专利名称：通风系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种通风系统以及用于连续调节流经通风系统的气体 温度的方法。
背景技术：
通风系统通常包括加热经过通风系统的气体的电阻加热元件。加
热器通常包括与电源(通常为230- 480V、 50- 60Hz的主电压)连接 的一个或多个电阻加热元件，例如导电金属丝或导电金属箔。当电流 经过所述电阻加热元件时，由于所述元件电阻的原因， 一些能量以热 量的形态散发。流经电阻加热元件的电流越多，产生的热量就越多。
如果电阻加热器包括多个电阻加热元件，则使用熔丝和继电器连 接不同数目的电阻加热元件，以便增大或减小电阻加热器的加热能力 (也即电阻加热器产生的可用热量)。这类方案意味着电阻加热器的加 热能力仅可以逐步调节。步进式调节意味着不能连续控制或优化电阻 加热器的加热能力，也不能精确地与特定的和变动的需要相匹配，这 就限制了在减少能量消耗时进行精确调节处理的可能性。用户拥有越 多的温度调节选项/步骤，就需要越多的电元件，这就增加了通风系统 温度控制单元的大小、成本和复杂性。
发明内容
本发明的目标是提供一种通风系统，该通风系统具有简单的和有 成本效益的的装置，用于调节流经其中的气体(例如空气)的温度。
该目标通过一种通风系统来实现，该通风系统包括对流经(也即， 进出或通过至少 一部分)通风系统的气体进行加热的电阻加热装置， 以及被设置成给通风系统的电阻加热装置的至少 一部分提供可控的、连续变化的交流电压/电流的装置，用于调制供给到该电阻加热装置的 至少一部分的功率，从而能够连续调节流经通风系统的气体温度。
依照本发明的一个实施例，设置变频驱动器(VFD)或矩阵驱动 器来调制供给到电阻加热装置的至少一部分上的功率，从而能够连续 调节流经通风系统的气体温度。
"电阻加热装置"的表述是指包括被设置成主要传导热量的加热元 件并且不包括主要^皮设置成电/F兹感应生热的感应加热元件。电阻加热 装置可被设置成直接或间接加热所述气体，也即，电阻加热装置可与 所述气体直接接触或者可将它们设置成将热量传导到至少一个其它部 件，例如围绕所述电阻加热装置的金属管，该金属管与所述气体直接 接触。
VFD (也被称为调速驱动器、调频驱动器(AFD)、变速驱动器 (VSD)、交流驱动器、频率驱动器和逆变驱动器)是使用例如整流桥 首先将交流输入功率转换为直流中间功率的电子控制器。然后利用例 如脉沖宽度调制将直流中间功率转换为可变交流电压输出，由此使用 逆变开关将准正弦输出波形分成一连串的窄电压脉沖并且调制脉沖宽 度。
矩阵驱动器在没有中间直流链的情况下直接将 一 个频率下的交流 功率转换为另一频率下的交流功率。矩阵驱动器利用双向高功率半导 体开关，该双向高功率半导 体开关可利用背靠背的绝缘栅双极晶体管 (IGBTs)和二极管来实现。
本发明利用来自VFD或矩阵驱动器的可变交流电压/电流输出来 将功率供给到一个、 一些或所有电阻加热装置的电阻元件上，并且因 而利用VFD或矩阵驱动器改变所述电阻加热元件的加热能力。
VFD或矩阵驱动器能够改变其输出信号的电压(不仅是频率)， 并且可因而被设置成以比传统技术方案更简单和更具有成本效益的方 式提供连续(也即，无级)的温度调节。无级调节意味着电阻加热装 置的加热能力能够被连续控制和优化，并且与特定的和变动的需要都 能够精确匹配，从而在减少能量消耗的同时使操作者能够进行精确的调节处理。无级调节还意味着能够将通风系统的温度控制单元设置成 具有较简单并且因而较廉价的构造，这是因为仅仅需要一个且相对较 简单的电路对流经通风系统的气体温度进行调节。
应当注意的是传统的通风系统常常包括用于改变异步电机旋转速
