专利名称：电机冷却液注入的模糊逻辑控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制电路，尤其是在变化负载的情况下，将装置的操作条件保持在或者接近于最佳操作电平下的控制电路。具体说来，本发明涉及的控制电路用来控制向电机的电枢中注入冷却液的速率。本发明的一种实施例中，模糊逻辑电路能够以某一取决于电机温度在某一预定设定点之上或之下变化的速率控制向电机电枢中注入制冷液的速率。
用作空调、制冷和热泵系统的压缩机采用被设计成能在宽负载范围下运行的大功率电机。电机的工作温度在大负载的情况下趋于升高，而在负载减小时趋于下降或缓慢上升。电机的负载取决于通过压缩和膨胀而循环的制冷量，而这取决于空调或制热负载。空调负载随每天的不同时间而大不相同，同时还随气候、人员和设备负载的改变以及其他因素而变化。
在诸如办公楼、医院或机构的大型空调系统中通常采用螺杆式压缩机。大型空调系统中通常采用两个到四个螺杆式压缩机，每一台压缩机具有40至85吨的冷却容量(cooling capacity)。每一吨代表12,000BTU/小时。这表示每小时内将一吨的冰融化所需的冷却量。因为有两个到四个螺杆式压缩机，所以系统容量通常为80到375吨。一天内，空调负载将从极低的最小值变化到系统最大值，因而每一电机上的负载也作相应的变化。
压缩机电机的电枢绕组内有一个或多个温度传感器。电机被设计成温度传感器位于电枢的最热部分。一次只使用其中的一个传感器。其他的一个或一些传感器用作备份，从而当某一温度传感器发生故障时不必掉换整台电机。
传感器与一控制模块相连，控制模块随后向制冷电磁阀发送一控制信号。通常，传感器为具有随温度而变化的电阻值的那种类型。控制模块中的电路和软件将电阻值转换为温度值。传送至电磁阀的控制信号的占空度(duty cycle)通常正比于检测到的电机温度。控制信号具有基于正常运行下冷却所需的正常电平的占空度。随后控制模块正比于在设计运行温度或设定点之上或之下的电机温度的偏差，使占空度向上或向下变化。
在通常用在大型冷却剂空调系统中的压缩机中，电机是部分通过注入到电机机壳内的冷却液来冷却的。冷却液通过热定子或电枢而使其冷却。冷却液的注入速率必须根据负载而不是依赖于冷却液的固定量来控制，这是因为排出的热量随压缩机的负载而变化的缘故。脉冲电磁阀可以被用作一种控制装置，从而可以改变冷却液的注入速率。普通的控制电磁阀(即正比于电机温度)的装置产生50到100华氏度的电机温度变化。某些温度变化是预料到的。由于电机被设计成在恰当冷却时在约200度下工作，而冷却液的温度通常为41华氏度。电机的工作温度最好保持在设定点约25华氏度(14摄氏度)的范围内。正如前文中指出的那样，电机负载的变化范围较大，所以所需的排热也在运行期间变化。在稳态条件下，冷却液注入速率的简单调整将给出合适的温度控制。然而在空调系统负载变化范围较大的情况下，简单的冷却液调整以及作为电机绕组温度函数的调整都不会给出很准确的电机温度控制。使电机运行温度的变化为最小一直是控制电路的目的，但是这一目的迄今仍使工业界感到难办。
本发明的主要目的在于针对现有技术中存在的这些问题提供一种空调压缩机电机运行温度的改进的控制。
本发明的另一个目的在于，采用模糊逻辑控制向压缩机电机内的液体注入，作为在宽负载条件的范围内将操作温度保持在设定点温度附近的手段。
按照本发明的一个方面，模糊逻辑控制电路用来根据电机的温度和另一可测量的运行条件改变冷却液注入的速率。模糊逻辑的意思是，(a)把温度偏差被分成组，而不是按比例处理或逐渐处理，以及(b)控制器如何对给定的温度偏差作出反应取决于其他的运行条件。在一种较佳方式中，其他运行条件指得是电机被加热或冷却的速率。
