CN100441868C - 控制压缩机操作的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制压缩机操作的设备，包括：用于基于施加到压缩机电机的电流值和施加到压缩机电机的电压值计算反电动势的反电动势计算器；操作频率参考值确定单元，其用于基于反电动势值和电流值来检测压缩机的机械共振频率，并确定所检测的机械共振频率为操作频率参考值；和控制器，其用于根据确定的操作频率参考值来改变压缩机的操作频率。

Description

控制压缩机操作的设备和方法

技术领域

本发明涉及压缩机，具体来说，涉及用于一种控制往复式压缩机操作的设备和方法。

背景技术

一般来说，往复式压缩机不采用曲柄轴来将转动转换成线性运动，因此其压缩效率高于一般压缩机。

当往复式压缩机用于冰箱或空调时，往复式压缩机的压缩率可根据输入往复式压缩机的冲程电压的变化来控制制冷能力。

下面将参照图1说明一种传统的往复式压缩机。

图1是一个框图，示出了一种根据现有技术的用于控制往复式压缩机操作的设备结构。

如图1所示，用于控制往复式压缩机操作的传统设备包括：用于检测施加在往复式压缩机6的电机(未示出)上的电流的检流器4；用于检测施加在电机上的电压的检压器3；冲程计算器5，其用于基于检测到的电流和电压值及一个电机参数来计算压缩机冲程估值；比较器1，其用于比较计算的冲程估值与预设定冲程参考值，根据比较结果输出差值；和冲程控制器2，其用于通过根据差值来改变施加到电机上的电压以控制压缩机6的操作(冲程)。

用于控制往复式压缩机的操作的设备如下操作：

首先，检流器4检测施加到压缩机6的电机上的电流并输出所检测的电流值至冲程计算器5。同时，检压器3检测施加到电机上的电压并输出所检测的电压值至冲程计算器5。

冲程计算器5通过将所检测的电流和电压值及一个电机参数代入如下所示的公式(1)，计算压缩机的冲程估值(X)，并将所得的冲程估值(X)应用到比较器1。

$X=\frac{1}{\mathrm{\α}}\∫(V_M-\mathrm{Ri}-L\stackrel{\‾}{i})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中‘R’是电机阻抗值，‘L’是电机的电感值，α是电机常量，V_M是施加到电机的电压值，‘i’是施加到电机的电流值，‘i’是施加到电机的电流的时间变化率。即，‘i’是‘i’的微分值(di/dt)。

比较器1比较冲程估值与冲程参考值，并根据比较结果将差值应用至冲程控制器2。

冲程控制器2通过基于差值改变施加到压缩机6的电机上的电压来控制压缩机6的冲程。这将参照图2说明。

图2是一个根据现有技术的控制往复式压缩机操作的方法流程图。

首先，当冲程计算器5将冲程估值施加至比较器1(步骤S1)时，比较器1比较冲程估值与预设定冲程参考值(步骤S2)并根据比较结果输出差值至冲程控制器2。

如果冲程估值小于冲程参考值，冲程控制器2增加施加到电机上的电压以控制压缩机的冲程(步骤S3)。然而，如果冲程估值大于冲程参考值，冲程控制器2减小施加到电机上的电压(步骤S4)。

因此，在传统的控制往复式压缩机的操作的设备和方法中，尽管压缩机的机械共振频率因施加到压缩机电机上的电压基于冲程估值和冲程参考值改变而变化，但是往复式压缩机总是以相同的操作频率操作，这导致一个问题，即往复式压缩机的效率下降。

根据本发明的不同实施例的往复式压缩机在2003年11月11日出版的U.S.专利No.6,644,943中公布。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于控制压缩机操作的设备和方法，即使压缩机的负载变化，其也能够提高压缩机的效率。

