CN105649930A - 用于往复式压缩机的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于密封冷却压缩机的控制系统，其包括往复式压缩机（3）以及用于所述往复式压缩机（3）的电子控制器（2），所述电子控制器（2）构造成：在指令关闭所述往复式压缩机（3）之后检测转动杆轴（10）的转动速度（23）是否低于预定速度水平，并且在检测到的转动速度（23）低于速度水平（34）的情况下在完成所述转动杆轴（10）的下一圈转动之前施加导致所述转动杆轴（10）减速的制动扭矩（36）。

Description

用于往复式压缩机的控制系统和方法

本申请是2012年1月25日提交的名为“用于往复式压缩机的控制系统和方法”的申请号为CN201280006608.4的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种使得能够控制往复式压缩机的停止（制动）表现的系统和方法。

背景技术

往复式密封压缩机包括具有往复式运动的连杆-曲柄和活塞类型，并且宽泛地用于冷却设备、家用和商用领域中。

往复式压缩机可以是恒定容量类型的压缩机，其中两个恒定速度状态（ON/OFF）的控制借助在最大温度下接通压缩机并且在最小温度下关闭压缩机来执行；或者变容量的压缩机，其中由一些机电装置或电子电路来执行控制，所述机电装置或电子电路能够对取决于在冷却设备上待被控制的变量（例如，隔间的内部温度）的程序作出响应，其中所述压缩机在变化的速度以及停止时以往复操作循环起作用。

在操作时段期间，往复式压缩机负责使得冷却气体循环通过冷却回路，连杆-曲柄和活塞机构负责执行周期性运动，该该周期性运动中，活塞在其前进期间提高气体压力并且冷却气体施加相反的应力到该机构上以及到转动杆轴上。在该活塞上的该应力以及在该机构和转动杆轴上的随后反作用在转动杆轴的一圈转动中显著地变化，该变化与冷却气体压力的值成正比（蒸发的压力与冷却回路的冷凝的压力之间的差越大，则该变化越大）。

因此，借助使用往复式压缩机的冷却设备，在压缩机关闭的时刻，由于施加转动运动的该组件的惯性、主要由于马达转子的惯性，该机构仍转动。该惯性运动在压缩机的停止期间导致抖动，这是由气体的压差导致的在活塞上的相反冲击引起的。该冲击由在杆轴的最后一圈时杆轴的急剧停止或沿相反方向的转动运动引起，这是因为活塞不能够克服该压力。因此，气体在交替运动中被压缩和解压缩，这可能导致往复式压缩机出现问题。

鉴于此，停止抖动在用于冷却的往复式压缩机中是典型的。通常，在该压缩机内部设计悬挂弹簧系统，该悬挂弹簧系统支承整个组件，以便吸收冲击并且衰减该冲击并且不导致问题，例如由部件之间的冲撞引起的弹簧破裂或停止噪声。压缩机操作所处的压力的差异越大，停止冲击将越大。

对在压缩机停止时的抖动问题的一个工程上的解决方案是悬挂弹簧的平衡设计。悬挂弹簧的主要功能是衰减在泵送系统的正常操作期间由于活塞的往复运动而产生的振动的传递，因此防止这些振动被传送到外部压缩机主体上以及因此传送到冷却器上，这种传递会导致噪声。这样，弹簧则应当足够软以除了吸收停止冲击外还衰减正常运行的振动。在另一方面，弹簧不应当设计成过软而达到在该停止冲击期间允许组件长移位的程度，因为这可能导致在机械止动件处的冲撞，从而增加噪声。类似地，该设计应采用不导致在弹簧上的过量应力达到导致该弹簧疲劳或破裂的程度。

可能注意的是，在以较大压差操作的压缩机上以及在其部件具有较少内部质量的压缩机上，该停止抖动更为强烈。此外，与压力状况相关以及与组件质量相关的因素使得难以设计悬挂弹簧，并且人们越想要衰减正常操作振动，该项目越超乎寻常，尤其是在低速旋转的操作时。鉴于此，人们面临难以被满足的更为严峻的轮廓状况。

