专利名称：由功率整流器供电的压缩机的操作方法
技术领域：
本发明涉及一种由功率整流器(power converter)供电的压缩机的操作方法。
背景技术：
通常情况下，压缩机，例如离心式压缩机、涡轮压缩机，的功率消耗、转矩和转速所遵循的比例是确定的。这些参数的变化可用特性曲线族表示。特别用一体积流量-压力图表示压缩机的工作状态。图1显示的就是这样一个H-Q曲线图。压缩机通常只在特性曲线族的一允许区域内工作。除阴影区SB外，这个特性曲线族的其他区域均是允许区域。阴影区SB表示压缩机必须避免的一非允许区域SB。如果压缩机在这一非允许区域SB内工作，就会对压缩机造成毁损。有否进入这一非允许区域SB，可通过一所谓的泵浦极限(pump limit)线SG来确定，泵浦极限线SG也称为“喘振极限(surge limit)”。无论出于何种原因，压缩机只要进入这个非允许区域SB，就会出现“喘振”故障。
当压缩机的压力超过了一与体积流量Q相关的特定值时，就会出现“喘振”(Surge)故障。也就是在图1所示的H-Q曲线图中，一旦泵浦极限线SG被超过，就会导致压缩机的工作点处于阴影区SG内的故障。发生这种故障时，压缩机的叶片上会出现流体分流现象。其结果是，差压H急剧下降，从而导致一部分体积流量Q向压缩机回流。但差压H的下降同时也意味着压缩机的工作点又离开了非允许区域SB。借此重新达到发生故障之前的各项条件，且这一过程不断循环重复。压缩机由于在允许和非允许区域之间来回转换而发生喘振。喘振的结果是压缩机的叶片开始振动。在此情况下，叶片断裂的可能性会大幅升高。此外，压缩机的喘振还会导致连接在压缩机上的管道系统中出现剧烈的压力波动。表示允许区域极限特性的喘振极限SG与气体密度相关，以及在压缩机材料给定的情况下，其与气体温度相关。
为能确定这种“喘振”故障，迄今为止的做法是对例如压差H、体积流量Q、气体密度GD或气体温度GT等工作参数进行测量。这些参数被传输给一压缩机控制装置，后者从中确定H-Q曲线图中的一工作点。这个压缩机控制装置中存储有一预定的泵浦极限线“喘振极限”。如果相关压缩机是转速恒定的压缩机，就通过压缩机入口处的一机械调节机构在其接近这一泵浦极限线时降低压差H。这种机械调节机构为一调节时间以秒为单位的入口导向叶片仪。如果相关压缩机为转速可变的压缩机，就减小其转速。
这种沿用至今的方法的一个弊端在于，只有当压缩机叶片上已经开始出现流体分流现象(即叶片已经受损)时才能识别出“喘振”故障。在相关压缩机为一多级压缩机的情况下，其总体积流量Q和总差压H开始时只有轻微变化，因而只有当故障情况很明显时才会被发现。在一单级压缩机中，非期望工作点的出现非常突然，以至于传统的检测和控制装置无法作出足够快的反应。其结果是，在发生过有限的预定次数的故障后必须对压缩机进行全面检修。在此情况下，即便采用了复杂的测量和控制技术也仅能确定发生了“喘振”故障这一情况，而无法及时检测，进而采取相应的对策。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种由功率整流器供电的压缩机的操作方法，借助于所述方法可大幅缩短喘振状态的持续时间以及显著缓和其强度。
根据本发明，这个目的通过根据权利要求1所述的特征而达成。
通过根据压缩机驱动功率整流器和一存储的泵浦极限线的信号变量(signal viriable)确定压缩机的一实际工作状态，可以很快地确定是否存在一位于H-Q曲线图的非允许区域内的工作状态。这种方法的迅速程度取决于驱动功率整流器控制装置的系统时钟。此外，在确定压缩机处于一非允许工作状态时可借助所存储的一与转速相关的转矩特性曲线产生一控制信号，借助这一控制信号可降低驱动功率整流器的一信号变量，从而使压缩机立即偏离这个非允许工作状态。
驱动功率整流器内已存在可用于传统驱动控制的变量，即驱动机构(也就是压缩机的驱动机构)的转速和转矩。这些变量在一例如为期1毫秒的快速采样周期内得到精确确定。当一由功率整流器供电的压缩机处于稳定状态时，驱动功率整流器的转速的变量与压缩机的体积流量Q成比例，驱动功率整流器的转矩的变量与压缩机的差压成比例。在此情况下，压缩机的一H-Q曲线图与驱动功率整流器的一M-n曲线图成比例。由于转矩M与一功率整流器输出电流的有功电流分量成比例，因此，压缩机的H-Q曲线图也与驱动功率整流器的iW-n曲线图成比例。
本发明即建立在这种比例关系基础之上。本发明的方法使用驱动功率整流器的转矩和转速，并据此确定压缩机的一成比例的工作状态。随后借助所存储的一喘振极限线确定这一工作状态是允许还是非允许工作状态。如果是一非允许工作状态，就借助所存储的一与转速相关的预定转矩特性曲线产生一控制信号使压缩机离开这一非允许工作状态。