在较佳实施例中，控制电路按照5×5(共25个方框)的矩阵，确定电磁阀的占空度，其中，温度偏差被分成5个或更多个范围，分别包括靠近设定点的中央范围，位于中央范围之上和之下的的第一上部和下部范围，以及位于第一范围之上和之下的第二上部和下部范围。附加运行条件(即温度变化率)，也被分为5个或更多个范围，包括中央范围、分别位于中央范围之上和之下的第一上部和下部范围以及第一范围之上和之下的第二上部和下部范围。运行温度偏差的范围和温度变化率的范围限定了一个5×5矩阵的方框。矩阵的每一方框与控制信号的预定值对应。
控制电路矩阵最好用控制信号的对应值来构成如下
其中，T是电机电枢的运行温度，dT/dt是电机电枢温度的时间变化率，Ts是预定的电机设定点温度，J和N是预定的温度偏差，其中，J大于N；K和M是预定的温度变化率，其中K大于M；而DC11至DC55是各控制信号值。在一个较佳实施例中，对于0、1、2、4或8秒的占空度，电磁阀在每8秒的时间间隔内可以被驱动一次。根据由预定设定点(例如190华氏度)之上或之下的运行温度偏差以及电机的加热或冷却速率而得到的下述矩阵，每8秒内计算输出占空度，该矩阵是对应于下述控制信号值构成的
这一控制原理使电机温度可以在25华氏度的范围内变化，这对于以前的方法是一个极大的改进。本文揭示的技术采用的是5×5矩阵，这代表最小控制格(grid)。若要更精细地控制电机温度，可以进一步划分某些中央方框(即靠近设定点处)。这一方案中，两个控制变量是温度和温度对时间的一阶导数dT/dt。在某些控制环境中温度对时间的二次导数可能有用。这将是一种温度加速作用(temperature ac-celeration)，例如可以表示热的剧变。
在结合附图描述了较佳实施例以后，本发明的上述以及其他目的、特点和优点将更为清晰。
图1是按照本发明一种实施例的采用液体注入冷却和模糊逻辑控制器的空调系统透视图。
图2是描述本发明模糊逻辑控制原理的控制矩阵。
图3是按照实际用于本发明一个实施例的控制矩阵。
先参见图1，本发明可以用于大型商用空调系统或热泵系统10的电机冷却控制，这里采用了一个(或一个以上)螺杆式压缩机12。这种类型的压缩机在一密封的机壳内有一根第一螺杆14和一根第二螺杆16。驱动电机20以及将电机和螺杆14及16连在一起的传动齿轮22，也被密封在机壳18内。螺杆14和16的旋转压缩制冷剂蒸汽，并向电机20施加机械负载。温度传感器与电机20的绕组或电枢保持热接触，并具有其值作为电机温度的函数而变化的电阻值。
制冷剂作为低压蒸汽进入压缩机12的入口26并被压缩，并作为高压蒸汽从出口28离开压缩机。管道30将高压蒸汽运送到冷凝器热交换器32，在冷凝器热交换器中排放掉高压蒸汽的热量，而将制冷剂凝聚为液体。制冷液沿管道34行进，通过膨胀阀36来到蒸发器热交换器38。在这里，液体在低压下进入蒸发器，从室内环境吸收热量而蒸发。产生的制冷剂蒸汽随后沿管道40行进到压缩机的入口26，并重复压缩/蒸发循环。
电机20可以由于压缩机12施加的负载而具有很宽的温度变化范围。即，必须从电机电枢排放掉的热量依赖于负载。这里冷却液注入通道42用作控制电机20的运行温度的装置。通道42沿冷凝器32的下游从管道34将制冷液传送到电磁阀44。液体通过阀44和受控节流孔46进入电机20的电枢。注入的液体蒸发，从电机电枢吸热，产生的蒸汽与提供至入口26的蒸汽汇合，并重复压缩/蒸发循环。
