CN115371313A - 一种制冷机控制方法及制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制冷机控制方法及制冷机，制冷机包括通过管路相连的压缩机（12）和冷头（1）；压缩机（12），具有电学监测部（21），用以监测压包（2）的电学参数（S1）以及输出表示该电学参数（S1）的电信号（S2）；冷头（1），具有马达（11）；控制器（62），依据接收的电信号（S2）将电学参数（S1）与基准电学参数进行比较，当电学参数（S1）大于基准电学参数时，控制变频器（61）以设定的最大频率f max 驱动冷头（1），否则以设定的额定频率f o 驱动冷头（1）。本发明提供了一种易于实现的冷头运行频率控制方法，其不需要昂贵的传感器，对电学监测部的测量精度要求低，受环境影响小，控制的可靠性高。

Description

一种制冷机控制方法及制冷机
技术领域
本发明属于低温制冷技术领域，具体涉及一种制冷机控制方法及制冷机。
背景技术
专利CN100439819C、CN202111107649X和CN2021112952439提出依据外部测试型号来改变冷头驱动频率的方式控制制冷量，其中CN100439819C采用低温监测来控制驱动频率，以提升降温过程中的制冷量，但是低温传感器价格昂贵；CN202111107649X采用压差或压力监控来控制冷头频率，由于高低压力在整个运行过程中变化不是特别大，因此需要使用较为精密的传感器来测量；CN2021112952439采用监控冷头的排气温度控制冷头运转频率，如果外界环境温度较低，排气温度可能较小，未超过阈值，这样就会影响控制逻辑。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种低成本，高可靠性的制冷机控制方法，本发明的第二目的是相应地提出一种制冷机。
技术方案：本发明一方面提供一种制冷机控制方法，所述制冷机包括通过管路相连的压缩机和冷头，所述制冷机控制方法包括：通过检测压缩机中压包的电学参数，并将电学参数与基准电学参数进行比较，来控制冷头的运行频率；当电学参数大于基准电学参数时，以设定的最大频率fmax驱动冷头，否则以设定的额定频率fo驱动冷头。
进一步地，电学参数为压包电功耗，或者是压包的驱动电流，或者是二者的组合。
进一步地，制冷机启动时，以设定的最大频率fmax驱动冷头。
进一步地，控制冷头的运行频率是通过变频驱动冷头内的马达实现的。
进一步地，最大频率fmax为90～100Hz，额定频率fo为50～60Hz。
另一方面，本发明还提供一种制冷机，包括：
压缩机，具有电学监测部，用以监测压包的电学参数以及输出表示该电学参数的电信号；
冷头，具有马达，通过管路与压缩机相连；
控制器，接收电信号，将电学参数与基准电学参数进行比较，当电学参数大于基准电学参数时，以设定的最大频率fmax驱动冷头，否则以设定的额定频率fo驱动冷头；
变频器，在控制器控制下，驱动马达，调节冷头的运行频率。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明提供了一种易于实现的冷头运行频率控制方法，其不需要昂贵的传感器，对电学监测部的测量精度要求低，受环境影响小，控制可靠性高。
附图说明
图1是本发明中制冷机系统原理图；
图2是制冷机所消耗电功变化图；
图3是制冷机的压包电流变化图；
图4是制冷机控制方法流程框图；
