專利名稱:具有備用電力的暖通空調(diào)及制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及具有備用電力的暖通空調(diào)及制冷系統(tǒng)。
背景技術(shù):
暖通空調(diào)及制冷(HVAC/R)系統(tǒng)通常根據(jù)從AC公用電源(power source)、諸如AC 市電接收的AC電力操作。因此,如果電源失效則HVAC/R系統(tǒng)通常會(huì)停機(jī)。當(dāng)HVAC/R系統(tǒng) 用于冷卻其中保存有易腐貨物諸如新鮮農(nóng)產(chǎn)品、奶制品和肉的食品超市、餐館、倉(cāng)庫(kù)、冷凍 儲(chǔ)物柜等,以及其中保存有 溫度敏感的藥品、藥物等的藥房、醫(yī)院和其他醫(yī)療設(shè)施時(shí),系統(tǒng) 停機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致貨物的損壞和重大經(jīng)濟(jì)損失。
發(fā)明內(nèi)容
這里描述了一種暖通空調(diào)及制冷(HVAC/R)系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)三相 電機(jī);一個(gè)或多個(gè)單相電機(jī);交流(A/C)電力接收器(power receiver);備用電池電源,其 配置成在A/C電力接收器處獲取不到交流電時(shí)給HVAC/R系統(tǒng)提供電力;變頻驅(qū)動(dòng)(VFD)電 力供應(yīng)器(power supply),其與備用電池電源電連接,并配置成向三相電機(jī)提供三相電力 以及向單相電機(jī)提供單相電力。還描述了一種空調(diào)系統(tǒng)。所述空調(diào)系統(tǒng)包括冷凝器;一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)器;交流(A/ C)電力接收器;備用電池電源,其配置成在A/C電力接收器處獲取不到交流電時(shí)給空調(diào)系 統(tǒng)提供電力;變頻驅(qū)動(dòng)(VFD)電力供應(yīng)器,其與備用電池電源電連接,并配置成向變速冷凝 器電機(jī)提供三相電力;以及脈沖操作的制冷劑流量控制閥,其配置成控制到所述一個(gè)或多 個(gè)蒸發(fā)器的制冷劑流量。還描述了一種在空調(diào)系統(tǒng)中冷卻空氣的方法。所述方法包括提供一種電力系統(tǒng), 其在沒(méi)有交流電力的情況下從交流電力切換到備用電池電力;當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)使用備用電池電 力時(shí),對(duì)冷凝器的電機(jī)速度進(jìn)行電子控制以增加空氣冷卻效率;和用脈沖操作的制冷劑流 量控制閥控制空調(diào)系統(tǒng)中的制冷劑流量。
圖1是示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的HVAC/R系統(tǒng)的示意性方框圖;圖2是示出了相變模塊的實(shí)施例的示意圖;圖3是示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的HVAC/R系統(tǒng)的方框圖;圖4是示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的DC電源的方框圖;圖5是示出了圖4的DC電源的實(shí)施例的示意圖;圖6是示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖5中AC到DC轉(zhuǎn)換器的示意圖。圖7是電源切換模塊的實(shí)施例。圖8是電源切換模塊的實(shí)施例的示意性表示。圖9是可編程電源切換模塊的實(shí)施例的示意性表示。
圖10是用于圖3的HVAC/R系統(tǒng)的蒸發(fā)壓縮部分的示意性表示。圖11是示出 了傳統(tǒng)的HVAC/R系統(tǒng)的示意性方框圖。
具體實(shí)施例方式為了給現(xiàn)有的HVAC/R系統(tǒng)提供不間斷電力,HVAC/R部件的電力供應(yīng)系統(tǒng)可以配 置成,不是直接從AC公用源接收電力,而是HVAC/R系統(tǒng)部件從備用電力存儲(chǔ)設(shè)備例如與來(lái) 自AC公用源的電力并行的DC電池接收電力。在該系統(tǒng)中,AC公用源通過(guò)整流器給電力存 儲(chǔ)設(shè)備和HVAC/R系統(tǒng)的主DC電力總線提供電力。DC電力總線用來(lái)給為HVAC/R系統(tǒng)的部 件例如壓縮機(jī)電機(jī)、冷凝器風(fēng)扇、蒸發(fā)器風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生合適的AC電力的電力供應(yīng)部件 提供電力。在這樣的配置下,如果AC公用源失效,DC電力總線可以由電力存儲(chǔ)設(shè)備供電。在一些實(shí)施例中,HVAC/R系統(tǒng)包括用同一個(gè)電力供應(yīng)器(諸如變頻驅(qū)動(dòng)電力供應(yīng) 器(VFD))驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)電機(jī)和冷凝器風(fēng)扇。VFD將來(lái)自DC電力總線的DC電壓截成相位差 120度的三個(gè)輸出,作為AC來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。VFD允許高效地啟動(dòng)被驅(qū)動(dòng)的電機(jī),更具體的細(xì)節(jié) 下面將會(huì)描述。由于從AC市電電力到備用電力的透明(transparent)轉(zhuǎn)換,在電力中斷期 間,HVAC/R系統(tǒng)允許自動(dòng)地,無(wú)人值守地操作。圖1是包括電力供應(yīng)器系統(tǒng)的實(shí)施例的HVAC/R系統(tǒng)的圖。HVAC/R系統(tǒng)200包括 電源部分10,電力供應(yīng)部分20,和HVAC/R組件部分50。