TW201826689A - 用於暖氣、通風、空調及冷凍系統之變速驅動器 - Google Patents

用於暖氣、通風、空調及冷凍系統之變速驅動器 Download PDF

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Abstract

本發明之實施例係有關一種暖氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統，其包括一變速驅動器組配以提供電力給一馬達，該馬達組配以驅動該HVAC&R系統的一壓縮器及該變速驅動器的一碳化矽電晶體，其中該碳化矽電晶體係組配以調整流經該變速驅動器的電力之一電壓、或一頻率、或此二者。

Description

用於暖氣、通風、空調及冷凍系統之變速驅動器
發明領域 本申請案主張名為「SILICON CARBIDE MODULE FOR A VARIABLE SPEED DRIVE」的05.10.16申請之美國臨時申請序列號62/404,648之優先權及權益，其以全文引用方式併入本文中以用於所有目的。
本發明大致係有關用於暖氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統，且更特定的，係有關HVAC&R系統之變速驅動器。
發明背景 HVAC&R系統係在住宅、商業及工業環境中用以供此等各別的環境的占有者控制環境特性。在某些情況下，HVAC&R系統可包括蒸氣壓縮系統，其計算沿著冷媒迴路的工作液體。此工作液體係組配來響應於易受關聯於此蒸氣壓縮系統之不同溫度及壓力影響在蒸氣、液體及其組合間改變相態。舉例來說，蒸氣壓縮系統使用一壓縮器來使工作液體對一熱交換器循環，此熱交換器可在冷媒及流經此熱交換器的液體間轉移熱。在某些情況下，壓縮機係藉由一馬達驅動，此馬達自一變速驅動器接收電力。HVAC&R系統現有的變速驅動器可因為在變速驅動器的操作期間，絕緣柵雙極電晶體(IGBTs)在開及關的位置間相對慢速的切換時間而招致切換損耗。
發明概要 在一實施例中，一種暖氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統包括一變速驅動器組配以提供電力給一馬達，該馬達組配以驅動該HVAC&R系統的一壓縮器及該變速驅動器的一碳化矽電晶體，其中該碳化矽電晶體係組配以調整流經該變速驅動器的電力之一電壓、或一頻率、或此二者。
在另一實施例中，一系統包括一暖氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統之一壓縮器，該壓縮器組配以使一冷媒經由一冷媒迴路循環、一馬達，組配以驅動該HVAC&R系統的該壓縮器、一變速驅動器，組配以提供電力給該馬達，該變速驅動器包含一整流器、一直流電(DC)匯流排及一反流器、及配置在該整流器、或該反流器、或此二者之中的一碳化矽電晶體，該碳化矽電晶體係組配以調整在該變速驅動器中的交流電(AC)電力之一電壓、或一頻率、或此二者。
在另一實施例中，一種方法包括以一壓縮器使一冷媒經由一冷媒迴路循環及供應電力至具有一變速驅動器的一馬達，其中該馬達係組配以驅動該壓縮器，且該變速驅動器包含一碳化矽電晶體。
較佳實施例之詳細說明 一或多個特定實施例將在下文描述。為了提供這些實施例的簡要的描述，在本說明書中不會描述一實際實現例的全部特徵。應被理解的是在任何此等實際實現例的發展中，如在任何工程或設計專案中，必須做出數個決定以達成開發者的特定的目標，例如遵守系統相關或商業相關的約束，其可依不同實現例而變化。更進一步的，應被理解的是此等開發成果可能是複雜且耗時的，但儘管如此對於熟於本發明之技術的人來說其會是設計、生產、及製造的一例行任務。