附图标记：1，冷头；1a，冷头排气端；1b，冷头吸气端；11，马达；10，低压管；20，高压管；12，压缩机；2，压包；2a，低压吸气端；2b，高压排气端；21，电学监测部；30，低压流路；31，低压侧传感器；32，高压侧传感器；33，旁通管路；34，旁通阀；35，高压流路；50，电源线；60，控制装置；61，变频器；62，控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，为制冷机系统原理图，其中冷头1(又称为膨胀机)和压缩机12均采用概略图示意，冷头1未具体描绘内部阀门切换的换气结构、曲柄连杆驱动机构以及活塞、气缸结构，仅保留与本发明实施过程直接关联的马达11。作为本领域相关的技术人员，其能够理解所描述的专业术语以及冷头1的运行原理。
马达11一般为永磁低速同步电机，由三相电源供其运转，转速介于30～120rpm之间，例如典型的转速为60rpm或者72rpm。马达11的转速可随供电频率大小相应发生变化。三相电可由压缩机12提供，也可由外部独立电源供给，例如本发明中由控制装置60提供。
压缩机12将制冷剂，通常为氦气，压缩成高压气经压缩机12的高压排气端2b，由高压管20输入，通过冷头吸气端1b进入到冷头1内部；再由冷头1内部膨胀后，由冷头排气端1a输出低压气流，经过低压管10，通过压缩机12的低压吸气端2a进入到压缩机12内部。一般，压缩机12供给冷头1的高压气为1.8～3MPa；压缩机12从冷头1吸回的低压气为0.3～1.5MPa，图中箭头表示气流的流向。
压缩机12内部，高压流路35连接有高压侧传感器32，低压流路30连接有低压侧传感器31，高压流路35将压包2的排出口连接于高压排气端2b，低压流路30将低压吸气端2a连接于压包2的吸入口。旁通管路33连接在高压流路35与低压流路30之间，并且串联有旁通阀34。
传感器31、32均为测定流路中制冷剂压力的，统称为“压力传感器”。旁通阀34一般为电磁阀或者电子膨胀阀，用以保护压缩机12内部的压力值(或压差)在一定范围内。例如，高压侧传感器32所检测到的高压流路35侧的压力值超过设定的基准值时，或者高压流路35侧的压力值与低压流路30侧的压力值之间的压差值超过基准值，旁通阀34就会开启，将高压流路35连接于低压流路30以使工作气体压缩机12内部形成旁通，防止压缩机12内高压流路35和低压流路30之间的压差过高，或者高压流路35内的压力过高，引起安全事故。
旁通阀34也可以采用泄压阀或单向阀。当旁通阀34两侧的压差值超过阀门自身设定的压差值后，旁通阀34将自动开启。这样压缩机12可以减少1个压力传感器。
在压缩机12内设有压包2的电学监测部21，直接监测压包2在运行过程中的电学参数S1，例如压包2在运转过程中的功率值信号。电学监测部21将收集的电学参数S1转化成电信号S2传递给控制装置60内的控制器62，依据功率值的大小，控制器62传递信号S3给变频器61，然后通过电源线50将三相电传递给冷头1内的马达11。依据控制器62的信号指令，变频器61可以输出不同频率的三相电。根据不同频率的电驱动，马达11的转速也相应的发生变化。通过马达11的驱动，冷头1内部的阀门机构，曲柄连杆机构以及活塞的运行频率也将发生变化。因此根据压包2的功率值大小最终确定冷头1的运转频率。
压缩机12的外部供电一般也是三相电，且电压值固定。因此，电学监测部21不仅仅能通过功率检测压包2，也能通过检测压包2的驱动电流来判断压缩机12的运行情况。如果是检测压包2的功率，电学监测部21可以采用功率计或自制的测量电路来实现。如果检测的是电流值，较为简便的办法是采用电流环串联接入压包2的驱动线上，再将电流引入控制器62上。
本发明实施例中，强调电学监测部21对压包2进行电学参数S1的检测。压包2一般为涡旋压包，运行过程中电功消耗在1～10KW之间不等，而压缩机12的其他部件，例如电控，旁通阀34的电功消耗在几瓦到十几瓦之间，远远小于压包2的电功消耗。因此，在一定程度上可以认为对压包2电学参数的监测与压缩机12的电学参数的检测没有本质区别，所强调的压包2的监测也可以理解为压缩机12的监测，并不影响本发明实施过程中对权利的保护范围。