通过使用已有的驱动变量可无需再使用额外的测量仪器。由于驱动功率整流器的时钟频率的工作范围是毫秒而不是秒，因而可以多倍于传统方法的速度确定一由功率整流器供电的压缩机的非允许工作状态。此外还可根据所存储的一与转速相关的转矩特性曲线产生一控制变量，从而使压缩机偏离这一确定的非允许工作状态。产生的控制信号相当于所存储的与转速相关的转矩特性曲线的一瞬时值，且对驱动功率整流器的转矩限制有影响。转矩极限由此而被取消，从而使驱动机构通过较低的允许转矩降低其转速，使压缩机离开非允许区域。在此情况下就无需再使用入口导向叶片仪。由于驱动功率整流器的系统频率的工作范围是毫秒而不是秒，因而可以远快于传统方法的速度排除所确定的故障。
本发明的方法的一有利实施方式是对测量到的功率整流器输出电流的预定有功电流分量或一确定的转矩差值的动态变化进行监控。如果有一预定的动态极限值被超过，就表明发生故障情况。借此可尽早识别出压缩机是否已进入喘振状态。
如前文所述，喘振极限与气体密度相关，以及在压缩机材料给定的情况下，其与气体温度相关。因此，本发明的方法的另一有利实施方式是使所存储的与转速相关的转矩特性曲线与一待压缩介质的状态相匹配。最简单的实施方式是建立一系列区别仅在于气体密度和气体温度这两个参数的与转速相关的泵浦极限线。借助于这两个参数可从一系列与转速相关的泵浦极限线中选出适合的泵浦极限线。
如果与转速相关的转矩特性曲线特定而言构成泵浦极限线，就可避免功率整流器供电压缩机进入非允许区域。此外，通过使泵浦极限线与待压缩气体相匹配，还可使与转速相关的转矩特性曲线与气体相匹配。
本发明的方法的另一有利实施方式是在经过一预定时间间隔后取消控制信号的下降。通过取消控制信号可识别出引发故障的条件是否仍然存在。如果引发故障的因素仍然存在，压缩机就会进入属于H-Q曲线图中的非允许区域的工作状态。根据本发明，可对此进行识别，并采取本发明的应对措施。
本发明的方法的另一有利实施方式是根据所确定的非允许工作状态的出现频率缩短所述预定时间间隔。借此可延长压缩机的使用寿命。
本发明的方法的另一有利实施方式是在确定压缩机处于一非允许工作状态时产生一报警信号。这一报警信号可为声信号和/或光信号。过程控制器借此可识别出压缩机已进入一非允许喘振状态。
与传统方法相比，通过本发明的方法的快速反应既可大幅缩短喘振状态的持续时间，又可显著减缓喘振状态的强度。借此一方面可延长压缩机的使用寿命，另一方面通过避免压力冲击及振动现象的发生还可减小现有管道系统的机械负荷。
下面借助附图所示的用于实施本发明的方法的装置的多种实施方式对本发明作进一步说明，其中图1为一压缩机的H-Q曲线图；图2为一功率整流器供电压缩机的框图，所述压缩机具有一用于实施本发明的方法的装置；以及图3至图7分别为用于实施本发明的方法的装置的一实施方式。
具体实施例方式
图1所示的一压缩机的H-Q曲线图显示了转速特性曲线n和反转矩特性曲线mG。反转矩特性曲线mG和转速特性曲线n的每个交点均表示一由功率整流器供电的压缩机的一工作点BP。此外，这个H-Q曲线图还显示了一由功率整流器供电的压缩机的一非允许区域SB，其与允许区域之间被一又称为“喘振极限SG”的泵浦极限线SG隔离。正常情况下，一压缩机只在允许区域内工作，其中，工作点BP位于一与喘振极限SG邻近的反转矩特性曲线上。压缩机的利用率越高，反转矩特性曲线mG离喘振极限SG就越近。这个喘振极限SG与气体密度GD相关，在压缩机材料给定的情况下，则与待压缩气体G的温度T相关。由此产生一故障情况，即“喘振”故障。发生这种故障时，压力超过了与体积流量Q相关的一预定值，即超过了喘振极限SG，从而导致压缩机叶片上出现流体分流现象。其结果是，差压H急剧下降，从而导致一部分体积流量Q向压缩机回流。压缩机的工作点由于差压H减小而重新离开又称为“喘振区”的非允许区域SB。借此重新达到故障出现时的各项条件，且这一过程不断循环重复。压缩机因此而发生喘振。其结果是，压缩机的叶片开始振动，管道系统内出现剧烈的压力波动。压缩机叶片振动而引发的材料疲劳有可能导致一个或多个叶片发生断裂。因此，压缩机出现过几次“喘振”故障后需要对其进行检修。
