变频驱动器热管理

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2018年11月5日提交的美国申请第62/755742号的权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

示例性实施例涉及变频驱动器领域，并且更具体地涉及用于HVAC/制冷机系统的变频驱动器热管理。

背景技术

加热、通风和空调(HVAC)和制冷机系统通常利用变频驱动器(VFD)来操作这些系统的某些部件。VFD是一种类型的可变速驱动器，用于机电驱动系统中，通过改变电动机输入频率和电压来控制AC电动机速度和转矩。对于HVAC和制冷机系统，VFD可以利用标准空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)来控制电动机输入频率和电压。此标准SVPWM用于声学和平稳操作的考虑。但是，VFD在使用SVPWM时以及当暴露于具有高调制指数和高负载条件的极端负载条件时会遭受热跳闸。

发明内容

公开了一种系统。该系统包括变频驱动器、构造为收集与变频驱动器相关联的操作数据的传感器以及构造为从传感器接收操作数据的控制器，该操作数据包括用于变频驱动器的一个或多个操作参数，将一个或多个操作参数与阈值进行比较，并基于一个或多个操作参数低于阈值，操作变频驱动器以产生第一调制输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，系统的其他实施例可以包括：控制器还被构造为基于一个或多个超过阈值的操作参数中的至少一个，操作变频驱动器以产生第二调制输出。

除了上述一个或多个特征之外，或作为替代，系统的其他实施例可以包括：第一调制输出包括空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，系统的其他实施例可以包括第二调制输出包括不连续脉冲宽度调制(DPWM)输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，该系统的其他实施例可以包括：第二调制输出由变频驱动器针对第一时间段产生。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，系统的其他实施例可以包括：控制器还被构造为响应于第一时间段到期而操作变频驱动器以产生第一调制输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，系统的其他实施例可以包括：一个或多个操作参数包括温度参数(传感器)和电压指令(调制指数)参数。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，系统的其他实施例可以包括：控制器还被构造为响应于一个或多个操作参数中的至少一个低于阈值来操作变频驱动器以产生第一调制输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，系统的其他实施例可以包括：控制器还被构造为监视与变频驱动器相关联的操作数据以确定对于一个或多个操作参数的变化率，针对第二时间段操作变频驱动器以产生第二调制输出，其中第二时间段至少部分基于对于一个或多个操作参数的变化率，并响应于第二时间段到期而操作变频驱动器以产生第一调制输出。

公开了一种用于热管理的方法。该方法包括由处理器接收与变频驱动器相关联的操作数据，该操作数据包括用于变频驱动器的一个或多个操作参数，将一个或多个操作参数与阈值进行比较，并基于一个或多个操作参数低于阈值，操作变频驱动器以产生第一调制输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，该方法的其他实施例可以包括：基于一个或多个操作参数中的至少一个超过阈值，操作变频驱动器以产生第二调制输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，该方法的其他实施例可以包括：第一调制输出包括空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，该方法的其他实施例可以包括：第二调制输出包括不连续脉冲宽度调制(DPWM)输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，该方法的其他实施例可以包括：第二调制输出由变频驱动器针对第一时间段产生。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，该方法的其他实施例可包括响应于第一时间段到期而操作变频驱动器以产生第一调制输出。

除了上述一个或多个特征之外，或作为替代，该方法的其他实施例可以包括：一个或多个操作参数包括温度(热沉传感器反馈)参数和对电动机的电压命令，作为逆变器的输出，或换句话说，PWM生成动作的调制指数参数。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，该方法的其他实施例可以包括：第二调制输出由变频驱动器产生，直到至少一个或一个或多个操作参数低于阈值。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，该方法的其他实施例可以包括：响应于一个或多个特征中的至少一个低于阈值而操作变频驱动器以产生第一调制输出。

除了上述一个或多个特征之外，或者作为替代，该方法的其他实施例可以包括：监视与变频驱动器相关联的操作数据，以确定对于一个或多个操作参数的变化率，操作变频驱动器以产生针对第二时间段的第二调制输出，其中第二时间段至少部分基于对于一个或多个操作参数的变化率，并且操作变频驱动器以响应于第二时间段到期而产生第一调制输出。