在其中存在严苛压力条件、组件重量的优化、显著地降低低速旋转操作中的振动水平的需求的设计中，弹簧设计的方案可能不能满足全部想要的条件。

发明内容

因此，本发明的第一目的在于提供一种用于减少悬挂系统的弹簧的刚度的系统和方法，由此最小化在正常操作期间的振动水平。

本发明的另一目的在于提供一种能够降低对悬挂系统的稳健性的要求、借助防止弹簧破裂来保持弹簧的可靠性水平和使用寿命的系统和方法。

本发明的又一目的在于提供一种能够使得压缩机能够操作在高压差状况下的系统和方法，在所述高压差状况下，所述压缩机可被关闭，而不产生不想要的冲撞和噪声。

本发明的目的借助用于冷却压缩机的控制系统来实现，所述系统至少包括一个电子控制器以及一个往复式压缩机，所述往复式压缩机包括至少一个机械组件，所述机械组件包括至少一个压缩机构和一个马达，所述控制系统构造成检测所述压缩机构的转动速度并且在检测到所述转动速度低于速度水平之后向所述机械组件施加制动扭矩。

此外，还提出了用于密封冷却压缩机的控制方法，包括步骤：

（a）检测机械组件的转动速度，所述机械组件包括至少一个压缩机构和一个马达；

（b）将所述转动速度与速度水平比较；以及

（c）在检测表明所述转动速度低于速度水平的情况下施加制动扭矩以使得所述机械控制器减速。

附图说明

现将参考下述附图来更详细地描述本发明：

图1是冷却系统的示意图；

图2是压缩机以及在该压缩机内部的主要子系统的控制的示意图；

图3是往复式压缩机的机械子系统的细节的示意图；

图4是压缩机的压缩过程以及杆轴的速度的示意图；

图5是根据现有技术的在启动期间压缩机的压缩过程以及杆轴的速度的示意图；以及

图6是根据本发明的在启动期间压缩机的压缩过程以及杆轴的速度的示意图。

具体实施方式

如图1所示，冷却系统包括往复式压缩机3，所述往复式压缩机由电功率网络1馈送并且具有能够控制往复式压缩机3的操作的电子控制器2。往复式压缩机3驱动气体循环闭环回路18中的冷却气体，从而产生在该回路内的冷却气流78，并且将该气体引导到冷凝器5。在冷凝器5之后，冷却气体经过流冷却装置6，所述流冷却装置例如可以是毛细管。然后，气体被引导到蒸发器4并且之后返回到往复式压缩机3，从而重新启动气体循环回路。

图2示出了在往复式压缩机内部的子系统的焦点，所述往复式压缩机3由壳体17、悬挂弹簧11来形成，所述悬挂弹簧用于阻尼由机械组件12的运动产生的机械振动，所述机械组件由马达9和压缩机构8来形成，所述马达9和压缩机构8由杆轴10机械地互连，所述杆轴传递扭矩和旋转运动。

由于不平衡以及扭矩变化而由压缩机构8产生的机械振动由悬挂弹簧11过滤。为此原因，悬挂弹簧11伸出以便具有低弹性系数（也就是说，尽可能软），以便增加振动过滤的有效性。然而，如果悬挂弹簧11被制成是软的，则该设计增加了在往复式压缩机3的停止期间机械组件12的摆动过渡幅值以及位移，能够导致机械组件12（驱动和压缩）与往复式压缩机3的壳体17之间的机械冲撞，从而产生噪声以及悬挂弹簧11的可能疲劳或破裂。

图3示出了压缩机构8，所述压缩机构包括转动杆轴10，连杆16被联接到所述转动杆轴。连杆16在往复式运动期间修整转动杆轴10的旋转运动，所述连杆驱动活塞15以使其在气缸13内部运动，从而使得被压缩气体循环通过阀板14。该机构压缩气体，使得产生高压差以及高反作用扭矩峰值。转动杆轴10的旋转运动由其自身的惯性来保持，其平均速度由马达9的扭矩生成来保持。

图4示出了由马达9产生的操作扭矩20，该操作扭矩遭遇压缩机构8的反作用扭矩21，所述反作用扭矩构造成导致往复式压缩机3的转动杆轴10的转动速度23变化。转动杆轴10的该转动速度23在整个压缩循环中变化，压缩循环在活塞15的下止点处（通常，当转动角度是零时）开始，通常在接近180度的转动角度的较小角度下达到最大压缩和最大反作用扭矩21，由此导致杆轴的减速。

