CN1246587C - 往复式压缩机的操作控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了往复式压缩机的一种操作控制方法，在马达过载的情况下，操作频率增加，以便使磁铁和输入电流产生的磁通相互抵消，从而往复式压缩机可在过载的情况下稳定运行。为此，当利用反相器的往复式压缩机在额定频率下操作时，测量马达的电流载荷，将测量的载荷与预定的参考载荷比较。通过比较，如果测量的载荷大于参考载荷，它确定为过载，操作频率增加到高于振荡频率的一定值，以便执行过载操作。为了补偿操作频率增加一定值所产生的行程降低，根据增加的操作频率，作用到马达上的电压增加到一定水平，从而执行过载操作。

Description

往复式压缩机的操作控制方法

技术领域

本发明涉及一种往复式压缩机，特别是涉及一种往复式压缩机的操作控制方法，当马达过载时，该方法能够稳定地驱动压缩机。

背景技术

通常，往复式压缩机是根据作用的行程电压通过改变压缩比来可变地控制从此释放的冷却能力的装置。

现在，参考图1来描述通常的往复式压缩机。

图1是通常的往复式压缩机的操作控制设备的结构方框图。

如图1所示，通常的往复式压缩机的操作控制设备包括：一个往复式压缩机(R.COMP)12，它用于根据使用者设定的行程参考值来接收供给内部马达(未表示)的行程电压，以便控制内部活塞(未表示)的垂直运动；一个电压检测单元30，它用于检测当行程改变时作用在往复式压缩机12上的电压；一个电流检测单元20，它用于检测当行程改变时作用在往复式压缩机上的电流；一个微型计算机40，它利用电压检测单元30和电流检测单元20检测出的电压和电流来计算行程，将计算出的行程值与行程参考值比较，并输出对应的开关控制信号；根据微型计算机40的开关控制信号用三端双向可控硅开关元件(Tr1)接通/断开AC电源，以便控制作用在往复式压缩机12上的行程电压大小。

现在来解释上述构造的传统的往复式压缩机的操作控制设备的操作。

在往复式压缩机12中，根据使用者设定的行程参考值，活塞通过马达(未表示)输入的行程电压垂直移动，因此，行程变化，从而控制冷却能力。

行程表示活塞在往复式压缩机12中往复移动的距离。

利用微型计算机40的开关控制信号，电路单元10的三端双向可控硅开关元件(Tr1)的接通期加长，并且由于接通期加长，因此行程增加。

此时，电压检测单元30和电流检测单元20分别检测作用在往复式压缩机12上的电压和电流，并输送给微型计算机40。

微型计算机40利用电压检测单元30和电流检测单元20检测出的电压和电流计算行程，将计算出的行程与行程参考值对比，并输出对应的开关控制信号。

如果计算出的行程小于行程参考值，微型计算机40输出开关控制信号，以便延长三端双向可控硅开关元件(Tr1)的接通期，从而增加作用在往复式压缩机12上的行程电压。

然而，如果计算出的行程大于行程参考值，微型计算机40输出开关控制信号，以便缩短三端双向可控硅开关元件(Tr1)的接通期，从而降低作用在往复式压缩机12上的行程电压。

对于安装在往复式压缩机12内的马达(未表示)，绕组以一定的绕组绕线比均匀缠绕在其上，因此，当基于行程电压的电流作用在绕组上时，在马达的绕组内的电磁铁产生磁极，并且绕组产生磁通量。

往复式压缩机在额定的驱动频率下机械共振。

例如，如果往复式压缩机的额定频率是60Hz，在额定电流下共振频率也设计成是60Hz。

在往复式压缩机的额定载荷的情况下，通过对弹簧的惯性力(M (t))，阻尼力(c

(t))和复原(kx(t))求和可获得共振频率(额定驱动频率)。

$f\left(t\right)=\mathrm{\αi}\left(t\right)=M\stackrel{\·\·}{x}\left(t\right)+c\stackrel{\·}{x}\left(t\right)+\mathrm{kx}\left(t\right)---\left(1\right)$

k＝ks+kg                                      (2)