控制模块48采用这里描述的所谓“模糊逻辑”控制，作为控制电磁阀44动作的装置。模糊逻辑控制依赖于两个变量，其中的每个变量可以处在中间(正常)区(近中间范围、稳态值)、中间区之下和之上的负区和正区以及相对于中间区的值很负或者很正的极端区。本实施例中，控制模块有一个连至温度传感器24的输入端和一个向电磁阀提供控制信号的输出端。输出信号是一个具有8秒时间间隔的通/断(ON/OFF)信号。根据模糊逻辑矩阵中两个变量占据的块或区，每8秒计算一次控制信号的占空度。这里，占空度(或ON时间)是一个“模糊”(fazzified)值，在图2所示矩阵中对于每一块来说是一个单一的离散值。
如图2所示，模糊控制逻辑矩阵有5列、5行，列代表温度变化很负的速率(迅速冷却)、温度变化的负速率(缓慢冷却)、稳定或较稳定(或者没有变化)、正温度上升和很正的温度上升(迅速发热)。行代表静态电机温度，即运行温度和设定点之间的差。共有5行，代表很负的温度(远离设定点的下方)、负的温度(设定点下方)、近设定点、正的温度和很正的温度(远离设定点的上方)。矩阵块或方框的每一个限定了一个由温度条件和温度变化率代表的条件，并且对于每一个方框有一个给定的离散控制信号，即，那一方框中所有温度和温度变化的速率的固定占空度。
在图3所示矩阵的一种较佳实施例中，如果温度是40°F或在远离设定点(本例中后者为190°F)的下方，则电机温度很负。负区位于设定点下方的10和40°F之间，正常区位于从设定点温度起的正或负10°F之间。正的温度意味着在设定点之上的10和40°F之间，很正的温度意味着在设定点之上大大超过40°F。电机温度的变化率排成5列，它们分别是，以每分钟10°F或更快的速率进行的很负的冷却，负意味着以每分钟2°F到10°F的冷却，稳态或无变化是每分小于正负2°F，正意味着以每分钟2到10°F的速率发热，很正意味着温度上升速率在每分10°F以上。电磁阀动作的占空度是OFF(占空度每8秒为0秒)、1/8(每一周期ON为1秒)、1/4(每一周期ON为2秒)、1/2(每一周期ON为4秒)以及全ON(每一个8秒周期ON为8秒)。
在一种实际应用中，这一模糊逻辑控制能够将温度保持在25华氏度内，这对于已有方法是一个重大改进。
本实施例采用的是电机温度和电机温度的一阶导数，其他实施例可以采用不同的参数，例如温度的二阶导数。同时，其他负载参数(如电机电流用量或轴转矩)可以用作模糊逻辑控制的输入变量。另外，如果需要，可以在控制矩阵中，特别是在设定点附近的区域内和无变化的区域内，采用更多的列或更多的行，来实现电机温度的更精细、更精确的控制。
上面通过具有较佳方式的实施例，对本发明作了详细描述，但是应该理解的是，这些实施例对本发明来说是非限定的，在不偏离由所附权利要求所限定的范围和精神的情况下，本领域的技术人员可以对这些实施例作许多修改和变更。
权利要求
1.一种控制制冷液注入到空调压缩机驱动电机电枢内用以将电机的运行温度控制在负载范围内的模糊逻辑控制电路，其特征在于，所述制冷/空调系统包括所述压缩机，用来在入口处接收低气压下的制冷剂蒸汽、压缩所述制冷剂蒸汽，并在出口处传送高气压下的所述制冷剂蒸汽；与所述压缩机出口相连的冷凝装置，用来从所述制冷剂蒸汽排放热量，而将其冷凝成高压液体；受从所述控制电路得到的控制信号控制的电磁阀，用来有选择地将所述制冷液提供到所述电机电枢内；以及放置得与所述电机电枢相联系的传感器，所述传感器与所述控制电路的输入端相连，向其提供一个或多个代表所述电机电枢运行条件的传感器信号；其中，所述控制电路将所述传感器信号转换成运行温度偏离一预定的温度设定点的温度偏差，并确定所述电机电枢的附加的、可量化的运行条件，并使所述控制信号具有作为电机运行温度以及附加运行条件的函数的占空度。
