CN102522941A - 一种抑制压缩机低频振动的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新的抑制压缩机低频振动的方法和系统。该方法与现有技术中的针对负载力矩进行补偿的力矩控制方法不同，基于脉动负载力矩，预设定将马达力矩控制为超前相位，然后通过速度脉动成分的相位检出，计算出马达力矩的超前相位决定以及通过速度脉动的大小计算出振动降低用的电流指令，对马达力矩进行实时的相位力矩补偿，对于振动抑制，尤其是低速运转时的振动抑制有很大的效果。通过变频压缩机低频的超前相位力矩补偿技术，减低低频压缩机的振动和管路应力，在超低频运转时，达到管路的零位移状态，使空调的制冷能力扩大到低能力侧，达到变频的节能舒适效果。

Description

一种抑制压缩机低频振动的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种抑制压缩机振动的方法和系统，更具体的，涉及一种抑制直流变频压缩机低频振动的方法和系统。

背景技术

随着世界范围内能源危机的到来，传统空调器由于运行效率低下，必将逐渐退出市场。作为节能效果突出的新技术，变频空调是空调行业发展的必然趋势。但是，对于直流变频空调压缩机来说，特别是对于单转子压缩机来说，低频运行时会有负载不平衡的突出问题。直流变频空调压缩机为了防止由于压缩机振动引起的一体全体的振动，空调通过弹性支持体(弹簧及橡胶)松弛地固定在底盘。但是，压缩机上连接的吸入侧冷媒管和吐出侧冷媒管很硬，压缩机振动从管子连接口传达到配管全体。这些压缩机及配管的振动，如果压缩机旋转速度越低，振动振幅就越大。

单转子压缩机的这种低频振动产生下列后果：

1.要是某种旋转速度时的压缩机振动与配管系统固有振动频率一致，配管系统会发生很大振幅的振动。如果放任配管振动，最不好的情况时，因振动应力疲劳，会发生配管折断的事故。

2.并且，因为低频振动原因，低速不能运转，空调的制冷能力不能扩大到低能力侧，重复开关控制消耗电力增大，变频压缩机达不到宽频率运行.

压缩机振动的简单理论分析如下：

在理想情况下，电机的输出转矩τ_M、负载转矩τ_L和角速度ω_r，有如下公式：

$J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\τ}}_M-{\mathrm{\τ}}_L$

式中J：马达与压缩机合起的转动惯量；ω_r为角速度；τ_M为马达力矩，τ_L为负载力矩。

只要马达转矩和负载转矩的差值不为零，则角加速度

不为零，由加速度引起的振动也就存在。下图1为单转子压缩机在1旋转中的负载变动的图示，

速度控制系统中检测速度后，决定这个与指令速一致的马达力矩。检测的速度是，从

式可知道，

对于差力矩Δτ＝τM-τL，具有90度的相位迟延。所以，根据这迟延的速度情报决定的马达力矩也是相位会迟延。结果，负载力矩大的区间中马达力矩小，负载力矩小的区间中马达力矩大，差力矩增大，因此速度的变动变大，尤其在低频段，振动尤为明显，参见图2。

现有技术中针对该问题目前有应用最广泛的直流变频空调器的低频力矩控制方式有两种，分别是可变力矩控制方法和衡力矩控制方法。

第一种办法：可变力矩型力矩控制方法

参见图3，可变力矩控制方法从检测的位置误差(转子的实际位置和控制系统推定的位置之差)中推定脉动负载力矩的脉动成分ΔτL，基于公式的右边作为0的想法的方式，作成马达力矩脉动成分用的电流指令，对马达力矩进行力矩补偿，从而实现实时调节压缩机的输出转矩。

可变力矩通过增益将角度放大，实时检测转子位置，马达力矩控制灵敏，但是，该方法的问题在于：

(1)通常情况下，电机输出转矩的变化总是滞后于压缩机负载，因而控制会滞后于实际，这样就会出现负载由重转轻时力矩补偿过了，如图4所示，可变力矩控制波形在一个周期内会有明显大小区别；如果根据力矩控制合起负载脉动ΔτL决定马达力矩，就会可能超过变频器的容许电流没法运转，接着，电流指令上设定限制值，被电流限制的状态中没法把马达力矩跟负载力矩合起，反馈控制系统也不能成立，马达力矩比脉动负载力矩的相位迟延，比不做力矩控制时也有压缩机振动增大，从而导致电机的输出转矩和压缩机负载转矩的不平衡，最终使得压缩机旋转一周中经历了加速和减速两种状态，振动反而增大，如图5所示，在速度脉动变最小时，压缩机振动却不一定最小。