为实现这些及其它优点并根据本发明的目的，如在此例举和广泛说明的，提供一种用于控制压缩机操作的设备，其包括：反电动势计算器，用于基于施加到压缩机电机的电流值和施加到压缩机电机的电压值计算压缩机的反电动势；操作频率参考值确定单元，用于基于反电动势值和电流值检测压缩机的机械共振频率，并确定所检测的机械共振频率作为操作频率参考值；和控制器，用于根据确定的操作频率参考值来改变压缩机的当前操作频率。

为实现以上目的，还提供一种用于控制压缩机操作的设备，其包括：用于检测施加到压缩机电机的电流的检流器；用于检测施加到电机的电压的检压器；用于基于检测到的电流和电压及一个电机参数计算冲程估值的冲程计算器；用于基于检压器的电压值和检流器的电流值计算反电动势的反电动势计算器；操作频率参考值确定单元，用于基于获得的反电动势值和检测电流值来检测压缩机的机械共振频率，并确定所检测的机械共振频率为操作频率参考值；比较器，用于比较从冲程计算器输出的冲程估值和冲程参考值，并根据比较结果输出差值；和控制器，用于根据确定的操作频率参考值来改变当前操作频率和根据从比较器输出的差值而改变施加到压缩机的电机上的电压，来控制压缩机的操作。

为实现以上目的，还提供一种用于控制压缩机操作的方法，其包括：基于施加到压缩机电机的电流值和施加到电机的电压值计算压缩机的反电动势；基于反电动势值和电流值检测压缩机的机械共振频率；确定机械共振频率作为压缩机的操作频率参考值；和根据确定的操作频率参考值改变压缩机的操作频率。

结合本发明的附图的本发明的下文详细说明，本发明的上述及其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显。

附图说明

附图提供对本发明一部分更进一步理解，并入并组成本申请的一部分。本发明示出的具体实施方式与说明书一起用以阐明本发明的原理。

图中：

图1是一个框图，示出了一种根据现有技术的用于控制往复式压缩机操作的设备结构；

图2是根据现有技术的用于控制往复式压缩机操作的方法流程图；

图3是一个框图，示出了一种根据本发明的用于控制往复式压缩机操作的设备结构；

图4A到4C的曲线图，示出了施加到压缩机电机的电流相位和电机的速度；和

图5是一个流程图，示出了一种根据本发明的用于控制往复式压缩机操作的方法。

具体实施方式

根据本发明的优选实施例，将参照图3到5说明一种用于控制压缩机操作的设备和方法，该设备和方法通过基于压缩机的反电动势值和电流值来检测压缩机的机械共振频率，并根据该机械共振频率来改变压缩机的操作频率，因此即使压缩机负载是变化的也能够提高压缩机操作效率。

图3是一个框图，示出了一种根据本发明的用于控制往复式压缩机操作的设备的结构。

如图3所示，根据本发明用于控制往复式压缩机操作的设备包括：用于检测施加到压缩机60的电机(未示出)的电流的检流器40；用于检测施加到压缩机的电机的电压的检压器30；用于基于检测到的电流和电压及电机参数计算压缩机60的冲程估值的冲程计算器50；用于基于检压器30的电压值和检流器40的电流值计算反电动势的反电动势计算器70；操作频率参考值确定单元80，用于基于计算出的反电动势值和检测出的电流值检测压缩机的机械共振频率并确定所检测的机械共振频率为操作频率参考值；比较器10，用于比较从冲程计算器50输出的冲程估值和冲程参考值，并根据比较结果输出差值；和控制器20，其通过根据确定的操作频率参考值来改变当前操作频率和根据从比较器10输出的差值而改变施加到压缩机60的电机上的电压来控制压缩机60的操作。

根据本发明的控制压缩机操作的设备的操作将详细说明如下。

首先，检流器40检测施加到压缩机60上的电流并将所检测到的电流值输出到冲程计算器50、反电动势计算器70和操作频率参考值确定单元80。此时，检压器30检测施加到压缩机60上的电压并输出所检测到的电压值到冲程计算器50和反电动势计算器70。