度的VFD，该异步电机驱动诸如风机或泵这样的部件。异步电机被设 计成以固定的旋转速度运行，该固定的旋转速度与极数和功率频率(在 欧洲通常是50Hz而在美国通常是60Hz)成比例。这意味着与较高的 旋转速度相比，电机不能在较低的旋转速度下产生这样的大的轴马力， 这是由于如果功率输出相对于旋转速度大得不相称，则会迅速出现电 流涌过电机绕组的现象并且导致过热。因而不得不将VFD构造成随着 输出频率的变化而及时改变输出电压。借助于大多数VFD能够实现与 供给到电机的电压和频率之间的纯粹线性关系的小的偏离，例如，为 了补偿对于泵电机的向下调节所必需的功率需求之间的非线性，例如 从而使得电压的减小超过对于从标称旋转速度向下调节的频率。
可利用VFD在O到100%之间调节电压的事实来调节从电阻加热 器供给的功率，该电阻加热器包括耐热电阻金属丝，通过迫使电流通 过所述金属丝的电压对该耐热电阻金属丝加热，然后该电阻金属丝变 暖并且经由围绕该金属丝的电绝缘金属遮盖物将其热量散发给经过的 空气。由于对于正常发生的小于1000Hz的频率，金属丝的电阻完全 独立于电源电压(欧姆定律)，因此与这种VFD连接的电阻金属丝将 会独立于电源频率而与电源电压成比例地散发热量。即使VFD具有在 低频下限制电压的功能(由于上一段所给出的解释的原因)，它也不会 影响空间的加热调节，这是因为其自身的加热控制仅仅是在实际值和 目标值之间进行比较。如果房间没有变得足够温暖，则只不过是必须 将VFD设定在更高的调制频率上，该更高的调制频率导致升高的输出 电压及随之而来的更高的功率供给到空气加热器。
当然也可以利用采用不同半导体部件形式的其它装置来在不改变 频率的情况下改变电压，例如能够以不同方式给加热金属丝供给功率 并且使其散发可变的加热能力。但是这种装置远比VFD昂贵，这是由于VFD比这些装置应用更广泛，这些装置因而产量更少。而且这种装 置必须与先进的电过滤器结合使用以避免对周围环境和供给网络的 EMC干扰。这类电过滤器是VFD的标准部件。VFD还标准地包括不 同类型的电流限制保护，从而排除对单独的这种部件的需要。
因此本发明以全新的、有利的且成本有效的方式利用现有技术。
依照本发明的一个实施例，通风系统包括VFD，该VFD不仅被 设置成调制供给到通风系统的至少部分电阻加热装置的功率，而且被 设置成调节至少一个电机例如驱动至少一个部件(例如容納在通风系 统中的或在其附近的风扇或泵)的电机的旋转速度。因此通风系统的 单一部件可用在两个不同的应用中；也即调节至少一个电机的旋转速 度和调节至少一个电阻加热装置的至少一部分的加热能力。以这种方 式可以获得非常经济的加热调节。甚至可以具有包括空气供给风扇的 系统，后面跟着空气加热器，接着是空气排出风扇，从而维持系统中 的压力平衡，由此两个风扇和空气加热器均由同一个VFD驱动。
依照本发明的一个实施例，通风系统包括控制器，例如VFD或矩 阵驱动控制器，和用于给所述控制器提供手动或自动输入的目标值， 例如期望的屋子或房间温度的装置，由此根据所述手动或自动输入的 目标值调制供给到电阻加热装置的至少 一部分的功率。
依照本发明的另一实施例，通风系统包括传感器，该传感器被设 置成检测或监控指示电阻加热装置的加热能力的参数。例如，这类参 数可以是经过通风系统的气体温度、通风系统一部分或其周围环境的 温度、或者是电阻加热装置的温度或电阻值。该传感器的读数给控制 器提供指示加热装置的加热能力的实际值。然后调制供给到电阻加热 装置的至少一部分的功率，从而获得或维持与所述手动或自动输入的 目标值一致的加热能力，也即，调制所供给的功率，从而使实际加热 能力与目标加热能力相对应。
依照本发明的又一 实施例，VFD或矩阵驱动器被设置成给电阻加 热装置供给200 - 700VAC、 50 - 60Hz之间的标称电压。