電源部分10包括為HVAC/R系統(tǒng) 200提供電力的電源。電力供應(yīng)部分20包括接收來(lái)自電源部分10的電力并調(diào)節(jié)供HVAC/ R組件部分50的HVAC/R組件使用的電力的電力供應(yīng)器。HVAC/R組件部分50的HVAC/R組 件執(zhí)行HVAC/R系統(tǒng)的HVAC/R功能。在圖1的實(shí)施例中,電源部分10包括第一電源12,整流器13,電力總線15,和第二 電源14。在這個(gè)實(shí)施例中,第一電源12是AC電源并且為整流器13提供電力,整流器提供 基本為DC的電力給電力總線15,并且給第二電源14充電。在可替換的實(shí)施例中,第一電 源12可以是DC電源,其為電力總線15提供DC電力。因此,在這樣的實(shí)施例中,可以省略 整流器13。第二電源14也被配置成給電力總線15提供電力。電源12可以是任何類型的電源。在圖1所示的實(shí)施例中,電源12是AC電源。電 源12例如可以是AC市電,如由當(dāng)?shù)仉娏舅峁┑?。電?2例如可以具有單相或三相。 在一些實(shí)施例中,電源12是約240伏的三相AC源。也可以附加地或可替換地使用其它的 電源,例如太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電機(jī)。整流器13配置成從第一電力供應(yīng)器13接收AC電力,以將電力信號(hào)整流成基本為 DC電平,然后將該DC電平提供給適合于系統(tǒng)的電力總線15。第二電源14可以是二級(jí)或備用電源,例如,電池或電池組,其配置成被充電到適 于系統(tǒng)的電壓。也可以使用其它類型的能量存儲(chǔ)裝置。第二電源14與電力總線15相連接, 并且配置成當(dāng)?shù)谝浑娫?2工作而第二電源14未被充分充電時(shí)由電力總線15充電。第二 電源14還配置成當(dāng)來(lái)自整流器13或第一電源12的電力對(duì)于電力總線15的負(fù)載不足的時(shí) 候,給電力總線15提供電力。為了限制流到第二電源14的充電電流的量,在電力總線15和第二電源14之間設(shè) 置限流電路(未示出)。這樣的限流電路根據(jù)第二電源14的限制和規(guī)格,限制給第二電源 14充電的電流,使得在充電的時(shí)候第二電源14不會(huì)被損壞。
作為例子,HVAC/R系統(tǒng)可以通過(guò)連接到電源部分10來(lái)供電。第一電源12給用于 操作HVAC/R系統(tǒng)的DC電力總線15提供電力。第二電源14存儲(chǔ)來(lái)自第一電源12的電力, 以備在第一電源12失效時(shí)使用。因此,DC電力總線15用來(lái)給HVAC/R系統(tǒng)提供電力,以及 給第二電源14充電并使其浮置。第二電源14配置成作為從第一電源12到電力總線15的電力輸出減小的結(jié)果增 加到電力總線15的電力輸出。例如,如果第一電源12減少它的電力輸出,使得它提供一 些,但是比足夠用于HVAC/R系統(tǒng)的電力小的電力給電力總線15,那么第二電源14提供操作 HVAC/R系統(tǒng)所需的額外補(bǔ)充的電力給電力總線15。因此,第一電源12和第二電源14共同 配合地提供HVAC/R系統(tǒng)所需要的電力給電力總線15。甚至如果第一電源12完全失效并且 不能給電力總線15提供電力時(shí),第二電源14也能夠?yàn)镠VAC/R系統(tǒng)提供充足的電力。在一 些實(shí)施例中,隨著由第一電源12和第二電源14中的每一個(gè)電源提供的電量的變化,通過(guò)第 一電源12和第二電源14的組合配合地提供給HVAC/R系統(tǒng)的總電量保持不間斷或基本不 間斷電力供應(yīng)部分20包括接收來(lái)自電源部分10的電力并調(diào)節(jié)供HVAC/R組件部分50 的HVAC/R組件使用的電力的電力供應(yīng)器。在圖1的實(shí)施例中,有三個(gè)功率供應(yīng)器22、24、和 26。在其他實(shí)施例中,使用更少或更多的電力供應(yīng)器。電力供應(yīng)部分20的每一個(gè)電力供應(yīng) 器都用來(lái)給多個(gè)HVAC/R組件部分50中的一個(gè)或多個(gè)供應(yīng)電力。在所示的實(shí)施例中,每一 個(gè)電力供應(yīng)器22、24和26都與電力總線15連接。在這個(gè)實(shí)施例中,電力供應(yīng)器22配置成給壓縮機(jī)電機(jī)52和冷凝器風(fēng)扇54的電機(jī) 供應(yīng)電力。此外,電力供應(yīng)器24配置成給控制模塊55供應(yīng)電力,電力供應(yīng)器26配置成給 鼓風(fēng)機(jī)56的電機(jī)供應(yīng)電力。雖然單獨(dú)示出,但整流器13可與電力供應(yīng)器22集成。在一個(gè)實(shí)施例中,電力供應(yīng)器22是10馬力(hp)的變頻驅(qū)動(dòng)電力供應(yīng)器(VFD)。 在一些實(shí)施例中,VFD包括電力供應(yīng)器22和整流器13。因?yàn)橥ㄟ^(guò)壓縮機(jī)電機(jī)52的受控啟 動(dòng)可實(shí)現(xiàn)的電力效率的增加,使用VFD。當(dāng)使用恒定頻率和電壓的電力供應(yīng)器(例如AC市 電電力供應(yīng)器)時(shí),啟動(dòng)電機(jī)的浪涌電流是運(yùn)轉(zhuǎn)電流的6-10倍。由于系統(tǒng)的慣性,壓縮機(jī) 的電機(jī)并不足夠強(qiáng)大來(lái)響應(yīng)于全速操作所需要的電力供應(yīng)器信號(hào)的高頻高速信號(hào)而瞬時(shí) 以全速驅(qū)動(dòng)負(fù)載。結(jié)果是電機(jī)經(jīng)歷了其中電機(jī)從停止?fàn)顟B(tài)緩慢而低效地過(guò)渡到全速狀態(tài)的 啟動(dòng)階段。在啟動(dòng)期間,一些電機(jī)汲取至少其額定電流的300%卻只產(chǎn)生低于其額定扭矩的 50%。隨著電機(jī)的負(fù)載的加速,可用扭矩下降,然后上升到峰值,其間電流仍然很高直到電 機(jī)接近全速為止。