CN101010858A - 直线压缩机控制设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制直线压缩机的设备和方法，通过使得操作频率与被负载改变的可移动部件的自然频率同步，它能够主动地处理负载并且有效率地执行操作。用于控制直线压缩机的设备包括：用于从直线压缩机的电压指令值以及输入电流探测反电动势的相位的反电动势相位探测单元；用于探测输入电流的相位的电流相位探测单元；用于比较反电动势的相位与输入电流的相位，并且产生频率变化数值的频率产生单元；用于根据频率变化数值校正电压指令值的控制单元；以及用于接收直流电压、根据校正的电压指令值产生正弦波电压，并且向直线压缩机施加正弦波电压的换流器单元。

Description

直线压缩机控制设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制直线压缩机的设备和方法，通过使得操作频率与被负载改变的可移动部件的自然频率同步，它能够主动地处理负载并且有效率地执行操作。

背景技术

通常，压缩机已经被广泛用于家电例如制冷机和空调或者用在整个工业领域中，压缩机是一种用于通过从动力单元系统例如电动机或涡轮机接收动力并且压缩空气、制冷剂或其它各种操作气体而增加压力的机械设备。

压缩机大致被分为往复式压缩机，它具有如此压缩空间，操作气体通过该空间在活塞和汽缸之间被吸入或排放，从而活塞能够在汽缸中直线往复以压缩制冷剂；旋转式压缩机，它具有如此压缩空间，操作气体通过该空间在偏心旋转辊子和汽缸之间被吸入或排放，从而辊子能够在汽缸内壁上偏心地旋转以压缩制冷剂；以及涡旋式压缩机，它具有如此压缩空间，操作气体通过该空间在轨道蜗卷和固定蜗卷之间被吸入或排放，从而轨道蜗卷与固定蜗卷一起旋转以压缩制冷剂。

近来，在往复式压缩机中，直线压缩机已经被大规模生产，因为通过将活塞直接地连接到执行直线往复的驱动马达以进行运动变换从而消除机械损耗，它具有高的压缩效率和简单的结构。

通常，通过使用马达的直线驱动力吸入、压缩和排放制冷剂的直线压缩机包括压缩单元，该单元包括汽缸和用于压缩制冷剂气体的活塞；以及包括用于向压缩单元供应驱动力的直线马达的驱动单元。

具体地，在直线压缩机中，汽缸被固定地安装在封闭容器中，并且活塞被安装在汽缸中以执行直线往复。当活塞在汽缸中直线往复时，制冷剂被吸入到汽缸中的压缩空间中、压缩并被排放。吸入阀组件和排放阀组件被安装在该压缩空间中，以用于根据压缩空间的内部压力控制制冷剂的吸入和排放。

此外，用于为活塞产生直线运动力的直线马达被安装成连接到活塞。通过沿着圆周方向在汽缸周边处堆叠多个叠层形成的内部定子和外部定子以预定间隙安装在直线马达上。线圈在内部定子或外部定子中盘绕，并且永久磁体安装在内部定子和外部定子之间的间隙处从而连接到活塞。

这里，永久磁体被安装成可沿着活塞运动方向移动，并且利用当电流流动通过线圈时产生的电磁力沿着活塞运动方向直线往复。通常，直线马达在恒定操作频率f_c下操作，并且活塞以预定行程S直线往复。

在另一方面，各种弹簧被安装以沿着运动方向弹性地支撑活塞，即使活塞由于直线马达而直线往复。具体地，作为一种机械弹簧的卷簧被安装以沿着活塞运动方向被封闭容器和汽缸弹性地支撑。而且，被吸入到压缩空间中的制冷剂用作气体弹簧。

该卷簧具有恒定的机械弹簧常数K_m，并且气体弹簧具有被负载改变的气体弹簧常数K_g。考虑到机械弹簧常数K_m和气体弹簧常数K_g计算活塞(或直线压缩机)的自然频率f_n。

