专利名称：用于增加电机中的输出马力和效率的系统和方法
技术领域：
本发明总的涉及增加电机的性能。本发明具体涉及通过施加比电机的额定电压和频率大的电机输入电压和频率、来增加感应电机的马力和效率。
背景技术：
在过去，感应电机不管是多相还是单相的，都被设计成以电机被操作的设施的配电系统可用的标准线(主)电压和频率操作。线电压和频率的使用通常将电机的输出限于一种速度和一种马力，因为电机的输出速度与电机的输入频率有关，而电机的输出功率与电机的输入电压有关。
随后，开发了变速驱动装置(VSD)，它可以改变提供给电机的频率和/或电压。这种改变电机的输入频率和电压的能力产生了能够向电机的负载提供可变输出速度和功率的电机。此外，电机为了向负载提供相对恒定的输出扭矩，而不管电机的速度如何，电机不得不工作在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下。电机工作在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下要求驱动电机的VSD的输出频率的任何增加/降低都与VSD的输出电压的相应增加/降低相匹配，反之亦然。此外，当电机工作在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下时，电机所吸出的电流仍将相对恒定，特别是在使用具有恒定扭矩负载的电机的情况下，如空调设备中使用的容积式压缩机。
尝试使用变速驱动装置在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下操作电机的一个问题是，多数变速驱动装置不能向电机提供比提供给可变驱动装置的输入AC线电压大的输出电压。变速驱动装置的输出电压的这个限制导致当电机的速度增加时(作为变速驱动装置的输出频率增加到提供给变速驱动装置的线频率之上的结果)，由于变速驱动装置的输出电压无法匹配输出频率的增加，因此驱动变速驱动装置不能够向负载提供恒定扭矩。
此外，对使用特定负载的电机的选择取决于多种因素，包括到电机的输入电压。常常选择其额定电压与标准线电压或变速驱动装置的额定输出电压(等于其输入电压，如果可应用的话)相等的电机。
因此，需要一种通过使用更高的输入电压和频率来操作电机以获得大输出马力、而不必使用具有更高额定电压的电机的系统和技术。
发明内容
通过使电机在比电机的额定电压和频率大的电压和频率上工作，可以增加感应电机的马力。一种使电机在比额定电压和频率大的电压和频率上工作的技术是，将电机连接到提供比标准线电压和频率大的输出电压和频率的变速驱动装置。变速驱动装置连接到感应电机，这允许电机在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下工作，并且向相应电机负载提供更大的输出马力。对于恒定扭矩负载，如螺旋式压缩机，电机工作在更高电压和频率上会引起电机电流随着频率增加而保持相对恒定。在电机的额定频率之上的频率，相对恒定的电流产生相对恒定的电机损耗，因此在电机损耗保持不变的同时增加了马力，从而与工作在其额定频率上的电机相比，提供了增加的电机效率。另一种使电机在比额定电压和频率大的电压和频率上工作的技术是，是使用配置为低电压工作的双电压电机(例如，额定为低电压工作230V和高电压工作460V的电机)，然后向该电机提供高电压工作的电压和频率。可以由经过或未经升压的变速驱动装置提供较高电压和较高频率。在标准主电压大于电机的较低额定电压的情况下，可以使用未经升压、但经过频率升高的变速驱动装置。如上所述，当工作在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下时，使用较高电压和频率增加了可用的马力，并且导致电机效率增加。
本发明的一个实施例关注于一种增加感应电机的输出马力的方法。该方法包括步骤提供具有预定额定工作电压和频率的感应电机；以及提供能够输出比电机的所述预定额定工作电压和频率大的电压和频率的变速驱动装置。电机的所述预定额定工作电压和频率提供预定输出马力。该方法还包括步骤将该变速驱动装置连接到感应电机，以向感应电机提供电力；以及操作该变速驱动装置，来向感应电机提供比感应电机的所述预定额定工作电压和频率大的输出电压和频率。其中以比感应电机的所述预定额定工作电压和频率大的输出电压和频率供电该感应电机引起该电机产生比预定输出马力大的输出马力。