冲程计算器50基于从检流器40输出的电流值、从检压器30输出的电压值和一个预设定的电机参数来计算压缩机60的冲程估值，然后输出计算冲程估值到比较器10。

比较器10比较冲程参考值和从冲程计算器50输出的冲程估值，然后根据比较结果输出差值到控制器20。

控制器20根据从比较器10输出的差值，通过改变施加到压缩机60上的电压来控制压缩机的冲程。

同时，反电动势计算器70基于由检压器30检测的电压值和由检流器40检测的电流值计算压缩机60的反电动势(BEMF)。优选的，BEMF通过下面公式(2)计算：

$\mathrm{BEMF}=V_M-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

其中，‘R’为电机阻抗值，‘L’为电机电感值，V_M为施加到电机的电压值和‘i’为施加到电机的电流值。

操作频率参考值确定单元80基于BEMF值和电流值检测压缩机的机械共振频率，并确定所检测的机械共振频率为操作频率参考值。例如，当电机处于共振状态时，在一个周期中的BMEF值与检测的电流值相乘所得的所有值为正(+)值，因此乘积值的总和为最大值。即，当电机的BEMF值与所检测的电流值相乘所得的值的总和是最大值时，操作频率与机械共振频率相等。

因此，操作频率参考值确定单元80将当电机的BEMF值与所检测的电流值相乘所得的值的总和是最大值时所测得的操作频率识别为机械共振频率，并确定该机械共振频率为操作参考频率值。这里，当操作频率与机械共振频率一致时，压缩机的操作效率得到提高。

机械共振频率值可通过如下所示的公式(3)得到：

∑(BEMF×i)---------------(3)

即，操作频率参考值确定单元80将通过公式(3)计算而得的值为最大值时所获得的操作频率识别为机械共振频率，并确定该识别的机械共振频率为操作频率参考值。这里，‘BEMF’是反电动势，‘i’是施加到电机的电流值。

然后，控制器20根据从操作频率参考值确定单元80输出的操作频率参考值，通过改变压缩机60的当前操作频率来控制压缩机60的操作。就是说，如果该操作频率参考值大于当前操作频率值，则控制器增加当前操作频率。如果该操作频率参考值小于当前操作频率值，则控制器减小当前操作频率。

图4A到4C的曲线图示出了施加到压缩机电机的电流相位和电机的速度，即，示出了在一个周期中当速度值与电流值相乘所得值的总和是最大值或不是最大时机械共振频率和操作频率的状态。

如图4A到4C所示，在本发明中，实验结果显示，即使压缩机的负载变化，当电机的反电动势值与施加到电机的电流值相乘所得值的总和是最大值时，发生共振现象。

这里，为什么将一个周期中的电流值与速度值相乘，而不是将一个周期中的电流值与反电动势值相乘的原因是，电机所产生的反电动势与速度成正比，这样电机的速度相位和电流相位在图中示出，并将电流值乘以速度值。换句话说，原则上，如果机械共振频率与操作频率相同，则电流的相位与速度的相位相同。此时，当电流值与速度值相乘所得值的总和是最大值时，电流的相位与速度的相位彼此相同。

图4A是一个曲线图，示出了施加到压缩机电机的电流相位和电机的速度相位是相同的，且机械共振频率和操作频率是相同的。

如图4A所示，当电流相位和速度相位相同时，在一个周期中电流值与速度值相乘所得的值只有正值(+)，因此电流值与速度值相乘所得的值的总和是最大值。

图4B是一个曲线图，示出了施加到压缩机电机的电流相位领先于电机的速度相位，且操作频率大于机械共振频率。

如图4B所示，当施加到压缩机电机的电流相位领先于电机的速度相位时，在一个周期中电流值与速度值相乘所得的值有负值(-)有正值(+)。因此，当电流的相位领先于速度的相位时，电流值与速度值相乘所得的值的总和小于当电流的相位与速度的相位相等时电流值与速度值相乘所得的值的总和。

