CN104963849A - 压缩机的测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压缩机的测试方法及装置，能够对线性压缩机及直线振荡电机的等效刚度进行实时、准确检测。所述方法包括：利用电压传感器采集压缩机运行多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流；根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，根据所述多个时刻的电流计算电流矢量；根据矢量平衡原则，利用所述电压矢量和电流矢量计算压缩机机械阻抗；根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效刚度。

Description

压缩机的测试方法及装置

技术领域

本发明涉及压缩机性能分析技术领域，具体涉及一种压缩机的测试方法及装置。

背景技术

新的家用电器能效标准的进一步提高，使得具有显著节能优势的线性压缩机成为冰箱、空调及电子散热领域等家用小型制冷装置压缩机的重要发展方向。线性压缩机通过将直线电机与压缩机活塞一体化设计，由直线电机直接驱动活塞往复运动，从而压缩制冷剂蒸气。这种驱动方式和结构使得线性压缩机相比使用旋转电机省去了旋转运动转换为直线运动的环节，活塞径向作用力变得很小或没有径向力，减少了摩擦损失的功耗，提高了机械传动效率，同时易于实现少油润滑或零油润滑，实现压缩机的高可靠性长寿命，并已在冰箱上得到应用。线性压缩机采用直线同步振荡电机作为驱动器，推动与电机动子连接的活塞在气缸内往复运动。工作过程中工质被吸入到活塞和气缸之间的压缩空间，并在压力升高后从该压缩空间排出，作为用来压缩空气、制冷剂等各种气体工质以提升其压力的机电一体化设备装置。因其工作过程中压缩气体状态参数的变化及间歇性的吸排气作用，使得作为直线振荡电机负载的压缩气体对压缩机频率特性影响较大从而影响压缩机性能。当所述压缩机在没有气体荷载时，线性压缩机具有由谐振弹簧刚度(常数)及所述压缩机运动部件质量限定的机械固有频率。压缩机运行开始排气后，线性压缩机的谐振频率受到压缩腔内被压缩工质所产生的气体弹簧及谐振弹簧的共同影响。

理论分析表明，所述压缩机在谐振状态工作时，其运行效率最高，此时线性压缩机的运动部件及谐振弹簧部件之间的能量蓄积和释放之间存在着平衡，因而电源所需提供的能量约为压缩气体所消耗的能量与克服压缩机运动部件摩擦所消耗的功之和。

为保证压缩机在制冷过程中高效运行，线性压缩机供电系统的驱动频率必须等于或约等于压缩机的固有频率以保证线性压缩机在谐振状态工作。当制冷工质被压缩后从气缸向外排放时，由于压缩机中余隙容积的存在，部分压缩机气体返回到气缸中进行膨胀，使得压缩气体能量返回到机械系统中，从而产生一个气体弹簧效应，排出的压缩气体所消耗的能量则可视为一个气体等效阻尼消耗的能量。在压缩机制冷量减少时，余隙容积的增加，使得返回到压缩机气缸内的压缩气体质量增加，压缩气体的阻尼效应被减弱，弹簧效应被加强，从而使得压缩机的固有频率增加；压缩机压比增加的情况下，压缩气体的弹簧和阻尼效应均被加强，从而使得压缩机的固有频率增加。在制冷系统中被压缩的气体为压缩机的质量-弹簧增加了一个附加气体弹簧和阻尼的效应，使得压缩机运行过程中压缩机的等效刚度、等效阻尼及谐振频率发生改变。这个被压缩气体所产生的弹簧及阻尼效应决定于压缩机运行过程中的吸气压力、排气压力及压缩机活塞的行程。排气压力越高，气体等效弹簧及阻尼效应被增强。压缩机行程越大，气体等效弹簧效应被减弱而阻尼效应被增强。

制冷系统中，系统压力取决于设备内部的热负荷及系统冷凝器所处的环境温度。系统内部的热负荷是指从系统内部移除并散发到环境的热量，热负荷越大，系统所需的制冷量越大，压缩机的行程越大。冷凝器所处的环境温度越高，系统的冷凝温度越高，则系统的排气压力会越高。因此，线性压缩机驱动的制冷系统中，压缩机的等效弹簧刚度会随着天气温度及系统热负荷的变化而变化。因此该参数具有非线性时变的特点。另一方面，压缩机在运行过程中，当天气温度及系统热负荷变化后，通过检测到系统的压缩机的等效弹簧刚度的改变，能够将其用于线性压缩机运行状态的在线监测分析、故障诊断及性能分析。