如此计算的活塞自然频率f_n确定直线马达的操作频率f_c。直线马达通过使其操作频率f_c等于活塞的自然频率f_n，即，在共振状态中操作而提高效率。

相应地，在直线压缩机中，当当向直线马达施加电流时，电流流动通过线圈以通过与外部定子和内部定子的交互作用而产生电磁力，并且永久磁体和连接到永久磁体的活塞由于该电磁力而直线往复。

这里，直线马达在恒定操作频率f_c下操作。使得直线马达的操作频率f_c等于活塞自然频率f_n，从而直线马达可在共振状态中操作以提高效率。

如上所述，当活塞在汽缸中直线往复时，压缩空间的内部压力变化。根据压缩空间内部压力的变化，制冷剂被吸入到压缩空间中、压缩并且被排放。

直线压缩机被形成为在等同于活塞自然频率f_n的操作频率f_c下操作，通过卷簧的机械弹簧常数K_m和在设计时在直线马达中考虑到的负载下气体弹簧的气体弹簧常数K_g计算该自然频率。因此，该直线马达仅在设计时考虑的负载下在共振状态中操作，以提高效率。

然而，因为直线压缩机的实际负载改变，气体弹簧的气体弹簧常数K_g和通过气体弹簧常数K_g计算的活塞的自然频率f_n变化。

具体地，如图1A所示，在设计时在中间负载区域中直线马达的操作频率f_c被确定为等于活塞自然频率f_n。即使负载改变，直线马达也在恒定操作频率f_c下操作。但是，随着负载增加，活塞自然频率f_n增加。

公式1

$\mathrm{fn}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{Km}+\mathrm{Kg}}{M}}$

这里，f_n表示活塞自然频率，K_m和K_g分别表示机械弹簧常数和气体弹簧常数，并且M表示活塞质量。

通常，因为气体弹簧常数K_g在整体弹簧常数K_t中具有小的比率，气体弹簧常数K_g被忽略或者设定为恒定数值。活塞的质量M和机械弹簧常数K_m也被设定为恒定数值。因此，通过上述公式1，活塞自然频率f_n被计算为恒定数值。

然而，实际负载增加越多，在有限空间中的制冷剂的压力和温度增加越多。相应地，气体弹簧自身的弹性力增加，以增加气体弹簧常数K_g。而且，与气体弹簧常数K_g成比例地计算的活塞自然频率f_n增加。

参考图1A和1B，直线马达的操作频率f_c和活塞自然频率f_n在中间负载区域中相同，从而可以操作活塞以达到上死点(TDC)，由此稳定地执行压缩。此外，直线马达在共振状态中操作，以提高直线压缩机的效率。

然而，在低负载区域中，活塞的自然频率f_n变得小于直线马达的操作频率f_c，并且因此活塞被传输成超过TDC，以施加过量压缩力。而且，活塞和汽缸由于摩擦而被磨损。因为直线马达不在共振状态中操作，直线压缩机的效率降低。

此外，在高负载区域中，活塞的自然频率f_n变得大于直线马达的操作频率f_c，并且因此活塞不达到TDC，以降低压缩力。直线马达不在共振状态中操作，由此降低直线压缩机的效率。

结果，在传统直线压缩机中，当负载改变时，活塞的自然频率f_n改变，但是直线马达的操作频率f_c恒定。因此，直线马达不在共振状态中操作，这导致低的效率。进而，直线压缩机不能主动地处理和快速地克服负载。

发明内容

本发明得以实现以解决上述问题。本发明的一个目的在于提供一种设备和方法以用于控制直线压缩机，通过使得直线马达的操作频率与机械自然频率同步，它使得直线压缩机能够在共振状态中执行吸入和压缩。

本发明的另一目的在于提供一种用于控制直线压缩机的设备和方法，通过估计由负载改变的机械自然频率，并且使得操作频率与机械自然频率同步，它能够克服直线压缩机的结构误差。