其中f(t)是作用在马达上的力，α是马达常数，I(t)是电流，x(t)是位移，‘M’是运动质量，‘c’是阻尼常数，‘k’是弹簧常数，ks是机械弹簧，kg是气弹簧。

弹簧常数(k)是机械弹簧(ks)与气弹簧(kg)的和，机械弹簧与马达运动的质量结合以便调节往复式压缩机的共振点，该气弹簧随往复式压缩机的载荷变化。

位移(x(t))是磁铁从绕组的中心移动的距离。

通过拉普拉斯变换方程(1)，可获得往复式压缩机的电流和位移之间的关系。

往复式压缩机设计成使得在额定载荷下共振频率和驱动频率相同。

方程(1)可如下表示成频域：

F(jω)＝-Mω²X(jω)+cjωX(jω)+kX(jω)    (3)

$\frac{X\left(\mathrm{j\ω}\right)}{F\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{1}{-M{\mathrm{\ω}}^2+k+\mathrm{j\ωc}}---\left(4\right)$

$f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{M}}---\left(5\right)$

$\mathrm{\ω}=2\mathrm{\πf}=\sqrt{\frac{k}{M}}---\left(6\right)$

Mω²＝k                                (7)

$\frac{X\left(\mathrm{j\ω}\right)}{F\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{1}{\mathrm{j\ωc}}=-j\frac{1}{\mathrm{c\ω}}---\left(8\right)$

其中ω是驱动频率(弧度/秒)，‘f’是驱动频率(Hz)，‘j’是虚数，f_n是共振频率。

此时，F(jω)是通过对方程(q)的f(t)进行傅立叶变换获得的值，X(jω)是通过对x(t)进行傅立叶变换获得的值。

对涉及往复式压缩机的共振频率(额定驱动频率)的方程(5)与涉及往复式压缩机的力和位移的方程(4)联系求解，可获得基于往复式压缩机的共振频率的力和位移。

这样，如方程(8)所示，力和位移呈现90°的相位差。另外，由于力和电流的相位相同，电流产生的芯磁通与磁铁的位移产生的磁通呈现90°的相位差。

这将参考图2详细描述。

图2说明表示作用在往复式压缩机上的电流与在额定载荷下在共振时的位移之间的关系的波形。

如图2所示，当电流在额定载荷下在共振时作用在马达上时，电流作用在马达的绕组上，在电流作用的方向上在绕组上产生磁通。

如图2中的‘a’所示，当电流反时针输入时，N极从绕组的右侧产生，而S极从绕组的左侧产生。此时，电流产生的磁通最大。当电流产生的磁通最大时，电流产生的磁通和根据磁铁位移的磁通具有90°的相位差，因此磁铁布置在绕组的中心，且磁铁产生的芯磁通最小。

随后，如图2中的‘b’所示，当磁铁在一个方向上移动时，电流产生的芯磁通最小，因此，电流产生的芯磁通几乎消失，磁铁产生的芯磁通最大。

当磁铁返回移动到绕组的中心时，电流产生的芯磁通变大，且磁通产生的芯磁通最小(如图2中的‘c’所示)。

如果磁铁再次在相反方向上移动，电流产生的芯磁通变小，磁铁产生的芯磁通也变小(如图2中的‘d’所示)。

上述操作重复执行，因此马达的芯磁通，即电流产生的芯磁通和磁铁产生的芯磁通加在一起，以便具有90°的相位差。

然而，在上述操作期间，如果压缩机过载，气弹簧的刚性增加，往复式压缩机的固有频率变得高于驱动频率，因此，电流很容易饱和。

现在参见图3来详细描述。

图3说明表示根据已有技术在过载情况下输入电流和位移之间的关系的波形。

在马达过载的情况下，即，如果驱动电流是额定电流的约为1.3倍，气弹簧的刚度增加，即，例如，当驱动频率为60Hz时，固有频率变为62Hz，因此共振点升高。

即，如果驱动频率是常数，且在马达操作期间载荷增加，则在方程(4)的弹簧常数‘k’值之间气弹簧常数(kg)的值增加。

如果值‘k’增加，驱动频率的Mω2变得小于‘k’，这样，往复式压缩机的力和位移具有接近0°的相位。

换句话说，当气弹簧的载荷值增加时，为了持续地移动往复式压缩机的活塞，输入电流增加。这样，当输入电流增加时，输入电流的磁通和磁铁的磁通具有相同的相位，这样，自饱和变得更严重。