图4C是一个曲线图，示出了施加到压缩机电机的电流相位落后于电机速度的相位，且操作频率小于机械共振频率。

如图4C所示，当施加到压缩机电机的电流相位落后于速度相位时，在一个周期中电流值与速度值相乘所得的值有负值(-)有正值(+)。因此，当电流的相位落后于速度相位时，电流值与速度值相乘所得的值的总和小于当电流的相位与速度的相位相等电流值与速度值相乘所得的值的总和。

下面将参照图5说明频率参考值确定单元80的如下操作：在一个周期中将反电动势值乘以电流值、累加该乘积值、当总和为最大值时检测操作频率、和确定所测得的操作频率值作为操作频率参考值。

图5是一个流程图，示出了一种根据本发明的用于控制往复式压缩机操作的方法。

如图5所示，根据本发明的用于控制压缩机操作的方法包括：检测施加到压缩机60的电流和电压值；基于该电流和电压值计算压缩机的反电动势；基于在一个周期中将反电动势值乘以电流值所得的数值的总和来检测压缩机的机械共振频率并确定该机械共振频率为操作频率参考值；根据确定的操作频率参考值来改变压缩机当前操作频率。

在一个周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大时的操作频率，与压缩机的机械共振频率相同。因此，当压缩机的当前操作频率根据在一个周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率而改变时，由于改变后的操作频率与机械共振频率相同，因此压缩机的效率得到提高。

首先，操作频率参考值确定单元80将一个周期中的反电动势值乘以电流值，计算乘积的总和(步骤S11)，然后比较所计算的总和与前一周期中反电动势值和电流值相乘所得的数值的总和(步骤S12)。

如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和大于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且压缩机60的当前操作频率大于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元80连续增加当前操作频率，然后，将一个周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率(与机械共振频率一致)确定为操作频率参考值(步骤S13和S15)。

如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和大于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且压缩机60的当前操作频率小于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元80连续减小当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值(步骤S13和S16)。

如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和小于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且压缩机60的当前操作频率小于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元80连续增加当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值(步骤S14和S17)。

如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和小于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且压缩机60的当前操作频率大于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元80连续减小当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值(步骤S14和S18)。

因此，一个周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率与压缩机的机械共振频率一样，故可通过根据在一个周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率而改变当前操作频率，提高压缩机的操作效率。

换句话说，在往复式压缩机操作时，一旦压缩机的负载变化，则基于在一个周期中反电动势值与电流值检测压缩机的机械共振频率，然后，根据所测得的机械共振频率来改变压缩机的操作频率，从而提高压缩机的操作效率。

至此所述的根据本发明的往复式压缩机的操作控制设备和方法具有如下优点。

即，一旦压缩机的负载变化，基于在一个周期中的反电动势值和电流值检测压缩机的机械共振频率，并根据所测得的机械共振频率改变压缩机的操作频率。因此，即使当压缩机的负载变化时，压缩机的操作效率可得到提高。

由于本发明可以以多种形式例举而不脱离其思想或实质特征，应当理解除非另有说明，以上说明实施例不限于前述说明的任何细节，而是应在所附权利要求的精神和范围中广泛解释，因此所有包含在权利要求的边界范围内，或等同于该边界范围的变更和修改因而受到所附权利要求的约束。

Claims (18)

1.一种用于控制往复式压缩机操作的设备，包括：

反电动势计算器，用于基于施加到压缩机电机的电流值和施加到压缩机电机的电压值计算压缩机的反电动势；

操作频率参考值确定单元，用于基于反电动势值和电流值检测压缩机的机械共振频率，并将所检测的机械共振频率确定为操作频率参考值；和

控制器，用于根据所确定的操作频率参考值来改变压缩机的操作频率。

2.根据权利要求1所述的设备，其中操作频率参考值确定单元将一个周期中的反电动势(BEMF)值乘以电流值，并将当乘积值的总和为最大时的操作频率确定为操作频率参考值。