控制装置60包含控制器62以及变频器61，由外部独立电源(图中未示出)驱动，与压缩机12之间仅有电信号S2关联。也可以将控制装置60与压缩机12结合起来，形成一个整体，由压缩机12直接供电给控制装置60，即形成一个整体压缩机，将控制装置60整体安装在压缩机12内部。或者将控制装置60整体与冷头1搭建在一起。因此，控制装置60、控制器62、变频器61与压缩机12，冷头1之间的组合方式不影响本发明的实施。
下面结合图2和图3对本发明的原理作进一步阐明。
图2，图3横坐标表示冷头1从室温开始降温到最低温度的运行时间，右侧纵坐标代表冷头1的制冷温度，本发明中采用典型的4K制冷机降温曲线来表示，当然也可以采用其他温度的制冷温度来表示。图2左侧纵坐标代表压包2消耗的电功率在降温过程中的变化值。图3左侧纵坐标代表压包2驱动电流在降温过程中的变化值。
制冷机(冷头1)在从常温降至最低温度过程中，需要不停提取低温侧的热量，传递给热端，形成泵热效果。同时，制冷端的的氦气密度随着温度的降低将不断增大，存储的质量将不断增大，因此系统室温侧的氦气，包括压缩机12，冷头1热端、高压管20以及低压管10中的氦气将不断补充到冷头1的低温侧。所以压缩机12在冷头1降温过程中，用于供给的冷头1的循环气量将不断降低，而压缩机12或者压包2所消耗的电功耗与循环的气体流量呈正比关系。在冷头1降温过程中，呈现出初始压包2的功耗较大，并且随之不断降低，直到呈现出较小的值，如图2所示；同理，电流也呈现出类似的变化值。当冷头1降至最低温度后，冷头1无法进一步存储气量，此刻，压缩机12的供给外部的循环气量将达到恒定，不再降低，消耗的电功将趋于稳定。
进一步而言，冷头1运行过程中的气量需求与运行频率呈线性关系，当提供的循环气量足够时，频率提升，有助于冷头1的制冷量提升。当压缩机12对外供气处于较大值时，电学监测部21可以监测到压包2的功率或电流处于较大的值，此刻将该电信号S2传递给控制器62，可判断压缩机12能够提供较大的气量，同时将信号S3发送给变频器61，对冷头1提供更高频的驱动，使得冷头1处于高频运行状态。这样制冷机能产生与低频相比较下的更大冷量，加快降温速度。
当监测到压包2的功率或电流小于某基准值时，表明冷头1的制冷温度基本降至最低温度，此刻压缩机12的循环量降至最低。即使冷头1采用高频运行，压缩机12却无法提供满足该频率运行条件所需的气量，冷头1的性能也无法获取较大的制冷量，并且此刻采用高频驱动冷头1，对冷头1内部的运动部件是没有益处的，会加剧磨损，此刻冷头1在变频器61的驱动下，可降至低频进行运行。
下面结合图2至图4，对本发明的控制流程进行说明。
开始阶段并不一定是说制冷机由室温开始降温，可以是任意状态，例如制冷机冷却到一定阶段，然后停机复温到低温室温的任意温度。
设定控制器62在通电后以额定的最高频率信号要求变频器61以fmax驱动冷头1(P1)，该过程无需由电学监控部21输出电信号S2来进行判断，即开机过程直接以要求冷头1以高频运行。设定的变频器61输出的最高频率为90Hz～100Hz。
P2：电学监控部21对压包2或压缩机12进行电学参数S1的监测，并转化成电信号S2，传递给控制器62。
P3：由控制机器62对变频器61的输出频率进行控制。基准值的选定，依据图2，图3中竖直虚线与功率曲线或电流曲线交点对应的纵坐标值。本示例中，大致选取的是功率、电流曲线由较大值逐步减小，进入到水平稳定的拐点处对应的值A。
