具有次级绕组的变速驱动装置的制作方法

本申请要求于2016年10月5日提交的题为“variablespeeddrivewithsecondarywindings(具有次级绕组的变速驱动装置)”的美国临时申请序列号62/404,644的优先权和权益，所述美国临时申请出于所有目的通过援引以其全文并入本文。

背景技术：

本申请总体上涉及变速驱动装置，并且更具体地涉及用于中压应用的、具有用于同步地切换马达负载的附加次级变压器绕组的变速驱动装置。

用于在商业或工业建筑物加热、通风、空气调节和制冷(hvac&r)系统中应用的冷却器系统通常包括相对较大的电动马达以用于为压缩机供电。马达的马力范围可以从100马力(hp)高达5,000hp或更大。这些系统中的许多系统包括用于响应于冷却需求来控制马达速度的变速驱动装置(vsd)。可以针对宽范围的干线配电电压来设计这种大小的马达和vsd。在将低电压干线(600伏特或更小)供应至冷却器系统的情况下，可以使用较高电流容量。为了使用相对较高的电流负载，可以采用笨重且昂贵的电缆、降压变压器和开关设备。相反，在电压干线向冷却器系统供应中压或高压(大于600伏特)的情况下，电流容量可能相对于低电压干线较低。

当前，中压系统中的使用变压器的vsd具有内部降压变压器。所述vsd可以使冷却器系统的压缩机马达加速以达到阈值速度并且将马达的电源从固定电压源切换到由外部降压变压器提供的交替定速源。不幸的是，外部降压变压器可以利用外部配线以及可能增加冷却器系统整体成本和/或占地面积的其他部件。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种制冷系统包括：压缩机，被配置用于使制冷剂沿着制冷剂环路循环；马达，被配置用于驱动所述压缩机；以及变速驱动装置，耦合至所述马达并且被配置用于向所述马达供应电力。所述变速驱动装置包括：降压变压器的初级绕组，所述初级绕组耦合至交流(ac)电源；所述降压变压器的第一次级绕组，其中，所述第一次级绕组被配置用于在所述马达低于阈值电压运行时以可变供应电压向所述马达供应电力；以及所述降压变压器的第二次级绕组，其中，所述第二次级绕组被配置用于在所述马达以所述阈值电压或高于所述阈值电压运行时以固定供应电压供应电力。

在另一实施例中，一种系统包括耦合至马达并且被配置用于向所述马达供应电力的变速驱动装置，其中，所述变速驱动装置包括：降压变压器的初级绕组，所述初级绕组耦合至交流(ac)电源；所述降压变压器的第一次级绕组，其中，所述第一次级绕组被配置用于在所述马达低于阈值电压运行时以可变供应电压向所述马达供应电力；所述降压变压器的第二次级绕组，其中，所述第二次级绕组被配置用于在所述马达以所述阈值电压或高于所述阈值电压运行时以固定供应电压供应电力；以及控制器，所述控制器被配置用于基于所述马达的所测量电压在所述马达与所述第一次级绕组以及所述马达与所述第二次级绕组之间选择性地建立电通信。

在又另一实施例中，一种方法包括：监测马达的电压需求，其中，变速驱动装置耦合至所述马达并且被配置用于向所述马达供应电力；当所述马达的所述电压需求低于阈值时，从所述变速驱动装置的第一次级绕组向所述马达供应第一电力，其中，所述第一电力包括可变电压；当所述马达的所述电压需求处于或高于所述阈值时，从所述变速驱动装置的第二次级绕组向所述马达供应第二电力，其中，所述第二电力包括恒定电压，并且其中，所述第二次级绕组与所述变速驱动装置整合。

附图说明

图1是根据本披露的一方面的被配置用于为马达供电的变速驱动装置的通用配置的实施例的示意图；

图2是根据本披露的一方面的图1的变速驱动装置的实施例的示意图；

图3是根据本披露的一方面的包括可以由图1的马达和/或变速驱动装置供电的压缩机的制冷系统的实施例的示意图；并且

图4是根据本披露的一方面的可以包括第二次级绕组的图1的变速驱动装置的电路系统的实施例的示意图。

具体实施方式

冷却器系统可以包括耦合至变速驱动装置(vsd)的控制系统。所述控制系统可以使被配置用于驱动冷却器系统的压缩机的马达从零转每分钟(rpm)加速到阈值速度。在所述阈值速度下，控制系统可以被配置用于指示压缩机马达旁路vsd并且在设定值输出电压下从第二变压器直接运行。在典型冷却器系统中，控制系统和/或vsd可以包括将所述vsd耦合至所述vsd外部的交替降压变压器的转接开关。然而，在本披露的实施例中，附加次级变压器绕组被包括在vsd驱动装置变压器的内部，由此使得压缩机马达能够在没有可能包括附加配线和/或相关联开关设备的单独外部变压器的情况下切换到附加次级变压器绕组(例如，内部固定电压源)。

