СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ И РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ СУДОВОГО СПИРАЛЬНОГО КОМПРЕССОРА С ЧАСТОТНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ОБОРОТОВ Российский патент 2019 года по МПК F04B49/06 F04B49/20 H02P25/24 H02P27/06 H02H7/85 

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к частотно-регулируемым электроприводам, преимущественно к способам регулирования и работы двигателя судового спирального компрессора кондиционера воздуха.

В спиральном компрессоре условные зоны размещения механизма движения, масляного картера и зона всасывания совмещены. Спирали движутся относительно друг друга без трения, разделяя последовательные зоны сжатия «масляным клином», механизм движения работает равномерно без «мертвых точек». Эти особенности конструкции принципиально позволяют работать спиральному компрессору с перегрузками и на малых частотах.

Судовое холодильное оборудование, в частности, компрессоры, работают в условиях крена, качки, наклонов, дифферента, а также их совместного воздействия. В ряде случаев, при этом, на всасывание спирального компрессора может попадать избыточное количество смазочного масла или маслохладоновой смеси в жидком или газожидкостном состоянии, что при дальнейшем сжатии рабочих веществ приводит к повышенному энергопотреблению.

В частотно-регулируемых электроприводах в таких случаях применяется механизм ограничения тока за счет снижения оборотов, независимо от необходимой производительности компрессора для работы холодильной системы, в частности, кондиционера воздуха. На судах и кораблях кондиционеры воздуха используются в системах терморегулирования навигационного, радиоэлектронного и иного ответственного оборудования, поэтому поддержание стабильной работы двигателя кондиционера важно и актуально.

Известен способ регулирования и работы двигателя спирального компрессора кондиционера воздуха, описанный в [Гаврин Е.А., Деньгин В.Г. и др. Модернизация автономного кондиционера АКЛ-12. Холодильная техника, 2013, №10, с. 36-38], заключающийся в питании переменным током напряжением 63,5…127 В с частотой 25…50 Гц, соответственно, с защитой от бросков тока и перегрузки ограничением по току за счет снижения оборотов.

Недостатком способа является дестабилизация температурного режима кондиционера, которое происходит при попадании обогащенных жидкой или газожидкостной фазой рабочих веществ в зону сжатия компрессора, что вызывает повышение потребления и возрастание тока двигателя и, как следствие, снижение оборотов двигателя компрессора. Это приводит к снижению холодопроизводительности компрессора и нарушению температурного режима.

Также, на частотах ниже 25 Гц из-за снижения подаваемого напряжения мощность двигателя приближается к потерям в механизме движения, возникает нестабильная работа, увеличивается скольжение двигателя, возможны останов и обратное вращение спиралей компрессора (из-за перепада давления) - «генераторный режим» для двигателя.

Известны способы, описанные в [патент №8342810, Япония, Устройство пуска и способ регулирования электрического спирального компрессора / Start-up control device and method for electric scroll compressor, МПК F04B 49/06, F25B 49/00, F25D 31/00, Saden Corporation; Koyama Shigeyuki. Заявл. 21.05.2008, опубл. 01.01.2013 // Пат. заявка №20170227273, США, Регулирование и эксплуатация приводов переменной частоты / Controls and operation of variable frequency drives, МПК F25B 49/02, F04C 18/02, TRANE INTERNATIONALINC; West N.T. и др. Заявл. 24.04.2017, опубл. 10.08.2017], снижающие влияние попадания обогащенных жидкой фазой рабочих веществ в зону сжатия на ток перегрузки при пуске (запуске) компрессоров, изменяя режим работы двигателя. Однако, применение этих способов в работающем компрессоре приводит к дестабилизации режима холодильной системы, в частности, кондиционера воздуха.

Анализ вышеупомянутых аналогов, а также аналогов, описанных в [Пат. заявка №2016-211780, Япония, Воздушный кондиционер / Air conditioner, МПК F25B 1/00, F24F 11/02, F24 F 11/04, Н02Р 27/06, JOHNSON CONTROLS HITACHI AIR CONDITIONING TECHNOLOGY (HONGKONG) LTD., SUGAWARA EIJI и др. Заявл. 08.05.2015, опубл. 15.12.2016 // Пат. заявка №2014-190561, Япония, Воздушный кондиционер / Air conditioner, МПК F25B 1/00, F24F 11/02, FUJITSU GENERAL LTD.; TAKANO KENICHI. Заявл. 26.03.2013, опубл. 06.10.2014 // Пат. №8800307, США, Регулирование охлаждения морского груза / Controlling chilleb of a cargo, МПК F25D 29/03, F25B 49/02, F25D 11/03, Thermo King Corporation; Jonson Controls Technology; Thogersen О. и др. Заявл. 18.11.2013, опубл. 12.08.2014] показал, что наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявленному изобретению является способ регулирования и работы двигателя компрессора кондиционера воздуха, описанный в [Пат. заявка №2016-211780, Япония, Воздушный кондиционер / Air conditioner, МПК F25B 1/00, F24F 11/02, F24F 11/04, Н02Р 27/06, JOHNSON CONTROLS HITACHI AIR CONDITIONING TECHNOLOGY (HONGKONG) LTD., SUGAWARA EIJI и др. Заявл. 08.05.2015, опубл. 15.12.2016], принятый за прототип.

