TWI400415B - 變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法 - Google Patents

Description

變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法

本發明係一種變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其係藉由控制壓縮機轉速與調整滑塊位置，達到滿足壓縮容量與最佳排氣壓力以提升壓縮效率的目的。

壓縮機為冷凍循環中的驅動元件，常扮演關鍵角色，故因應不同需求發展成各種樣式，如渦卷式壓縮機、離心式壓縮機與螺旋式壓縮機。其中，螺旋式壓縮機係藉由轉子轉動縮小公轉子與母轉子之間的密封容積，以達到壓縮的效果，然於許多實際工業應用時，冰水系統的負載與運轉壓力常有變更，以既有壓縮機的技術大都僅能滿足負載調節之需求，而無法即時調適以對應壓力變化，故對壓縮機之耗功及效率皆有影響。

關於螺旋式壓縮機改變轉子之排氣壓力之習知技術皆用於空氣壓縮用途，且是以轉子高壓端之滑塊移動來改變高壓段之密封量達到改變排氣壓力之目的。

而習知冷媒螺旋式壓縮機是以轉子低壓端之滑塊移動來改變低壓段之密封量達到控制容量，而非控制排氣壓力，故當滑塊調整至滿足容量之需求位置時，將僅能對應某一固定壓縮容積比，此壓縮容積比可能並非最佳值。壓縮機無法即時反應各種工況之壓力或容積比變化，易造成壓縮不足或過度壓縮的現象，因此現有調整壓縮機容積比與容量控制的方式仍有極大的提升效能改善空間。

另外，近年來變頻技術提昇，各式壓縮機無不嘗試以變頻器作為其馬達驅動器，作為容量控制的工具。然而螺旋式壓縮機之現階段技術仍侷限於固定壓縮容積比之應用，意即在冰水機系統端，在不同工況下其能力與壓縮容積比可能已明顯變化，然此方式於壓縮機側僅以變頻控制方式調整其轉速，使其符合製冷能力的要求，忽略壓縮容積比已變化的現象，尤其當系統處於高低壓差小於設計值之運轉條件時，其效能與該條件下之理論效率值差異尤為明顯。

有鑑於上述之缺點，本發明之目的在於提供一種變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，透過調整壓縮機轉速，以滿足容量需求，並調整滑塊位置，以控制壓縮機之排氣壓力，提升壓縮效率。

為了達到上述之目的，本發明之技術手段在於提供一種變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其步驟包括有：

一、設定溫度與容許誤差值：設定一額定冰水出水或入水溫度、一冰水量測值與額定值容許誤差值、一臨排氣壓力與目標值之容許誤差值；

二、計算轉子之壓縮排氣壓力之目標值：計算壓縮機轉子之臨排氣壓力之調整目標值；

三、取得壓縮機的轉子之臨排氣壓力；

四、是否轉子之臨排氣壓力符合目標值：若該步驟二轉子之壓縮排氣壓力之目標值、該步驟三之轉子之臨排氣壓力與容許誤差值三者相較，若不符合，則至步驟五；若符合，則至步驟六；

五、調整壓縮機之滑塊位置；

六、是否冰水出水溫度等同額定出水溫度或是否冰水入水溫度等同額定入水溫度：若等同，則結束，若不等同，則至步驟七；

七、調整壓縮機轉速以滿足容量要求：改變壓縮機之轉速，使滿足一冰水機之容量要求。

如上所述之步驟一，額定冰水出水或入水溫度、冰水量測值與額定值容許誤差值、及臨排氣壓力與目標值之容許誤差值，其係設於一冰水機之系統端的控制器中，其中冰水量測值係取自於一蒸發器；如上所述之步驟三，轉子之臨排氣壓力係取自於一壓縮機。

如上所述之步驟二，轉子之壓縮排氣壓力之目標值係以一冷凝器之壓力量測值或溫度量測對應之飽和壓力值，再加上一壓力值，以定義出。

如上所述之步驟三，進一步具有一選擇轉子之臨排氣壓力之取得方式之步驟。

如上所述之步驟三可分為步驟三A及步驟三B：

步驟三A：以滑塊位置感測法計算壓縮機之臨排氣壓力，其係採用壓縮機容積比與滑塊位置關係式，以滑塊位置計算得到壓縮機之排氣壓力。

步驟三A，其進一步具有：

A、量測滑塊位置：一滑塊位置感測器或渦電流之其中一者感測壓縮機之滑塊位置。

B、依冷媒種類選取容積比與滑塊位置關係式，並推算即時容積比：依據冰水機所使用之冷媒的種類，對應其容積比與滑塊位置關係式，以推算出即時容積比。

C、依即時容積比與吸氣壓力計算出壓縮機之臨排氣壓力：於轉子之吸氣位置量測一吸氣壓力，吸氣壓力與即時容積比計算出臨排氣壓力。

D、是否臨排氣壓力符合目標值：是否臨排氣壓力等同步驟二之目標值，若等同則至步驟A；若臨排氣壓力不等同目標值，則至步驟E。

E、依壓縮機容積比與滑塊位置關係，計算出滑塊之調整目標位置，並依此移動滑塊至指定位置：以步驟二轉子之壓縮排氣壓力之目標值為輸入值，再依壓縮機容積比與滑塊位置關係，以計算出滑塊之調整目標位置，並將滑塊調整至此位置，調整後，則回至步驟A。