附图说明

以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相同的元件被相同地编号：

图1描绘了用于实施一个或多个实施例的制冷剂蒸气压缩系统的框图；且

图2描绘了根据一个或多个实施例的用于变频驱动器中的热管理的方法的流程图；

图3描绘了根据一个或多个实施例的用于变频驱动器中的热管理的方法的流程图；且

图4描绘了根据一个或多个实施例的DPWM和SPWM波形的图形表示。

本文所描绘的图表是说明性的。在不脱离本公开的精神的情况下，图表或其中描述的操作可以有许多变型。例如，可以以不同的顺序执行动作，或者可以添加、删除或修改动作。而且，术语“联接”及其变型描述了在两个元件之间具有通信路径，并且并不意味着元件之间的直接连接，其中在它们之间没有中间元件/连接件。所有这些变型均被视为说明书的一部分。

具体实施方式

参照图1，示出了根据一个或多个实施例的具有由变速电动机68驱动的变速压缩机52的制冷剂蒸气压缩系统50。系统50包括来自压缩机52的制冷剂蒸气，该制冷剂蒸气被输送至冷凝器54，在冷凝器54中，制冷剂蒸气在高压下被液化，从而将热量排至外部空气。离开冷凝器54的液体制冷剂通过膨胀阀56输送到蒸发器58。在实施例中，膨胀阀56可以是用于控制制冷剂过热的恒温膨胀阀或电子膨胀阀。制冷剂通过膨胀阀56，在此压降使高压液体制冷剂达到液体和蒸汽的低压组合。当室内空气经过蒸发器58时，低压液体制冷剂从室内空气吸收热量，从而冷却空气并使制冷剂蒸发。低压制冷剂被再次输送到压缩机52，在压缩机52中其被压缩成高压高温气体，并输送到冷凝器54以再次开始制冷循环。应当认识到，尽管示出了特定的制冷系统，但是本教导可应用于任何加热或冷却系统，包括热泵、HVAC和制冷机系统。在热泵中，在冷却模式期间，该过程与上述过程相同，而在加热模式下，该循环反向，其中冷却模式的冷凝器和蒸发器分别充当蒸发器和冷凝器。

现在转到与本公开的方面更具体相关的技术的概述，系统50包括由逆变器驱动器62驱动的压缩机52。在实施例中，逆变器驱动器62可以是变频驱动器(VFD)或无刷直流电动机(BLDC)驱动器。特别地，逆变器驱动器62可操作地联接到压缩机52，并且从电源60接收交流电(AC)电功率(例如，电功率是230V/60Hz下的单相AC线路功率)并输出线路66上的功率给变速电动机68。变速电动机68提供机械动力以驱动压缩机62的曲轴。在一个实施例中，变速电动机68可以集成在压缩机62的外壳内部。逆变器驱动器62包括固态电子设备，以调制线路66上的电功率频率。在一个实施例中，逆变器驱动器62使用整流器将从电源60接收到的AC电功率从AC转换成直流电(DC)，且然后使用逆变器以期望的PWM频率将电功率从DC转换回脉冲宽度调制(PWM)信号，以便以与PWM DC频率相关的电动机速度驱动电动机68。例如，逆变器驱动器62可以利用全波整流桥直接对电功率进行整流，且然后可以使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或晶闸管来斩波电功率以实现期望的PWM频率。在实施例中，可以使用其他合适的电子组件来调制来自电源60的电功率的频率。此外，控制单元64包括处理器，该处理器用于执行算法，该算法用于控制在线路66上传递到电动机68的PWM频率。通过调制在线路66上传递给电动机68的电功率的PWM频率，控制单元64从而通过控制其速度以及因此压缩机52的容量来控制由电动机68施加在压缩机52上的扭矩。同样示出，控制单元(控制器)64包括计算机可读介质，该计算机可读介质用于将数据存储在与根据压缩机和制冷系统参数估计压缩机排出压力有关的记忆单元中。在实施例中，控制单元64存储与从逆变器驱动器62获得的压缩机扭矩以及线路电压、压缩机电动机电流和压缩机速度有关的信息。