为了实现本发明的上述目的，提供一种用于控制直线压缩机的设备，包括：用于从直线压缩机的电压指令值V^*以及输入电流i探测反电动势E的相位的反电动势相位探测单元；用于探测输入电流i的相位的电流相位探测单元；用于比较反电动势E的相位与输入电流i的相位，并且产生频率变化数值的频率产生单元；用于根据频率变化数值校正电压指令值V^*的控制单元；以及用于接收直流电压，根据校正的电压指令值V^*产生正弦波电压，并且向直线压缩机施加正弦波电压的换流器单元。

优选地，反电动势相位探测单元通过利用下面的公式操作反电动势E而探测相位：

$E=V^{*}-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

(R：线组电阻，L：感应系数)

优选地，频率产生单元产生频率变化数值从而反电动势E的相位和输入电流i的相位可以同相。

优选地，控制单元将校正的电压指令值V^*以预定换流器控制信号的形式发送到换流器单元。

根据本发明另一方面，一种用于控制直线压缩机的方法包括以下步骤：从直线压缩机的电压指令值V^*以及输入电流i探测反电动势E的相位；探测输入电流i的相位；比较反电动势E的相位与输入电流i的相位，并且产生频率变化数值；根据频率变化数值校正电压指令值V^*；并且接收直流电压，根据校正的电压指令值V^*产生正弦波电压。

附图说明

参考附图可以更加理解本发明，仅通过示意给出附图，并且因此附图并不限制本发明，其中：

图1A是示出在传统直线压缩机中行程对负载的图表；

图1B是示出在传统直线压缩机中效率对负载的图表；

图2是示意根据本发明的直线压缩机的截面视图；

图3A是示出在根据本发明的直线压缩机中行程对负载的图表；

图3B是示出在根据本发明的直线压缩机中效率对负载的图表；

图4是示出在根据本发明的直线压缩机中气体弹簧常数变化对负载的图表；

图5是示意直线马达的等效电路视图，该电路被示意成具有反电动势的R-L电路；和

图6是示意用于控制根据本发明的直线压缩机的设备的结构视图。

具体实施方式

现在参考附图详细描述根据本发明优选实施例的直线压缩机。

如图2所示，在该直线压缩机中，制冷剂通过它们被吸入和排放的进口管道2a和出口管道2b被安装在封闭容器2的一侧处，汽缸4被固定到安装在封闭容器2中，活塞6被安装在汽缸4中从而直线往复以压缩被吸入到汽缸4中的压缩空间P中的制冷剂，并且各种弹簧被安装从而沿着活塞6的运动方向被弹性支撑。这里，活塞6连接到直线马达10以用于产生直线往复驱动力。如图3A和3B所示，即使活塞6的自然频率f_n被负载改变，直线马达10控制其操作频率f_c从而与活塞6的自然频率f_n同步，从而可在整个负载区域中执行共振操作以提高压缩效率。

此外，吸入阀22被安装在活塞6的接触压缩空间P的一端处，并且排放阀组件24被安装在汽缸4的接触压缩空间P的一端处。吸入阀22和排放阀组件24被自动控制从而根据压缩空间P的内部压力而被分别打开和关闭。

封闭容器2的顶部和底部壳体被联接以密封封闭容器2。制冷剂通过它被吸入的进口管道2a和制冷剂通过它被排放的出口管道2b被安装在封闭容器2的一侧处。活塞6被安装在汽缸4中从而沿着运动方向被弹性支撑以执行直线往复。直线马达10连接到汽缸4外部的框架18。汽缸4、活塞6和直线马达10构成组件。该组件被安装在封闭容器2的内部底表面上从而被支撑弹簧29弹性支撑。

封闭容器2的内部底表面含有油，并且用于泵送油的油供应设备30被安装在该组件的下端处，并且用于在活塞6和汽缸4之间供应油的油供应管道18a在该组件下侧处在框架18中形成。相应地，油供应设备30通过由活塞6的直线往复而产生的振动被操作，以用于泵送油，并且油沿着油供应管道18a被供应到在活塞6和汽缸4之间的间隙，以用于冷却和润滑。

汽缸4形成为中空形状从而活塞6能够执行直线往复，并且在其一侧处具有压缩空间P。优选地，在其中汽缸4的一端邻近进口管道2a的内部的状态下，汽缸4被安装在与进口管道2a相同的直线上。