該步驟三B：採用直接壓力量測法取得轉子之臨排氣壓力。

該步驟三B，其進一步具有：

F、量測轉子之臨排氣壓力：藉由壓力感測元件量測轉子之臨排氣壓力。

G、是否臨排氣壓力符合目標值：若該步驟F之臨排氣壓力符合該步驟二之排氣壓力之目標值，則結束；該步驟F之臨排氣壓力不符合該步驟二之排氣壓力之目標值，則至步驟H。

H、調整滑塊位置：調整滑塊之位置，調整後，則至步驟F。

如上所述之步驟四，若步驟二之排氣壓力之目標值減去步驟三A之排氣壓力所得之絕對值大於容許誤差值，則不符合；若絕對值小於容許誤差值，則符合；或者，若步驟二之排氣壓力之目標值減去步驟三B之臨排氣壓力所得之絕對值大於容許誤差值，則不符合；若絕對值小於容許誤差值，則符合。

如上所述之步驟五，滑塊位置係被調整，直至排氣壓力之目標值減去臨排氣壓力之絕對值小於容許誤差值。

如上所述之步驟六，其係量測一蒸發器之冰水出水溫度，若冰水出水溫度減去額定冰水出水所得之值的絕對值小於冰水量測值與額定值容許誤差值，即為等同；若絕對值大於冰水量測值與額定值容許誤差值，則不等同；或者，若冰水入水溫度減去額定冰水入水溫度所得之值的絕對值小於冰水量測值與額定值容許誤差值，即為等同；若絕對值大於冰水量測值與額定值容許誤差值，則不等同。

如上所述之步驟七，其係一變頻器控制輸出頻率，以改變壓縮機之轉速，並回到步驟六判斷是否已滿足冰水機額定溫度之要求。

綜合上述，本發明之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，具有至少以下的優點：

1、藉由機動性調整滑塊位置，以控制排氣壓力，故不會有壓縮不足或過度壓縮的現象，再進一步機動性調整壓縮機轉速，以增加或減少冷媒循環量。

2、當提高壓縮機轉速時，其尖端速度亦可提升，以提升壓縮效率。

3、結合調整滑塊與轉速的方式，而使本發明得以應用於各種冰水機之運轉狀態下，持續提供高效能。

4、本發明係可選擇性使用以壓縮機轉子外部之系統運轉壓力推算滑塊位置，以獲得最佳壓縮機轉子排氣壓力；或者以直接量測轉子臨排氣壓力之方法，調整滑塊位置，故本發明於實際使用上更具有彈性與便利性。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。

請配合參考圖一、二及三所示，本發明係一種變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其步驟包括有：

一、設定溫度與容許誤差值20：於一冰水機之系統端之一控制器12設定一蒸發器10之額定冰水出水或入水溫度(以下簡稱，Ts)與一冰水量測值與額定值容許誤差值(以下簡稱，ErrT)，以及壓縮機11之一臨排氣壓力與系統端之目標值之容許誤差值(以下簡稱，ErrPd)。

二、計算轉子之壓縮排氣壓力之目標值(以下簡稱，Pd,op)21：由系統端之一冷凝器13之量測壓力值130或量測溫度131對應之飽和壓力值，再加上一適當之壓力值，以作為壓縮機11之臨排氣壓力之調整目標。

三、選擇壓縮機11的轉子113之臨排氣壓力112之取得方式22：依選擇方式而至步驟四A或步驟四B。

四A、以滑塊位置感測法計算轉子之臨排氣壓力(以下簡稱，Pd,c1)231：其係以滑塊位置感測器或渦電流之方法，以得知滑塊110的位置，以滑塊位置輸入壓縮機11之容積比與滑塊位置關係式，而間接計算出壓縮機11之排氣壓力Pd,c1，並至步驟五。

四B、採用直接壓力量測法取得轉子之臨排氣壓力(以下簡稱，Pd,ms)232，求得Pd,ms後，至步驟五。

五、是否轉子之臨排氣壓力Pd,c1符合目標值Pd,op 24：若Pd,op減去Pd,c1所得之絕對值(以下簡稱，Err Pd,1)大於ErrPd，即不符合，則至步驟六；若Err Pd,1小於ErrPd，即符合，則至步驟七。