高電流浪費(fèi)了電力并且降低電機(jī)的性能。結(jié)果,電機(jī)的整體效率,效益和 壽命都減少。當(dāng)使用VFD啟動(dòng)電機(jī)時(shí),最初向電機(jī)施加低頻、低電壓的電力信號(hào)。頻率可以是 約2Hz或更小。以這樣的低頻啟動(dòng)允許在電機(jī)的能力以內(nèi)驅(qū)動(dòng)負(fù)載,并且避免了用恒定 頻率和電壓的電力供應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的高的浪涌電流。VFD用來(lái)以可編程的時(shí)間分布 (profile)增加頻率和電壓,該分布可將負(fù)載的加速度保持在電機(jī)的能力之內(nèi)。結(jié)果,在沒(méi) 有汲取過(guò)多電流的情況下加速了負(fù)載。這種啟動(dòng)方法允許電機(jī)產(chǎn)生其額定扭矩的約150% 同時(shí)僅汲取其額定電流的50%。因此,VFD允許來(lái)自AC電源12或DC電源14的減小的電 機(jī)啟動(dòng)電流,從而減少操作成本,對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)52施加的機(jī)械應(yīng)力更小和增加使用壽命。 VFD也允許可編程地控制負(fù)載的加速和減速。
電力供應(yīng)器22的VFD是由控制模塊55控制,并可產(chǎn)生三相輸出,其為壓縮機(jī)電 機(jī)52、三相電機(jī)供電。壓縮機(jī)電機(jī)52具有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性使得電樞被磁化,并且產(chǎn) 生扭矩。通過(guò)控制三相電力信號(hào)的電壓和頻率,控制電機(jī)的速度,由此適當(dāng)量的能量進(jìn)入電 機(jī)繞組,使得有效的操作電機(jī),同時(shí)滿足加速負(fù)載的要求。通過(guò)切換電子部件產(chǎn)生電動(dòng)力 (electrical motive)以得到電壓波形,該電壓波形當(dāng)被電機(jī)的電感平均時(shí)變成適合于電 機(jī)以期望的速度和扭矩操作的正弦電流波形。上述的壓縮機(jī)電機(jī)52的受控啟動(dòng)允許壓縮 機(jī)電機(jī)52具有高的電力效率和長(zhǎng)的壽命。使用VFD給壓縮機(jī)電機(jī)52供電允許速度控制,從而消除了系統(tǒng)全開(kāi)或全關(guān)的限 制。例如,具有VFD的HVAC/R系統(tǒng)可以以對(duì)應(yīng)于溫度受控的環(huán)境的冷卻要求的速度來(lái)操作 壓縮機(jī)。例如 ,如果受控環(huán)境產(chǎn)生500瓦的電力,則壓縮機(jī)可以以對(duì)應(yīng)于500瓦產(chǎn)生的熱量 的速度操作。由于避免了反復(fù)啟動(dòng)和停止壓縮機(jī)所經(jīng)歷的電力效率低下,這允許提高系統(tǒng) 的電力效率。此外,在一些受控環(huán)境中,例如隔熱很好的空間,產(chǎn)生的熱量是相對(duì)恒定的。因此, 要移除的能量是相對(duì)恒定的。對(duì)于這種環(huán)境,壓縮機(jī)的電機(jī)可以根據(jù)對(duì)應(yīng)于要移除的相對(duì) 恒定的能量的負(fù)載來(lái)為操作進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種有限范圍的負(fù)載允許有效率地操作壓縮機(jī)。當(dāng)與其中壓縮機(jī)全開(kāi)或全閉的傳統(tǒng)的HVAC/R系統(tǒng)相比,速度控制的另外一個(gè)好 處是顯著地減小了受控環(huán)境的溫度范圍。在傳統(tǒng)的HVAC/R系統(tǒng)中,為了防止在開(kāi)和關(guān)之間 頻繁的狀態(tài)改變,控制系統(tǒng)的工作有滯后的特點(diǎn)。在這樣的系統(tǒng)中,溫度漂移對(duì)應(yīng)于滯后。 例如,在一些系統(tǒng)中,系統(tǒng)的滯后是3度。如果溫度設(shè)定為-5C,一旦環(huán)境溫度為-5C,壓縮 機(jī)就被關(guān)閉了。然而,由于3度的滯后,在環(huán)境溫度是-2C以前都不再打開(kāi)壓縮機(jī)。相反, 在具有控制壓縮機(jī)的VFD的HVAC/R系統(tǒng)中,有效(active)控制系統(tǒng)逐步地增加和降低壓 縮機(jī)的速度來(lái)提供對(duì)環(huán)境溫度的精確控制。因此,不存在滯后,因而顯著地減少了溫度一致 性和電力消耗之間的權(quán)衡。在示出的實(shí)施例中,電力供應(yīng)器22的三相輸出給冷凝器風(fēng)扇54和壓縮機(jī)電機(jī)52 供電,并且它們被一起操作。通過(guò)去除了專用于冷凝器風(fēng)扇54的電力供應(yīng)器,結(jié)果是有利 于系統(tǒng)節(jié)約成本。此外,系統(tǒng)具有速度控制,速度控制的范圍對(duì)一個(gè)或多個(gè)三相電機(jī)而言是 不受限制的,而對(duì)于一個(gè)或多個(gè)單相電機(jī)是被限定在該范圍的低端。雖然這里的論述通常 是針對(duì)具有冷凝器風(fēng)扇54和壓縮機(jī)電機(jī)52的系統(tǒng),但應(yīng)當(dāng)理解為所述論述可以應(yīng)用到具 有通過(guò)電力供應(yīng)器22驅(qū)動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)附加三相電機(jī)和/或一個(gè)或多個(gè)附加單相電機(jī)的 系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)電控制知識(shí)可能表明當(dāng)VFD與壓縮機(jī)電機(jī)配合使用時(shí),不使用冷凝器風(fēng) 扇的單相電機(jī),而用與功率供應(yīng)器的變速三相輸出兼容的三相電機(jī)代替。