由于压缩机工作过程中等效弹簧刚度具有非线性时变的特点，在现有文献中尚未见该参数的测试方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种压缩机等效刚度的测试方法及装置，能够对线性压缩机及直线振荡电机的等效刚度进行实时、准确检测。

为此目的，一方面，本发明提出一种压缩机的测试方法，包括：

利用电压传感器采集压缩机运行多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流；

根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，根据所述多个时刻的电流计算电流矢量；

根据矢量平衡原则，利用所述电压矢量和电流矢量计算压缩机机械阻抗；

根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效刚度。

优选地，所述压缩机的测试方法，还包括：

根据所述压缩机等效刚度计算压缩机固有频率。

优选地，所述根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效刚度，还包括：

根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效阻尼。

本发明实施例所述的压缩机的测试方法，利用机械系统参数识别原理，建立线性压缩机电气系统和机械系统类比的机电矢量模型方程，求解出压缩机运行时的等效刚度，能够准确、实时检测直线振荡电机及线性压缩机这类装置的等效刚度。

另一方面，本发明提出一种压缩机的测试装置，包括：

采集单元，用于获取电压传感器采集的压缩机运行至少一个周期内多个时刻的电压，获取电流传感器采集的压缩机运行所述多个时刻的电流；

矢量计算单元，用于根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，根据所述多个时刻的电流计算电流矢量；

机械阻抗计算单元，用于根据矢量平衡原则，利用所述电压矢量和电流矢量计算压缩机机械阻抗；

等效阻尼和等效刚度计算单元，用于根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效阻尼和压缩机等效刚度；

固有频率计算单元，用于根据所述压缩机等效刚度计算压缩机固有频率。

本发明实施例所述的压缩机的测试装置，利用机械系统参数识别原理，建立线性压缩机电气系统和机械系统类比的机电矢量模型方程，求解出压缩机运行时的等效刚度、等效阻尼及固有频率，能够准确、实时检测直线振荡电机及线性压缩机这类装置的等效刚度、等效阻尼及固有频率。

附图说明

图1为本发明压缩机的测试方法一实施例的流程示意图；

图2为线性压缩机机电系统电回路类比模型示意图；

图3为本发明压缩机的测试装置一实施例的方框结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明压缩机的测试方法一较佳实施例的流程示意图；如图1所示，本实施例公开一种压缩机的测试方法，包括：

S1、利用电压传感器采集压缩机运行多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流；

S2、根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，根据所述多个时刻的电流计算电流矢量；

S3、根据矢量平衡原则，利用所述电压矢量和电流矢量计算压缩机机械阻抗；

S4、根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效刚度。

本发明实施例所述的压缩机的测试方法，利用机械系统参数识别原理，建立线性压缩机电气系统和机械系统类比的机电矢量模型方程，求解出压缩机运行时的等效刚度，能够准确、实时检测直线振荡电机及线性压缩机这类装置的等效刚度。

可选地，在本发明压缩机的测试方法的另一实施例中，所述利用电压传感器采集压缩机运行多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流，包括：

利用电压传感器采集压缩机运行一个周期T内多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流；其中，

所述根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，包括：

根据公式计算电压矢量U，所述各个时刻之间的时间间隔为Δt，u_k为所述多个时刻的电压，k＝(1，2，…，n)，n为正整数；

所述根据所述多个时刻的电流计算电流矢量，包括：

根据公式 $\underset{\‾}{I}=\sqrt{2}{\mathrm{Ip}}_f+j\sqrt{2(1-{p_f}^2)}I$ 计算电流矢量I， $I=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{i_k}^2\mathrm{\Δt}}{T}},$ i_k为所述多个时刻对应电压u_k的电流；或者

根据所述多个时刻的电压和电流，利用过零法计算得到电压和电流之间的相位差Φ_ui；

根据公式计算电流矢量I，i_k为所述多个时刻的电流。

可选地，在本发明压缩机的测试方法的另一实施例中，所述利用电压传感器采集压缩机运行多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流，包括：