在一个或多个实施例中，当在系统50中驱动变速电动机68时，出于声学和平稳操作的原因，变速驱动器(逆变器)62可以利用标准空间矢量PWM(SVPWM)。然而，如上所述，在极端负载条件下以SVPWM操作时，可能会导致VFD 62内发生热跳闸。在一个或多个实施例中，通过控制单元64使用传感器监控热沉温度，可以利用热沉和传感器解决热跳闸。当温度接近热跳闸级别(例如，阈值温度，例如90摄氏度)时，VFD可以对于设定的或可变的时间段切换到不连续的PWM(DPWM)，或者直到热沉温度恢复到低于阈值温度。在DPWM操作模式下该时间段过后，如果来自热跳闸的裕量很大，则VFD可以恢复到SVPWM模式。在一个或多个实施例中，对于设定的时间段保持在DPWM模式的原因是为了避免DPWM和标准SVPWM的颤动引起不规则且明显的声噪声。

在一个或多个实施例中，当在VFD中切换到DPWM模式时，除了热跳闸外，还可以利用第二条件。该第二条件包括电压调制指数。例如，当调制指数高于85％-90％时，添加到切换到DPWM的决策中。该决策中对于该第二条件的原因是避免变速电动机68中过多的PWM纹波，这会导致来自变速电动机68的噪声水平增加，并且还会增加电动机损耗。

在一个或多个实施例中，当切换到DPWM模式时，控制单元64可以将VFD 62保持在该DPWM模式，直到操作条件(例如，温度和电压命令或调制指数)低于阈值温度和阈值电压调制。一旦操作条件返回到阈值水平以下，控制单元64就可以操作VFD 62以产生SVPWM输出。在一个或多个实施例中，VFD 62在DPWM模式下操作一段时间。同样，控制单元64可以通过传感器监视操作条件，以确定操作条件的变化率。例如，如果温度缓慢下降，则控制单元64可以确定变化率并设置何时切换回SVPWM模式的时间段。

图2描绘了根据一个或多个实施例的用于变频驱动器中的热管理的方法的流程图。方法200包括：由处理器接收与变频驱动器相关联的操作数据，该操作数据包括用于变频驱动器的一个或多个操作参数，如框202中所示。在框204处，方法200包括：比较一个或多个操作参数与阈值。并且基于一个或多个操作参数低于阈值，方法200包括操作变频驱动器以产生第一调制输出，如框206处所示。并且在框208处，方法200包括至少基于一个或多个操作参数之一超过阈值，操作变频驱动器以产生第二调制输出。

还可以包括附加处理。应当理解的是，图2中所描绘的过程表示图示，并且在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可以添加其他过程，或者可以移除、修改或重新布置现有过程。

图3描绘了根据一个或多个实施例的用于变频驱动器中的热管理的方法的流程图。在一个或多个实施例中，方法300在决策框302处开始，该决策框监视操作条件以确定操作条件超过阈值操作条件。监视的操作条件包括但不限于逆变器热沉温度312和逆变器相电压314。例如，如果热沉温度超过90摄氏度(阈值温度)，则决策框移动到处理步骤304。在处理步骤304处，方法300将逆变器的操作频率切换到DPWM模式。当在DPWM模式下，可以设置一个计时器，并且可以继续监视操作条件。当计时器到期时，在决策框306处，分析操作条件。在一个或多个实施例中，可以将计时器设置为比VFD热沉冷却时间所需的时间更长的时间。设定的时间长于热沉冷却所需的时间，避免了进入和退出DPWM模式的周期性现象，这可能会由于噪声而导致客户对HVAC系统感到不适。在一个或多个实施例中，在进入DPWM模式时，定时器可以具有变化的最小时间段，以避免周期性变化。在决策框308处，当两个计时器都已到期并且操作条件都在阈值以下时，方法300进行到处理框310，并切换回针对逆变器的SVPWM。如果计时器未到期或操作条件超过阈值，则逆变器将保持在DPWM模式。

图4描绘了根据一个或多个实施例的DPWM和SPWM波形的图形表示。图形表示400包括用于SVPWM模式402和DPWM模式404的波形。

在此通过示例而非限制的方式参考附图呈现了所公开的装置和方法的一个或多个实施例的详细描述。

术语“大约”旨在包括与基于提交申请时可用的设备的特定数量的测量相关的误差程度。

本文所使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，规定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其组。

尽管已经参考一个或多个示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其要素。另外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于作为预期用于实现本公开的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求书的范围内的所有实施例。