得大于VSD 104的输入电压的基本输出电压。也可以并联地配置多个变换器模块，以增加变换器的电流能力。
并联至变换器202的输出的是DC环节204。这个实施例中的DC环节 04包括电容器420和电阻器422，以滤波DC功率并存储来自DC总线412的能量。电阻器能够起电压平衡装置的作用，以在电容器组之间维持大致相等的DC环节电压。电阻器也能够起电荷损耗装置的作用，以当从AC功率源102移除功率时，放电电容器组中所存储的电压。同样连接至DC总线412的是逆变器部分206，其将DC总线412上的DC功率变换为用于电动机106的三相AC功率。在图4中所示的实施例中，使用一个逆变器部分或模块206来驱动单个电动机。然而，能够添加另外的逆变器模块206以驱动另外的电动机，并且另外的逆变器模块将具有与图4中所示的逆变器模块206类似的电路表示。
逆变器模块206包括三对(对于每个输出相来说一对)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率开关426和二极管。逆变器模块206也包括相应的控制接线，以控制IGBT功率开关430的开关转换。
通过使用调制方案，从逆变器模块206获得期望的AC电压和频率，在“导通”或激活的状态与“截止”或解激活的状态选择性地转换逆变器模块206中的IGBT功率开关426的每一个，逆变器模块206将DC总线412上的DC电压变换为三相AC电压。基于调制方案，控制面板308将门信号或开关信号提供给IGBT功率开关426，以在“导通”状态与“截止”状态之间转换IGBT功率开关426。当开关信号为“高”，即，逻辑1时，IGBT功率开关426优选地处于“导通”状态，并且当开关信号为“低”，即，逻辑0时，IGBT功率开关426处于“截止”状态。然而，将理解到IGBT功率开关4 30的激活和解激活能够基于开关信号的相反的状态。
通过用变换器202提供经升压的DC电压给DC环节204，降低了进入逆变器206的DC和RMS电流的幅度，对于给定的***功率等级，该逆变器电流近似地反比例于逆变器206的DC输入电压。对于给定的基本输出电压，逆变器电流的这种降低致使VSD 104的逆变器损耗的降低。VSD 104中的逆变器损耗的降低致使冷却器***300的效率的增加。
最后，VSD 104的基本独立于VSD的标称AC输入电压和标称AC输入频率，调节由VSD 104所传递至电动机的最大输出电压和最大输出频率两者的能力，允许在多种国外的和国内的功率电网上运转VSD 104，而不需要关于不同的功率源来改变电动机106或VSD 104。
尽管已经参考优选的实施例描述了本发明，本领域技术人员将理解到可以作各种各样的改变，并且可以用等同物替换其元素，而不背离本发明的范围。另外，可以作许多更改，以适应本发明的教义的特别的情形或材料，而不背离其本质范围。因此，其意谓着本发明并不局限于作为实施这个发明所期望的最好的模式而公开的特别的实施例，而是本发明将包括落于附属权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于冷却器***的压缩机的驱动***，所述驱动***包括：
变速驱动器，所述变速驱动器配置为接收处于固定的AC输入电压的AC输入电压，并提供处于可变电压和可变频率的AC输出功率，所述变速驱动器包括：
连接到提供所述AC输入电压的AC功率源的变换器级，所述变换器
级配置为将所述AC输入电压变换为经升压的DC电压；
连接到所述变换器级的DC环节，所述DC环节配置为滤波并存储来
自所述变换器级的所述经升压的DC电压；和
连接到所述DC环节的逆变器级，所述逆变器级配置为将来自所述
DC环节的所述经升压的DC电压变换成为具有所述可变电压和所述可变
频率的所述AC输出功率；和
连接到所述逆变器级并由来自所述逆变器级的所述AC输出功率提供功率的电动机，所述电动机可连接到所述冷却器***的压缩机，以为所述压缩机提供功率；
其中所述变换器级配置为当所述AC输入电压降低为在所述固定的AC输入电压之下时，维持大于所述输入的AC输入电压的经升压的DC电压。
2.如权利要求1所述的驱动***，其中所述经升压的DC电压为大于所述固定AC输入电压的均方根值的1.3倍的DC电压。