在上述过载的情况下，力和位移之间的关系可用方程(9)如下表示：

$\frac{X\left(\mathrm{J\ω}\right)}{F\left(\mathrm{J\ω}\right)}\≈\frac{1}{k}---\left(9\right)$

(如果Mω²＜k，c＜k)

这样，如图3所示，基于输入电流和位移的力的相位几乎相同。即，在磁铁的芯产生的磁通(位移O)和输入电流产生的芯磁通同相。

如上所述，在过载的情况下，当输入电流和磁铁的位移之间的相位差为0°时，电流产生的磁通和磁铁产生的磁通加在一起，使得芯的饱和现象更严重。

如果芯的饱和现象严重，往复式压缩机未能具有足够的冷却能力，电流过分升高导致马达故障。

即，在过载的情况下，气弹簧的刚度增加，且共振点升高。此时，输入电流增加，同时，电流产生的磁通和磁铁产生的磁通同相下操作，因此，自饱和变得更严重。

这样，由于马达的自饱和，马达的感应系数降低，电流突然增加，导致马达损害。

为了解决上述问题，设计成移动部分即活塞的重量增加，这样在过载的情况下，磁铁和电流产生的磁通的相位不相同。

然而，这种解决方法存在问题，即在额定载荷下的共振和往复式压缩机的共振不同，从而产生在额定载荷下效率降低的问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供往复式压缩机的一种操作控制方法，在过载的情况下，通过提高用于驱动马达的驱动频率到高于额定操作频率的一定程度，以便抵消电流的磁通和磁铁的磁通，这样就能够驱动该往复式压缩机，从而防止往复式压缩机的电流产生的磁通或磁铁产生的磁通的饱和现象。

为了实现这些和其它优点，根据本发明的目的，如这里所体现和广泛描述的，提供一种利用反相器的往复式压缩机，其步骤包括：测量在额定频率下操作的马达的电流载荷；比较测量的载荷和预定的参考载荷；如果测量的载荷大于参考载荷，确定为过载，使操作频率增加至高于振荡频率的一定值，并执行过载操作；根据增加的操作频率使作用在马达上的电压增加至一定水平，并执行过载操作，以便补偿当操作频率增加至一定值时产生的行程降低。

参考附图，并通过下面的对本发明的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点、方面和优点将变得更清楚。

附图的简要描述

用来进一步理解本发明并作为说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，并与说明书一起用来解释本发明的原理。

在附图中：

图1是表示通常的往复式压缩机的一种操作控制设备的结构方框图；

图2说明表示根据现有技术在额定载荷共振情况下作用在往复式压缩机上的电流与位移之间的关系的波形；

图3说明表示根据现有技术在过载情况下输入电流和位移之间的关系的波形；

图4是表示根据本发明的往复式压缩机的操作控制设备的结构方框图；

图5表示图4的往复式压缩机的马达的结构；

图6是根据本发明的往复式压缩机的操作控制方法的流程图；和

图7说明表示根据本发明在过载情况下输入电流和位移之间的关系的波形。

优选实施例的详细描述

现在详细参考本发明的优选实施例和附图说明的实例。

利用本发明的反相器驱动的往复式压缩机的特征在于：在驱动往复式压缩机期间当载荷增加至大于预定参考载荷时，电流操作的驱动频率增加至高于共振频率的一定水平，以便移动往复式压缩机，这样作用在往复式压缩机上的电流产生的磁通和磁铁产生的磁通相互抵消，这样，即使在过载时也能驱动往复式压缩机。