Недостатком прототипа также как и аналогов является изменение режима работы двигателя компрессора при превышении порога тока, что приводит к дестабилизации работы кондиционера.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа регулирования и работы двигателя судового спирального компрессора кондиционера, позволяющего повысить стабильность работы кондиционера воздуха в условиях воздействия крена, качки, наклонов, дифферента и при работе двигателя компрессора на частотах ниже 25 Гц.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности работы кондиционера воздуха в условиях воздействия крена, качки, наклонов, дифферента и при работе двигателя компрессора на частотах ниже 25 Гц.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе регулирования и работы двигателя судового спирального компрессора с частотным регулированием оборотов, заключающемся в подаче на двигатель напряжения питающего тока в соответствии с законом управления частотным регулированием оборотов, изменении режима работы двигателя при превышении тока двигателя порога тока и выключении двигателя при превышении максимального тока перегрузки, по предлагаемому изобретению, при превышении тока двигателя порога тока на одной из частот в диапазоне регулирования, сохраняют постоянную частоту питающего напряжения и подают на двигатель повышенное напряжение до стабилизации тока, причем стабилизацию тока определяют по равенству нулю первой производной функции зависимости тока от времени, значение величины максимального тока перегрузки i_макс определяют из выражения:

где N₀ - номинальное значение потребляемой мощности электродвигателя;

U₀ - номинальное значение напряжения питания;

η₀ - номинальное значение КПД электродвигателя;

η - текущее значение КПД электродвигателя.

Кроме того, применяют закон управления частотным регулированием оборотов, который выражается зависимостью

где U - значение напряжения питания;

f - частота напряжения питания.

По предлагаемому изобретению при повышении тока двигателя до величины тока порога по причине попадания обогащенных жидкостной или газожидкостной фазами рабочих тел в зону сжатия компрессора или снижения мощности двигателя до величины механических потерь в механизме движения компрессора, повышение напряжения на двигатель дает увеличение мощности и предотвращает торможение или останов двигателя. Сохраняемая при этом частота питающего напряжения позволяет сохранить обороты компрессора, т.е. сохранить холодопроизводительность, необходимую по теплотехническим показателям. При достижении мощности двигателя достаточной для стабильной работы рост тока прекращается, после чего повышение напряжение прекращают.

Прекращение роста тока, т.е. стабилизацию тока определяют по равенству нулю первой производной функции зависимости тока от времени.

Конструктив двигателя допускает работу без перегрева на номинальном режиме, при номинальном КПД. Однако, КПД двигателя существенно снижается при снижении оборотов, т.е. увеличивается доля мощности, выделяемой и рассеиваемой в двигателе в виде тепла. Принимая то, что количество тепла, выделяемого в двигателе не должно превышать количество тепла, выделяемого при номинальном токе, для исключения перегрева двигателя, по предлагаемому изобретению максимальный ток перегрузки вычисляют из выражения (1) с учетом текущего значения КПД.

Закон управления U/f=const является распространенным, применяемым в частотно-регулируемых электроприводах и по характеру нагрузки соответствует работе спирального компрессора.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся по признакам тождественным (идентичным) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенном в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел поиск и анализ известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками (или их сочетанием) заявленного изобретения преобразования для достижения технического результата в способе регулирования и работы двигателя судового спирального компрессора с частотным регулированием оборотов в условиях воздействия крена, качки, наклонов, дифферента и при работе двигателя на частотах ниже 25 Гц.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

На фигуре приведена схема модуля для реализации предлагаемого способа, который является частью схемы управления кондиционера.

Модуль состоит из блоков 1 для измерения и 2, 5 для сравнения токов, блока 3 для задания зависимости КПД двигателя от оборотов и др. параметров двигателя, блока 4 для расчета максимального тока перегрузки; блоки 6 и 10 необходимы для управления кондиционером. Блок 7 поддерживает постоянной частоту питающего напряжения и повышает напряжение на двигатель, блок 8 - рассчитывает первую производную тока, блок 9 - блок сравнения величины первой производной функции тока с нулем.

Осуществление предлагаемого способа происходит следующим образом.