本發明的實施例係導向使用具有一碳化矽電晶體的一變速驅動器的一暖氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統。變速驅動器可耦合至驅動HVAC&R系統的一壓縮器的一馬達。更特定地，變速驅動器可被用來調整此馬達的一速度。通常，HVAC&R系統使用大量的電力。據此，增強此等系統的功率可藉由減少所消耗的能量的量及/或減少在操作期間所招致的能量損失而降低操作成本。
變速驅動器可因傳導損失及/或切換損失而在操作期間招致能量損失。舉例來說，傳導損失可在變速驅動器的元件傳導電流(例如：一絕緣柵雙極電晶體(IGBT)在一關閉狀態下傳導電流)時發生。此外，切換損失可在變速驅動器的元件(例如：一絕緣柵雙極電晶體(IGBT))在此變速驅動器於一開啟及關閉狀態間切換時發生。通常，變速驅動器的元件，諸如一IGBT模組，亦包括一矽二極體。矽二極體可相對地便宜，卻亦有相對慢的切換時間。據此，變速驅動器的功率可因為此矽二極體在一開啟及一關閉位置間的切換時間而降低。
本發明的實施例係關於包括替代一IGBT的一碳化矽電晶體的變速驅動器。碳化矽電晶體可因為此碳化矽電晶體包括一個比IGBTs更有效率(例如：更快)的切換時間而降低切換損失。將此碳化矽電晶體結合至變速驅動器中可增強此變速驅動器的效率，並因此增加HVAC&R系統的整體效率。
現在輪到圖式，圖1係在用於一典型商業場景設定中的一建築物12的一暖氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統10的實施例的一透視圖。HVAC&R系統10可包括一蒸氣壓縮系統14，其工應可被用以使建築物12冷卻的一經冷卻液體。HVAC&R系統10亦可包括一鍋爐16用以供應加熱建築物12的溫暖液體及一空氣分配系統，其使空氣經由建築物12循環。空氣分配系統亦可包括一空氣回流管18、一空氣供應管20、及/或一空氣處理器22。在一些實施例中，空氣處理器22可包括一熱交換器，其藉由管道24與鍋爐16及蒸氣壓縮系統14連接。空氣處理器22中的熱交換器可依據HVAC&R系統10的操作模式自鍋爐16接收經加熱液體或自蒸氣壓縮系統14接收經冷卻液體。HVAC&R系統10係在建築物12的各層顯示有分別的空氣處理器，但在其它實施例中，HVAC&R系統10可包括空氣處理器22及/或可在各層之間分享的其它元件。
圖2及圖3係可用於HVAC&R系統10中的蒸氣壓縮系統14的實施例。蒸氣壓縮系統14可經由以一壓縮器32開始的一電路使一冷媒循環。此電路亦可包括一冷凝器34、一(或多個)膨脹閥或裝置36、及一液體冷卻器或一蒸發器38。蒸氣壓縮系統14可進一步包括一控制板40，其具有一類比對數位(A/D)轉換器42、一微處理器44、一非依電性記憶體46、及/或一介面板48。
一些在蒸氣壓縮系統14中可被用來當作冷媒的範例為氫氟碳化物(HFC)式冷媒，諸如R410A、R-407、R-134a及氫氟烯烴(HFO)，「自然」冷媒，諸如氨(NH3 )、R-717、二氧化碳(CO2 )、R-744，或碳氫化合物式冷媒、水、蒸氣或其他合適的冷媒。在一些實施例中，蒸氣壓縮系統14可組配以有效地利用在一種大氣壓力下具有大約攝氏19度(華式66度)的一正常沸點的冷媒，亦可稱為低壓冷媒，相比於一中壓冷媒，諸如R-134a。如本文所使用的，「正常沸點」可指在一種大氣壓力下所量測的一沸點溫度。