图2显示的是一功率整流器供电压缩机的框图，所述压缩机具有一用于实施本发明的方法的装置2。在这个线路图中，4表示一负载侧功率整流器，6表示一场定向(field-oriented)控制装置，8表示一电动机，10表示一用于检测转速实际值n的装置，12表示一压缩机。电动机8的定子侧与又称为“逆变器”的负载侧功率整流器4的输出端相连。压缩机12和用于检测转速实际值n的装置10与电动机8的驱动轴相连。负载侧功率整流器4为一中间电路变换器的一部分。负载侧功率整流器4的直流侧与一中间电路相连，一电源侧功率整流器也通过其直流侧的输出端连接在所述中间电路上。为清楚起见，附图只显示了这个中间电路变换器中的负载侧功率整流器4。
场定向控制装置6具有一带有辅助转矩控制电路16的转速控制电路14、一磁通控制电路18、一磁通额定值产生器20与一磁通计算器22。转速控制电路14具有一比较器24与一转速控制器26。转矩控制电路16同样具有一比较器与一控制器，但附图未对其进行详细图示。比较器24根据一预定的转速额定值n*与一确定的转速实际值n产生一调差，这个调差经连接在后面的转速控制器26调整后归零。转速控制器26通过其输出端向转矩控制电路16传输一转矩额定值M*。磁通计算器22根据一测量到的功率整流器输出电流I与一测量到的功率整流器输出电压U并结合电动机参数算出一产生转矩的电流分量iW与一产生磁通的电流分量iμ。又称为“有功电流分量”的产生转矩的电流分量iW被传输给转矩控制电路16。产生磁通的电流分量iμ被传输给磁通控制器18，其第二输入端与磁通额定值产生器20的一输出端相连，所述输出端上存在一磁通额定值Φ*。磁通额定值产生器20的输入端与用于检测转速实际值n的装置10相连。这种已知的场定向控制装置6产生一控制电压，特别是其被传输给负载侧功率整流器4的分量量U和频率f。根据额定电压的这些分量U、f产生用于控制逆变器4的半导体开关的控制信号。
用于实施本发明的方法的装置根据本发明的方法对由逆变器和电动机8构成的驱动机构的转速n、转矩M和产生转矩的电流分量iW进行处理。处理结果为一控制信号SSG，其被传输给转矩控制电路16。这一控制信号SSG此外还被传输给一用于产生报警信号的装置26。除所述驱动机构的转速n、转矩M和产生转矩的电流分量iW外，还向装置2传输一泵浦极限线(喘振极限)SG和一与转速相关的转矩特性曲线。图3至图7涉及的是装置2的实施方式。
如图3所示，装置2在其输入端上具有一工作点产生器28，其根据转速n、驱动功率整流器的产生转矩的电流分量iW与一H-Q曲线图(图1)确定功率整流器供电压缩机12的一工作点BV。随后在一用于进行允许性检验的装置30中借助所存储的喘振极限SG检验功率整流器供电压缩机12的工作点BV是否处于非允许区域SB内。如果情况的确如此，装置30的输出端上就会出现一控制信号SSG，其根据所存储的与转速相关的转矩特性曲线而产生，并被传输给功率整流器供电压缩机12的场定向控制装置6的转矩控制器16。借助这一控制信号SSG在转矩控制电路16中取消转矩极限，从而可使驱动机构通过较低的允许转矩降低其转速n，使压缩机12离开非允许区域SB，且不再进入这一区域。
图4详细显示了图2所示的装置2的另一实施方式。根据这一实施方式，装置2在其输入端上具有一装置32，在其输出端上具有一比较器34，装置32用于确定所确定的产生转矩的电流分量iW的一变化速度d/dt，比较器34的输入端与装置32的一输出端相连。在此情况下可根据所产生的电流分量iW借助一启动信号Sst启动一预定时隙，其中，可对电流分量iW与时间相关的变化进行确定。经过这一时隙后可得到一初值与一终值。终值与初值之差涉及的是由所述时隙所确定的时间间隔，表示电流分量iW的瞬时变化diw/dt。借助连接在后面的比较器34可对电流分量iW的动态变化diw/dt进行监控，其中，比较器34的第二输入端上存在一变化极限值diWG/dt。如果极限值diWG/dt被超过，就触发一触发信号SSGT，所述触发信号可根据瞬时工作点BV的参数和所存储的与转速相关的转矩特性曲线产生一控制信号SSG。通过对产生转矩的电流分量iW进行这种形式的动态监控，可以很早就获得有关喘振极限SG被超过的指示。在此情况下，可在喘振极限SG被超过之前或在喘振极限SG被超过之时就采取相应的应对措施。
图5显示了图2所示的装置2的另一实施方式。采用这一实施方式时，应对转矩M的一额定值-实际值-偏差Me进行动态监控。也就是说，这一实施方式与图4所示的实施方式相一致，其中，用一转矩偏差Me代替产生转矩的电流分量iW，用一用于动态监控转矩偏差Me的变化极限值dMeG/dt代替用于动态监控产生转矩的电流分量iW的变化极限值diWG/dt。输出端上同样存在一用于触发一控制信号SSG的触发信号SSGT。