另一模式，若Pd,op減去Pd,ms所得之絕對值大於ErrPd，即不符合，則至步驟六；若Pd,op減去Pd,ms所得之絕對值小於ErrPd，即符合，則至步驟七。

六、調整壓縮機之滑塊位置25：滑塊110位置係被調整，直至ErrPd,1小於ErrPd為止。

步驟四至步驟六之排氣壓力感測與調整方式可進一步選用另一種方法，請見後詳述。

七、是否冰水出水溫度等同額定出水溫度或是否冰水入水溫度等同額定入水溫度26：量測蒸發器10之冰水出水溫度140(以下簡稱，T2)或冰水入水溫度141(以下簡稱，T1)，若T1或T2減去Ts所得之值的絕對值小於ErrT，即算是等同，則結束260，停止此控制流程；若T2或T1 減去Ts所得之值的絕對值大於ErrT，即不等同，則至步驟八。

八、調整壓縮機的轉速以滿足容量要求27：以變頻器15控制輸出頻率，以改變壓縮機11之轉速，並回步驟七判斷是否已滿足冰水機容量要求。

控制系統將持續進行此控制迴圈，以進行因應任何可能改變冰水出水或入水溫度設定Ts之因素，如環境溫度變化、冰水入水溫度141改變、熱負載改變、使用者要求等。

如上所述之步驟四及步驟六，因有部分程序重複，而且該程序有兩種實施方式，故於隨後之段落將該程序一一闡明。

請配合參考圖三及圖四所示，步驟四A 231，其係以滑塊110位置感測法計算轉子之臨排氣壓力Pd,c1，此步驟係詳述如下：

A、量測滑塊位置30：以滑塊位置感測器或渦電流感測壓縮機11之滑塊110位置(以下簡稱，S1)。

B、依冷媒種類選取壓縮機之容積比與滑塊位置關係式，並推算即時容積比(以下簡稱，Vi,c1)31：依據冰水機所使用之冷媒的種類，選擇現有的容積比與滑塊位置關係式，以推算出Vi,c1。

C、依即時容積比(Vi,c1)與吸氣壓力計算出壓縮機之臨排氣壓力(以下簡稱，Pd,c1)32：於轉子113之吸氣位置量測一吸氣壓力111，根據吸氣壓力與Vi,c1可計算出Pd,c1。

D、是否臨排氣壓力Pd,c1符合目標值Pd,op 33：若Pd,c1符合Pd,op，則至步驟A；若Pd,c1不符合Pd,op，則至步驟E。

E、依壓縮機容積比與滑塊位置關係，計算出滑塊之調整目標位置，並依此移動滑塊至指定目標位置34：以Pd,op為輸入值，並依壓縮機11容積比與滑塊110位置關係，以計算出滑塊110之調整目標位置，並將滑塊110調整至此位置，調整後，則回至步驟A。

請配合參考圖三及圖五所示，步驟四B 232，其係採用直接壓力量測法取得轉子113之Pd,ms，此步驟詳述如下：

F、量測轉子之臨排氣壓力40：藉由壓力感測元件量測轉子113之臨排氣壓力Pd,ms 114。

G、是否臨排氣壓力Pd,ms符合目標值Pd,op 41：若Pd,ms符合Pd,op，則結束43；若Pd,ms不符合Pd,op，則至步驟H。

H、調整滑塊位置S1 42：調整滑塊110之位置S1，調整後，則回到步驟F。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

10．．．蒸發器

11．．．壓縮機

110．．．滑塊

111．．．壓縮機吸氣壓力

112．．．壓縮機排氣壓力

113．．．壓縮機轉子

114．．．壓縮段轉子之臨排氣壓力量測口

12．．．控制器

13．．．冷凝器

130．．．冷凝器壓力值

131．．．冷凝器溫度值

140．．．冰水出水溫度

141．．．冰水入水溫度

15．．．變頻器

20~27．．．步驟

30~34．．．步驟

40~43．．．步驟

S1．．．滑塊位置

圖一係應用本發明之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法之冰水機系統示意圖。

圖二係本發明之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法之流程圖。

圖三係螺旋式壓縮機具有滑塊位置感測裝置與轉子臨排氣壓力量測之剖面示意圖。

圖四係量測與調整臨排氣壓力之第一實施例之流程圖。

圖五係量測與調整臨排氣壓力之第二實施例之流程圖。

20~27．．．步驟

Claims (14)