现在参考附图，详细描述本发明的往复式压缩机的操作控制方法的运行和效果。

图4是表示根据本发明的往复式压缩机的操作控制设备的结构方框图。

如图4所示，往复式压缩机的操作控制设备包括：往复式压缩机(COMP)，它用于根据使用者设定的行程参考值来接受供给内部马达(未表示)的行程电压，以便控制内部活塞(未表示)的垂直移动；调节共振以便活塞在预定的共振点(驱动频率)操作，并根据活塞的垂直运动通过改变行程来控制冷却能力；电压检测单元300，它用于检测当行程改变时在往复式压缩机(COMP)产生的电压；电流检测单元200，它用于检测当行程改变时在往复式压缩机(COMP)产生的电流；微型计算机400，它用于利用分别由电压检测单元300和电流检测单元200检测出的电压和电流来计算行程，将计算出的行程值与行程参考值比较；通过将往复式压缩机(COMP)的载荷和功率与参考载荷和参考功率比较，输出对应的操作频率控制信号，并通过计算和比较作用在往复式压缩机上的电流的周期和波形来输出对应的操作频率控制信号；和电路单元100，它用于根据控制信号和由微型计算机400输出的操作频率控制信号来控制外加的AC电流流动方向的转换时间点。

现在参考图5来描述往复式压缩机的马达。

图5表示图4的往复式压缩机的马达的结构。

如图5所示，马达包括：以一定的绕组绕线比均匀缠绕的绕组121和125；当电流作用于绕组121和125上时用于产生磁通的外芯和内芯；由永磁铁122和124构成的固定部分；和由于当磁铁122和124水平移动时产生的磁通而垂直移动的可动部分123。

由于在外加电流影响下固定部分振动，在过载情况下振动增强，且共振频率改变。

这样，共振频率增加至大于操作频率，因此，如果外加高的电流，马达的电流和磁铁的磁通加在一起，仅仅是使由于磁通带来的饱和更严重。即，输入电流和磁铁的位移之间的相位差为0°。

因此，在本发明中，在过载的情况下，操作频率值增加到一定值，以致电流和位移的相位差可达到180°。

现在参考图6和7来说明上述构造的往复式压缩机的操作。

图6是根据本发明的往复式压缩机的操作控制方法的流程图。图7说明了表示根据本发明在过载的情况下输入电流和位移之间的关系的波形。

首先，通过设定60Hz的额定频率和参考载荷来设计往复式压缩机(步骤ST1)。

当电流作用在这样设计的往复式压缩机时，往复式压缩机(COMP)根据额定载荷在一个操作频率下操作(ST2)，测量马达的位置、旋转速度和电流载荷(ST3)，并将其输入微型计算机400。

接着，微型计算机400比较测量的载荷和参考载荷，如果测量的载荷小于或等于参考载荷(ST4)，微型计算机400不断向电路单元100输入一个基于额定载荷的载荷操作的操作频率，即额定频率控制信号。

电路单元100的内部反相器(INT2)根据输入的操作频率控制信号来控制输入的正弦波交流电源的流动方向的转换时间点，以便控制正弦波交流电源的周期，从而控制输入马达的功率大小。

马达根据输出的操作频率控制信号(ST2)并根据额定载荷进行载荷操作。

参考载荷预先设定为一个电流值的载荷，该电流值比额定载荷时电流值高出一定水平。根据一个实验，参考载荷预先设定为一个电流值的载荷，该电流值是额定载荷时电流值的1.3倍。

通过比较，如果测量的载荷高于参考值(ST4)，微型计算机400确定为过载，并向马达施加驱动频率控制信号，以便使电流操作频率增加一定水平(ST5)。

马达根据施加的驱动频率控制信号进行过载操作(ST6)。

例如，在操作频率为60Hz的固有频率的情况下，如果由于过载其共振频率从60Hz变化到62Hz，微型计算机400使操作频率增加到至67Hz，比增加的共振频率高5Hz，并过载操作马达。