在一些实施例中，vsd可以包括降压变压器、整流器、直流(dc)链路、和/或逆变器。所述降压变压器包括用于以交流(ac)电源的频率接收中压输入(例如，高达大约15kv的电压)的初级绕组。第一次级绕组可以向整流器、dc链路、和/或逆变器提供电力。进一步，第二次级绕组可以连接至vsd的输出端子以用于阈值速度应用。第一次级绕组和第二次级绕组(例如，阈值速度次级绕组)可以磁性耦合至初级绕组。第一次级绕组可以向整流器、dc链路、和逆变器提供电力，使得vsd产生ac电压输出，所述ac电压输出具有小于被施加至初级绕组的设定值电压(例如，大约15kv)的变幅电压以及小于或等于ac电源频率的频率。第二次级绕组(例如，阈值速度次级绕组或旁路次级绕组)可以连接至vsd的输出端子并且产生固定电压和频率。vsd的输出端子还可以耦合至马达输入端处的一组接触点，使得第二次级绕组可以耦合至马达。vsd的耦合至整流器、dc链路、和/或逆变器的附加输出端子可以连接至马达的输入端处的一组附加接触点，由此将第一次级绕组耦合至马达。

vsd可以用于包括制冷剂回路的冷却器系统中。所述制冷剂回路可以包括连接在封闭制冷剂环路中的压缩机(例如，由所述一个或多个马达驱动)、冷凝器、和蒸发器。vsd被配置用于为压缩机马达供电。整流器、dc链路、和逆变器的输出端子连接至第一组接触点，以驱动工业过程(诸如，冷却器、hvac系统、废水、或油泵站)中的至少一个马达，并且第二次级绕组的输出端子连接至第二组接触点作为同一工业过程或系统的输入端。除了制冷系统、冷却器、和其他加热、通风、空气调节和制冷(hvac&r)应用之外，本披露可以应用于其中使用中压驱动装置的任何应用，包括但不限于废水处理或石油平台应用。以下阐述的示例仅是示例性的，并不旨在以任何方式限制权利要求的范围。

本披露的实施例将第二次级变压器绕组添加到vsd驱动装置变压器，以使得用于马达的电源能够从内部交流电压源切换到内部固定电压源。因此，本披露的实施例消除了可以提供固定电压的外部变压器、以及与这种外部变压器相关联的配线和开关设备，由此降低了系统成本。本披露进一步降低了vsd驱动装置当向在利用恒定电压和频率的阈值速度条件下运行的马达提供电力时与所述vsd驱动装置相关联的电损耗，从而增大了系统效率。替代性实施例涉及如可以在权利要求中大致列举的其他特征以及特征的组合。

图1和图2总体上展示了根据本披露的一方面的系统配置的实施例。交流(ac)电源102向变速驱动装置(vsd)104供应ac电力，所述变速驱动装置进而向马达106供应ac电力。在一些实施例中，马达106用于驱动制冷或冷却器系统的相应压缩机。ac电源102从存在于系统附近的ac电力网或配电系统向vsd104提供三相固定电压和固定频率ac电力。ac电力网可以由电力公共设施直接供应或者可以由电力公共设施与ac电力网之间的一个或多个变电站供应。在一些实施例中，ac电源102可以根据相应的ac电力网以50赫兹(hz)与60hz之间的线频率向vsd104供应高达15千伏(kv)的三相ac电压或线电压。然而，在其他实施例中，ac电源102可以基于ac电力网的配置来向vsd104提供任何合适的固定线电压或固定线频率。另外，特定地点可能具有可以满足不同线电压和线频率需求的多个ac电力网。