在此處描述和示 出的系統(tǒng)中,因?yàn)槔淠黠L(fēng)扇54并不需要具有三相電機(jī),所以冷凝器風(fēng)扇54可采用便宜的 單相電機(jī),而來(lái)自電力供應(yīng)器22的三相電力可通過(guò)相變模塊53來(lái)調(diào)整。如圖1所示,相變模塊53連接在VFD電力供應(yīng)器22和冷凝器風(fēng)扇54之間。單相 電機(jī)如冷凝器風(fēng)扇54并不與變頻變壓操作兼容。在單相電機(jī)中,產(chǎn)生“新”的相位來(lái)與輸 入電力信號(hào)的單相配合使用,以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁力使電樞產(chǎn)生扭矩。例如,如果單相電機(jī)是罩極 電機(jī)(shaded pole motor),罩極環(huán)(shading ring)用作能存儲(chǔ)磁場(chǎng)和產(chǎn)生“新”相位的電 感。如果單相電機(jī)是永久分相式電容器電機(jī),電容器給一個(gè)端子相對(duì)于另外一個(gè)端子提供電流的相位超前。然而,罩極環(huán)和電容器的電力效率與頻率相關(guān),因此這些元件根據(jù)其應(yīng)用 調(diào)諧到電機(jī)的運(yùn)行頻率。在非特定頻率處,電機(jī)的性能和新相位產(chǎn)生元件的性能是效率低 下的,并且電機(jī)的扭矩受損。此外,VFD的電力輸出信號(hào)在高頻處(例如2-6KHZ)具有大的 瞬態(tài)電壓尖峰。所述瞬態(tài)可以超過(guò)新相位產(chǎn)生元件的擊穿電壓,并且導(dǎo)致高的電流尖峰,其 增加發(fā)熱和減小電機(jī)及其部件的電力效率。因此,這些電機(jī)用于變頻驅(qū)動(dòng)方案時(shí)效率低下。可以修改先前存在的冷凝器風(fēng)扇54的單相電機(jī)以在圖1的變頻驅(qū)動(dòng)方案中有效 地操作。所述單相電機(jī)與三相電機(jī)類似,其中第一兩極承載電力輸出的單相, 并且第三極接 收由電感和電容元件產(chǎn)生的新相位。在HVAC/R系統(tǒng)200中,冷凝器風(fēng)扇54的單相電機(jī)接 收由電力供應(yīng)器22產(chǎn)生的三相中的兩相。此外,改進(jìn)的單相電機(jī)用與VFD的大的瞬態(tài)電壓 尖峰兼容的元件(例如圖2所示的那些)替換它的新相位產(chǎn)生元件。在相變電路53的一 個(gè)實(shí)施例中,所述單相電機(jī)的改進(jìn)包括用串聯(lián)的、具有兩倍電容的兩個(gè)電容器代替運(yùn)行電 容器(runcapacitor)。這些電容器示出為圖2中的10MFD電容器。這將增大擊穿電壓同時(shí) 保持電容值,因此電機(jī)的調(diào)諧不發(fā)生變化。此外,也如圖2所示,與兩個(gè)運(yùn)行電容器并聯(lián)布 置的、具有值的范圍為0. 01-0. IMFD且具有陶瓷組分的電容器給VFD產(chǎn)生的高頻切換瞬態(tài) 提供低阻抗。例如,在單相電機(jī)中主繞組可以與串聯(lián)連接的5MFD運(yùn)行電容器和輔助繞組相 并聯(lián)。所述5MFD運(yùn)行電容器可以用兩個(gè)串聯(lián)連接的10MFD的電容器并聯(lián)0. 05MFD電容器 代替,如圖2所示。電力供應(yīng)部分20的電力供應(yīng)器24配置成給控制模塊55供應(yīng)電力。控制模塊55 包括系統(tǒng)控制電子器件,其為其他HVAC/R系統(tǒng)部件和電力供應(yīng)器提供控制信號(hào)。例如,控 制模塊55可以控制電力供應(yīng)器22和電力供應(yīng)器26。在一些實(shí)施例中,控制模塊55輸出AC 控制信號(hào),用于與繼電器配合使用以打開(kāi)或關(guān)閉電力供應(yīng)器22和26。在一些實(shí)施例中,控 制模塊55與用戶激活的用戶控制面板通信,例如,選擇期望的溫度。在一些實(shí)施例中,控制 模塊55與恒溫器通信。在HVAC/R系統(tǒng)200中,控制模塊55用由電力供應(yīng)器24提供的24 伏單相AC電力供應(yīng)操作。在一些實(shí)施例中,電力供應(yīng)器24包括DC/AC逆變器,其從電力總 線15接收DC信號(hào),并為控制模塊55產(chǎn)生24伏AC電力供應(yīng)。在一些實(shí)施例中,電力供應(yīng)器24包括開(kāi)關(guān)型逆變器,其通過(guò)將DC輸入電壓截成脈 沖,產(chǎn)生似正弦波。所述脈沖被用作降壓變壓器的方波,該降壓變壓器在波整形電路后面, 該波整形電路使用濾波網(wǎng)絡(luò)將脈沖二次電壓積分并整形為似正弦波。電力供應(yīng)器26配置成給鼓風(fēng)機(jī)56的電機(jī)供應(yīng)電力。在一些實(shí)施例中,鼓風(fēng)機(jī)56 包括單相電機(jī)。在一些實(shí)施例中,鼓風(fēng)機(jī)56包括三相電機(jī),并且電力供應(yīng)器26配置成產(chǎn)生 三相電力供應(yīng)信號(hào)。出于類似于就包括VFD以高效地打開(kāi)壓縮機(jī)電機(jī)52的電力供應(yīng)器22 的上述原因的原因,電力供應(yīng)器26可以包括第二 VFD,其配置成高效地打開(kāi)和關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī) 56的電機(jī)。在一些實(shí)施例中,第二 VFD是5馬力的VFD。在一些實(shí)施例中,鼓風(fēng)機(jī)56可以 獨(dú)立于壓縮機(jī)電機(jī)52和冷凝器風(fēng)扇54操作。例如,用戶可能希望鼓風(fēng)機(jī)56 —直運(yùn)轉(zhuǎn),但 壓縮機(jī)電機(jī)52和冷凝器風(fēng)扇54停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,由于VFD不適合突然地改變負(fù)載,所以鼓 風(fēng)機(jī)56從電力供應(yīng)器26的第二 VFD接收電力。