如从图5中能看到的，在根据现有技术的往复式压缩机3的停止过程期间，在当马达9停止产生操作扭矩20时的停止时刻22，压缩机构8继续其由储存在转动杆轴10上的动能馈送的惯性运动，转动杆轴10的转动速度23随着被完成的每个压缩循环而逐渐减少，从而从转动质量杆轴10汲取动能直到冲击时刻24，在冲击时刻24，由于转动杆轴的急剧减少的旋转，存在不足以完成压缩循环的足够能量。

因此，转动杆轴10快速地丧失转动速度23，也就是说，发生高的减速（rpm/s），这导致在冲击时刻24处在压缩机构8中的反向冲击。在非常短的时间段内在压缩机构8的减速驱动整个机械组件12，并且可能导致转动杆轴10沿相反方向转动。转动杆轴10的动能取决于转动杆轴10的旋转（的平方）以及惯性。急剧停止时发生的反向冲击导致机械组件12上的强冲击，并且由此导致机械组件12与壳体17之间的大位移和可能机械冲撞，从而导致悬挂弹簧11的噪声和疲劳。

图6以相反的方式示出了根据本发明的图形，其示出了所示问题的解决方案，其中在往复式压缩机3的停止过程期间，在当马达9停止产生操作扭矩时的制动时刻32，该压缩机构8继续其由储存在转动杆轴10上的动能馈送的惯性运动，转动杆轴10的转动速度23逐渐下降直到转动杆轴10的旋转将小于速度水平34。当电子控制器2检测到转动杆轴10的旋转达到速度水平34时，在下一时刻35，电子控制器2沿与压缩机构8的转动相反的方向施加制动扭矩36。

优选地，该检测由电子控制器2作出，所述电子控制器检测转子位置的变化之间的时间。如从图5和图6可看到的，活塞的行程周期（0o至360o）相对于速度以成反比例的方式变化。由此，电子控制器2可构造成检测压缩机构8需要执行其运动（从0o至360o）的时段并且将该时段与最大参考时间比较。该最大参考时间与压缩机构8需要在速度水平34下执行其运动的时段相关。由此，可以说，当转动杆轴10的旋转速度低于由电子控制器2预定的速度水平34时施加制动扭矩36。在本发明的优选实施方式中，当反作用扭矩31经过其中一个最大值（峰值）时，通常施加制动扭矩36，以借助使用已经处于减速的马达9的惯性来有利于制动。该制动扭矩36的最相关方面是其强度和持续时间，所述强度取决于将循环通过马达9的绕组的电流水平，并且所述持续时间可能从其达到速度水平34所处的时刻开始直到马达9的完全停止。

制动扭矩36的应用可能以各种方式来做出。优选地，采用在马达9的绕组之间添加电阻的方法，这使得由马达9的运动产生的电流在闭环回路中循环和产生与该运动相反的扭矩（其也可借助控制马达9的逆变器的PWM调制来实施）；或者施加与当马达9处于操作中时施加到该马达的电流相反的电流。

跟随速度水平34的后续35包括转动杆轴10的最后一圈的大部分，从转动杆轴10的制动时段37开始。由此，防止了发生最后一个压缩循环，且因此还防止了在压缩机构8上的强反向冲击。由此，发生转动杆轴10的减速，并且该减速以受控的方式在整个最后一圈分布，从而得到与在现有技术中观测到的减速值显著更低的减速值（rpm/s）。为了这种事件发生，转动杆轴10的旋转速度水平34应当优选地足以使得储存在往复式压缩机3的转动杆轴10上的动能能够完成完整压缩循环，因此防止压缩机构8的突然减速以及抖动。

因此，本发明使得机构12的悬挂弹簧11被设计成具有低弹性系数、对于过滤振动来说十分有效、并且仍防止机械组件12相对于往复式压缩机3的壳体17的冲撞。此外，本发明防止该机械组件12在停止过渡期间的高位移，从而最小化施加到悬挂弹簧11上的机械应力和疲劳。

因此，本发明限定一种系统和方法，借助在转动杆轴的最后一圈中受控地减速连杆-曲柄和活塞组件，所述系统和方法显著地降低了（或甚至消除了）在压缩机的机械组件的停止期间在所述机械组件上的抖动，这防止了活塞在最后一个不完整气体压缩循环期间急剧地减速并且还防止了由扭矩产生高冲击。