在一些範例中，蒸氣壓縮系統14可使用一或多個一變速驅動器(VSDs)52、一馬達50、壓縮器32、冷凝器34、膨脹閥或裝置36、及/或蒸發器38。馬達50可驅動壓縮器32及可藉由一變速驅動器(VSD)52供電。VSD52接收來自一交流電(AC)電源的具有一特定固定線路電壓及固定線路頻率的AC電力，及提供具有一可變電壓及頻率的電力至馬達50。在其它實施例中，馬達50可直接自一AC或直流電(DC)電源被供電。馬達50可包括任何類型的可由一VSD或直接自一AC或DC電源供電的電動馬達，諸如一切換式磁阻馬達、一感應馬達、一電子換向永久磁鐵馬達、或其他合適的馬達。
壓縮器32將一冷媒蒸氣壓縮並將此蒸氣經由一排放通道遞送至冷凝器34。在一些範例中，壓縮器32可為一離心式壓縮機。藉由壓縮器32遞送至冷凝器34的冷媒蒸氣可在冷凝器34中將熱轉移至一冷卻液體(例如：水或空器)。此冷媒蒸氣可因在冷凝器34中與冷卻液體的熱轉移而冷凝為一冷媒液體。來自冷凝器34的液體冷媒可經膨脹裝置36流至蒸發器38。在圖3的實施例的繪示中，冷凝器34係被水冷卻並包括連接至一冷卻塔56的一管束54，此冷卻塔供應冷卻液體至冷凝器。
遞送至蒸發器38的液體冷媒可自另一個冷卻液體吸收熱，其可與用於冷凝器34的冷卻液體相同或不同。蒸發器38的液體冷媒可經歷自液體冷媒至一冷媒爭氣的相變化。如圖3的實施例所繪示，蒸發器38可包括具有連接至一冷卻負載62的一供應線60S及一回流線60R的一管束58。蒸發器38的冷卻液體(例如：水、乙烯、氯化鈣液、氯化鈉鹽水、或其他合適的液體)透過回流線60R進入蒸發器38並透過供應線60S離開蒸發器38。蒸發器38可在管束58中透過與冷媒的熱轉移而降低冷卻液體的溫度。蒸發器38中的管束58可包括多個管子及/或多個管束。在任何情況下，蒸氣冷媒藉由吸入管線離開蒸發器38並返回至壓縮器32以完成循環。
圖4係具有***冷凝器34及膨脹裝置36間的一中間電路64之蒸氣壓縮系統14的示意圖。中間電路64可具有直接與冷凝器34液體地連接的一入口管路68。在其他實施立中，入口管路68可直接與冷凝器34液體地耦合。如圖4描繪的實施例所顯示的，入口管路68包括位於一中介槽70之上游的一第一膨脹裝置66。在一些實施例中，中介槽70可為一瞬間蒸發槽(例如：瞬間中間冷卻器)。在其他實施例中，中介槽70可被組配為一熱交換器或一「表面節熱器」。在圖4描繪的實施例中，中介槽70係被用作一瞬間蒸發槽，而第一膨脹裝置66係組配以降低液體冷媒自冷凝器34接收的壓力(如：膨脹)。在膨脹作用的期間，一部分的液體可能會蒸發，並因此中介槽70可被用來將接收自第一膨脹裝置66的液體與蒸氣分開。此外，中介槽70可供液體冷媒的進一步膨脹，其係因為當液體冷媒經歷進入中介槽70時壓力下降所造成(例如：因為進入中介槽70時經歷一快速的體積的增加)。中介槽70中的蒸汽可藉由壓縮器32透過壓縮器32的一吸入管線74而吸入。在其他實施例中，在中介槽中的蒸汽可被吸至壓縮器32的一中間階段(例如：不是吸入階段)。在中介槽70中集結的液體可因在膨脹裝置66及/或中介槽70中的膨脹而相比存在於冷凝器34中的液體冷媒處於較低的焓。來自中介槽70的液體即可透過一第二膨脹裝置36而在管線72中流至蒸發器38。
如以上所提及的，變速驅動器可在操作期間招致傳導損失及/或切換損失，其導致變速驅動器的效率下降。傳導損失在變速驅動器的元件傳導電流(例如：當 IGBT係在一關閉狀態)時發生。如此一來，輸入至變速驅動器的能量會以熱能量(例如：熱)的形式損失。此外，切換損失在變速驅動器的元件在一開啟及關閉狀態(例如：調整供應至馬達的電力的電壓或頻率的量)間轉換時發生。舉例來說，變速驅動器的一電晶體可在一開啟及一關閉狀態間做調整以調整最終輸出至馬達的電力之電壓及/或頻率。現存的變速驅動器包括絕緣柵雙極電晶體(IGBTs)，其可包括相對慢的切換速度。據此，變速驅動器的效率因IGBTs的切換速度而降低。本發明的實施例係關於具有一碳化矽電晶體的變速驅動器。此碳化矽電晶體與現有的變速驅動器的IGBTs相比包括較快的切換速度。據此，在變速驅動器包括碳化矽電晶體可增強此變速驅動器的效率，並因此增加HVAC&R系統的整體效率。