具体实施时，考虑测量的误差，A可以选取图2，图3竖直虚线的左侧，即功率或电力处于变小过程中的某一参数点。监测值对应的Ax与A进行比较，当Ax＞A时，压包2的电学参数S1的值大于选型的基准值，压缩机12仍然能提供较大气量供给冷头1高频运行，并重复对压包进行监测。反之，当Ax≤A时，压包2的电学参数S1的值不大于选型的基准值，表明制冷基本进入最低温度点，则控制器62输入信号S3，告知变频器61，输出额定频率fo(P4)，例如50Hz或者是60Hz，让冷头1进入稳定额定运行状态。
以图2为例，图中基准值A值大约为7.5KW，对应的电流为10.6A。具体实施过程可以将基准值A选取为8KW，对应电流选取为11A。
不同压缩机功耗不同，可提前根据压缩机12的压包2的匹数确定基准值的选取。对同一种压缩机可能存在压缩机12的静态充气压力不同，导致功耗不同问题，基准值选取可能会不准确，引起控制器62的误判。可以采用以下方式进行：在压缩机12启动前，以从传感器31、32读取出系统的静态压力Po，将压包2或者压缩机12的电学参数S1除以Po，即新的电学参数S1/Po，该参数将消除不同静态对功耗或电流的影响，形成关于压缩机12的本征参数，所得到的降温曲线与图2，图3类似。
本发明实施过程优先考虑对压包2或压缩机12所消耗的电功进行监测，因为一般，压缩机12在常温启动过程中的功率比较大，与稳定状态运行有较明显的区分，对电学监测部21的测量精度要求不高，无论是直接购买的功率计或者是自行制作的测控电路，相对简单，方便。
传统方案中，采用低温温度传感器监控冷头1的制冷温度，需要额外增加温度测量设备，低温温度的检测往往需要较为精密设备，价格较为昂贵；采用压力或者压差控制变频，一般需要两个以上的压力传感器，而且降温过程中高压或低压的气压变化不是特别大；对冷头1的室温端的温度检测可能会受到环境的影响，导致误判。本发明中，突出采用压包2或者是压缩机12的电学参数进行监测，一是压缩机的电流以及功率一般都需要进行检测，二是在整个过程中的功率变化较大，利于检测。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种制冷机控制方法，所述制冷机包括通过管路相连的压缩机(12)和冷头(1)，其特征在于：所述制冷机控制方法包括：通过检测压缩机(12)中压包(2)的电学参数(S1)，并将电学参数(S1)与基准电学参数进行比较，来控制冷头(1)的运行频率；当电学参数(S1)大于基准电学参数时，以设定的最大频率fmax驱动冷头(1)，否则以设定的额定频率fo驱动冷头(1)。
2.根据权利要求1所述的制冷机控制方法，其特征在于：电学参数(S1)为压包(2)电功耗，或者是压包(2)的驱动电流，或者是二者的组合。
3.根据权利要求1所述的制冷机控制方法，其特征在于：制冷机启动时，以设定的最大频率fmax驱动冷头(1)。
4.根据权利要求1所述的制冷机控制方法，其特征在于：控制冷头(1)的运行频率是通过变频驱动冷头(1)内的马达(11)实现的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制冷机控制方法，其特征在于：最大频率fmax为90～100Hz，额定频率fo为50～60Hz。
6.一种制冷机，其特征在于：包括：
压缩机(12)，具有电学监测部(21)，用以监测压包(2)的电学参数(S1)以及输出表示该电学参数(S1)的电信号(S2)；
冷头(1)，具有马达(11)，通过管路与压缩机(12)相连；
控制器(62)，接收电信号(S2)，将电学参数(S1)与基准电学参数进行比较，当电学参数(S1)大于基准电学参数时，以设定的最大频率fmax驱动冷头(1)，否则以设定的额定频率fo驱动冷头(1)；
变频器(61)，在控制器(62)控制下，驱动马达(11)，调节冷头(1)的运行频率。
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