(2)根据马达电流脉动电机损耗增加

第二种办法：衡力矩型力矩控制方法

参见图6，衡力矩控制方法在根本上也是通过检测一旋转中的马达电流Im的脉动成分，计算出脉动电流ΔIM，与0值的差进行积分，计算出降低电流脉动的电压指令，使马达电流趋于平稳运转，这种方法计算出的力矩，基本属于一个恒定的力矩，该衡力矩型控制方法的马达力矩、速度脉动、负载力矩的大致关系参见图7，对其进行实际测试所得到的马达波形见图8。

这种衡力矩型力矩控制方法的优点是功耗低。

但是，该恒力矩控制方法的问题在于：

(1)压缩机不会没有振动。

(2)负载脉动变大的低速领域中，电流不一定是恒定。。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，提供一种新的抑制直流变频压缩机低频振动的方法和系统。

该方法是一种新型的力矩控制技术，该方法跟以前的力矩控制不同，对于脉动负载力矩，预设定将马达力矩控制为超前相位，然后通过速度脉动成分的相位检出，计算出马达力矩的超前相位决定以及通过速度脉动的大小计算出振动降低用的电流指令，对马达力矩进行实时的超前相位补偿和力矩补偿，对于振动抑制，尤其是低速运转时的振动抑制有很大的效果。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于控制空调的压缩机驱动设备的方法，包括以下步骤：

步骤A：对马达力矩设定超前相位补偿值α_M-L，该超前相位补偿值α_M-L是以负载力矩为基准的马达力矩相位；

步骤B：检测单元检测所述压缩机中所运行的角速度的脉动；

步骤C：根据所检测到的角速度脉动，角速度计算单元预测角速度在下一时刻和位置的变化；

步骤D：根据所预测的角速度的变化，动态相位补偿角计算单元确定对应的动态相位补偿角；

以及

步骤E：控制单元根据所预测的角速度的变化和计算单元所确定的结果，对马达力矩进行实时的力矩补偿。

优选的，在步骤B中，包括检测所述速度脉动的相位变化。

优选的，步骤D中，计算单元根据动态相位补偿角确定与之相对应的相位电流。

优选的，步骤E中，控制单元通过控制相位电流信号来对马达力矩进行实时的力矩补偿。

优选的，确定所述角速度脉动是增大还是降低；响应于所述角速度脉动的增大或降低，适应性地施加所述动态相位力矩补偿。

优选的，该控制方法是闭环控制，设定好初始的超前相位补偿值α_M-L之后，控制单元根据所检测到的速度脉动自动求得需要补偿的动态相位补偿角，并根据调整后的响应速度脉动继续调整超前动态相位补偿角，以及通过速度脉动的大小计算出振动降低用的电流指令，对马达力矩进行实时的力矩补偿。

本发明还提供一种用于控制空调的压缩机驱动设备的系统，包括：

超前相位补偿设定单元，设定马达力矩的超前相位补偿值α_M-L，该超前相位补偿值α_M-L是以负载力矩为基准的马达力矩相位；

检测单元，检测压缩机所运行的角速度的脉动；

角速度计算单元，被配置为根据所检测到的角速度的脉动，预测角速度在下一时刻或者下一位置的角速度；

动态相位补偿角计算单元，根据所预测的角速度的变化确定对应的动态相位补偿角；

控制单元，根据所预测的角速度的变化和计算单元所确定的结果，依据所确定的动态相位补偿角来对马达力矩进行实时的力矩补偿。

优选的，还具有电流计算单元，通过速度脉动的大小计算出与使得振动降低的动态相位补偿角相应的相位电流。

优选的，控制单元据此对马达力矩进行实时的力矩补偿。

优选的，该系统是闭环控制系统，在超前相位补偿设定单元设定好初始的超前相位补偿值α_M-L之后，该系统根据所检测到的速度脉动自动求得需要补偿的动态相位补偿角，并根据调整后的响应速度脉动自动求得需要补偿的动态相位补偿角，以及通过速度脉动的大小计算出振动降低用的电流指令，对马达力矩进行实时的力矩补偿。

本发明还提供一种用于驱动空调的压缩机的系统，包括：

马达，被配置为使所述压缩机旋转；

超前相位补偿设定单元，设定马达力矩的超前相位补偿值α_M-L，该超前相位补偿值α_M-L是以负载力矩为基准的马达力矩相位；

速度检测装置，检测压缩机旋转的角速度；

计算单元，被配置为根据所检测到的角速度的脉动，预测角速度在下一时刻或者下一位置的角速度，并根据压缩机旋转的角速度脉动确定对应的动态相位补偿角；

控制单元，使用所确定的超前动态相位补偿角来实时的补偿马达扭矩。

本发明具有如下优点：对于脉动负载力矩，预设定将马达力矩控制为超前相位，然后通过速度脉动成分的相位检出，计算出马达力矩的超前相位决定以及通过速度脉动的大小计算出振动降低用的电流指令，对马达力矩进行实时的超前相位补偿和力矩补偿，对于振动抑制，尤其是低速运转时的振动抑制有很大的效果。通过变频压缩机低频的超前相位力矩补偿技术，减低低频压缩机的振动和管路应力，在超低频运转时，达到管路的零位移状态，使空调的制冷能力扩大到低能力侧，达到变频的节能舒适效果。