在一些實(shí)施例中,HVAC/R系統(tǒng)200實(shí)施成如圖3所示的HVAC/R系統(tǒng)300。在該實(shí) 施例中,圖1的整流器13包括在圖3所示的VFD電力供應(yīng)器322中。AC電源312可以是 類似于圖1的AC電源12,其可驅(qū)動(dòng)VFD 322,VFD 322產(chǎn)生基本為DC電壓供自己的操作和驅(qū)動(dòng)電力總線315。VFD 322具有和圖1的電力供應(yīng)器22類似的功能。圖3所示的其它部 件,DC電源314,壓縮機(jī)電機(jī)352,相變電路353,冷凝器風(fēng)扇354,電力供應(yīng)器324,控制模塊 355,VFD電力供應(yīng)器326,和鼓風(fēng)機(jī)356,每一個(gè)都具有和圖1所示的相應(yīng)的部件類似的功 能,所述相應(yīng)的部件分別是DC電源14,壓縮機(jī)電機(jī)52,相變電路53,冷凝器風(fēng)扇54,電力供 應(yīng)器24,控制模塊54,電力供應(yīng)器26,和鼓風(fēng)機(jī)56在一些實(shí)施例中,電力供應(yīng)器22、24和26使用可以約為250伏至320伏范圍內(nèi) 的電力總線電壓。在這類實(shí)施例中,DC電源14可以是多個(gè)12伏的電池組。然而,在一些 實(shí)施例中,有利的是使用更少的電池。在這類實(shí)施例中,更少電池的較低電壓通過(guò)DC轉(zhuǎn) DC的轉(zhuǎn)換器,被轉(zhuǎn)換成更高的電壓。通過(guò)以低地多的電池供應(yīng)電壓運(yùn)行,該系統(tǒng)允許無(wú)法 方便使用多相AC電力的車(chē)輛應(yīng)用和固定應(yīng)用。在這些應(yīng)用中,車(chē)輛電池可以變成備份能 量的主要來(lái)源。這種系統(tǒng)可從低地多的電壓源提供所需要的高電壓供應(yīng),從而允許蓄電池 (storagebattery)的重量和體積更小。圖4示出了 DC電源60作為圖1的DC電源14使用的實(shí)施例。圖4的DC電源60 執(zhí)行DC-DC的轉(zhuǎn)換,其從DC電源62的第一電壓Vl轉(zhuǎn)換到DC輸出電壓V2。在那些優(yōu)選使 用較少的蓄電池但對(duì)于電力總線使用高電壓的應(yīng)用是特別有利的。在圖4的實(shí)施例中,DC電源62與DC到AC逆變器64相連。DC電源62具有第一 電壓Vl,其驅(qū)動(dòng)逆變器64。響應(yīng)于第一電壓Vl,逆變器64輸出AC信號(hào),其被供應(yīng)給整流器 66。整流器66作為AC到DC轉(zhuǎn)換器操作,并提供DC輸出電壓V2,其具有適合于系統(tǒng)的DC 電壓電平。DC電源62可以由AC到DC轉(zhuǎn)化器68進(jìn)行再次充電。AC到DC轉(zhuǎn)化器68從AC源 70接收AC信號(hào),并產(chǎn)生DC電壓,該DC電壓用于給DC電源62充電。在一些實(shí)施例中,AC 源是圖1的系統(tǒng)中的AC電源12。在一些實(shí)施例中,AC源是圖1的電力供應(yīng)器22、24、26中 的一個(gè)的輸出。圖5是示出了圖4的DC電源60的DC電源62、逆變器64、和整流器66的實(shí)施例 的示意圖。DC電源80包括電池82,兩個(gè)12V DC到120VAC的逆變器84和85,整流器86和 87,和濾波器88。DC電源80配置成基于24V DC信號(hào)產(chǎn)生300VDC信號(hào)。電池82提供24V DC信號(hào),并且配置成被再次充電。在一些實(shí)施例中,電池82包 括兩個(gè)12V電池。兩個(gè)逆變器84和85每個(gè)都配置成接收12V DC輸入并且輸出有效值為120V的AC 信號(hào)。在一些實(shí)施例中,DC電源60,逆變器84和85串聯(lián)連接在24V的電池82兩端。因 此,逆變器84和85每一個(gè)接收12V的輸入。響應(yīng)于12V的輸入,逆變器84和85每一個(gè)產(chǎn) 生有效值約為120V的AC信號(hào)。逆變器84的有效值為120V的AC信號(hào)提供給整流器87,而逆變器85的有效值 120V的AC信號(hào)提供給整流器86。整流器86和整流器87對(duì)各自的AC信號(hào)進(jìn)行整流,產(chǎn)生 每個(gè)約150V的基本為DC的輸出。整流器86和87串聯(lián)連接,因此共同產(chǎn)生約300V的基本 為DC的信號(hào)。在圖5所示的實(shí)施例中,整流器86和87每個(gè)示出為與電容器并聯(lián)的四個(gè)二 極管的橋式整流器。也可以使用其它整流器配置。濾波器88連接在串聯(lián)連接的整流器86和87兩端。濾波器配置成通過(guò)濾掉整流 器86和87產(chǎn)生的信號(hào)的非DC組分,來(lái)提高DC輸出信號(hào)的質(zhì)量。如圖5所示,濾波器88是單個(gè)電容器。在其他實(shí)施例中也可以采用其它濾波器。在一些實(shí)施例中,圖4的DC電源62是12V DC電池,并且DC到AC逆變器64包括 連接在12V電池兩端的兩個(gè)12V DC到120V AC的逆變器。在這類實(shí)施例中,整流器(如整 流器86和87)可以用來(lái)生成兩個(gè)每個(gè)約150V的基本為DC的信號(hào)。正如圖5的實(shí)施例中 的那樣,兩個(gè)整流器被串聯(lián)連接以生成300V的基本為DC的信號(hào)。由于逆變器84和85以 及整流器86和87的布置,產(chǎn)生的基本為DC的電壓不依賴于逆變器84和85的每個(gè)AC信 號(hào)的頻率和相位。