活塞6邻近进口管道2a被安装在汽缸4的一端中以执行直线往复，并且排放阀组件24被安装在汽缸4的沿着与进口管道2a相反方向的一端处。

这里，排放阀组件24包括排放罩24a以用于在汽缸4的一端处形成预定的排放空间；排放阀24b以用于打开或关闭靠近压缩空间P的汽缸4的一端；和阀弹簧24c，它是一种卷簧以用于沿着轴向方向在排放罩24a和排放阀24b之间施加弹性力。O形环R被插到汽缸4的一端的内圆周表面上，从而排放阀24a能够被紧密地接附到汽缸4的一端。

带齿的环管28安装在排放罩24a的一侧和出口管道2b之间，以用于引导被压缩的制冷剂被排放到外部，并且防止由汽缸4、活塞6和直线马达10的相互作用而产生的振动被施加到整个封闭容器2。

因此，当活塞6在汽缸4中直线往复时，如果压缩空间P的压力超过预定排放压力，则阀弹簧24c被压缩以打开排放阀24b，并且制冷剂被从压缩空间P排放，并且然后沿着环管28和出口管道2b被排放到外部。

从进口管道2a供应的制冷剂通过它流动的制冷剂通道6a在活塞6的中心处形成。直线马达10通过连接部件17直接地连接到邻近进口管道2a的活塞6的一端，并且吸入阀22安装在活塞6的沿着与进口管道2a相反方向的一端处。活塞6沿着运动方向被各个弹簧弹性支撑。

吸入阀22被形成为薄板形状。吸入阀22的中心被部分切除以打开或关闭活塞6的制冷剂通道6a，并且吸入阀22的一侧通过螺钉被固定到活塞6a的一端。

相应地，当活塞6在汽缸4中直线往复时，如果压缩空间P的压力低于比排放压力更低的预定吸入压力，则吸入阀22被打开从而制冷剂可被吸入到压缩空间P中，并且如果压缩空间P的压力超过预定吸入压力，则在吸入阀22的关闭状态下压缩空间P的制冷剂被压缩。

特别地，活塞6被安装成沿着运动方向被弹性支撑。具体地，从活塞6的邻近进口管道2a的一端沿着径向方向突出的活塞凸缘6b沿着活塞6的运动方向被机械弹簧8a和8b例如卷簧弹性支撑。在沿着与进口管道2a相反方向的压缩空间P中含有的制冷剂由于弹性力而被操作用作气体弹簧，由此弹性支撑活塞6。

这里，机械弹簧8a和8b具有与负载无关的恒定机械弹簧常数K_m，并且优选地与从活塞凸缘6b沿着轴向方向固定到直线马达10和汽缸4的支撑框架26并排地安装。而且，优选地，由支撑框架26支撑的机械弹簧8a和安装在汽缸4上的机械弹簧8a具有相同的机械弹簧常数K_m。

然而，气体弹簧具有被负载改变的气体弹簧常数K_g。当周边温度升高时，制冷剂的压力增加，并且因此压缩空间P中的气体的弹性力增加。结果，负载增加越多，气体弹簧的气体弹簧常数K_g越高。

虽然机械弹簧常数K_m恒定，气体弹簧常数K_g被负载改变。因此，总体弹簧常数也被负载改变，并且在上述公式1中活塞6的自然频率f_n被气体弹簧常数K_g改变。

即使负载改变，机械弹簧常数K_m和活塞6的质量M恒定，但是气体弹簧常数K_g改变。因此，活塞6的自然频率f_n被由负载改变的气体弹簧常数K_g显著影响。在获得通过负载改变活塞6的自然频率f_n的算法并且直线马达10的操作频率f_c与活塞6的自然频率f_n同步的情形中，直线压缩机的效率提高并且可以快速地克服负载。