2.如权利要求1所述的模糊逻辑控制电路，其特征在于，所述控制电路按照5×5方框的矩阵确定所述控制信号的占空度，其中，所述温度偏差被分成5个或更多个范围，包括靠近所述设定点的中央范围、分别位于所述中央范围之上和之下的第一上部范围和下部范围以及分别位于所述第一范围之上和之下的第二上部和下部范围；所述附加运行范围同样也被分成5个或更多个范围，包括中央范围、分别位于所述中央范围之上和之下的第一上部和下部范围以及分别位于所述第一范围之上和之下的第二上部和下部范围，从而运行温度偏差和所述其他运行条件的范围限定了所述矩阵的方框；并且所述控制信号对于每一所述矩阵的方框具有一预定值。
3.一种控制制冷液注入到空调压缩机驱动电机电枢内用以将电机的运行温度控制在负载范围内的模糊逻辑控制电路，其特征在于，所述制冷/空调系统包括所述压缩机，用来在入口处接收低气压下的制冷剂蒸汽、压缩所述制冷剂蒸汽，并在出口处传送高气压下的所述制冷剂蒸汽；与所述压缩机出口相连的冷凝装置，用来从所述制冷蒸汽排放热量，而将其冷凝成高压液体；受从所述控制电路得到的控制信号控制的电磁阀，用来有选择地将所述制冷液提供到所述电机电枢内；以及放置得与所述电机电枢保持热接触的温度传感器，所述温度传感器与所述控制电路的输入端相连，向其提供一个代表所述电机电枢运行温度的温度信号；其中，所述控制电路将所述温度信号转换成运行温度偏离预定的温度设定点的温度偏差的一种量度，并确定所述电机电枢运行温度的时间变化率，并使所述控制信号具有作为电机运行温度和运行温度的时间变化率的函数的占空度。
4.如权利要求3所述的模糊逻辑控制电路，其特征在于，所述控制电路按照5×5方框的矩阵确定所述控制信号的占空度，其中，所述温度偏差被分成5个或更多个范围，包括靠近所述设定点的中央范围、分别位于所述中央范围之上和之下的第一上部和下部范围，分别位于所述第一范围之上和之下的第二上部和下部范围；所述温度的时间变化率也被分成5个或更多个范围，包括中央范围、分别位于所述中央范围之上和之下的第一上部和下部范围以及分别位于所述第一范围之上和之下的第二上部和下部范围，从而运行温度偏差的范围和所述温度的时间变化率的范围限定了所述矩阵的方框；并且所述控制信号对于每一所述矩阵的方框具有一预定值。
5.如权利要求4所述的模糊逻辑控制电路，其特征在于，所述压缩机是一个螺杆式压缩机，所述电机封闭在压缩机密封的外壳内，从而进入电机电枢的从制冷剂放出的蒸汽在螺杆式压缩机内被压缩。
6.如权利要求3所述的模糊逻辑控制电路，其特征在于，使所述用于控制电路的矩阵与下述控制信号的值对应
其中，T是电机电枢的运行温度，dT/dt是电机电枢温度的时间变化率，Ts是预定的电机设定点温度，J和N是预定的温度偏差，其中J大于N；K和M是预定的温度变化率，并且K大于M；DC11至DC55是各控制信号的值。
7.如权利要求6所述的模糊逻辑控制电路，其特征在于，所述值DC11至DC55是离散值。
全文摘要
采用一种模糊逻辑控制电路来改变冷却空调压缩机的电机用的冷却液注入速率。控制是根据电机温度和另一可测运行条件来进行的。温度偏差被分成组，而不是按比例处理或逐渐处理。控制器对于给定温度偏差的响应依赖于另一运行条件。在一种较佳方式中，另一运行条件是电机发热或冷却的速率。在一种较佳实施例中，控制电路按照5列乘5行的矩阵确定电磁阀的占空度。这一控制方案在宽负载条件下将电机温度保持在25°Ｆ的设定点范围内。
文档编号F25B1/047GK1138770SQ9610352
公开日1996年12月25日 申请日期1996年2月6日 优先权日1995年2月6日
发明者小阿瑟·F·弗里德 申请人:运载器有限公司