参照图2，vsd104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。vsd104还可以以期望的电压和期望的频率向马达106提供ac电力，所述期望电压和期望频率这两者都可以变化以满足马达106的预定设定值。在某些实施例中，vsd104可以向马达106提供ac电力，所述ac电力具有比从ac电源102接收的固定电压和固定频率更高的电压和频率或更低的电压和频率。例如，图2展示了可以包括在vsd104的实施例中的示意性部件。如在图2的所展示实施例中示出的，vsd104可以具有三个级：转换器202(例如，整流器)、直流(dc)链路204、和逆变器206。转换器202可以将来自ac电源102的固定线频率和/或固定线电压转换成dc电力。dc链路204可以过滤来自转换器202的dc电力和/或通过利用诸如电容器和/或电感器(未示出)等部件来储存能量。逆变器206可以将来自dc链路204的dc电力转换回为被供应至马达106的可变频率可变电压的ac电力。

在一些实施例中，转换器202可以是脉宽调制(pwm)升压转换器或者具有绝缘栅极双极型晶体管(igbt)的整流器，以向dc链路204提供升压dc电压并且产生比到vsd104的固定标称基本均方根(rms)输入电压大的来自vsd104的阈值基本rms。在某些实施例中，vsd104可以提供比向vsd104提供的固定标称基本rms输入电压大的阈值输出电压以及比向vsd104提供的固定输入频率大的阈值基本rms输出频率。此外，在一些实施例中，vsd104可以结合来自图2中示出的那些部件中的附加部件以向马达106提供适当的输出电压和频率。

在一些实施例中，马达106可以是能够以可变速度驱动的感应马达。感应马达可以具有任何合适的极点安排，所述极点安排包括两个极点、四个极点、六个极点、或任何合适数量的极点。感应马达用于驱动负载，诸如，如图3中示出的制冷或冷却器系统的压缩机。图3总体上展示了本披露的耦合至制冷系统300的系统。虽然图3展示了耦合至制冷系统300的系统，但是应理解的是本披露的实施例可以应用于各种系统，诸如，废水处理厂和/或用于石油和天然气应用的泵站。因此，图3不旨在限制本披露中所描述的系统的应用。

如图3中示出的，hvac&r或液体冷却器系统300包括压缩机302、冷凝器304、蒸发器306和控制系统308。控制系统308可以包括各种不同的部件，诸如，模数(a/d)转换器、微处理器、非易失性存储器、和/或用于控制制冷系统300的运行的接口板。控制系统308还可以用于控制vsd104和/或马达106的运行。

压缩机302对制冷剂蒸气进行压缩并且通过排放管线将蒸气递送至冷凝器304。压缩机302优选地为离心式压缩机，但是可以是任何合适类型的压缩机(例如，螺杆式压缩机、往复式压缩机等)。由压缩机302递送至冷凝器304的制冷剂蒸气与冷却用流体(例如，空气或水)进入热交换关系，并且由于与冷却用流体的热交换关系而经历相变成为制冷剂液体。在一些实施例中，从冷凝器304流出的冷凝液体制冷剂通过膨胀装置(未示出)流向蒸发器306。

蒸发器306可以包括用于加热用流体的供应管线和返回管线的连接。例如，加热用流体(例如，水、乙烯、氯化钙盐水、或氯化钠盐水)可以经由返回管线行进到蒸发器306中并且经由供应管线离开蒸发器306。在蒸发器306中的液体制冷剂与加热用液体进入热交换关系以降低加热用流体的温度并且增高液体制冷剂的温度。因此，蒸发器306中的液体制冷剂由于与加热用流体的热交换关系而经历相变成为蒸汽制冷剂。蒸发器306中的蒸气制冷剂离开蒸发器306并通过抽吸管线返回压缩机302以完成循环。将理解的是，如果获得冷凝器304和蒸发器306中的制冷剂的适当相变，则可以在系统300中使用冷凝器304和蒸发器306的任何合适配置。

在一些实施例中，hvac&r或液体冷却器系统300可以包括在图3中未示出的附加部件和/或特征。此外，虽然图3将hvac&r或液体冷却器系统300展示为具有连接在单个制冷剂回路中的一个压缩机，但是系统300可以包括由单个vsd或多个vsd供电的、连接至一个或多个制冷剂回路中的每一个的多个压缩机。