本发明的另一个实施例关注于一种增加电机的输出马力的系统。该系统包括具有预定额定工作电压和频率的电机；和连接到该电机以驱动该电机的变速驱动装置。该电机被配置成响应于输入到电机的所述预定额定工作电压和频率，产生预定输出马力。该变速驱动装置被配置成向该电机提供可变输出电压和可变输出频率。所述可变输出电压和可变输出频率范围在小于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率与大于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率之间。其中，该电机以大于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率工作，导致该电机产生比所述预定输出马力大的输出马力。
本发明的再一个实施例关注于一种制冷系统，该制冷系统具有以闭合制冷剂电路连接的压缩机、冷凝器和蒸发器。该制冷系统还包括连接到压缩机以驱动该压缩机的电机。该电机具有预定额定工作电压和频率，并且该电机被配置成响应于提供给该电机的所述预定额定工作电压和频率，产生预定输出马力。该制冷系统还包括连接到该电机以驱动该电机的变速驱动装置。该变速驱动装置被配置成向该电机提供可变输出电压和可变输出频率。所述可变输出电压和可变输出频率范围在小于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率与大于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率之间。其中，该电机以大于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率工作，导致该电机产生比所述预定输出马力大的输出马力。
本发明的一个优点在于，可以从感应电机获得更大的输出马力。
本发明的另一个优点在于，当工作在更高工作频率时，感应电机的工作效率可以增加。
本发明的再一个优点在于，感应电机可以工作在更宽范围的电压和频率上。
本发明的再一个优点在于，用于驱动特定负载的感应电机可以具有缩小的尺寸、减少的重量和/或降低的成本。
通过下面结合附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚，其中附图通过示例的方式图解本发明的原理。
图1示意性示出本发明的总的系统配置。
图2示意性示出本发明中使用的变速驱动装置的一个实施例。
图3示意性示出可以应用本发明的制冷系统。
只要有可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。
具体实施例方式
图1总的示出本发明的系统配置。AC电源102为变速驱动装置(VSD)104提供AC电力，后者进而为电机106提供AC电力。AC电源102从所在地的AC电力网或配电系统向VSD 104提供单相或多相(例如，三相)固定电压以及固定频率的AC电力。AC电力网可以直接从电力设施提供，或者可以从电力设施与AC电力网之间的一个或多个变电站提供。AC电源102最好可以根据相应的AC电力网，向VSD 104提供电压为200V、230V、380V、460V或600V、线频率为50Hz或60Hz的三相AC或线电压。应当理解，AC电源102可以根据AC电力网的配置，向VSD 104提供任何适合的固定线电压或固定线频率。此外，特定地点可以具有满足不同线电压和线频率要求的多个AC电力网。例如，一个地点可能具有处理某些应用的230V AC电力网和处理其他应用的460V AC电力网。
VSD 104从AC电源102接收具有特定固定线电压和固定线频率的AC电力，并且将AC电力以期望的电压和期望的频率提供给电机106，其中电压和频率都可以被改变来满足特定要求。最好，VSD 104可以向电机106提供具有比从AC电源102接收的固定电压和固定频率高的电压和频率、或者比其低的电压和频率的AC电力。图2示意性示出VSD 104的一个实施例中的一些组件。VSD 104可以具有三级转换器级202、DC链级204和逆变器级206。转换器202将来自AC电源102的固定线频率、固定线电压的AC电力转换成DC电力。DC链204对来自转换器202的DC电力滤波，并且提供诸如电容器和/或电感之类的储能组件。最终，逆变器206将来自DC链204的DC电力转换成用于电机106的、可变频率、可变电压的AC电力。
