УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ПРИВОДА ГЕНЕРАТОРА ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
DEVICE AND METHOD FOR CONTROL OF REFRIGERATING PLANT GENERATOR DRIVE SPEED

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к мобильным холодильным установкам и, более конкретно, к управлению скоростью их двигателей/генераторов.
Уровень техники
В полностью электрической мобильной холодильной установке или рефрижераторном контейнере для питания установки при ее транспортировке по железной дороге или шоссе применяется вспомогательный генераторный блок. Таким образом, когда такая установка транспортируется судном, она обеспечивается энергией судовыми средствами электропитания, но когда контейнер перевозится по железной дороге или в автомобиле, такое электропитание недоступно. Поэтому на указанных этапах транспортировки электропитание обеспечивается с помощью блока двигатель/генератор.
В отличие от холодильной установки грузовика/трейлера, которая является интегрированной и включает систему централизованного управления, служащую для управления всеми компонентами, включая холодильную установку и генератор, блок двигатель/генератор рефрижераторного контейнера является автономным блоком, который не связан с холодильной установкой. Эта проблема усложняется тем, что различные типы холодильных установок будут питаться от такого блока двигатель/генератор, причем каждая холодильная установка может иметь присущие ей индивидуальные эксплуатационные характеристики. По указанной причине ранее не существовало никаких единых систем управления, в которых устанавливалась бы связь между холодильной установкой и блоком двигатель/генератор.
Чтобы гарантировать, что для питания установки обеспечивается достаточная мощность, блок двигатель/генератор работал только в одном режиме, характеризуемом относительно высокой скоростью, даже когда холодильная установка работала с неполной нагрузкой или даже отключалась при удовлетворении требований к расходу холода (тепловой нагрузке). Заявитель провел исследования, которые показали, что обычно такая установка большую часть времени (а именно, до 70% и более) работает с невысокой нагрузкой. Чтобы обеспечить требуемую мощность и при высокой нагрузке, например при интенсивном охлаждении, требовался относительно большой двигатель. Поэтому установка оказывалась слишком большой для режима малой нагрузки, что приводило к неэффективному расходу топлива.
Раскрытие изобретения
Один из вариантов изобретения описывает способ управления скоростью привода генератора холодильной установки, включающий установку заданного верхнего порогового значения тока как индикатора нагрузки генератора, измерение величины тока, подаваемого генератором на холодильную установку, и уменьшение скорости привода до нижнего значения, при измеренной величине тока, равной или меньшей указанного заданного верхнего порогового значения. Способ может также включать предварительный запуск привода в режиме высокой скорости. Также может включать сравнение измеренной величины тока с заданным нижним пороговым значением и при величине тока меньше нижнего порогового значения может исключать переключение привода в режим низкой скорости. Способ может включать измерение температуры окружающей среды и при ее превышении заданного порогового значения исключать переключение привода в режим низкой скорости. Дополнительно способ может включать запуск таймера и уменьшение скорости указанного привода по истечении заданного интервала времени. Также может включать запуск таймера и исключение изменения скорости, при измеренной и изменяющейся в течение заданного интервала времени величине тока, вызванного переходным процессом.
Еще один вариант изобретения описывает устройство управления скоростью привода генератора холодильной установки, включающее датчик тока, установленный между генератором и холодильной установкой, с возможностью измерения тока, подаваемого на холодильную установку, и контроллер, установленный с возможностью получения данных от указанного датчика тока и снижения скорости указанного привода, при измеренной величине тока меньше заданного верхнего порогового значения. Устройство может включать контроллер режима работы двигателя с высокой или низкой скоростью, установленный с возможностью запуска привода в режиме высокой скорости. Указанный контроллер может быть установлен с возможностью определения величины тока и исключения переключения привода в режим низкой скорости при измеренной величине меньше заданного порогового значения. Устройство может включать датчик температуры окружающей среды, установленный с возможностью передачи соответствующего сигнала указанному контроллеру, исключающему переключение в режим низкой скорости при превышении указанным сигналом заданного порогового значения для сигнала о температуре. Устройство также может включать таймер, а указанный контроллер может быть установлен с возможностью запуска таймера и уменьшения скорости указанного привода по истечении заданного интервала времени. Устройство, кроме того, может включать таймер, а указанный контроллер может быть установлен с возможностью запуска таймера и исключения изменения скорости при изменениях измеренной величины тока в течение заданного интервала времени, вызванных переходным процессом. Устройство дополнительно может включать блокирующий модуль, установленный с возможностью блокировки его работы.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 дано схематическое изображение контейнерной холодильной установки и связанного с ней блока генератора.
На фиг.2 (часть 1 и 2) приведены блок-схемы, иллюстрирующие способ управления, соответствующий данному изобретению.