圖6是示出了 AC到DC轉(zhuǎn)換器90的實(shí)施例的示意圖,其可被用作圖4的DC電源 60的AC到DC轉(zhuǎn)換器68。轉(zhuǎn)換器90接收約230V的AC信號(hào)或約IlOV的AC信號(hào),并且產(chǎn) 生約30V DC信號(hào),用于給DC電源60的DC電源62充電。轉(zhuǎn)換器90包括變壓器92、整流器 94和濾波器96。變壓器92包括在輸入側(cè)的三個(gè)抽頭。為了讓轉(zhuǎn)換器90產(chǎn)生所期望的約30V的DC 輸出信號(hào),如圖6所示,約IlOV的AC信號(hào)被驅(qū)動(dòng)在變壓器92的最上端的抽頭和中間抽頭 兩端。為了完成這些,約110VAC信號(hào)被直接驅(qū)動(dòng)在變壓器92最上端的抽頭和中間抽頭兩 端,或者約230V AC信號(hào)被驅(qū)動(dòng)在外部的抽頭兩端,如所示出那樣。變壓器降低輸入電壓以 生成輸出給整流器94,該整流器與濾波器96相結(jié)合,生成用于給圖4的DC電源62充電的 基本為DC的信號(hào)。在圖6所示的實(shí)施例中,整流器94示出為四個(gè)二極管橋式整流器。也 可以使用其它整流器配置。如圖6所示,濾波器96是單個(gè)電容器。在其他實(shí)施例中,也可 以采用其它濾波器配置。在一些實(shí)施例中,圖1的電源部分10包括電源切換模塊,例如如圖7所示的。電 源切換模塊400接收多個(gè)電源的輸入,并且自動(dòng)地或根據(jù)編程的指令,選擇電源以提供電 力給DC輸出。圖8是電源切換模塊的實(shí)施例的示意性表示。圖8的電源切換模塊是自動(dòng)的。在 這個(gè)實(shí)施例中,電源切換模塊對(duì)于每一個(gè)DC輸入具有升壓(set up)模塊410,用于選擇DC 輸入之一的一系列選擇模塊430,對(duì)于每一個(gè)AC輸入的變壓器420,用于選擇AC輸入之一 的一系列選擇模塊440,整流器450,和用于選擇所選擇的升壓DC輸入或整流過(guò)的所選擇的 經(jīng)過(guò)變壓的AC輸入的選擇模塊460。在這個(gè)實(shí)施例中,每一個(gè)升壓模塊410接收它的DC輸入并且升高所接收的DC輸 入到期望的DC輸出,例如,300V的DC。此外,每一個(gè)升壓模塊410可以為選擇模塊提供控 制信號(hào)。每一個(gè)升壓模塊410可以具有與圖5的DC電源80類似的部件和類似的功能。在該實(shí)施例中,每一個(gè)選擇模塊430從兩個(gè)升壓模塊410中的一個(gè)接收DC信號(hào), 以及從一個(gè)升壓模塊410接收控制信號(hào)。選擇模塊430配置成根據(jù)控制信號(hào)選擇兩個(gè)DC信 號(hào)中的一個(gè)。在一些實(shí)施例中,選擇模塊430包括繼電器,當(dāng)接收指示所收到的兩個(gè)DC輸 入信號(hào)之一為有效(active)的控制信號(hào)時(shí),該繼電器選擇DC輸入信號(hào)的升高的DC電壓。 例如,如所示出地那樣,如果在DCl和DC2輸入處存在DC輸入信號(hào),則DCl輸入的升壓模塊 410在選擇模塊430的兩個(gè)輸入中的一個(gè)處產(chǎn)生升高的電壓。此外,DC2輸入的升壓模塊 410在選擇模塊430的兩個(gè)輸入中的另外一個(gè)處產(chǎn)生升高的電壓,并且為選擇模塊430產(chǎn)生 控制信號(hào),指示DC2的輸入是有效的。響應(yīng)于控制信號(hào),選擇模塊選擇升高的DC2電壓。因此,在這個(gè)實(shí)施例中,選擇模塊430共同地選擇升高的DC電壓,其對(duì)應(yīng)于最高優(yōu)先級(jí)的有效的DC輸入,其中DC輸入的優(yōu)先級(jí)取決于每一個(gè)升高的DC電壓連接哪個(gè)選擇模 塊 430。 在這個(gè)實(shí)施例中,每個(gè)選擇模塊440從兩個(gè)變壓器420中的每一個(gè)接收AC信號(hào), 和從一個(gè)變壓器420接收控制信號(hào)。在這個(gè)實(shí)施例中,控制信號(hào)是來(lái)自一個(gè)變壓器420的 AC信號(hào)。選擇模塊440配置成根據(jù)控制信號(hào)選擇兩個(gè)AC信號(hào)中的一個(gè)。在一些實(shí)施例中, 選擇模塊440包括繼電器,當(dāng)接收到指示所收到的兩個(gè)AC輸入信號(hào)之一為有效的控制信號(hào) 時(shí),該繼電器選擇該AC輸入信號(hào)的經(jīng)過(guò)變壓的信號(hào)。例如,如所示出地那樣,如果在ACl和 AC2輸入處存在AC輸入信號(hào),AC 1輸入的變壓器420在選擇模塊440的兩個(gè)輸入中的一 個(gè)處產(chǎn)生AC電壓。此外,AC2輸入的變壓器420在選擇模塊440的兩個(gè)輸入中的另外一個(gè) 處產(chǎn)生經(jīng)過(guò)變壓的AC電壓,并且為選擇模塊440產(chǎn)生控制信號(hào),指示AC2的輸入是有 效的。 響應(yīng)于控制信號(hào),選擇模塊選擇經(jīng)過(guò)變壓的AC2電壓。 因此,在該實(shí)施例中,選擇模塊440共同的選擇經(jīng)過(guò)變壓的AC電壓,其對(duì)應(yīng)于最高 優(yōu)先級(jí)的有效的AC輸入,其中DC輸入的優(yōu)先級(jí)取決于每一個(gè)經(jīng)過(guò)變壓的AC電壓連接哪個(gè) 選擇模塊440。整流器450對(duì)所選擇的AC電壓進(jìn)行整流,并提供經(jīng)過(guò)整流的AC電壓到選擇模塊 460,如果AC輸入信號(hào)的任何一個(gè)是有效的,則選擇模塊460選擇經(jīng)過(guò)整流的AC電壓作為 DC輸出。在一些實(shí)施例中,不將DC輸入電壓的一個(gè)或多個(gè)升高。在一些實(shí)施例中,不對(duì)AC 輸入電壓的一個(gè)或多個(gè)變壓。在一些實(shí)施例中,各種輸入電壓的優(yōu)先級(jí)與圖8的實(shí)施例的 不同。圖9是電源切換模塊的另外一個(gè)實(shí)施例的示意性表示。圖9的電源切換模塊是可 編程的。在這個(gè)實(shí)施例中,電源切換模塊對(duì)于每個(gè)DC輸入具有升壓模塊410。該實(shí)施例的 升壓模塊410與圖8的實(shí)施例的升壓模塊410類似。在這個(gè)實(shí)施例中,電源切換模塊對(duì)于 每一個(gè)AC輸入具有變壓器420。該實(shí)施例的變壓器420可與圖8的實(shí)施例的變壓器420類 似。