CN107402042B - 压缩机参数测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩机参数测试方法及装置，涉及压缩机测试技术领域，本发明的压缩机参数测试方法，利用压缩机的机电类比模型，通过能量守恒原则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，能够达到准确、实时检测压缩机等设备的等效刚度、等效阻尼及固有频率，可用于该类设备运行状态的在线监测分析、故障诊断、活塞上止点位置判断及性能分析。

Description

压缩机参数测试方法及装置

技术领域

本发明涉及压缩机测试技术领域，特别涉及一种压缩机参数测试方法及装置。

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、冰柜、超市陈列柜、空调及电子散热领域等家用或商用小型制冷装置压缩机的重要发展方向。直线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直线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，减少了摩擦损失的功耗，提高了机械传动效率，易于实现少油润滑或不需润滑油，实现压缩机的高可靠性长寿命，并已在冰箱上得到应用。

直线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升高压力后从该压缩空间排出，作为用来压缩空气、制冷剂、氮气、氦气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，直线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，直线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，此时直线压缩机的运动质量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，直线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直线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，使得压缩机能量返回到机械系统中，从而产生一个气体弹簧效应，排出的压缩机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。通过检测到系统的压缩机的等效弹簧刚度、等效阻尼及压缩机的固有频率的改变，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、活塞上止点位置判断及性能分析。

由于压缩机工作过程中等效弹簧刚度、等效阻尼及压缩机的固有频率这些参数具有非线性时变的特点，在现有文献中尚未见上述参数的测试方法。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种压缩机参数测试方法及装置。

依据本发明的一个方面，提供了一种压缩机参数测试方法，所述方法包括：

获取压缩机运行时的电压曲线和电流曲线；

根据所述电压曲线和电流曲线计算所述压缩机的位移幅值；

根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的有功功率，并根据所述有功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效阻尼；

根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的无功功率，并根据所述无功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效刚度；

根据所述压缩机等效刚度确定压缩机固有频率。

可选地，所述获取压缩机运行时的电压曲线和电流曲线，进一步包括：

分别利用电压传感器和电流传感器采集得到压缩机运行时的一个时间周期内电压和电流的离散数据点，将所述电压的离散数据点作为所述电压曲线，将所述电流的离散数据点作为所述电流曲线。

可选地，根据所述电压曲线和电流曲线通过下式计算所述压缩机的位移幅值X_m，

其中x(k)由公式

采用数值差分计算方法计算得到，

其中，x(k)在采用中心差分格式时

x(k)在采用向前差分时

x(k)在采用向后差分时

u(t)为以时间t为变量的电压连续信息；i(t)为以时间t为变量的电流连续信息；Δt为传感器的采样时间间隔；R_e为电机等效电阻；L_e为电机等效电感；C为压缩机机电系统所类比的电路中的电容；K₀为电机电磁力系数；u(k)为一个时间周期内第k个电压的离散数据点；i(k)为一个时间周期内第k个电流的离散数据点；T为时间周期；n为时间周期内的离散数据点个数；

或，

根据所述电压曲线和电流曲线通过下式计算所述压缩机的位移幅值X_m，

其中，为压缩机运行角频率， φ_u为电压曲线的相位值，φ_i为电流曲线的相位值。

可选地，根据所述有功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值通过下式计算压缩机等效阻尼c_sg，

其中，或P=UI cos(φ_u-φ_i)，

可选地，根据所述无功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值通过下式计算压缩机等效刚度k_sg，

其中，或Q=UI sin(φ_u-φ_i)，m为运动部件质量，

可选地，根据所述压缩机等效刚度通过下式确定压缩机固有频率f_n，

依据本发明的另一个方面，提供了一种压缩机参数测试装置，所述装置包括：

曲线获取单元，用于获取压缩机运行时的电压曲线和电流曲线；

幅值计算单元，用于根据所述电压曲线和电流曲线计算所述压缩机的位移幅值；

阻尼计算单元，用于根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的有功功率，并根据所述有功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效阻尼；