本发明还涉及用于连续调节流经包括电阻加热装置的通风系统的气体温度的方法。该方法包括向通风系统的电阻加热装置的至少 一部 分提供可控的、连续变化的交流电压/电流的步骤，以调制供给到电阻 加热装置的至少一部分的功率，从而能够连续调节流经通风系统的气 体温度。
依照本发明的一个实施例，该方法还包括使用VFD或矩阵驱动器 来调制供给到电阻加热装置的至少一部分的功率的步骤。
依照本发明的 一 个实施例，该方法还包括给控制器提供手动或自 动输入目标值以及根据所述目标值调制供给到电阻加热装置的至少一 部分的功率的步骤。
依照本发明的另 一 实施例，该方法包括检测或监控指示电阻加热 装置的加热能力的参数并调节供给到电阻加热装置至少一部分的功率 的步骤，从而获得或维持与所述手动或自动输入目标值相符的加热能 力。
本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算 机程序，该计算机程序包括计算机程序编码装置，该计算机程序编码
装置被设置成使计算机或处理器执行依照本发明任一实施例的、存储 于计算机可读介质或载波上的方法的步骤中的至少一个步骤，本发明
还涉及包括这种计算机程序产品的电子控制单元(ECU)上。该ECU 可包括被预先编程的加热/冷却时间表的数据库和/或可保存有关VFD 或矩阵驱动器功率输入和输出的信息和/或电阻加热装置的性能的日 志，以协助故障检修和维护工作。
本发明的通风系统、方法、计算机程序产品和ECU旨在特别(但 不排它)地用在例如客船的海轮上、被分成多个隔离单元例如船舱、 公共空间和/或非公共空间(比如机舱、存储空间和/或升降梯)的其 它移动的或固定的离岸设施上。
下文将进一 步参照附图借助于非限制性示例说明本发明，其中 图1示意性示出了依照本发明一个实施例的通风系统，图2示意性示出了依照本发明另一实施例的通风系统，
图3示出了依照本发明一个实施例的变频驱动器的电路，
图4示出了具有矩阵变换器拓朴的三相交流到三相交流频率转换
器的理想的开关等效电路，
图5示出了图4所示矩阵驱动器开关每一极的固态开关的实现，
图6是依照本发明一个实施例的方法所含步骤的流程图。
应当注意的是附图未按比例绘制并且为了清楚起见放大了某些特
征的尺寸。
具体实施例方式
图1示出了包括纯电阻加热元件12的通风系统10,纯粹的电阻
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成，对传送到客船船舱的供给空气进行加热。VFD14为电阻加热元件 12的至少一部分供给电力，并且因而控制电阻加热元件12的总加热 能力。VFD控制器16上的控制面板呈现允许自动或手动控制VFD14 的各种不同构件且包括显示装置，例如LCD，以提供有关VFD14和/ 或电阻加热元件12的操作的信息。
在该例子中，VFD控制器仅设置有目标值而非指示电阻加热元件 12的加热能力的实际值。校准通风系统IO，以便使VFD控制器根据 目标值的大小来将预定量的功率供给到电阻加热元件12。
通风系统10中的每个VFD14可被设置成调节一个或多个电阻加 热元件12的加热能力。本发明的通风系统10因而可用于调节、循环 和分配通过若干不同的隔离单元的空气。可为每个隔离单元提供单独 的电阻加热元件12，从而可分别或同时将多个单元加热到单独选择的 温度，以适应其居住者的要求或需要。每个单元也可包括恒温器，以 保证通风系统使每个单元维持在预定的温度。可选择的是，每个 VFD14也可被设置成调节位于通风系统10内的或在其附近的一个或 多个电机的旋转速度。
图2示出了通风系统10的另一实施例，其中在电阻加热元件12附近设置温度传感器17，例如热电耦或红外照相机，以测量从电阻加
热元件12上方经过的气体温度和给VFD控制器16提供有关电阻加热
元件12的实际加热能力的信息。将实际温度与目标温度进行比较并且