利用电压传感器采集压缩机运行多个周期内多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流；其中，

所述根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，根据所述多个时刻的电流计算电流矢量，包括：

根据所述多个时刻的电压，利用傅里叶分解算法计算电压幅值U_m和相位Φ_u，根据所述多个时刻的电流，利用傅里叶分解算法计算电流幅值I_m和相位Φ_i；

根据公式计算电压矢量U，根据公式计算电流矢量I。

可选地，在本发明压缩机的测试方法的另一实施例中，所述根据矢量平衡原则，利用所述电压矢量和电流矢量计算压缩机机械阻抗，包括：

根据公式计算压缩机机械阻抗Z _m ，其中K₀为电机电磁力系数，I为所述电流矢量，U为所述电压矢量，电路阻抗R_e为电机等效电阻，ω为压缩机运行频率，L_e为电机等效电感，C为压缩机所在电路中电容。

在实践的过程中，发明人发现线性压缩机机电系统可以类比为如图2所示的电回路模型，由图2所示，对压缩机矢量平衡方程可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_0\underset{\‾}{I}=\underset{\‾}{Z_m}\underset{\‾}{\mathrm{\υ}}\\ \underset{\‾}{U}=\underset{\‾}{Z_e}\underset{\‾}{I}+K_0\underset{\‾}{\mathrm{\υ}}\end{array}\right.,$

上式中，

电路阻抗的定义为： $\underset{\‾}{Z_e}=R_e+j({\mathrm{\ωL}}_e-\frac{1}{\mathrm{\ωC}}),$

机械阻抗的定义为： $\underset{\‾}{Z_m}=c_{\mathrm{sg}}+j(\mathrm{\ωm}-\frac{1}{\mathrm{\ω}}{k}_{\mathrm{sg}}),$

R_e为电机等效电阻；L_e为电机等效电感；K₀为电机电磁力系数；c_sg为压缩机等效阻尼系数，k_sg为压缩机等效弹簧刚度，m为压缩机运动部件质量(包括电机动子、压缩机活塞质量)，ω为压缩机运行频率。

则可计算得到压缩机机械阻抗

可选地，在本发明压缩机的测试方法的另一实施例中，所述根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效刚度，包括：

根据公式计算压缩机等效刚度k_sg，其中Z _m 为所述压缩机机械阻抗，为的Z _m 共轭复数，m为压缩机运动部件质量，ω为压缩机运行频率。

可选地，在本发明压缩机的测试方法的另一实施例中，还包括：

根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效阻尼。

可选地，在本发明压缩机的测试方法的另一实施例中，所述根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效阻尼，包括：

根据公式计算压缩机等效阻尼c_sg，其中Z _m 为所述压缩机机械阻抗，为的Z _m 共轭复数。

可选地，在本发明压缩机的测试方法的另一实施例中，还包括：

根据所述压缩机等效刚度计算压缩机固有频率。

可选地，在本发明压缩机的测试方法的另一实施例中，所述根据所述压缩机等效刚度计算压缩机固有频率，包括：

根据公式计算压缩机固有频率f_n，其中k_sg为所述压缩机等效刚度，m为运动部件质量。

本发明设计了一种新的线性压缩机参数测试方法，利用压缩机的机电耦合矢量模型，通过在频域内计算得到压缩机运行时的等效刚度、等效阻尼及固有频率等非线性时变参数。本发明能够准确、实时检测直线振荡电机及线性压缩机这类装置的等效刚度、等效阻尼及固有频率，可用于该类装置运行状态的在线监测分析、故障诊断及性能分析。

如图3所示，本实施例公开一种压缩机的测试装置，包括：

采集单元1，采集单元，用于获取电压传感器采集的压缩机运行至少一个周期内多个时刻的电压，获取电流传感器采集的压缩机运行所述多个时刻的电流；

矢量计算单元2，用于根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，根据所述多个时刻的电流计算电流矢量；

机械阻抗计算单元3，用于根据矢量平衡原则，利用所述电压矢量和电流矢量计算压缩机机械阻抗；

等效阻尼和等效刚度计算单元4，用于根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效阻尼和压缩机等效刚度；