刚度计算单元，用于根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的无功功率，并根据所述无功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效刚度；

频率确定单元，用于根据所述压缩机等效刚度确定压缩机固有频率。

本发明的压缩机参数测试方法，利用压缩机的机电类比模型，通过能量守恒原则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，能够达到准确、实时检测压缩机等设备的等效刚度、等效阻尼及固有频率，可用于该类设备运行状态的在线监测分析、故障诊断、活塞上止点位置判断及性能分析。

附图说明

图1是线性压缩机机电系统类比的电回路模型；

图2是本发明一种实施方式的压缩机参数测试方法的流程图；

图3是本发明一种实施方式的压缩机参数测试装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在实践过程中，发现线性压缩机机电系统可以类比为如图1所示的电回路模型，参照图1，对压缩机的有功功率及无功功率构成的能量平衡方程可表示为：

其中，P为电源输入有功功率，Q为电源输入无功功率，U为电压有效值，I为电流有效值，φ_ui为电压和电流之间相位差，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为电机动子质量，ω为压缩机运行角频率，C为电路中电容，V为速度有效值(为位移幅值的倍)。

基于上述电回路模型及能量平衡方程即可实现对压缩机参数测试，参照图2，所述压缩机参数测试方法包括：

S201：获取压缩机运行时的电压曲线和电流曲线；

S202：根据所述电压曲线和电流曲线计算所述压缩机的位移幅值；

S203：根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的有功功率，并根据所述有功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效阻尼；

S204：根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的无功功率，并根据所述无功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效刚度；

S205：根据所述压缩机等效刚度确定压缩机固有频率。

本实施方式的压缩机参数测试方法，利用压缩机的机电类比模型，通过能量守恒原则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，能够达到准确、实时检测压缩机等设备的等效刚度、等效阻尼及固有频率，可用于该类设备运行状态的在线监测分析、故障诊断、活塞上止点位置判断及性能分析。

上述步骤S201进一步包括：

分别利用电压传感器和电流传感器采集得到压缩机运行时的一个时间周期内电压和电流的离散数据点，将所述电压的离散数据点作为所述电压曲线，将所述电流的离散数据点作为所述电流曲线。

在具体实现中，即分别利用电压传感器和电流传感器采集得到压缩机运行时一个周期(T)内电压和电流的离散数据点，分别记为u_k＝[u₁,u₂,……,u_n]及i_k＝[i₁,i₂,……,i_n]；

或，多个周期(mT)内电压和电流的离散数据点，数据采样时间间隔为Δt，分别记为u_k＝[u₁,u₂,……,u_m]及i_k＝[i₁,i₂,……,i_m]，但对于采集多个周期内电压和电流的离散数据点而言，在进行后续计算时，需要从多个周期内电压和电流的离散数据点中提取一个周期内的电压和电流的离散数据点(下面也称为数据采样点或采样数据)。

步骤S202中，根据所述电压曲线和电流曲线通过下列方式计算所述压缩机的位移幅值X_m：

1)采用数值积分计算位移幅值。当采样数据为多个周期时，可根据采样数据提取单个周期电压、电流采样数据点，分别记为u_k＝[u₁,u₂,……,u_n]及i_k＝[i₁,i₂,……,i_n]；当采样数据为单个周期时，直接采用电压、电流采样数据，分别记为u_k＝[u₁,u₂,……,u_n]及i_k＝[i₁,i₂,……,i_n]；则电压、电流及位移幅值计算公式如下：

电压幅值：

电流幅值

功率因素

压缩机位移曲线可由公式计算：

采用向前差分、向后差分或者中心差分格式等数值差分计算方法计算得到。

x(k)在采用中心差分格式时，公式

可表示为：

x(k)在采用向前差分时，

x(k)在采用向后差分时，

u(t)为以时间t为变量的电压连续信息；i(t)为以时间t为变量的电流连续信息；Δt为传感器的采样时间间隔；R_e为电机等效电阻；L_e为电机等效电感；C为压缩机机电系统所类比的电路中的电容；K₀为电机电磁力系数；u(k)为一个时间周期内第k个电压的离散数据点；i(k)为一个时间周期内第k个电流的离散数据点；T为时间周期；n为时间周期内的离散数据点个数