На фиг.3 показан график величины тока при запуске.
На фиг.4 показан график величины тока при переключении режима и переходном процессе.
На фиг.5 показан график величины тока при размораживании.
Осуществление изобретения
Электрическое соединение между генераторным блоком 11 и контейнерной холодильной установкой 12 показано на фиг.1. Такое трехпроводное соединение является стандартным в данной области техники. Более распространенным по сравнению с использованием одного генераторного блока, соединяемого преимущественно с одной контейнерной холодильной установкой, является применение различных генераторных блоков, такое что контейнерные установки меняются так, что один генераторный блок обычно используется совместно с контейнерными холодильными установками различных типов и марок. По этим причинам и ряду других причин ранее не существовало никакой стандартизированной связи между стандартным генераторным блоком 11 и установкой 12. Соответственно, ранее в генераторном блоке 11 не использовались никакие данные о режиме работы контейнерной холодильной установки 12.
Генераторный блок 11 включает генератор 13 и приводной двигатель или привод 14, который может быть приводом любого из группы различных типов, например, представлять собой дизельный двигатель, электродвигатель или турбину. Выходная электрическая мощность генератора подается на линии 16, 17 и 18, которые электрически связаны с установкой 12.
Контейнерная холодильная установка 12 включает обычный холодильный контур, содержащий последовательно связанные компрессор, конденсатор, компенсатор и испаритель (не показаны). Испаритель связан с воздухом, содержащимся в контейнере, и служит для охлаждения внутренней области контейнера до желательной температуры с целью сохранения груза.
Хотя данное изобретение описывается в терминах стандартного холодильного контура, должно быть ясно, что оно применимо также к холодильным системам других типов.
В контейнерной холодильной установке компрессор, как и вентиляторы конденсатора и испарителя, получают энергию от электродвигателей. Таким образом, когда генераторный блок 11 электрически связан с установкой 12, линии 16, 17 и 18 обеспечивают питание связанного с ними двигателя 19 компрессора, двигателя 21 вентилятора конденсатора и двигателей 22 и 23 вентиляторов испарителя. Мощность, потребляемая двигателями 19-23, зависит от режима работы установки 12, который, в свою очередь, зависит от различных факторов, таких как температура среды, количество груза в контейнере, желательная или установочная температура внутри контейнера и других факторов. Так как ранее не существовало никакого способа, при котором генераторный блок 11 использовал бы данные о работе установки 12, необходимо было считать, что она будет развивать максимальную мощность. Соответственно, необходима была работа привода 14 в режиме максимальной скорости, чтобы генератор 13 вырабатывал энергию, достаточную для работы контейнерной холодильной установки 12 при максимальной мощности.
Чтобы иметь какие-либо данные о нагрузке (т.е. об электрической мощности, потребляемой двигателями 19-23), развиваемой на контейнерной холодильной установке 12, на одной из линий 17 устанавливается датчик 24 тока, например датчик трансформаторного типа, измеряющий величину тока, поступающего от генераторного блока 11 на установку 12. Содержащий нужные данные сигнал далее поступает по линии 26 к контроллеру 27, получающему питание от источника 28, в качестве которого обычно применяется 12-вольтная батарея постоянного тока. Затем контроллер 27 в ответ посылает соответствующий сигнал, то есть сигнал "высокая скорость" по линии 29 или сигнал "низкая скорость" по линии 31 к контроллеру 32 двигателя, и контроллер далее подает на привод 14 входной сигнал, в соответствии с которым привод будет работать в режиме высокой или низкой скорости, что осуществляется описанным ниже способом.
Следует также отметить, что в дополнение к сигналу о величине тока (по линии 26) контроллер 27 принимает также сигнал по линии 20 от температурного датчика 33, измеряющего температуру среды.
Обратимся теперь к фиг.2, на которой представлена блок-схема алгоритма, реализованного в контроллере 27. Как и выше, контроллер 27 реагирует на измеренную величину тока (линия 26) и на сигнал о температуре среды, получаемый по линии 20, посылая сигнал "высокая скорость" или сигнал "низкая скорость" контроллеру 32 двигателя. Добавлена также функция отсчета времени, служащая для того, чтобы устранить связанные с переходными процессами дефекты, которые могут вызвать слишком частое чередование режимов.
В блоке 34 блок-схемы включается питание от источника 28, что запускает работу алгоритма. Каждый раз, когда питание контроллера выключается, алгоритм перезапускается со сбросом данных. В блоке 36 контроллер 27 подает сигнал "высокая скорость" на контроллер двигателя, и привод 14 начинает работу в режиме высокой скорости.