只要VSD 104可以为电机106提供适当的输出电压和频率，转换器202、DC链204和逆变器206的特定配置对于本发明来说并不是至关重要的。例如，转换器202可以是连接到升压DC/DC转换器的二极管或闸流管整流器(thyristor rectifier)，来向DC链204提供升高DC电压，以便从VSD 104获得大于VSD 104输入电压的输出电压。在另一个例子中，转换器202可以是具有绝缘栅极双极晶体管(IGBT)的脉宽调制的升压整流器，来向DC链204提供升高DC电压，以便从VSD 104获得大于VSD 104输入电压的输出电压。在本发明的优选实施例中，VSD 104可以提供至少是提供给VSD 104的固定电压和固定频率两倍的输出电压和频率。此外，应当理解，VSD 104可以包括与图2所示不同的组件，只要VSD 104可以为电机106提供适当的输出电压和频率。
在电机106的起动期间，VSD 104可以防止大的起动电流(inrush current)到达电机106。此外，VSD 104的逆变器206可以为电机提供具有大约单位功率因数的电力。最后，VSD 104调节VSD 104所接收的输入电压和输入频率的能力，允许VSD 104在各种国外和国内电力网上工作，而不必为了不同的电源改变电机106。
电机106最好是能够以变速驱动的感应电机。感应电机可以具有任何适合的极性配置，包括两极、四极或六极。感应电机用于驱动负载，最好是图3所示的压缩机。在本发明的一个实施例中，本发明的系统和方法可以用于驱动制冷系统的压缩机。图3总的示出连接到制冷系统的本发明的系统。
如图3所示，HVAC、制冷剂或液冷系统300包括压缩机302、冷凝器(condenser)304、蒸发器306和控制面板308。控制面板308可以包括各种不同组件，如模数(A/D)转换器、微处理器、非易失性存储器和接口板，用于控制制冷系统300的工作。控制面板308还可以用于控制VSD 104和电机106的工作。常规的制冷系统300包括许多图3未示出的其他特征。为了简化附图以便易于图解，故意省略了这些特征。
压缩机302压缩制冷剂蒸气，并且通过排出线将蒸气送到冷凝器304。压缩机302最好是螺旋式压缩机，但也可以是任何适合类型的压缩机，如离心式压缩机、往复式压缩机等。由压缩机302送到冷凝器304的制冷剂蒸气进入与流体(例如，空气或水)的热交换关系，并且作为与流体热交换关系的结果，形态变为制冷剂液体。来自冷凝器304的冷凝的液体制冷剂通过伸缩器件(未示出)，流到蒸发器306。
蒸发器306中的液体制冷剂进入与第二流体(如空气或水)的热交换关系，以降低第二流体的问题。作为与第二流体热交换关系的结果，蒸发器306中的制冷剂液体形态变为制冷剂蒸气。蒸发器306中的制冷剂蒸气离开蒸发器306，并且通过吸入管返回到压缩机302完成循环。应当理解，在系统300中可以使用任何适合的冷凝器304和蒸发器306的配置，只要在冷凝器304和蒸发器306中的制冷剂获得适当的形态变化。
当电机的负载分布(load profile)基本上是恒定扭矩负载(如螺旋式压缩机)时，本发明通过使电机106在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下、工作在比电机的额定电压和频率大的电压和频率上，来获得电机106增加的马力和效率。或者，在电机的负载分布是可变扭矩负载(如离心式压缩机或风扇)的情况下，可以降低通量或伏特/Hz。如上所述，对于具有基本恒定扭矩分布的负载使用电机工作的恒定通量或恒定伏特/Hz模式，它要求提供给电机106的频率的任何增加或降低与提供给电机106的电压的相应增加和降低相匹配。例如，四极感应电机当工作在两倍于其额定电压和两倍于其额定功率时，可以提供两倍于其额定输出马力和速度。当在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下时，到电机106的电压的任何增加引起电机106的输出马力的等效增加。类似地，到电机106的频率的任何增加引起电机106的输出速度的等效增加。在可变扭矩负载情况中，如果不要求额定扭矩，当不要求额定电机通量时，在低于最大速度的速度上，伏特/Hz比可以降低，以获得电机效率的些许提高。低电压电机，即，额定电压低于600VAC的那些电机，包括被额定用于完全600VAC工作的AC的定子绝缘系统，从而对于额定低于或等于600VAC电平的电机，该电机电压限制通常是600V AC。在本发明的一个实施例中，到电机106的输入电压可以一直增加到输入电压等于电机线圈的额定绝缘电压为止。从上面例子看出，电机106的输入电压和频率加倍会引起电机106提供的输出马力和速度加倍。