对根据上述公式计算得到的压缩机位移曲线点x(k)求取最大值与最小值之差后可计算得到压缩机位移曲线幅值：

2)采用相量方法计算位移幅值。由于压缩机运行过程中的电压、电流及位移具有正弦波特性，因此根据电压、电流数据采样点可计算得到，相应相量可以表示为：

电压有效值：

电流有效值

电压相量

电流相量

或者根据电压、电流数据采样点利用过零法、三角函数法、最小二乘法或者采用相位测量芯片等硬件测量电路计算得到电压和电流之间相位差φ_ui，则

电压相量

电压相量

或者采用对电压、电流数据采样点采用傅里叶分解算法得到电压幅值U_m和相位φ_u以及电流的幅值I_m和相位φ_i，则

电压相量

电压相量

位移相量可以表示为

相应地电压幅值可表示为：

电流幅值可表示为：

位移幅值可表示为：

上式中电路阻抗定义：

其中，R_e为电机等效电阻；L_e为蒂电机等效电感；K₀为电机电磁力系数；c_sg为压缩机等效阻尼系数和；k_sg为压缩机等效弹簧刚度，m为运动部件质量；ω为压缩机运行角频率；C为电回路模型中的电容，其为常数。

上述步骤S203中，根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的有功功率，并基于能量平衡原则，根据所述有功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效阻尼，计算方式如下：

对电源消耗的有功功率可表示为：

或者

P=UI cosΦ_ui

或者

P=UI cos(Φ_u-Φ_i)

根据有功功率守恒原则，则可计算得到压缩机等效阻尼

上述步骤S204中，根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的无功功率，并基于能量平衡原则，根据所述无功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效刚度，其计算方法如下：

对电源消耗的无功功率可表示为：

或者

Q＝UI sinΦ_ui

或者

Q＝UI sin(Φ_u-Φ_i)

电机消耗的无功功率可表示为：

根据无功功率守恒原则，压缩机等效刚度可表示为

上述步骤S205中，根据所述压缩机等效刚度确定压缩机固有频率，其计算方式如下：

固有频率

图3是本发明一种实施方式的压缩机参数测试装置的结构框图；参照图3，所述装置包括：

曲线获取单元301，用于获取压缩机运行时的电压曲线和电流曲线；

幅值计算单元302，用于根据所述电压曲线和电流曲线计算所述压缩机的位移幅值；

阻尼计算单元303，用于根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的有功功率，并根据所述有功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效阻尼；

刚度计算单元304，用于根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的无功功率，并根据所述无功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效刚度；

频率确定单元305，用于根据所述压缩机等效刚度确定压缩机固有频率。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种压缩机参数测试方法，其特征在于，所述方法包括：

获取压缩机运行时的电压曲线和电流曲线；

根据所述电压曲线和电流曲线计算所述压缩机的位移幅值；

根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的有功功率，并根据所述有功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效阻尼；

根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的无功功率，并根据所述无功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效刚度；

根据所述压缩机等效刚度确定压缩机固有频率；

其中，所述获取压缩机运行时的电压曲线和电流曲线，进一步包括：

分别利用电压传感器和电流传感器采集得到压缩机运行时的一个时间周期内电压和电流的离散数据点，将所述电压的离散数据点作为所述电压曲线，将所述电流的离散数据点作为所述电流曲线；