В блоке 37 контроллер 27 определяет (посредством компараторов или подобных схем), лежит ли величина тока, считанная датчиком 24 тока, ниже нижнего порогового значения или выше верхнего порогового значения. Нижнее пороговое значение служит для того, чтобы определить, работает ли установка 12 в нормальном диапазоне параметров. Например, если двигатели 21-23 вентиляторов начали работать, но двигатель компрессора 19 еще не работает, то от генераторного блока 11 поступает небольшая электрическая мощность, и поэтому алгоритм управления не будет переходить далее.
Верхнее пороговое значение, на которое ссылается блок 37, является заданным пороговым значением, которое определяет, выдаст ли контроллер 27 сигнал "высокая скорость" по линии 29 или же выдаст сигнал "низкая скорость" по линии 31. Таким образом, если измеренная величина тока оказывается ниже верхнего порогового значения (как будет объяснено далее более подробно), то алгоритм будет продолжать работу и далее перейдет к изменениям в управлении контроллером 32 двигателем, чтобы скорректировать скорость вращения двигателя, уменьшив ее. Прежде чем это будет выполнено, необходимо определить, является ли температура среды воздуха более высокой, чем заранее заданное значение; последнее указывало бы, что температура внешней воздушной среды слишком велика, чтобы позволить системе работать при низкой скорости. Данная операция осуществляется в блоке 38. Таким образом, если температура превышает заданный пороговый уровень, например 85°F (29,4°C), то алгоритм возвращается к блоку 36, который заставит двигатель продолжать работу при высокой скорости. В связи с этим следует отметить, что более высокая температура среды влечет увеличение давления напора компрессора, что, в свою очередь, приводит к росту тока питания.
Если температура среды не превышает установленный верхний пороговый уровень, то алгоритм продолжит работу и переходит к блоку 39, в котором запускается таймер, чтобы иметь возможность определить, обусловлено ли данное измеренное значение переходным процессом или же оно является установившимся значением.
После запуска таймера в блоке 39 контроллер 27 продолжает запрашивать, находится ли измеренное значение тока в заданном интервале, что показано в блоке 41. Далее измеренное значение температуры среды продолжает передаваться контроллеру 27, как показано в блоке 44.
Если в блоке 41 контроллер определит, что измеренное значение тока в данный момент лежит вне заданного диапазона, или в блоке 44 будет определено, что температура среды в данный момент превышает заданный верхний пороговый уровень, то алгоритм переходит к блоку 42, чтобы гарантировать, что таймер не сброшен из-за переходных процессов. После перехода к блоку 43 далее определятся, исчерпал ли таймер переходных процессов лимит времени, и, если так, принимается, что данное значение тока не является значением, полученным в ходе переходного процесса, и таймер для низкой скорости сбрасывается. Если таймер переходных процессов не исчерпал лимит времени, то необходимо продолжить проверку того, что величина тока лежит в диапазоне низких скоростей.
В блоке 46 выдается запрос относительно того, достигнуто ли таймером для низкой скорости заданное пороговое значение времени. Если приоритетной задачей является экономия топлива и имеются другие факторы, например почерпнутые из уровня техники данные о том, что требуется преимущественно работа на низкой скорости, то в качестве порогового значения времени для низкой скорости можно установить относительно малое значение, например 30 минут. С другой стороны, если по каким-либо причинам ожидается, что система будет работать в условиях, когда большую часть времени требуется работа на высокой скорости, то пороговому значению времени для низкой скорости можно установить более высокое значение, например 3 часа.
Если пороговое значение времени для низкой скорости не было достигнуто, то система возвращается к блоку 41. Если установленный интервал времени истек, то контроллер 27 посылает выходной сигнал "низкая скорость" по линии 31, как показано в блоке 47. Контроллер 32 температуры среды далее изменит скорость двигателя 14 на низкую скорость, при которой двигатель и продолжит работу, пока измеренная датчиком 24 величина тока будет оставаться в заданном диапазоне, как показано в блоке 48, и не оказывается, что температура среды превышает заданное пороговое значение, что показано в блоке 49. Если окажется, что измеренная величина тока находится вне диапазона или что температура превышает заданное значение, то алгоритм продолжает работу, переходя к блоку 51, чтобы установить длительность задержки переходного процесса при низкой скорости с целью гарантировать, что таймер не сброшен из-за переходных процессов. В блоке 52, если таймер для переходных процессов не исчерпал лимит времени, то определяется, что индикация в блоке 48 или блоке 49 была вызвана переходным процессом, и система останется в режиме низкой скорости. Если, с другой стороны, таймер для переходных процессов исчерпал лимит времени, то должна быть выработана индикация того, что сигнал не вызван переходным процессом, и тогда система вернется к режиму высокой скорости, а таймер для низкой скорости будет сброшен.