舉例來說，圖5係包括一碳化矽電晶體100的變速驅動器52的示意圖。如圖5描繪的實施例所顯示的，變速驅動器52包括一整流器102、一DC匯流排104、及一反流器106。整流器102以一恆定電壓及頻率接收交流電(AC)電力並將此AC電力轉換成直流電(DC)電力)。舉例來說，整流器102可自一AC電源108接收AC電力，此AC電源108可供應三相AC電力至變速驅動器52。DC匯流排104可接著過濾及/或穩定該DC電力，使得此DC電力適合藉由反流器106使用。反流器106可接著將此DC電力轉換回包括一可變電壓及頻率之AC電力。來自反流器106的AC電力被用於供給馬達50電力，其驅動蒸汽壓縮系統14的壓縮器32。
如圖5描繪的實施例所顯示的，碳化矽電晶體100係包括於整流器102及/或反流器106中。如此一來，碳化矽電晶體100可被用來調整被導向至DC匯流排104及/或馬達50的電力的電壓及/或頻率的量。在一些實施例中，此電力的電壓及/或頻率係基於來自AC電源108的AC電力的一電壓、在DC匯流排104的DC電力的一電壓、馬達50的一速度、壓縮器32的一排放壓力、或上述之結合。在任何情況下，碳化矽電晶體100包括與現存的IGBTs相比下的一經降低切換速度。因此，變速驅動器的效率被增強且蒸氣壓縮系統14的整體效率亦可能增加。
圖6係包括於蒸氣壓縮系統14的變速驅動器52之中的一碳化矽電晶體100的實施例之示意圖。在一些範例中，具有一矽二極體的一IGBTs可被碳化矽電晶體100(例如：金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET))取代。在一些範例中，變速驅動器52的一電路板可被修改以將碳化矽電晶體100包括進此變速驅動器52中並改善此變速驅動器52的效率。特別是，變速驅動器52的一電路板及/或一閘極驅動板可被修改以實現碳化矽電晶體100。另外，電磁過濾器及/或其他磁性過濾器可被包括在變速驅動器52的電路板或其他合適的位置以調節碳化矽電晶體100。變速驅動器52的一冷卻系統亦可被改良，因為相較於IGBTs而言碳化矽電晶體100產生較少的熱能量。在任何情況下，碳化矽電晶體100可減少切換損失，因而增加變速驅動器52的效率。
如同上述，由具有碳化矽電晶體100的變速驅動器52所招致的損失係顯著的比由具有配備有一矽二極體的典型IGBT之變速驅動器所招致的損失少。據此，包括碳化矽電晶體100的變速驅動器52對照於包括具有一矽二極體的典型IGBT之變速驅動器可達到一改善的效率。舉例來說，變速驅動器52可以以介於0.25%至3%間、介於0.4%至2%間、或介於0.5%至1.6%間的比率改善蒸氣壓縮系統14之效率。如同被了解的，蒸氣壓縮系統14可消耗相對大量的電力。據此，介於0.5%至1.6%間的效率改善可顯著的降低由蒸氣壓縮系統14的電力消耗的量，並因此降低蒸氣壓縮系統14的操作成本。據此，將碳化矽電晶體100結合至變速驅動器52中可改善蒸氣壓縮系統14的效率，並因此降低蒸氣壓縮系統14的操作成本。
圖7係用於操作具有配備有碳化矽電晶體100的變速驅動器52之蒸氣壓縮系統14的一程序150之實施例的方塊圖。舉例來說在方塊152中，一壓縮器32可經由蒸氣壓縮系統14的一冷媒迴路使冷媒循環。此外，在方塊154，變速驅動器52供應電力至馬達50以驅動壓縮器32。如上所述，變速驅動器52包括碳化矽電晶體100，其減少電力損失(例如：切換損失及/或傳導損失)及增加蒸氣壓縮系統14的效率。