在某些实施例中，控制系统308可以向vsd104提供控制信号以控制vsd104(和/或马达106)的运行，并且基于从hvac&r或液体冷却器系统300的一个或多个传感器接收的反馈来为vsd104和/或马达106提供运行设定值。例如，在图3的hvac&r或液体冷却器系统300中，控制系统308可以基于hvac&r或液体冷却器系统300的一个或多个运行条件来调整由vsd104向马达106提供的ac输出电压的幅值和/或ac电压的频率，从而调整系统300的运行参数。作为非限制性示例，控制系统308可以基于检测到的压缩机302的负载条件来调整vsd104的输出电压和频率以获得马达106的期望运行速度以及因此压缩机302的期望负载输出。

图4示出了根据本披露的一方面的vsd104’的增强电路系统500的实施例。电路系统500可以被配置用于通过控制整流器202、dc链路204、和逆变器206来控制vsd104’，这进而使马达106从不活动状态加速到设定值电压和设定值频率。例如，整流器202、dc链路204、和/或逆变器206可以基于马达106的负载需求来调整输入电力的电压和频率以达到设定值电压和设定值频率。当从vsd104’中出来的电力达到阈值电压并且马达106的阈值速度是所期望的时，引导至马达106的电力可以使用一个或多个接触点对或转接开关502、504、506、508、510、和/或512来旁路vsd104’。马达106然后以ac电源102的阈值输出电压和阈值频率从第二次级绕组520接收电力。

如在图4的所展示实施例中示出的，vsd104’被提供有降压变压器514，所述降压变压器具有初级绕组516、第一次级绕组518、和第二次级绕组520。在一些实施例中，可以将初级绕组516额定为高达15kv。另外，可以将第二次级绕组520额定为马达106的定速干线额定电压(例如，2300v、3300v、4160v或另一合适的定速干线额定电压)。如以上讨论的，输入/输出电压以及相关联的参数可以根据公共设施源电压和马达额定值而变化。在任何情况下，第一次级绕组518可以被配置用于向整流器202、dc链路204、和逆变器206输入电力。在某些实施例中，控制系统308控制整流器202、dc链路204和/或逆变器206以在预定的电压和频率范围内改变输入到马达106的(并且由vsd104’输出的)电力的电压和频率(例如，基于冷却器系统300的负载需求)。在某些实施例中，马达106中的不止一个可以耦合至vsd104’。例如，图4展示了多马达过程(例如，hvac&r、冷却器、废水泵、或油泵应用)，所述多马达过程包括可以经由vsd104’的第二输出端522分别耦合至vsd104’的三个马达106-1、106-2和106-3。第二输出端522可以耦合至整流器202、dc链路204、和/或逆变器206并且可以将可变电压和可变频率引导至与每个马达106相关联的接触点对502、504、506、508、510和/或512。

在一些实施例中，第一次级绕组518和第二次级绕组520两者可以被额定用于提供足够的电力来在阈值负载下运行马达106中的一个或多个。在一些实施例中，第一马达106-1通过与马达106-1相关联的接触点502和504耦合至vsd104’的第二输出端522。当控制系统308调整整流器202、dc链路204、和/或逆变器206以在阈值电压下运行马达106-1时，供应至马达106-1的电力可以从第一次级绕组518传递至第二次级绕组520。在某些实施例中，由第二次级绕组520输出的电力可以不包括可变电压或频率控制，因为马达106-1的阈值电压可以处于恒定的电压和频率。当供应至马达106-1的电力传递至第二次级绕组520时，vsd104’可以用于驱动第二马达106-2。当控制系统308调整整流器202、dc链路204、和/或逆变器206以在阈值电压下运行马达106-2时，供应至马达106-2的电力可以从第一次级绕组518传递至第二次级绕组520。因此，可以从第二次级绕组520向第一马达106-1和第二马达106-2两者供应电力。在一些实施例中，将供应至第一马达106-1和第二马达106-2的电力从第一次级绕组518同步地传递至第二次级绕组520可以大大减少由这种传递引起的运行故障。

如在图4的所展示实施例中示出的，多个马达可以耦合至vsd104’。例如，图4展示了用于为三个马达106-1、106-2和106-3供电的vsd104’的增强电路系统500，所述三个马达可以分别地耦合至vsd104’。尽管变压器514、vsd104’和马达106被展示为单相电路，但是本领域技术人员将理解如何在三相电路中实施电路系统500。