附图说明

下面根据实施例与附图对本发明作进一步详细说明。

图1是单转子型压缩机负载变动的示意图；

图2是无力矩控制时所发生的速度变动的示意图；

图3是现有技术中可变型力矩控制方法的控制内容流程示意图；

图4是现有技术中可变力矩控制方法的马达力矩与速度变化关系示意图；

图5是现有技术中可变力矩控制方法的压缩机振动与速度脉动之间关系的示意图；

图6是现有技术中衡力矩型力矩控制方法的控制内容流程示意图；

图7是现有技术中衡力矩型力矩控制方法的马达力矩和速度的关系示意图；

图8是现有技术中衡力矩型力矩控制方法的实际测试所得到的马达波形；

图9是本发明中力矩控制方法的控制内容流程示意图；

图10是本发明中力矩控制方法的马达力矩与速度关系示意图；

图11是本发明中力矩控制方法的角速度、马达力矩、负载力矩、差力矩的关系示意图。

具体实施方式

在压缩机运行的实际控制过程中，因为不能检测脉动负载力矩的相位及大小，因此只有先检测脉动速度的相位，根据脉动速度的相位，只有预先实验中决定的相位份，把马达力矩相位决定于迟延相位侧。

■负载力矩和马达力矩的位相差α_M-L，该位相差α_M-L的值不能检测，也不能直接控制

■马达力矩/负载力矩比k_M，该力矩比值不能检测，也不能直接控制

■脉动的速度与马达力矩的相位差α_M-ω180或者是β_ω-M，该相位差可以控制首先参照图11，明确上述3个变量的相互关系。

图11中的条件为：k_M＝0.8，α_M-L＝25度，β_M-L＝39度，α_M-ω180＝166度，其中各个参数量的含义如下：

■α_M-L；负载相位为基准的马达力矩相位

■α_M-ω180：从速度相位迟延180度的相位(速度脉动的逆极性相位)基准的马达力矩相位(即α_M-ω180+β_ω-M＝π)

■β_ω-L；负载位相为基准的速度相位

■β_ω-M；马达力矩为基准的速度相位

■k_M；马达力矩/负载力矩比

理想地，角速度必定为常量。然而，马达驱动压缩机的速率不是常量且是可改变的。即，速率波动的发生难以避免。当压缩机压缩制冷剂时可产生此速率波动。

实际上，例如当压缩机压缩制冷剂时，响应于液态制冷剂的压缩，非线性模式的负载扭矩被施加至马达，并因此加剧了速率波动，其中马达的旋转速率根据非线性负载扭矩而在预定范围内周期性地改变。

参见图9，本发明中优选实施例提供的抑制压缩机低频振动的力矩控制方法包括如下步骤：

步骤A：对马达力矩设定超前相位补偿值α_M-L，该超前相位补偿值α_M-L是

以负载力矩为基准的马达力矩相位，(例如α_M-L＝5、15、25度)；

步骤B：检测所述压缩机中运行的角速度的脉动；

步骤C：根据所检测到的角速度脉动，计算单元预测角速度在下一时刻和位置的变化；

步骤D：根据所预测的角速度的变化，计算单元确定对应的动态相位补偿角α_M-ω-180，并根据动态相位补偿角确定与之相对应的相位电流；

计算单元根据所述速度脉动确定对应的超前动态相位补偿角；

步骤E：控制单元根据所预测的角速度的变化和计算单元所确定的结果，对马达力矩进行实时的力矩补偿。

该控制方法中控制单元使用所确定的超前动态相位补偿角来补偿所述马达力矩超前相位。控制过程通过检测速度脉动成分，调整超前动态相位补偿角α_M-ω180来调整马达力矩超前相位补偿以及通过检测速度脉动成分调整力矩补偿值，其中α_M-ω180是以马达力矩相位为基准的速度相位。

该控制方法是闭环控制，设定好初始的超前相位补偿α_M-L值之后，控制单元根据所检测到的速度脉动自动求得需要补偿的超前动态相位补偿角α_M-ω180以及马达力矩补偿值，并根据调整后的响应速度继续调整超前动态相位补偿角和马达力矩补偿值，实时的对马达进行超前相位力矩补偿。