对供给到电阻加热元件12的功率进行调制，直到实际温度与目标温度
相等。因而通风系统保证VFD14为电阻加热元件12供给所需的功率，
并且保证通风系统的部件正确地工作。
图3示出了 (为清楚起见)配置成使用单相输入功率的变频驱动
器14的电路，其可用于实施依照本发明实施例的方法。VFD14的输
入部分包括设置成整流桥的两个二极管18，以将交流输入功率20转
换成直流中间功率。后面的部分-直流母线(bus)部分-加载(see)
固定的直流电压并对波形进行滤波整形。然后使用包括两个绝缘栅双 。曰。汰^ f TCRT ) 77 A^t W亦紧异^由.政;I吝亩*间:c力虚祐逾虛》佳it
弦交流功率。逆变开关电路通过以特定间隔切换直流母线的接通和断 开来将固定直流电压转换回可变交流电压输出。这就是所谓的脉沖宽 度调制。可变交流电压输出24从VFD (例如可以是230- 690VAC) 馈送到通风系统的电阻加热元件12的至少一部分上，从而由此改变电 阻加热元件12的加热能力(例如如图3中的块箭头所表示的从1到 50kW )。
VFD的整流桥通常是二极管桥，但也可以是可控整流电路。逆变 开关电路可包括可控硅整流器(SCR)或半导体开关，例如图3所示 的IGBT。
图4示意性示出了矩阵变换器23，该示矩阵变换器利用单刀三掷 开关26来直接将一个频率下的交流输入电压转换成另一频率下的交 流输出电压。
图5示出了可用于实现图4所示双向高功率半导体开关26的背对 背IGBT和二极管。交流输入从三掷开关转换为可变交流电压输出24。 然后将可变交流电压输出24从矩阵驱动器馈送到(至少馈送到)通风 系统的电阻加热元件12的至少一部分，因而改变加热元件12的加热 能力。由于这些开关必须应对的相对较高的电流和电压的原因，半导体开关相对较昂贵并且会限制变换器系统的可靠性，但是矩阵驱动器不需要直流链电容器，该直流链电容器构成限制变换器的使用寿命的部件并且增大了变换器的体积。
图6是依照本发明实施例的方法的流程图，该方法的至少一些步骤可由计算机或处理器来执行。该方法包括在VFD或矩阵驱动器的控制器中输入目标值(例如期望的房间温度)的步骤。然后由VFD或矩阵驱动器将交流功率提供给电阻加热装置，从而使得该电阻加热装置
能够将经过通风系统的空气加热到期望的温度。该方法还包括例如使用温度传感器来检测或监控指示电阻加热装置的加热能力的参数的步骤。连续调制供给到电阻加热装置的交流功率，直到获得期望的房间;s唐 一a竑;^罢加智的危闭、;s唐.则冻娃^岳1 ^ 、;希,:p力枭.i;义^^;t鲍梧
期望的房间温度。
在权利要求范围内进一步修正本发明对本领域技术人员而言将是显而易见的。例如，本发明还适于调节由通风系统的电阻加热装置所加热的液体的温度。
权利要求
1. 一种通风系统(10)，该通风系统(10)包括用于对流经通风系统(10)的气体进行加热的电阻加热装置(12)，其特征在于，所述通风系统(10)包括被设置成将可控的、连续变化的交流电压/电流提供给所述通风系统(10)的至少一部分所述电阻加热装置(12)的装置，以便调制供给到所述至少一部分电阻加热装置(12)的功率(24)，从而能够连续调节流经所述通风系统(10)的气体温度。
2. 如权利要求1所述的通风系统(10)，其特征在于，该通风系统 包括变频驱动器VFD ( 14 )或矩阵驱动器(23 )，所述变频驱动器VFD(14)或矩阵驱动器(23)被设置成调制供给到所述至少一部分电阻 加热装置(12)的所述功率(24)，从而能够连续调节流经所述通风系 统(10)的气体温度。
3. 如权利要求1或2所述的通风系统(10),其特征在于，该通风 系统包括控制器(16)和为所述控制器提供手动或自动输入目标值的 装置，由此根据所述手动或自动输入目标值调制供给到所述至少一部 分电阻加热装置(12)的所述功率。