已经描述了实施方式的优选示例，但是本领域技术人员应当理解的是，本发明的范围包括其他可能变形，并且仅由所附权利要求书的内容限定，所述变形包括可能的等同物。

Claims (16)

1.一种往复式压缩机（3），其包括至少一个机械组件（12），所述机械组件包括：

至少一个压缩机构（8）和一个马达（9）；以及

至少一个电子控制器(2);

其特征在于，所述电子控制器（2）构造成检测所述压缩机构（8）的转动速度（23）并且在检测到所述转动速度（23）低于预定速度值（34）之后在压缩机的停止过程期间向所述机械组件（12）施加制动扭矩（36），所述制动扭矩（36）在压缩冲程已经完成之后的下一时刻（35）被启动；以及

所述制动扭矩（36）构造成逐渐减小所述转动速度（23），使得在新压缩冲程将要开始时的时刻，所述压缩机构（8）的所述转动速度（23）具有零值。

2.根据权利要求1所述的往复式压缩机，其特征在于，所述电子控制器（2）检测所述压缩机构（8）需要执行其运动的时段并且将所述时段与最大参考时间比较，所述最大参考时间与所述压缩机构（8）在所述预定速度值（34）下需要执行其运动的时段相关。

3.根据权利要求1或2所述的往复式压缩机，其特征在于，所述预定速度值（34）构造成保证所述机械组件（12）的惯性将能够执行完整压缩冲程。

4.根据权利要求1所述的往复式压缩机，其特征在于，在将要开始新压缩冲程时的时刻完成所述制动扭矩（36）的施加。

5.根据权利要求1所述的往复式压缩机，其特征在于，所述制动扭矩（36）具有与所述转动速度（23）的方向相反的方向。

6.一种往复式压缩机的控制方法，其特征在于，包括步骤：

（a）检测机械组件（12）的转动速度（23），所述机械组件包括至少一个压缩机构（8）和一个马达（9）；

（b）将所述转动速度（23）与预定速度值（34）比较；以及

（c）在检测到所述转动速度（23）低于预定速度值（34）之后在所述压缩机的停止过程期间施加制动扭矩（36）以使所述机械组件（12）减速；所述制动扭矩（36）在压缩冲程已经完成之后的下一时刻（35）被启动；

其中，步骤（c）构造成引起所述转动速度（23）的逐渐减小，以使得在将要开始新压缩冲程时的时刻，所述压缩机构（8）的所述转动速度（23）具有零值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤（a）检测所述压缩机构（8）需要执行其运动的时段，并且所述步骤（b）将该时段与最大参考时间比较，所述最大参考时间与所述压缩机构（8）在所述预定速度值（34）下需要执行其运动所需的时段相关。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述预定速度值（34）保证所述机械组件（12）的惯性将能够执行完整压缩值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在将要启动压缩冲程时的时刻完成所述步骤（c）。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过与所述转动速度（23）相反地施加扭矩来执行所述步骤（c）。

11.一种冷却压缩机的控制系统，所述系统至少包括：

一个电子控制器（2）；以及

一个往复式压缩机（3），其包括至少一个机械组件（12），所述机械组件包括至少一个压缩机构（8）和一个马达（9）；

所述控制系统的特征在于，所述电子控制器（2）构造成检测所述压缩机构（8）的转动速度（23）并且在检测到所述转动速度（23）低于预定速度值（34）之后在所述压缩机的停止过程期间向所述机械组件（12）施加制动扭矩（36），所述制动扭矩（36）在压缩冲程已经完成之后的下一时刻（35）被启动；

所述制动扭矩（36）构造成逐渐减小所述转动速度（23），以使得在将要开始新压缩冲程时的时刻，所述压缩机构（8）的所述转动速度（23）具有零值。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述电子控制器（2）检测所述压缩机构（8）需要执行其运动的时段并且将所述时段与最大参考时间比较，所述最大参考时间与所述压缩机构（8）在所述预定速度值（34）下需要执行其运动的时段相关。

13.根据权利要求11或12所述的系统，其特征在于，所述预定速度值（34）构造成保证所述机械组件（12）的惯性将能够执行完整压缩冲程。

14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在将要开始新压缩冲程时的时刻完成所述制动扭矩（36）的施加。

15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述制动扭矩（36）构造用于逐渐减小所述转动速度（23）。

16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述制动扭矩（36）具有与所述转动速度（23）的方向相反的方向。