該實(shí)施例的電源切換模塊也具有選擇模塊470,整流器450,用于選擇升壓的DC輸入電 壓或整流過(guò)的所選擇的經(jīng)變壓的AC輸入中的一個(gè)的選擇模塊460,和基于信號(hào)C選擇要輸 出的電壓的控制模塊480。在這個(gè)實(shí)施例中,不能通過(guò)基于根據(jù)位置的優(yōu)先級(jí)的選擇來(lái)確定輸出電壓。替代 的是,控制模塊480配置成根據(jù)信號(hào)C選擇輸出電壓。在一些實(shí)施例中,信號(hào)C代表哪個(gè)輸 入電壓是有效的。在一些實(shí)施例中,信號(hào)C是從其他電路輸入的。在一些實(shí)施例中,不將DC輸入電壓的一個(gè)或多個(gè)升壓。在一些實(shí)施例中,不對(duì)AC 輸入電壓的一個(gè)或多個(gè)變壓。在另外一個(gè)實(shí)施例中,上面所述的HVAC/R系統(tǒng)包括脈沖操作的控制閥以控制從 冷凝器到蒸發(fā)器的制冷劑流量。VFD供電的HVAC/R系統(tǒng)產(chǎn)生變化的壓縮機(jī)速度,從而導(dǎo)致 可變的到冷凝器和蒸發(fā)器的制冷劑流量。然而,傳統(tǒng)的膨脹裝置例如毛細(xì)管或膨脹閥(AEV 或TEV)不能處理或利用變化的制冷劑流量并且擺動(dòng)(hunt)或溢流(flood),由此降低了蒸 發(fā)器的效率和系統(tǒng)的性能。為了實(shí)現(xiàn)這樣的可變的制冷劑流量的理想的優(yōu)勢(shì),根據(jù)本實(shí)施 例,在在不使得蒸發(fā)器欠流(starve)或溢流的情況下采用脈沖調(diào)節(jié)(pulsing)的制冷劑控 制閥以全制冷劑流動(dòng)產(chǎn)生全范圍的蒸發(fā)器過(guò)熱控制。在由可變壓縮機(jī)速度導(dǎo)致較低的制冷劑流速下,這種制冷劑控制尤其重要。傳統(tǒng)的膨脹裝置設(shè)計(jì)成以全流量操作,而且在較低流量時(shí)效率低并且再次使流量波動(dòng),使蒸發(fā)器欠流和/或溢流。脈沖調(diào)節(jié)閥(pulsing valve) 可以是諸如美國(guó)專利號(hào)5675982和6843064中所述的機(jī)械閥,也可以是美國(guó)專利號(hào)5718125 中所述類型的電操作閥,關(guān)于這些閥的描述通過(guò)引用的方式整體并入本文中。所述閥操作 成在整個(gè)可變的制冷劑流量范圍內(nèi)控制從壓縮機(jī)和冷凝器到蒸發(fā)器的制冷劑流量。圖10示意性地示出了圖3的HVAC/R系統(tǒng)的蒸汽壓縮部分。脈沖操作控制閥410 安裝在引導(dǎo)制冷劑從冷凝器420到蒸發(fā)器430的制冷劑回路管道的液體制冷劑線路412 中。其它部件用圖3中相同的參考數(shù)字標(biāo)記?,F(xiàn)有的HVAC/R系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換成與HVAC/R系統(tǒng)200類似或相同地運(yùn)行。例如,在 圖11中示出的傳統(tǒng)的HVAC/R系統(tǒng)100可以被轉(zhuǎn)換成操作和實(shí)現(xiàn)先前所述的優(yōu)勢(shì)。如圖11 所示,為了轉(zhuǎn)換HVAC/R系統(tǒng)100,以及操作和實(shí)現(xiàn)先前所述的優(yōu)勢(shì),AC電源112,壓縮機(jī)電 機(jī)152,冷凝器風(fēng)扇154,鼓風(fēng)機(jī)156,電力供應(yīng)器124,和控制模塊155都與電力總線115斷 開(kāi)。還是參考圖1,連接AC電源112以用如整流器13的整流器對(duì)電力總線(諸如電力總線 15)供電。諸如DC電源14的DC電力存儲(chǔ)源與電力總線連接。諸如電力供應(yīng)器22的第一 電力供應(yīng)器與電力總線、壓縮機(jī)電機(jī)152、冷凝器風(fēng)扇154相連。諸如相變模塊53的相變電 路連接在第一電力供應(yīng)器和冷凝器風(fēng)扇154之間。第二電力供應(yīng)器與電力總線15和鼓風(fēng) 機(jī)156相連。電力供應(yīng)器124被諸如電力供應(yīng)器24的第三電力供應(yīng)器替代,該第三電源與 電力總線15,以及諸如控制模塊55的控件相連。盡管上面的詳細(xì)描述已經(jīng)示出、描述和指出了應(yīng)用到各個(gè)實(shí)施例中的新穎的特 征,但是應(yīng)該理解,在不背離本發(fā)明的精神的前提下,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)示出的裝置和 過(guò)程的形式和細(xì)節(jié)做出各種省略、替代以及改變。例如,輸入,輸出和信號(hào)都僅僅是作為例 子給出的。正如所認(rèn)識(shí)到的那樣,本發(fā)明可實(shí)施在不提供本文所述的所有特征和益處的形 式中,因?yàn)橐恍┨卣骺梢耘c其他特征分開(kāi)地使用或者實(shí)施。此外,應(yīng)當(dāng)理解,本文所述的 HVAC/R系統(tǒng)可以被配置為空調(diào),冷卻器,熱泵以及制冷系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種暖通空調(diào)及制冷(HVAC/R系統(tǒng),包括一個(gè)或多個(gè)三相電機(jī);一個(gè)或多個(gè)單相電機(jī);交流(A/C)電力接收器;備用電池電源,其配置成在A./C電力接收器處獲取不到交流電時(shí)給HVAC/R系統(tǒng)提供電力;和變頻驅(qū)動(dòng)(VFD)電力供應(yīng)器,其與備用電池電源電連接,并配置成給三相電機(jī)提供三相電力和給單相電機(jī)提供單相電力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVAC/R系統(tǒng),其中一個(gè)或多個(gè)三相電機(jī)中的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述HVAC/R系統(tǒng),還包括電子控制器,其與VFD鏈接并配置成控制 