此外，对于恒定扭矩负载，例如螺旋式压缩机，电机106工作在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下比起电机工作在其额定伏特/频率上的情况，可以提供更有效的电机工作。当驱动恒定扭矩负载时，随着电机106的输入电压和频率的增加，电机106所吸出的电流保持相对恒定。由于电机电流仍然相对恒定，电机106中的损耗保持相对恒定。因此，在电机106所吸出的电机电流以及电机106中的相应损耗保持基本不变时，电机106的输出马力增加，这比起电机106被线电压和频率驱动的情况，为电机106提供了增加的效率。
本发明的一个用于获得电机106中增加的马力和效率的实施例包括将电机106连接到能够为电机106提供比电机的额定电压和频率大的输入电压和输入频率的VSD 104。在一个例子中，电机106可以额定在相应线电压和线频率，并且VSD 104可以向电机106提供比该线电压和线频率大的输出电压和输出频率。或者，电机106可以额定在相应线频率以及低于相应线电压，并且VSD 104可以提供基本上等于线电压的输出电压和大于线频率的输出频率。在任一配置中，电机106接收比电机的额定电压和频率大的输入电压和输入频率。
本发明的另一个用于获得电机106中增加的马力和效率的实施例包括将双电压电机(即，具有高电压连接和低电压连接的电机)连接到VSD 104。VSD 104连接到双电压电机的低电压连接，并且为双电压电机的低电压连接提供对应于高电压连接的输入电压以及大于线频率的输入频率。根据双电压电机的特定配置，VSD 104提供给双电压电机的低电压连接的输入电压可以被VSD 104从线电压增加，或者基本上等于线电压。在上述两个实施例的任一个中，电机106工作在来自VSD 104的、比电机的额定功率和频率大的输入电压和输入频率上，以获得更大的电机输出速度和输出马力。
此外，由于VSD 104可以向电机106提供可变输入电压和可变输入频率，因此电机可以根据电机的特定负载，在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下工作在多个不同级别上。最好，控制面板、微处理器或控制器可以向VSD 104提供控制信号来控制VSD 104(进而可能电机106)的工作，以便根据控制面板接收的特定传感器读数，提供VSD 104和电机106的最佳工作设置。例如，在图3的制冷系统300中，控制面板308可以调节VSD 104的输出电压和频率来对应于制冷系统300中变化的状况，即，控制面板308可以响应于压缩机302增加或降低的负载状况，增加或降低VSD 104的输出电压和频率，以便得到期望的电机106的工作速度，以及期望的压缩机302的输出负载。
尽管参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不背离本发明范围的前提下，可以进行各种改变，并且可以对其元件进行等效替换。此外，在不背离其本质范围的前提下，可以进行修改来使具体情况或材料适应本发明的教学。因此，本发明并不限于作为用于实现本发明而构思的最佳模式的所公开的特定实施例，相反，本发明将包括落入权利要求书范围的所有实施例。
权利要求
1.一种增加感应电机的输出马力的方法，该方法包括步骤提供具有预定额定工作电压和频率的感应电机，其中电机的所述预定额定工作电压和频率提供预定输出马力；提供能够输出比电机的所述预定额定工作电压和频率大的电压和频率的变速驱动装置；将该变速驱动装置连接到感应电机，以向感应电机提供电力；以及操作该变速驱动装置，来向感应电机提供比感应电机的所述预定额定工作电压和频率大的输出电压和频率，其中以比感应电机的所述预定额定工作电压和频率大的输出电压和频率供电该感应电机引起该电机产生比预定输出马力大的输出马力。
2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤在恒定通量工作模式下操作该感应电机。
3.如权利要求1所述的方法，还包括步骤将该变速驱动装置的输出电压升高到该变速驱动装置输入电压的至少两倍。
4.如权利要求3所述的方法，其中，感应电机的所述预定额定工作电压基本上与该变速驱动装置的输入电压相等。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述提供感应电机的步骤包括提供具有高电压连接和低电压连接的双电压电机。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述将变速驱动装置连接到感应电机的步骤包括将变速驱动装置连接到双电压电机的低电压连接。