负载能够以各种方式测量。因为直线压缩机被安装在用于压缩、冷凝、蒸发和膨胀制冷剂的制冷/空调循环中，负载可被定义为在作为冷凝制冷剂的压力的冷凝压力和作为蒸发制冷剂的压力的蒸发压力之间的差值。为了改进精确度，考虑冷凝压力和蒸发压力的平均压力确定负载。

即，与在冷凝压力和蒸发压力之间的差值与平均压力成比例地计算负载。负载增加越多，气体弹簧常数K_g越高。例如，如果在冷凝压力和蒸发压力之间的差值增加，则负载增加。即使在冷凝压力和蒸发压力之间的差值不变化，如果平均压力增加，则负载增加。气体弹簧常数K_g根据负载而增加。

如图4所示，测量与冷凝压力成比例的冷凝温度和与蒸发压力成比例的蒸发温度，并且与在冷凝温度和蒸发温度之间的差值与平均温度成比例地计算负载。

直线马达10包括内部定子12，它通过沿着圆周方向层叠多个叠层12a形成，并且通过框架18固定地安装在汽缸4的外部；外部定子14，它通过沿着圆周方向在线圈缠绕本体14a的周边处层叠多个叠层14b形成，并且从内部定子12以预定间隙利用框架18安装在汽缸4的外部；以及永久磁体16，它定位在内部定子12和外部定子14之间的间隙处，并且通过连接部件17连接到活塞6。这里，线圈缠绕本体14a可被固定地安装在内部定子12的外部。

在直线马达10中，当向线圈缠绕本体14a施加电流以产生电磁力时，永久磁体16由于在电磁力和永久磁体16之间的相互作用而直线往复，并且连接到永久磁体16的活塞6在汽缸4中直线往复。

图5是示意直线马达的等效电路视图，该电路被示意成具有反电动势的R-L电路。在图5中，利用非线性同时差分方程例如下面的公式2解释活塞6运动的理论基础。公式2是电学等效方程。

公式2

$E=V^{*}-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

这里，R表示等效电阻，L表示等效感应系数，i表示流动通过马达的电流，并且V^*表示相应于来自换流器单元(参考图6)的输出电压的电压指令值。上述变量是均可被测量的，从而反电动势可通过公式2计算。

此外，通过机械运动方程例如下面的公式3解释活塞6运动的理论基础。

公式3

$m\frac{d^{2}x}{d{t}^2}+C\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{dx}=\mathrm{\αi}$

这里，x表示活塞6的位移，m表示活塞6的质量，C表示阻尼系数，k表示等效弹簧常数，并且α表示反电动势常数。通过将上述公式3转换成复数形式获得的机械方程由下面的公式4定义：

公式4

$E=\frac{{\mathrm{\α}}^2}{C+(\mathrm{m\ω}-\frac{k}{\mathrm{\ω}})j}i$

这里，ω表示角速度(ω＝2π·f_c)。

当反电动势和电流同相时，发生机械共振。因此，如从上述公式4可知，理论上，分母的复数部分应该为零。然而，如上所述，等效弹簧常数k通过将机械弹簧常数K_m和气体弹簧常数K_g相加而获得，并且因此被负载改变。因此难以在公式4中确定操作频率f_c。因此，本发明提供通过改变操作频率f_c探测共振频率(当f_n＝f_c时的频率)的过程。将描述一种控制设备，它通过探测反电动势和电流的相位并且根据公式3改变操作频率f_c而使得操作频率f_c与自然频率f_n同步。

图6是示意根据本发明用于控制直线压缩机的设备的结构视图。

参考图6，用于控制直线压缩机的设备包括：用于通过整流外部交流电压产生直流电压的整流单元41；换流器单元42，用于从整流单元41接收直流电压，根据电压指令值V^*产生正弦波电压，并且向直线压缩机43施加正弦波电压，直线压缩机43用于根据来自换流器单元42的正弦波电压执行压缩和吸入；用于测量施加到直线压缩机43的输入电流(i)的电流传感器44；用于从电压指令值V^*和输入电流(i)探测反电动势E的相位的反电动势相位探测单元45；用于探测输入电流(i)的相位的电流相位探测单元46；用于比较反电动势E和输入电流(i)的相位，并且产生频率变化数值Δf的频率产生单元47；以及用于根据频率变化数值Δf校正电压指令值V^*，并且向换流器单元42施加校正值的控制单元48。