壓縮機(jī)的速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的HVAC/R系統(tǒng),還包括至少一個(gè)冷凝器、至少一個(gè)蒸發(fā)器和引 導(dǎo)制冷劑從所述壓縮機(jī)到所述至少一個(gè)冷凝器以及從所述至少一個(gè)冷凝器到所述至少一 個(gè)蒸發(fā)器的管道,以及連接到管道以控制到所述至少一個(gè)蒸發(fā)器的制冷劑流量的脈沖操作 的制冷劑流量控制閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的HVAC/R系統(tǒng),其中脈沖操作的制冷劑流量控制閥是機(jī)械閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的HVAC/R系統(tǒng),其中脈沖操作的制冷劑流量控制閥是電子閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVAC/R系統(tǒng),其中單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)冷凝器風(fēng)扇。
8.根據(jù)權(quán)利要求112所述的HVAC/R系統(tǒng),還包括連接在VFD和所述一個(gè)或多個(gè)單相電 機(jī)之間的相變模塊,所述相變模塊包括多個(gè)串聯(lián)的電容器和與所述多個(gè)串聯(lián)的電容器并聯(lián) 的至少一個(gè)電容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVAC/R系統(tǒng),還包括相變模塊,其配置成調(diào)節(jié)三相電力輸出 用于輸入到單相電機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的HVAC/R系統(tǒng),其中相變模塊包括多個(gè)串聯(lián)的電容器。
11.一種空調(diào)系統(tǒng),包括 冷凝器;一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)器; 交流(A/C)電力接收器;備用電池電源,其配置成在A/C電力接收器處獲取不到交流電時(shí)給空調(diào)系統(tǒng)提供電力;變頻驅(qū)動(dòng)(VFD)電力供應(yīng)器,其與備用電池電源電連接,并配置成給變速冷凝器電機(jī) 提供三相電力;和脈沖操作的制冷劑流量控制閥,其配置成控制到所述一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)器的制冷劑流量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述空調(diào)系統(tǒng),其中脈沖操作的制冷劑流量控制閥是機(jī)械閥。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述空調(diào)系統(tǒng),其中脈沖操作的制冷劑流量控制閥是電子閥。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述空調(diào)系統(tǒng),其中VFD配置成也向單相電機(jī)提供單相電力。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述空調(diào)系統(tǒng),其中單相電機(jī)包括冷凝器風(fēng)扇電機(jī)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述空調(diào)系統(tǒng),還包括電子控制器,其與VFD鏈接用于控制壓縮機(jī) 的速度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述空調(diào)系統(tǒng),其中電子控制器也與脈沖操作的制冷劑流量控制 閥鏈接用于控制空調(diào)系統(tǒng)中的制冷劑流量。
18.—種在空調(diào)系統(tǒng)中冷卻空氣的方法,該方法包括提供一種電力系統(tǒng),其在沒(méi)有交流電力的情況下從交流電力切換到備用電池電力; 當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)使用備用電池電力時(shí),對(duì)冷凝器的電機(jī)速度進(jìn)行電子控制以增加空氣冷卻 效率;和用脈沖操作的制冷劑流量控制閥控制空調(diào)系統(tǒng)中的制冷劑流量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中制冷劑流量被控制在預(yù)設(shè)的流量范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中對(duì)冷凝器電機(jī)速度進(jìn)行電子控制包括提供三相 電力給冷凝器電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有備用電力的暖通空調(diào)及制冷系統(tǒng)。一種HVAC/R系統(tǒng)配置成具有備用電力的電力存儲(chǔ)器,以在主電力失效的情況下保持基本不間斷的電力。該系統(tǒng)可以包括與備用電池電源電連接并且配置成向三相電機(jī)提供三相電力和向單相電機(jī)提供單相電力的變頻驅(qū)動(dòng)(VFD)電力供應(yīng)器。一些系統(tǒng)還包括脈沖操作的制冷劑流量控制閥,其配置成控制到一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)器的制冷劑流量。所述備用電力系統(tǒng)可以具有配置成被再次充電的DC電源,并且可為HVAC/R部件提供電力。
文檔編號(hào)F25B49/02GK101969224SQ20101027784
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者K·哈利利, P·薩爾基相, U·羅肯費(fèi)勒, W·哈海 申請(qǐng)人:羅基研究公司