Из вышеуказанного ясно, что в системе имеются три различных таймера. В блоке 39 первый таймер устанавливается на время, когда желательно переключение из режима высокой скорости в режим низкой скорости. Типичные значения находятся в диапазоне от 30 минут до 3 часов. В блоке 42 устанавливается второй таймер, чем задаются длительности задержки для переходного процесса при высокой скорости, - задержки, гарантирующей, что измеренная величина тока, которая была в блоке 41 определена как находящаяся вне диапазона, не была обусловлена переходным процессом. В блоке 51 устанавливается третий таймер, задающий длительность задержки для переходного процесса при низкой скорости - задержки, гарантирующей, что измеренная величина тока, определенная в блоке 48 как находящаяся вне диапазона, не была обусловлена переходным процессом. В каждом из двух последних случаев среднее время составляет от 3 до 5 минут.
Рассмотрим теперь связь между величиной тока, поступающего от генераторного блока 11, и режимами работы контейнерной холодильной установки 12, данными в приведенной ниже таблице, в которой показаны различные режимы работы и данные о характерных значениях потребляемого тока, необходимого для поддержания этих режимов работы.
Ток
Режим работы
26 А
Интенсивное охлаждение. Работа при высокой температуре среды. Пороговое значение тока: 21 А, 23 А
20 А
В состоянии, когда возможна скорая порча продуктов (установившееся) Замороженное состояние (установившееся). Пороговое значение тока: 15 А, 17 А, 18 А, 19 А
14 А
Размораживание. Экономичное замораживание. Пороговое значение тока: 13,5 А
На фиг.3-5 показаны, с учетом приведенных связей, изменения, наблюдаемые при переходе под управлением контроллера 27 от режима высокой скорости к режиму низкой скорости.
На фиг.3 показана характерная операция запуска, при которой в момент времени =0 система начинает работу в режиме высокой скорости при значении потребляемого тока, сначала равном 0, а затем возрастающем по мере того, как начинают работу различные двигатели 19-23. Запуск может происходить в условиях, требующих интенсивное охлаждение при относительно высокой температуре внутри контейнера. Альтернативно, запуск может происходить в условиях, когда система временно остановлена, поскольку была достигнута заданная температура. В любом случае типичное потребление тока при запуске, как показано, составляет приблизительно 23 А и, после того как таймер низкой скорости превысит лимит времени, контроллер 27 пошлет сигнал "низкая скорость" контроллеру 32 двигателя, и контроллер 32 уменьшит скорость привода 14. В результате измеряемая величина тока уменьшится и опустится ниже значения 20 А, как показывает участок А графика. Это значение останется на том же уровне до изменения условий, которое заставит контроллер 27 увеличить скорость двигателя.
На фиг.4 показано уменьшение тока при переходе от режима высокой скорости к режиму низкой скорости, что показывает участок В графика. Ступенчатые выбросы вверх или вниз характеризуют переходные процессы, что указывает на необходимость перехода к режиму высокой скорости, если измеренное значение тока оказывается ниже границы диапазона, как показывают участки C, D и E графика. Но так как интервал времени не достигает установленного порогового значения, определяется, что это вызвано переходными процессами, и поэтому контроллер позволяет продолжать работу в режиме низкой скорости.
На фиг.5 показано, что система работает в диапазоне низких скоростей, пока она не будет переключена в режим размораживания. Тогда она переключится на режим высокой скорости и продолжит работу в этом режиме, пока не будет закончено размораживание, и в этот момент алгоритм снова переключит систему в режим низкой скорости.
Обратимся снова к фиг.1, где показан блокирующий модуль 30, который соединен с контроллером 27 и служит для блокирования работы описанного выше алгоритма. Такой модуль может быть выполнен как ручной переключатель или электронный блок управления; он служит для отключения описанной выше функции, так что она может быть задействована, только когда система работает в режиме высокой скорости.
Хотя данное изобретение было описано в терминах, относящихся к транспортной холодильной установке, должно быть понятно, что изобретение применимо и к холодильным установкам других типов, например к стационарным установкам, применяемым в супермаркетах и т.п., а также в системах, обеспечивающих комфорт, например в кондиционерах и системах тепловых насосов. Хотя описание дано в терминах одноступенчатого изменения скоростей, должно быть понятно, что может применяться многоступенчатое (пошаговое) изменение скоростей в желательных пределах, например, со значениями скорости, равными 1800 об/мин (60 Гц), 1700 об/мин, 1600 об/мин и 1500 об/мин (50 Гц).
Хотя данное изобретение подробно описано со ссылками на предпочтительное осуществление, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть сделаны различные изменения в деталях, не выводящие за пределы сущности и объема изобретения, как они определены в формуле изобретения.