При работе кондиционера в блоке 1 ведется измерение тока i, в блоке 2 происходит сравнение тока i с пороговым значением i_пор. В случае, если ток i меньше порогового значения тока i_пор, двигатель работает в прежнем режиме. Если ток i больше тока i_пор, в блоке 5 происходит сравнение тока i с максимальным значением тока перегрузки i_max. Максимальный ток перегрузки i_max рассчитывается в блоке 4 по данным зависимости коэффициента полезного действия η от оборотов частотно-регулируемого двигателя, также и других параметров двигателя, в т.ч. от подаваемого напряжения. Эта зависимость заранее вводится в блоке 3.

Если ток i больше i_max, то далее блок 6 выключает двигатель.

Если ток i не превышает ток i_max, блок 7 поддерживает текущую частоту питающего тока и увеличивает подаваемое напряжение. По изменению тока i в блоке 8 рассчитывается первая производная функция тока i' по времени, в блоке 9 производится сравнение величины производной i' с нулем.

Если величина производной i' больше нуля, происходит возврат процесса на предыдущий уровень - блок 7 на повторение цикла. При равенстве нулю первой производной тока i' двигатель работает по назначению, подчиняясь командам и процессам, не являющихся предметом предлагаемого изобретения.

При реализации предлагаемого изобретения используются известные технические средства и методы. Судовые спиральные компрессоры с частотным регулированием оборотов, морской кондиционер АКЛ-12 с инвертором постоянного тока в переменный и с регулируемым преобразователем частоты выпускаются и применяются собственным производством Заявителя [http://www.cryontk.com].

Схема блока, изготовленная на основе электронных компонентов (процессоров и т.п.) позволяет в автоматическом режиме реализовать измерение тока, сравнение его с необходимыми величинами. Комплектующие, такие как датчики тока и напряжения, компараторы известны и применяются в электротехнике и электронике.

Определение стабилизации тока по равенству нулю первой производной функции зависимости тока от времени предлагается потому, что это отработанная в технике операция, электронные дифференцирующие блоки широко применяются, например, в регуляторах.

Применение в предлагаемом изобретении закона управления по зависимости (2) вызвано тем, что этот закон хорошо известен, применяется, в т.ч. в аналоге [Гаврин Е.А., Деньгин В.Г. и др. Модернизация автономного кондиционера АКЛ-12. Холодильная техника, 2013, №10, с. 36-38].

По техническим решениям изобретения определены комплектующие изделия и электронные компоненты, работоспособные в корабельных условиях и выполняющие логические и математические операции и исполнительные действия.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- способ, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для промышленного использования, а именно, в двигателях судового спирального компрессора с частотным регулированием оборотов в составе кондиционера воздуха,

- для заявленного изобретения в том виде, в котором он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Внедрение предлагаемого изобретения позволяет повысить стабильность работы кондиционера воздуха в условиях воздействия крена, качки, наклонов, дифферента и при работе двигателя компрессора на частотах ниже 25 Гц.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при эксплуатации судовых спиральных компрессоров с частотным регулированием оборотов в составе кондиционера воздуха. Техническим результатом изобретения является повышение стабильности работы кондиционера в условиях воздействия крена, качки, наклонов, дифферента и при работе двигателя на частотах ниже 25 Гц. В способе регулирования и работы двигателя судового спирального компрессора с частотным регулированием оборотов при превышении тока двигателя порога тока, когда он меньше максимального тока перегрузки, на двигатель подают повышенное напряжение до стабилизации тока. Значение максимального тока перегрузки устанавливают с учетом КПД двигателя в диапазоне регулирования оборотов, стабилизацию тока определяют по равенству первой производной от изменения тока по времени. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования и работы двигателя судового спирального компрессора с частотным регулированием оборотов, заключающийся в подаче на двигатель напряжения питающего тока в соответствии с законом управления частотным регулированием оборотов, изменении режима работы двигателя при превышении тока двигателя заданного порога тока и выключении двигателя при превышении заданного порога максимального тока перегрузки, отличающийся тем, что при превышении тока двигателя порога тока на одной из частот в диапазоне регулирования, сохраняют частоту питающего напряжения, подают на двигатель повышенное напряжение до стабилизации тока, причем стабилизацию тока определяют по равенству нулю первой производной функции зависимости тока от времени, значение величины максимального тока перегрузки i_макс определяют из выражения:

где N₀ - номинальное значение потребляемой мощности электродвигателя;

U₀ - номинальное значение напряжения питания;

η₀ - номинальное значение КПД электродвигателя;

η - текущее значение КПД электродвигателя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют закон управления частотным регулированием оборотов, который выражается зависимостью:

где U - значение напряжения питания;

f - частота напряжения питания.