4. 如权利要求2所述的通风系统(10)，其特征在于，该通风系统 包括被设置成检测或监控指示所述电阻加热装置(12)的加热能力的 参数的传感器(17)，所述参数例如是经过所述通风系统(10)的气体 温度或所述通风系统(10) —部分或其周围环境的温度，或者是电阻 加热装置(12)的温度或电阻值，由此调制供给到所述至少一部分电 阻加热装置(12)的所述功率(24)，以获得或维持与所述手动或自动 输入目标值相符的加热能力。
5. 如权利要求2-4中的任一权利要求所述的通风系统(10)，其 特征在于，所述变频驱动器VFD ( 14)还被设置成调节至少一个电机 的旋转速度。
6. 如权利要求2-5中的任一权利要求所述的通风系统(10)，其 特征在于，所述变频驱动器VFD (14)或矩阵驱动器(23)被设置成为电阻加热装置(12)供給在200 - 700Vac、 50- 60Hz之间的标称电压。
7. —种连续调节流经通风系统(10)的气体温度的方法，该通风 系统(IO)包括电阻加热装置(12)，其特征在于，该方法包括以下步 骤将可控的、连续变化的交流电压/电流提供给通风系统(10)的至 少一部分所述电阻加热装置(12 )，以便调制供给到所述至少一部分电 阻加热装置的功率(24),从而能够连续调节流经所述通风系统(10) 的气体温度。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法包括使用一变 频驱动器VFD (14)或一矩阵驱动器(23)来调制供给到所述至少一 部分电阻加热装置(12)的功率(24)的步骤。
9. 如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，该方法包括为一 控制器(16)提供手动或自动输入目标值，并根据所述目标值调制供 给到所述至少一部分电阻加热装置(12)的功率(24)的步骤。
10. 如权利要求7-9中的任一权利要求所述的方法，其特征在于， 该方法包括检测或监控指示所述电阻加热装置(12)的加热能力的参 数，并调制供给到所述至少一部分电阻加热装置(12)的功率(24)， 以获得或维持与所述手动或自动输入目标值相符的加热能力的步骤， 所述参数例如是经过所述通风系统(10)的气体温度或所述通风系统(10) —部分或其周围环境的温度，或者是所述电阻加热装置(12) 的温度或电阻值。
11. 一种计算机程序产品，其特征在于，该计算机程序产品包括计 算机程序，该计算机程序包括计算机程序编码装置，该计算机程序编 码装置被设置成使计算机或处理器执行存储在计算机可读介质或载波 上的、如权利要求7-10中的任一权利要求所述方法的步骤中的至少 一个步骤。
12. —种电子控制单元ECU (16)，其特征在于，该电子控制单元 包括如权利要求11所述的计算机程序产品。
13. 如权利要求1-6中的任一权利要求所述的通风系统、如权利要求7-9中的任一权利要求所述的方法、如权利要求10所述的计算 机程序产品或如权利要求11所述的电子控制单元ECU在例如客船的 海轮、被分成多个隔离单元例如船舱的其它能移动或固定的离岸设施 上的应用。
全文摘要
本发明公开了一种通风系统(10)，该通风系统包括电阻加热装置(12)，用于对流经通风系统(10)的气体进行加热，以及被设置成将可控的、连续变化的交流电压/电流提供给通风系统(10)的至少一部分电阻加热装置(12)的装置，以便调制供给到至少一部分电阻加热装置(12)的功率(24)，从而能够连续调节流经通风系统(10)的气体温度。
文档编号F24F11/00GK101479534SQ200780023899
公开日2009年7月8日 申请日期2007年5月18日 优先权日2006年5月19日
发明者M·汉松 申请人:威廉森卡伦贝格弗莱克特股份公司