如上所述，本發明可提供對於改善HVAC&R系統的效率有用處的一或多個技術效果。本發明的實施例可包括具有碳化矽電晶體的變速驅動器，其可包括與現有的IGBTs相比降低的切換時間。據此，可減少在變速驅動器的操作期間所產生的切換損失，藉此增強變速驅動器的效率，並因此增強整體HVAC&R系統的效率。本說明書中的技術效果及技術問題皆係範例且並未被限制。應注意的是本說明說中所描述的實施例可具有其他技術效果並可能解決其他技術問題。
儘管只有某些特徵或實施例被繪示及描述，熟於此技者可在不悖離申請專利範圍所載之標的的新穎教示及優點的情況下想到很多的修改或變化(例如：大小、維度、結構、不同元素的形狀及比例、參數的值(例如：溫度、壓力等等)、安裝配置、材料的使用、顏色、排向等等的變化)。任何程序或方法步驟的順序或排序皆可根據替代實施例改變或重新排序。因此應被理解的是所附的申請專利範圍係意指以本發明的真實意義來包含此等修改或變化的全體。更進一步的，為了提供範例實施例的簡潔描述，可能無法描述到真正實作的所有特徵(例如：與目前考慮的實行本發明的最佳模式不相關或與致能本發明不相關的那些特徵)。應理解的是，在任何此等真正實作的開發中，如在任何工程或設計的計畫中，可產生多個實作具體決定。此一開發的努力可能是複雜且耗時的，但儘管如此對於具有本發明的優勢的熟於此技者來說，仍是沒有不必要的實驗的承擔設計、製造及生產的慣例。
10‧‧‧暖氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統
12‧‧‧建築物
14‧‧‧蒸氣壓縮系統
16‧‧‧鍋爐
18‧‧‧空氣回流管
20‧‧‧空氣供應管
22‧‧‧空氣處理器
24‧‧‧管道
32‧‧‧壓縮器
34‧‧‧冷凝器
36‧‧‧膨脹閥、膨脹裝置、第二膨脹裝置
38‧‧‧蒸發器
40‧‧‧控制板
42‧‧‧類比對數位(A/D)轉換器
44‧‧‧微處理器
46‧‧‧非依電性記憶體
48‧‧‧介面板
50‧‧‧馬達
52‧‧‧變速驅動器(VSDs)
54、58‧‧‧管束
56‧‧‧冷卻塔
60S‧‧‧供應線
60R‧‧‧回流線
62‧‧‧冷卻負載、負載
64‧‧‧中間電路
66‧‧‧第一膨脹裝置、膨脹裝置
68‧‧‧入口管路
70‧‧‧中介槽
72‧‧‧管線
74‧‧‧吸入管線
100‧‧‧碳化矽電晶體
102‧‧‧整流器
104‧‧‧DC匯流排
106‧‧‧反流器
108‧‧‧AC電源、AC源
150‧‧‧程序
152、154‧‧‧方塊
圖1係根據本發明之一態樣，可在一商業場景設定中使用一暖氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統的一建築物的實施例的一透視圖。
圖2係根據本發明之一態樣的一蒸氣壓縮系統的一透視圖。
圖3係根據本發明之一態樣，對圖2之蒸氣壓縮系統的實施例的示意圖。
圖4係根據本發明之一態樣，對圖2之蒸氣壓縮系統的實施例的示意圖。
圖5係根據本發明之一態樣，可與圖2-4之蒸氣壓縮系統一起使用之一變速驅動器的實施例的示意圖。
圖6係根據本發明之一態樣，可與圖5之變速驅動器一起使用之一碳化矽電晶體的實施例的示意圖；及
圖7係根據本發明之一態樣，用於操作具有圖6之碳化矽電晶體之一蒸氣壓縮系統的一程序之實施例的方塊圖。

Claims (20)

  1. 通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統，其包含： 一變速驅動器，組配以提供電力給一馬達，該馬達組配以驅動該HVAC&R系統的一壓縮器；及 該變速驅動器的一碳化矽電晶體，其中該碳化矽電晶體係組配以調整流經該變速驅動器的電力之一電壓、或一頻率、或此二者。