7.如权利要求1所述的方法，其中，感应电机的所述预定额定电压小于到变速驱动装置的输入电压。
8.一种增加电机的输出马力的系统，该系统包括具有预定额定工作电压和频率的电机，并且该电机被配置成响应于输入到电机的所述预定额定工作电压和频率，产生预定输出马力；连接到该电机以驱动该电机的变速驱动装置，该变速驱动装置被配置成向该电机提供可变输出电压和可变输出频率，所述可变输出电压和可变输出频率范围在小于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率与大于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率之间；并且其中，该电机以大于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率工作，导致该电机产生比所述预定输出马力大的输出马力。
9.如权利要求8所述的系统，其中，该变速驱动装置被配置成向电机提供比到该可变驱动装置的输入电压大的输出电压。
10.如权利要求9所述的系统，其中，该变速驱动装置被配置成向电机提供至少是该变速驱动装置输入电压的两倍的输出电压。
11.如权利要求10所述的系统，其中，该电机的所述预定额定工作电压基本上与该变速驱动装置的输入电压相等。
12.如权利要求8所述的系统，其中，该电机的所述预定额定工作电压小于该变速驱动装置的输入电压。
13.如权利要求8所述的系统，其中，该电机包括具有高电压连接和低电压连接的双电压电机。
14.如权利要求13所述的系统，其中该变速驱动装置连接到该双电压电机的低电压连接，并且可以提供基本上与对应于高电压连接的电压相等的输出电压。
15.如权利要求8所述的系统，其中，该可变驱动装置还包括转换器，用于将具有固定电压和固定频率的AC电力转换成DC电力；DC链，用于滤波并存储来自转换器的DC电力；和逆变器，用于将来自DC链的DC电力转换成具有可变电压和可变频率的AC电力，来自逆变器的所述可变电压和可变频率是该可变驱动装置的可变输出电压和可变输出频率。
16.如权利要求15所述的系统，其中，该逆变器被配置成向DC链提供比该变速驱动装置的输入电压大的电压。
17.如权利要求8所述的系统，其中，该电机是感应电机。
18.一种制冷系统，包括以闭合制冷剂电路连接的压缩机、冷凝器和蒸发器；连接到压缩机以驱动该压缩机的电机，该电机具有预定额定工作电压和频率，并且该电机被配置成响应于提供给该电机的所述预定额定工作电压和频率，产生预定输出马力；连接到该电机以驱动该电机的变速驱动装置，该变速驱动装置被配置成向该电机提供可变输出电压和可变输出频率，所述可变输出电压和可变输出频率范围在小于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率与大于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率之间；并且其中，该电机以大于所述预定额定工作电压和频率的一输出电压和输出频率工作，导致该电机产生比所述预定输出马力大的输出马力。
19.如权利要求18所述的制冷系统，其中，该变速驱动装置被配置成向电机提供比到该可变驱动装置的输入电压大的输出电压。
20.如权利要求19所述的制冷系统，其中，该变速驱动装置被配置成向电机提供至少是该变速驱动装置输入电压的两倍的输出电压。
21.如权利要求20所述的制冷系统，其中，该电机的所述预定额定工作电压基本上与该变速驱动装置的输入电压相等。
22.如权利要求18所述的系统，其中，该电机的所述预定额定工作电压小于该变速驱动装置的输入电压。
23.如权利要求18所述的系统，其中，该电机具有额定用于600V AC的定子绝缘系统。
全文摘要
提供一种用于增加感应电机106的马力的系统和方法。一种用于增加电机106的马力的技术是将电机106连接到变速驱动装置104，后者提供比标准线电压和频率大的输出电压和频率。变速驱动装置104连接到感应电机106，这允许电机106在恒定通量或恒定伏特/Hz模式下工作，并且提供更大的输出马力。另一种用于增加电机106的马力的技术是使用配置为低电压工作的双电压电机，然后向该电机106提供高电压工作的相应电压和频率。
文档编号F04C28/00GK1961476SQ200580012514
公开日2007年5月9日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月27日
发明者弗兰克·E·威尔斯, 哈罗德·R·施内茨卡 申请人:约克国际公司