其中，根据所述电压曲线和电流曲线通过下式计算所述压缩机的位移幅值X_m，

其中x(k)由公式

采用数值差分计算方法计算得到，

其中，x(k)在采用中心差分格式时，

x(k)在采用向前差分时，

x(k)在采用向后差分时，

u(t)为以时间t为变量的电压连续信息；i(t)为以时间t为变量的电流连续信息；Δt为传感器的采样时间间隔；R_e为电机等效电阻；L_e为电机等效电感；C为压缩机机电系统所类比的电路中的电容；K₀为电机电磁力系数；u(k)为一个时间周期内第k个电压的离散数据点；i(k)为一个时间周期内第k个电流的离散数据点；T为时间周期；n为时间周期内的离散数据点个数；

或，

根据所述电压曲线和电流曲线通过下式计算所述压缩机的位移幅值X_m，

其中，ω为压缩机运行角频率， φ_u为电压曲线的相位值，φ_i为电流曲线的相位值，Δt为传感器的采样时间间隔；R_e为电机等效电阻；L_e为电机等效电感；C为压缩机机电系统所类比的电路中的电容；K₀为电机电磁力系数；u(k)为一个时间周期内第k个电压的离散数据点；i(k)为一个时间周期内第k个电流的离散数据点；T为时间周期；n为时间周期内的离散数据点个数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述有功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值通过下式计算压缩机等效阻尼c_sg，

其中，或P＝UIcos(φ_u-φ_i)，其中I_m为采用对电压、电流数据采样点采用傅里叶分解算法得到电流幅值；U_m为采用对电压、电流数据采样点采用傅里叶分解算法得到电压幅值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述无功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值通过下式计算压缩机等效刚度k_sg，

其中，或Q＝UIsin(φ_u-φ_i)，m为运动部件质量，其中ω为压缩机运行角频率，U为输入电压，I为输入电流。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述压缩机等效刚度通过下式确定压缩机固有频率f_n，

5.一种压缩机参数测试装置，其特征在于，所述装置包括：

曲线获取单元，用于获取压缩机运行时的电压曲线和电流曲线；

幅值计算单元，用于根据所述电压曲线和电流曲线计算所述压缩机的位移幅值；

阻尼计算单元，用于根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的有功功率，并根据所述有功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效阻尼；

刚度计算单元，用于根据所述电压曲线和电流曲线计算电源消耗的无功功率，并根据所述无功功率、电压曲线、电流曲线和位移幅值计算压缩机等效刚度；

频率确定单元，用于根据所述压缩机等效刚度确定压缩机固有频率；

其中，所述曲线获取单元，进一步用于：分别利用电压传感器和电流传感器采集得到压缩机运行时的一个时间周期内电压和电流的离散数据点，将所述电压的离散数据点作为所述电压曲线，将所述电流的离散数据点作为所述电流曲线；

其中，所述幅值计算单元根据所述电压曲线和电流曲线通过下式计算所述压缩机的位移幅值X_m，

其中x(k)由公式

采用数值差分计算方法计算得到，

其中，x(k)在采用中心差分格式时，

x(k)在采用向前差分时，

x(k)在采用向后差分时，

u(t)为以时间t为变量的电压连续信息；i(t)为以时间t为变量的电流连续信息；Δt为传感器的采样时间间隔；R_e为电机等效电阻；L_e为电机等效电感；C为压缩机机电系统所类比的电路中的电容；K₀为电机电磁力系数；u(k)为一个时间周期内第k个电压的离散数据点；i(k)为一个时间周期内第k个电流的离散数据点；T为时间周期；n为时间周期内的离散数据点个数；

或，

根据所述电压曲线和电流曲线通过下式计算所述压缩机的位移幅值X_m，

其中，ω为压缩机运行角频率， φ_u为电压曲线的相位值，φ_i为电流曲线的相位值，Δt为传感器的采样时间间隔；R_e为电机等效电阻；L_e为电机等效电感；C为压缩机机电系统所类比的电路中的电容；K₀为电机电磁力系数；u(k)为一个时间周期内第k个电压的离散数据点；i(k)为一个时间周期内第k个电流的离散数据点；T为时间周期；n为时间周期内的离散数据点个数。