  2. 如請求項1之系統，其中該變速驅動器包含： 一整流器，組配以自一交流電(AC)電源接收AC電力以及將該AC電力轉換成直流電(DC)電力，其中該AC電力包含一恆定電壓及一恆定頻率； 一DC匯流排，組配以自該整流器接收該DC電力；及 一反流器，組配以自該DC匯流排接收該DC電力以及將該DC電力轉換成具有一可變電壓及一可變頻率之AC電力。
  3. 如請求項2之系統，其中該碳化矽電晶體係配置在該整流器、或該反流器、或此二者之中。
  4. 如請求項2之系統，其中自該AC電源接收的AC電力係一三相AC電力。
  5. 如請求項1之系統，其中該碳化矽係一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
  6. 如請求項1之系統，其包含： 該壓縮器，組配來使一冷媒經由該HVAC&R系統的一冷媒迴路循環；及 一熱交換器，組配來將該冷媒與一冷卻液體作熱交流。
  7. 如請求項6之系統，其包含一擴充裝置，該擴充裝置組配以降低流經該HVAC&R系統的該冷媒迴路之該冷媒的一壓力。
  8. 如請求項1之系統，其包含耦接至該碳化矽電晶體的一控制器，該控制器組配以基於自該馬達、或該壓縮器、或此二者接收的回饋而調整該碳化矽電晶體的一狀態。
  9. 如請求項8之系統，其中該控制器係組配以基於該馬達的一速度、或該壓縮器的一排放壓力、或此二者而調整該碳化矽電晶體的該狀態。
  10. 如請求項9之系統，其中該控制器係組配以基於該馬達的該速度而調整該碳化矽電晶體的該狀態。
  11. 一種系統，其包含： 一暖氣、通風、空調及冷凍(HVAC&R)系統之一壓縮器，該壓縮器組配以使一冷媒經由一冷媒迴路循環； 一馬達，組配以驅動該HVAC&R系統的該壓縮器； 一變速驅動器，組配以提供電力給該馬達，其中該變速驅動器包含一整流器、一直流電(DC)匯流排及一反流器；及 配置在該整流器、或該反流器、或此二者之中的一碳化矽電晶體，其中該碳化矽電晶體係組配以調整在該變速驅動器中的交流電(AC)電力之一電壓、或一頻率、或此二者。
  12. 如請求項11之系統，其中該整流器係組配以自一交流電(AC)電源接收的三相AC電力以及將該三相AC電力轉換成DC電力，其中該AC電力係恆定電壓及恆定頻率。
  13. 如請求項12之系統，其中該DC匯流排係組配以自該整流器接收該DC電力以及過濾或穩定該DC電力。
  14. 如請求項13之系統，其中該反流器係組配以自該DC匯流排接收該DC電力以及將該DC電力轉換成具有一可變電壓及一可變頻率之AC電力。
  15. 如請求項11之系統，其中該碳化矽電晶體係一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。
  16. 如請求項11之系統，其包含耦接至該碳化矽電晶體的一控制器，該控制器組配以基於自該馬達、或該壓縮器、或此二者接收的回饋而調整該碳化矽電晶體的一狀態。
  17. 一種方法，其包含： 以一壓縮器使一冷媒經由一冷媒迴路循環；及 供應電力至具有一變速驅動器的一馬達，其中該馬達係組配以驅動該壓縮器，及其中該變速驅動器包含一碳化矽電晶體。
  18. 如請求項17之方法，其包含使用該碳化矽電晶體在該變速驅動器中調整電力之一電壓、或一頻率、或此二者。
  19. 如請求項18之方法，其中使用該碳化矽電晶體在該變速驅動器中調整該電力之該電壓、或該頻率、或此二者包含基於自該壓縮器、或該馬達、或此二者接收的回饋而調整該碳化矽電晶體的一狀態。
  20. 如請求項19之方法，其中基於自該壓縮器、或該馬達、或此二者接收的回饋而調整該電力之該電壓、或該頻率、或此二者包含基於該壓縮器的一排放壓力、或該馬達的一速度、或此二者而調整該該電力之電壓、或該頻率、或此二者。
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