具体地，反电动势相位探测单元45通过利用公式2处理电压指令值V^*和输入电流(i)计算反电动势E，并且探测反电动势E的相位。

频率产生单元47从反电动势相位探测单元45接收反电动势E的相位并且从电流相位探测单元46接收电流(i)的相位，比较这两个相位，产生频率变化数值Δf以用于使得这两个相位相等，并且将频率变化数值Δf发送到控制单元48。

控制单元48通过使用来自频率产生单元47的频率变化数值Δf校正前面电压指令值V^*的频率，并且再次将校正的电压指令值V^*施加到换流器单元42。根据循环处理过程，控制单元48向换流器单元42施加具有与机械自然频率f_n共振的频率(操作频率f_c)的电压指令值V^*，从而直线压缩机43能够执行共振操作。

这里，控制单元48将电压指令值V^*转换成换流器控制信号(例如，PWM信号)，并且将该信号发送到换流器单元42。

如前所述，根据本发明，用于控制直线压缩机的设备和方法通过使用可在电学模型中测量的变量(R，L，i，V^*)实现了共振状态，而非通过准确地计算作为机械变量的弹簧常数K估计自然频率f_n。因此，该直线压缩机在生产期间对于结构精确度不敏感。结果，在用于制造直线压缩机的过程期间，用于控制直线压缩机的设备和方法易于克服结构误差，并且使得直线压缩机能够在共振状态中执行压缩和吸入。

已经基于优选实施例和附图详细解释了所述直线压缩机，其中移动磁体型直线马达进行操作并且被连接到直线马达的活塞在汽缸中直线往复以吸入、压缩和排放制冷剂。然而，虽然已经描述了本发明的优选实施例，应该理解，本发明不应该限于这些优选实施例，而是在如权利要求所限定的本发明的精神和范围中可由本领域技术人员做出各种改变和修改。

Claims (8)

1.一种用于控制直线压缩机的设备，包括：

用于从直线压缩机的电压指令值V^*以及输入电流i探测反电动势E的相位的反电动势相位探测单元；

用于探测输入电流i的相位的电流相位探测单元；

用于比较反电动势E的相位与输入电流i的相位，并且产生频率变化数值的频率产生单元；

用于根据频率变化数值校正电压指令值V^*的控制单元；以及

用于接收直流电压、根据校正的电压指令值V^*产生正弦波电压，并且向直线压缩机施加正弦波电压的换流器单元。

2.根据权利要求1的设备，其中，反电动势相位探测单元通过利用下面的公式操作反电动势E而探测相位：

$E=V^{*}-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

(R：线组电阻，L：感应系数)

3.根据权利要求1的设备，其中，频率产生单元产生频率变化数值从而反电动势E的相位和输入电流i的相位可以同相。

4.根据权利要求1的设备，其中，控制单元将校正的电压指令值V^*以预定换流器控制信号的形式发送到换流器单元。

5.一种用于控制直线压缩机的方法，包括以下步骤：

从直线压缩机的电压指令值V^*以及输入电流i探测反电动势E的相位；

探测输入电流i的相位；

比较反电动势E的相位与输入电流i的相位，并且产生频率变化数值；

根据频率变化数值校正电压指令值V^*；并且

接收直流电压，根据校正的电压指令值V^*产生正弦波电压。

6.根据权利要求5的方法，其中，用于探测反电动势的相位的步骤通过利用下面的公式操作反电动势E而探测相位：

$E=V^{*}-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

(R：线组电阻，L：感应系数)

7.根据权利要求5的方法，其中，用于产生频率变化数值的步骤产生频率变化数值从而反电动势E的相位和输入电流i的相位可以同相。

8.根据权利要求5的方法，还包括将校正的电压指令值V^*转变成预定换流器控制信号的步骤。

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