3.如权利要求1所述的驱动***，其中所述变换器级包括：
连接到AC功率源的整流器；和
连接到所述整流器的DC-DC升压变换器，所述DC-DC升压变换器配置并部署为给所述DC环节提供所述经升压的DC电压。
4.如权利要求1所述的驱动***，其中所述变换器级包括具有绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制升压整流器。
5.如权利要求1所述的驱动***，其中所述电动机具有大于所述固定的AC输入电压的额定电压。
6.如权利要求1所述的驱动***，其中所述变换器级配置为控制从所述AC功率源所吸取的电流波形为具有大致的正弦曲线形状并基本与所述固定的AC输入电压同相。
7.如权利要求1所述的驱动***，其中所述变换器级配置为基本独立于所述固定的AC输入电压，给所述DC环节提供所述经升压的DC电压，从而允许所述变速驱动器在所述固定的AC输入电压降低的期间内运转预定时间。
8.如权利要求1所述的驱动***，其中所述逆变器级配置为响应在所述DC环节所出现的所述经升压的DC电压，减小DC电流的幅度，从而降低所述变速驱动器中的逆变器损耗。
9.如权利要求1所述的驱动***，其中所述电动机配置为响应大于所述固定的AC输入电压的所述可变电压，而具有减小的幅度的RMS值的电动机电流，从而降低所述电动机的电动机损耗。
10.如权利要求1所述的驱动***，其中所述电动机为感应电动机。
11.一种冷却器***，包括：
连接在闭合致冷环路中的压缩机、冷凝器、和蒸发器；
连接至所述压缩机的电动机，以为所述压缩机提供功率；和
连接至所述电动机的变速驱动器，所述变速驱动器配置为接收处于固定的AC输入电压和固定的输入频率的AC输入功率，并给所述电动机提供处于可变电压和可变频率的输出功率，所述可变电压具有幅度大于所述固定的AC输入电压的最大电压，以及所述可变频率具有大于所述固定的输入频率的最大频率，所述变速驱动器包括：
连接到提供所述AC输入功率的AC功率源的变换器级，所述变换器级配置为将所述AC输入电压变换为经升压的DC电压，所述经升压的DC电压大于所述固定的AC输入电压；
连接到所述变换器级的DC环节，所述DC环节配置为滤波所述经升压的DC电压并存储来自所述变换器级的能量；和
连接到所述DC环节的逆变器级，所述逆变器级配置为将来自所述DC环节的所述经升压的DC电压变换成为具有所述可变电压和所述可变频率的用于所述电动机的所述输出功率。
12.如权利要求11所述的冷却器***，其中所述经升压的DC电压为大于所述固定AC输入电压的均方根值的1.3倍的DC电压。
13.如权利要求11所述的冷却器***，其中所述变换器级包括：
连接到AC功率源的整流器；和
连接到所述整流器的DC-DC升压变换器，所述DC-DC升压变换器配置并部署为给所述DC环节提供所述经升压的DC电压。
14.如权利要求11所述的冷却器***，其中所述变换器级包括具有绝缘栅双极型晶体管的脉宽调制升压整流器。
15.如权利要求11所述的冷却器***，其中所述电动机具有大于所述固定的AC输入电压的额定电压。
16.如权利要求11所述的冷却器***，其中所述变换器级配置为控制从所述AC功率源所吸取的电流波形为具有大致的正弦曲线形状并基本与所述固定的AC输入电压同相。
17.如权利要求11所述的冷却器***，其中所述变换器级配置为基本独立于所述固定的AC输入电压，给所述DC环节提供所述经升压的DC电压，从而允许所述变速驱动器在所述固定的AC输入电压降低的期间内运转预定时间。
18.如权利要求11所述的冷却器***，其中所述电动机配置为响应幅度大于所述固定的AC输入电压的所述可变电压，而具有减小的幅度的RMS值的电动机电流，从而降低所述电动机的电动机损耗。
19.如权利要求11所述的冷却器***，其中所述逆变器级配置为响应在所述DC环节所出现的所述经升压的DC电压，减小DC电流的幅度，从而降低所述变速驱动器中的逆变器损耗。
20.如权利要求11所述的冷却器***，其中所述电动机为感应电动机。
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