固有频率计算单元5，用于根据所述压缩机等效刚度计算压缩机固有频率。

本发明实施例所述的压缩机的测试装置，利用机械系统参数识别原理，建立线性压缩机电气系统和机械系统类比的机电矢量模型方程，求解出压缩机运行时的等效刚度、等效阻尼及固有频率，能够准确、实时检测直线振荡电机及线性压缩机这类装置的等效刚度、等效阻尼及固有频率。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种压缩机的测试方法，其特征在于，包括：

利用电压传感器采集压缩机运行多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流；

根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，根据所述多个时刻的电流计算电流矢量；

根据矢量平衡原则，利用所述电压矢量和电流矢量计算压缩机机械阻抗；

根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效刚度。

2.根据权利要求1所述的压缩机的测试方法，其特征在于，所述利用电压传感器采集压缩机运行多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流，包括：

利用电压传感器采集压缩机运行一个周期T内多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流；其中，

所述根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，包括：

根据公式计算电压矢量 所述各个时刻之间的时间间隔为Δt，u_k为所述多个时刻的电压，k＝(1，2，…，n)，n为正整数；

所述根据所述多个时刻的电流计算电流矢量，包括：

根据公式 $\underset{\‾}{I}=\sqrt{2}{\mathrm{Ip}}_f+j\sqrt{2(1-{p_f}^2)}I$ 计算电流矢量 $I=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{i_k}^2\mathrm{\Δt}}{T}},$ i_k为所述多个时刻对应电压u_k的电流；或者

根据所述多个时刻的电压和电流，利用过零法计算得到电压和电流之间的相位差Φ_ui；

根据公式计算电流矢量 i_k为所述多个时刻的电流。

3.根据权利要求1所述的压缩机的测试方法，其特征在于，所述利用电压传感器采集压缩机运行多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流，包括：

利用电压传感器采集压缩机运行多个周期内多个时刻的电压，利用电流传感器采集压缩机运行所述多个时刻的电流；其中，

所述根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，根据所述多个时刻的电流计算电流矢量，包括：

根据所述多个时刻的电压，利用傅里叶分解算法计算电压幅值U_m和相位Φ_u，根据所述多个时刻的电流，利用傅里叶分解算法计算电流幅值I_m和相位Φ_i；

根据公式计算电压矢量根据公式计算电流矢量

4.根据权利要求1所述的压缩机的测试方法，其特征在于，所述根据矢量平衡原则，利用所述电压矢量和电流矢量计算压缩机机械阻抗，包括：

根据公式计算压缩机机械阻抗其中K₀为电机电磁力系数，为所述电流矢量，为所述电压矢量，电路阻抗R_e为电机等效电阻，ω为压缩机运行频率，L_e为电机等效电感，C为压缩机所在电路中电容。

5.根据权利要求1所述的压缩机的测试方法，其特征在于，所述根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效刚度，包括：

根据公式计算压缩机等效刚度k_sg，其中为所述压缩机机械阻抗，为的共轭复数，m为压缩机运动部件质量，ω为压缩机运行频率。

6.根据权利要求1所述的压缩机的测试方法，其特征在于，还包括：

根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效阻尼。

7.根据权利要求6所述的压缩机的测试方法，其特征在于，所述根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效阻尼，包括：

根据公式计算压缩机等效阻尼c_sg，其中为所述压缩机机械阻抗，为的共轭复数。

8.根据权利要求1所述的压缩机的测试方法，其特征在于，还包括：

根据所述压缩机等效刚度计算压缩机固有频率。

9.根据权利要求8所述的压缩机的测试方法，其特征在于，所述根据所述压缩机等效刚度计算压缩机固有频率，包括：

根据公式计算压缩机固有频率f_n，其中k_sg为所述压缩机等效刚度，m为压缩机运动部件质量。

10.一种压缩机的测试装置，其特征在于，包括：

采集单元，用于获取电压传感器采集的压缩机运行至少一个周期内多个时刻的电压，获取电流传感器采集的压缩机运行所述多个时刻的电流；

矢量计算单元，用于根据所述多个时刻的电压计算电压矢量，根据所述多个时刻的电流计算电流矢量；

机械阻抗计算单元，用于根据矢量平衡原则，利用所述电压矢量和电流矢量计算压缩机机械阻抗；

等效阻尼和等效刚度计算单元，用于根据所述压缩机机械阻抗计算压缩机等效阻尼和压缩机等效刚度；

固有频率计算单元，用于根据所述压缩机等效刚度计算压缩机固有频率。