图6显示的是一用于取消控制信号SSG的装置40。装置40的一侧接收到一控制信号SSG，另一侧接收到一启动信号SSt。在产生控制信号SSG的同时触发启动信号SSt，借助所述启动信号可启动一时隙。经过这一时隙后，存在于输出端上的控制信号SSGZ归零。通过取消控制信号SSG可识别出引发故障的条件是否仍然存在。可以有利的方式根据故障的发生频率对取消控制信号的时间点进行匹配。为此需向装置40传输一所谓的频率信号HSG。也就是说，每次出现故障时，均延迟取消控制信号SSG的时间点。
如上文所述，喘振极限SG与气体密度GD和待压缩气体G的温度T相关。因此，所存储的与转速相关的转矩特性曲线(其对驱动功率整流器的转矩限制有影响)可能会与喘振极限SG叠合，或者喘振极限SG可能会发生偏移，从而使得所存储的与转速相关的转矩特性曲线位于非允许区域SB内。在此情况下，所产生的控制信号SSG在发生故障时就无法再发挥作用。图7所示的实施方式设置有一装置42，借助其可使所存储的与转速相关的转矩特性曲线P(M，N)与气体密度GD和气体温度GT相匹配。在此情况下，装置42的输出端上就会存在一经过校正的与转速相关的转矩特性曲线P′(M，n)。借此可使压缩机12在更接近于实际喘振极限SG的区域内工作，从而达到提高压缩机12的利用率的目的。如果所存储的与转速相关的转矩特性曲线构成一喘振极限SG，就可避免压缩机的工作点进入喘振区SB。
与传统方法相比，通过本发明的方法的快速反应既可大幅缩短喘振状态的持续时间，又可显著减缓喘振状态的强度。借此一方面可延长压缩机的使用寿命，另一方面通过避免压力冲击及振动现象的发生还可减小管道系统的机械负荷。
权利要求
1.一种由功率整流器供电的压缩机(12)的操作方法，其中，借助一存储的与转速相关的泵浦极限线(SG)对所述由功率整流器供电的压缩机(12)的一工作状态(BV)是否为允许工作状态进行监控，其中，所述工作状态(BV)由一测量到的转速实际值(n)与一测量到的功率整流器输出电流(I)的预定有功电流分量(iW)形成，当确定所述工作状态(BV)为非允许工作状态时，根据存储的一与转速相关的转矩特性曲线产生一用于减小转矩(M)的控制信号(SSG)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述测量到的功率整流器输出电流(I)的预定有功电流分量(iW)的动态变化进行监控，当一预定的动态极限值(diWG/dt)被超过时，就取消转矩极限。
3.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，对一根据一测量到的转速实际值(n)与一预定转速额定值(n*)确定的转矩额定值(M*)和一由所述功率整流器输出电流(I)的预定有功电流分量(iW)构成的转矩差值(Me)的动态变化进行监控，当一预定的动态极限值(dMeG/dt)被超过时，就取消转矩极限。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，使所存储的与转速相关的转矩特性曲线与一待压缩介质的状态相匹配。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述与转速相关的转矩特性曲线构成一泵浦极限线(SG)。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在经过一预定时间间隔后取消产生的控制信号(SSG)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据确定的非允许工作状态的出现频率延长所述预定时间间隔。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，确定所述压缩机(12)处于一非允许工作状态时产生一报警信号。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述报警信号为声信号。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述报警信号为光信号。
全文摘要
本发明涉及一种由功率整流器供电的压缩机的操作方法。根据本发明，借助所存储的一与转速相关的泵浦极限线(SG)对所述由功率整流器供电的压缩机(12)的工作状态(B
文档编号F04D27/02GK101076671SQ200580042773
公开日2007年11月21日 申请日期2005年12月5日 优先权日2004年12月14日
发明者阿克塞尔·默滕斯, 格哈德·尼瑟 申请人:西门子公司