图10示出了本发明中力矩控制方法的马达力矩与速度关系的示意图，由该图10可以看出，该方法没有采用可变力矩型控制方法中的使得

$J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\τ}}_M-{\mathrm{\τ}}_L$

的上述公式右侧的合力矩等于零的思路，而是简单的通过对马达力矩的相位进行补充，也有效的降低了速度脉动。

本发明另一优选实施例中，还提供一种用于驱动空调的压缩机的控制系统，该控制系统包括：

马达，被配置为使所述压缩机旋转；

超前相位补偿设定单元，设定马达力矩的超前相位补偿值α_M-L，该超前相位补偿值α_M-L是以负载力矩为基准的马达力矩相位；

速度检测装置，检测压缩机旋转的角速度；

计算单元，被配置为根据压缩机旋转的角速度脉动确定对应的超前动态相位补偿角α_M-ω180，其中α_M-ω180是以速度相位迟延180度的相位为基准的马达力矩相位；

控制单元，使用所确定的超前动态相位补偿角来实时的补偿马达力矩。

其中，计算单元根据所检测到的速度脉动预测下一时刻或者位置的角速度，通过该预测的速度脉动的计算出使得振动降低用的电流指令，控制单元据此对马达力矩进行实时的力矩补偿。

该设备采用闭环控制，其中如果所述速率脉动降低，所述控制器逐步降低所述马达扭矩的超前动态相位补偿角和马达力矩补偿值，并检测响应于所降低的补偿相位角的速率波动来调整超前动态相位补偿角和马达力矩补偿值。

如果超前相位变得太大，速度变动也变大，因为这速度变动所以反而振动增大，该闭环控制能抑制压缩机振动的马达力矩的超前相位角，使其稳定在某种范围。

该实施例中通过控制马达的输入电压信号来向马达提供上述相位补偿形式的力矩补偿。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于控制空调的压缩机驱动设备的方法，包括以下步骤：

步骤A：对马达力矩设定超前相位补偿值α_M-L，该超前相位补偿值α_M-L是以负载力矩为基准的马达力矩相位；

步骤B：检测单元检测所述压缩机中所运行的角速度的脉动；

步骤C：根据所检测到的角速度脉动，角速度计算单元预测角速度在下一时刻和位置的变化；

步骤D：根据所预测的角速度的变化，动态相位补偿角计算单元确定对应的动态相位补偿角；

步骤E：控制单元根据所预测的角速度的变化和计算单元所确定的结果，对马达力矩进行实时的力矩补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在步骤B中，包括检测所述速度脉动的相位变化。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤D中，根据动态相位补偿角确定与之相对应的相位电流。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤E中，控制单元通过控制相位电流信号来对马达力矩进行实时的力矩补偿。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

确定所述角速度脉动是增大还是降低；

响应于所述角速度脉动的增大或降低，适应性地施加所述动态相位力矩补偿。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，该控制方法是闭环控制，设定好初始的超前相位补偿值α_M-L之后，根据所检测到的速度脉动自动求得需要补偿的动态相位补偿角，并根据调整后的响应速度脉动继续调整超前动态相位补偿角，以及通过速度脉动的大小计算出振动降低用的电流指令，对马达力矩进行实时的力矩补偿。

7.一种用于控制空调的压缩机驱动设备的系统，包括：

超前相位补偿设定单元，设定马达力矩的超前相位补偿值α_M-L，该超前相位补偿值α_M-L是以负载力矩为基准的马达力矩相位；

检测单元，检测压缩机所运行的角速度的脉动；

角速度计算单元，被配置为根据所检测到的角速度的脉动，预测角速度在下一时刻或者下一位置的角速度；

动态相位补偿角计算单元，根据所预测的角速度的变化确定对应的动态相位补偿角；

控制单元，根据所预测的角速度的变化和计算单元所确定的结果，依据所确定的动态相位补偿角来对马达力矩进行实时的力矩补偿。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

还具有电流计算单元，通过速度脉动的大小计算出与使得振动降低的动态相位补偿角相应的相位电流。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，

控制单元据此对马达力矩进行实时的力矩补偿。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的系统，其特征在于，该系统是闭环控制系统，在超前相位补偿设定单元设定好初始的超前相位补偿值α_M-L之后，该系统根据所检测到的速度脉动自动求得需要补偿的动态相位补偿角，并根据调整后的响应速度脉动自动求得需要补偿的动态相位补偿角，以及通过速度脉动的大小计算出振动降低用的电流指令，对马达力矩进行实时的力矩补偿。

Images