3.根据权利要求2所述的设备，其中当乘积值的总和为最大时的操作频率与压缩机的机械频率一致。

4.根据权利要求1所述的设备，其中反电动势值BEMF通过下面示出的公式计算：

$\mathrm{BWMF}=V_M-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

其中，‘R’为电机阻抗值，‘L’为电机电感值，V_M为施加到电机的电压值，‘i’为施加到电机的电流值。

5.根据权利要求1所述的设备，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和大于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率大于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元连续增加当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值。

6.根据权利要求1所述的设备，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和大于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率小于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元连续减小当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值。

7.根据权利要求1所述的设备，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和小于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率小于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元连续增加当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值。

8.根据权利要求1所述的设备，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和小于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率大于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元连续减小当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值。

9.一种用于控制往复式压缩机操作的设备，包括：

用于检测施加到压缩机电机的电流的检流器；

用于检测施加到电机的电压的检压器；

用于基于检测到的电流值和电压值及电机参数计算冲程估值的冲程计算器；

用于基于检压器的电压值和检流器的电流值计算反电动势的反电动势计算器；

操作频率参考值确定单元，用于基于获得的反电动势值和检测的电流值来检测压缩机的机械共振频率，并确定所检测的机械共振频率为操作频率参考值；

比较器，用于比较从冲程计算器输出的冲程估值和冲程参考值，并根据比较结果输出差值；和

控制器，用于根据确定的操作频率参考值来改变当前操作频率和根据从比较器输出的差值来改变施加到压缩机的电机上的电压，从而控制压缩机的操作。

10.根据权利要求9所述的设备，其中操作频率参考值确定单元在一个周期中将反电动势值(BEMF)乘以电流值，并将当乘积值的和为最大时检测到的操作频率确定为操作频率参考值。

11.根据权利要求9所述的设备，其中反电动势值BEMF通过如下所示公式计算：

$\mathrm{BEMF}=V_M-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}},$

其中，‘R’为电机阻抗值，‘L’为电机电感值，V_M为施加到电机的电压值，‘i’为施加到电机的电流值。

12.根据权利要求9所述的设备，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和大于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率大于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元连续增加当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值。

13.根据权利要求9所述的设备，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和大于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率小于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元连续减小当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值。

14.根据权利要求9所述的设备，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和小于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率小于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元连续增加当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值。

15.根据权利要求9所述的设备，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和小于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率大于此前的操作频率，则操作频率参考值确定单元连续减小当前操作频率，然后，将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和最大值时的操作频率确定为操作频率参考值。

16.一种用于控制往复式压缩机操作的方法，包括：

基于施加到压缩机电机的电流值和施加到压缩机电机的电压值计算电机的反电动势；

基于反电动势值和电流值检测压缩机的机械共振频率；确定该机械共振频率为压缩机的操作频率参考值；和

根据该确定的操作频率参考值改变压缩机的操作频率。

17.根据权利要求16所述的方法，其中确定操作频率参考值的步骤包括：

在一个周期中将反电动势值乘以电流值；

累加乘积值；和

将乘积值的总和为最大值时所检测的操作频率确定为操作频率参考值。

18.根据权利要求16所述的方法，其中确定机械共振频率为操作频率参考值的步骤包括：

一个步骤，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和大于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且压缩机当前操作频率大于此前的操作频率，则连续增加当前操作频率，并将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时检测的操作频率确定为操作频率参考值；

一个步骤，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和大于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率小于此前的操作频率，则连续减小当前操作频率，并将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时检测的操作频率确定为操作频率参考值；

一个步骤，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和小于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率小于此前的操作频率，则连续增加当前操作频率，并将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和确定为最大值时的操作频率作为操作频率参考值；和

一个步骤，其中如果在一个周期中的反电动势值乘以电流值所得数值的总和小于在前一周期中反电动势值乘以电流值所得数值的总和，且当前操作频率大于此前的操作频率，则连续减小当前操作频率，并将一个当前周期中反电动势值与电流值相乘所得的值的总和为最大值时的操作频率确定为操作频率参考值。

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