1. 一種變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其步驟包括有：一、設定溫度與容許誤差值：設定一額定冰水出水或入水溫度、一冰水量測值與額定值容許誤差值、一臨排氣壓力與目標值之容許誤差值；二、計算轉子之壓縮排氣壓力之目標值：計算壓縮機之臨排氣壓力之調整目標值；三、取得壓縮機的轉子之臨排氣壓力；四、是否轉子之臨排氣壓力符合目標值：若該步驟二轉子之壓縮排氣壓力之目標值、該步驟三之轉子之臨排氣壓力與該容許誤差值三者相較，若不符合，則至步驟五；若符合，則至步驟六；五、調整壓縮機之滑塊位置；六、是否冰水出水溫度等同額定出水溫度或是否冰水入水溫度等同額定入水溫度：若等同，則結束，若不等同，則至步驟七；七、調整壓縮機轉速以滿足容量要求：改變壓縮機之轉速，使滿足一冰水機之容量要求。
2. 如申請專利範圍第1項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟一中，該額定冰水出水或入水溫度、該冰水量測值與額定值容許誤差值、以及一臨排氣壓力與目標值之容許誤差值，其係設於一冰水機之系統端的控制器中，該額定冰水出水或入水溫度、該冰水量測值係取自於蒸發器；該步驟三中，轉子之臨排氣壓力係取自於一壓縮機。
3. 如請專利範圍第2項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟二中，轉子之壓縮排氣壓力之目標值係以一冷凝器之壓力量測值或溫度量測對應之飽和壓力值，再加上一壓力值，以定義出。
4. 如請專利範圍第3項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟三及步驟四之間進一步具有一選擇轉子之臨排氣壓力之取得方式之步驟。
5. 如請專利範圍第4項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟三係分為步驟三A及步驟三B；該步驟三A：以滑塊位置感測法計算壓縮機之臨排氣壓力；該步驟三B：採用直接壓力量測法取得轉子之臨排氣壓力。
6. 如申請專利範圍第5項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟三A，其係採用該壓縮機容積比與滑塊位置關係式，以滑塊位置計算得到壓縮機之排氣壓力。
7. 如請專利範圍第6項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟四中，若該步驟二之排氣壓力減去該步驟三A之排氣壓力所得之絕對值大於該容許誤差值，則不符合；若該絕對值小於該容許誤差值，則符合。
8. 如請專利範圍第5項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟四中，若該步驟二之排氣壓力減去該步驟三B之臨排氣壓力所得之絕對值大於該容許誤差值，則不符合；若絕對值小於該容許誤差值，則符合。
9. 如請專利範圍第7或8項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟五中，該滑塊位置係被調整，直至該絕對值小於該容許誤差值。
10. 如請專利範圍第1項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟六中，其係量測一蒸發器之冰水出水溫度，若該冰水出水溫度減去該額定冰水出水所得之值的絕對值小於該冰水量測值與額定值容許誤差值，即為等同；若該絕對值大於該冰水量測值與額定值容許誤差值，則不等同。
11. 如請專利範圍第10項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟六中，其可進一步量測該蒸發器之冰水入水溫度，若該冰水入水溫度減去該額定冰水入水溫度所得之值的絕對值小於該冰水量測值與額定值容許誤差值，即為等同；若該絕對值大於該冰水量測值與額定值容許誤差值，則不等同。
12. 如申請專利範圍第1項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟七中，其係一變頻器控制輸出頻率，以改變該壓縮機之轉速，並回到該步驟六判斷是否已滿足該冰水機容量要求。
13. 如申請專利範圍第5項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟三A，其進一步具有：A、量測滑塊位置：一滑塊位置感測器或渦電流之其中一者感測該壓縮機之滑塊位置；B、依冷媒種類選取容積比與滑塊位置關係式，並推算即時容積比：依據該冰水機所使用之冷媒的種類，對應其容積比與滑塊位置關係式，以推算出即時容積比；C、依即時容積比與吸氣壓力計算出壓縮機之臨排氣壓力：於該轉子之吸氣位置量測一吸氣壓力，該吸氣壓力與該即時容積比計算出該臨排氣壓力；D、是否臨排氣壓力符合目標值：若該臨排氣壓力符合該排氣壓力之目標值，則至該步驟A；若該臨排氣壓力不符合該排氣壓力之目標值，則至步驟E；E、依壓縮機容積比與滑塊位置關係，計算出滑塊之調整目標位置，並依此移動滑塊至指定位置：以該步驟D之排氣壓力為輸入值，再依該壓縮機容積比與該滑塊位置關係，以計算出該滑塊之調整目標位置，並將該滑塊調整至此位置，調整後，則回至步驟A。
14. 如申請專利範圍第5項所述之變頻螺旋式壓縮機之可變容量與可變排氣壓力的控制方法，其中該步驟三B，其進一步具有：F、量測轉子之臨排氣壓力：藉由壓力感測元件量測該轉子之臨排氣壓力；G、是否臨排氣壓力符合目標值：若該步驟F之臨排氣壓力符合該步驟二之排氣壓力之目標值，則結束；該步驟F之臨排氣壓力不符合該步驟二之排氣壓力之目標值，則至步驟H；H、調整滑塊位置：調整該滑塊之位置，調整後，則至該步驟F。