在一些实施例中，当马达106不活动(例如，不运行)时，接触点502、504、506、508、510和/或512最初可能处于打开状态。为了启动第一马达106-1，可以闭合接触点502以将第一马达106-1耦合至vsd104’。可以将由vsd104’产生的所施加ac电压的幅值从基本上为零增大到马达106-1的额定电压，并且将所施加ac电压的频率从基本上为零增大到ac电源102的频率。当第一马达106-1在满负载(例如，在阈值电压)下运行时，可以通过打开接触点502并闭合接触点504来将供应至第一马达106-1的电力从变压器514的第一次级绕组518传递至第二次级绕组520。因此，第一马达106-1通过闭合接触点504从第二次级绕组520接收电力以便继续运行。

当接触点502处于打开状态并且vsd104’的电压和频率基本上达到零时，vsd104’基本上不具有任何负载并且可以用于启动第二马达106-2。通过闭合将马达106-2耦合至vsd104’的接触点506来启动第二马达106-2。可以将由vsd104’产生的所施加ac电压的幅值从基本上为零增大到第二马达106-2的额定电压，并且可以将所施加ac电压的频率从基本上为零增大到ac电源102的频率。当第二马达106-2在满负载(例如，在阈值电压)下运行时，可以通过打开接触点506并闭合接触点508来将供应至第二马达106-2的电力从变压器514的第一次级绕组518传递至第二次级绕组520。因此，第二马达106-2通过闭合接触点508从第二次级绕组520接收电力以便继续运行。

当接触点502和506都处于打开状态并且vsd104’的电压和频率基本上达到零时，vsd104’基本上不具有任何负载并且可以用于启动第三马达106-3。通过闭合将马达106-3耦合至vsd104’的接触点510来启动第三马达106-3。可以将由vsd104’产生的所施加ac电压的幅值从基本上为零增大到第三马达106-3的额定电压，并且可以将所施加ac电压的频率从基本上为零增大到ac电源102的频率。当第三马达106-3在满负载(例如，在阈值电压)下运行时，可以通过打开接触点510并闭合接触点512来将供应至第三马达106-3的电力从变压器514的第一次级绕组518传递至第二次级绕组520。因此，第三马达106-3通过闭合接触点512从第二次级绕组520接收电力以便继续运行。

应理解的是，本申请不限于以下说明书中阐述的或在附图中展示的细节或方法。还应理解的是，本文采用的措辞和术语仅是为了说明的目的而不应视为是限制性的。

虽然在附图中展示并在本文中描述的示例性实施例是目前优选的，但是应理解的是，这些实施例仅作为示例提供。因此，本申请不限于特定实施例，而是延伸到仍然落入所附权利要求范围内的各种修改。可以根据替代性实施例对任何过程或方法步骤的顺序或排序进行改变或重新排序。

重要的是要注意，如各种示例性实施例中示出的中压同步传递系统的构造和安排仅是说明性的。尽管在本披露中仅详细描述了几个实施例，但是阅读本披露的人员将容易理解的是，在实质上不脱离权利要求中列举的主题的新颖性教导和优点的情况下，许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等的变化)。例如，示出为一体形成的元件可以由多个零件或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其他方式改变，并且分立元件的性质或数量或位置可以更改或改变。因此，所有这类修改旨在被包括在本申请的范围内。可以根据替代性实施例对任何过程或方法步骤的顺序或排序进行改变或重新排序。在权利要求中，任何装置加功能条款旨在覆盖本文描述为执行所列举功能的结构，并且不仅覆盖结构等同物而且还覆盖等同结构。在不脱离本申请范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、运行条件和安排方面作出其他替代、修改、改变、和省略。

如以上所述，本申请范围内的实施例包括程序产品，所述程序产品包括用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质可以是可以由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。举例来讲，这类机器可读介质可以包括ram、rom、eprom、eeprom、cd-rom或其他光盘存储设备、磁盘存储设备或其他磁存储装置等，或者可以用来以机器可执行指令或数据结构的形式承载或存储期望程序代码并且可以由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何其他介质。当在网络或另一通信连接(硬接线、无线或者硬接线或无线的组合)上将信息传递或提供至机器时，所述机器适当地将所述连接视为机器可读介质。我们要求本文披露的所有可取得专利的主题。