此时，与马达的力相抵，位移具有约180度的相位差，如下所示，利用牛顿运动方程用方程(1)和(2)表示：

$\frac{X\left(\mathrm{j\ω}\right)}{F\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{1}{-M{\mathrm{\ω}}^2+k+\mathrm{j\ωc}}\≈\frac{1}{-M{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{j\ωc}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ω}}_n=2\mathrm{\π}{f}_n=\sqrt{\frac{k}{M}}---\left(2\right)$

其中F(jω)是作用在马达上的力，X(jω)是位移，‘M’是运动质量，‘c’是阻尼常数，‘k’是弹簧常数，ω是驱动频率(弧度/秒)，ω_n是共振频率，‘j’是虚数。

在这方面，F(jω)和X(jω)是通过将牛顿运动方程表示为频域然后对其傅立叶变换获得的。共振频率(ω_n)成比例增加，以增加弹簧常数(k)的值。

在过载的情况下，当操作频率增加约5Hz，高于共振频率时，弹簧常数(k)的值增加，驱动频率(ω)也增加。然而，在这方面，由于驱动频率(ω)比弹簧常数(k)增加的多，方程(2)的Mω²的值大于值‘k’。

因此，假定阻尼系数(C)小于Mω²，往复式压缩机的力和位移几乎与-Mω²的值成反比例。

这可用方程(3)表示

$\frac{X\left(\mathrm{j\ω}\right)}{F\left(\mathrm{j\ω}\right)}\≈-\frac{1}{M{\mathrm{\ω}}^2}---\left(3\right)$

如方程(3)所示，在输入电流和位移之间产生约180度的相位差。

即，如图7中的‘e’所示，当电流反时针方向作用于马达的绕组120时(阳极电流)，磁铁220在与绕组120产生的磁通的磁极相同的方向上移动，即在磁通相互抵消的方向上移动。

随后，如图7中的‘f’所示，当输入电流变为‘0’，即在电流的流动方向改变的时间点，磁铁向马达的绕组120的中心移动。这样，当电流产生的磁通的大小为最小时，磁铁122产生的磁通的大小也是最小。

当电流顺时针施加到马达的绕组120上时(阴极电流)，磁铁122在与马达的绕组120产生的磁通的磁极相同的方向上移动，即磁铁预先移动的相反方向。这样，磁通相互抵消(图7中的‘g’所示)。

换句话说，磁铁122在电流产生的芯磁通和磁铁的位移产生的磁通为同极并相互抵消的方向上移动。因此，输入电流产生的磁通和磁铁产生的磁通之间的相位差为180度。

当输入电流产生的磁通和磁铁产生的磁通相互抵消时，由于电流产生的磁通和磁铁产生的磁通带来的电流饱和现象不再发生，因此，往复式压缩机可稳定地操作，即使在过载的情况下在马达中也不会产生饱和。

此时，在马达过载的情况下，操作频率的增加值是基于每个马达条件的实验值，在设计马达时，使电流和磁通之间的相位差约为180度的值预先设定为额定电流的1.3倍。

然而，在往复式压缩机过载操作的情况下，如果操作频率增加，基于操作频率的增加，施加在往复式压缩机上的行程略微降低。

为了对其补偿，如果操作频率增加一定值，微型计算机400使作用于马达上的电压增加一定水平(ST7)。

换句话说，在根据本发明由反相器驱动的往复式压缩机中，当检测到马达过载时，电流操作频率增加至过载操作下的预定值，这样，输入电流和磁铁产生的磁通相互抵消。

此时，根据频率的增加，行程可以略微降低任意值。这样，为了对其补偿，使电压略微增加。

另外，微型计算机400检测作用于往复式压缩机上电流波形，如果电流的波形不是正弦波，并已经严重地扭曲，微型计算机400确定它处于过载(ST4)。

确定为过载后，微型计算机400使操作频率增加至比振荡频率高的一定水平，并在过载操作(ST6)时将该增加的操作频率施加到马达(ST5)。

另外，微型计算机400将作用于马达上的功率与预定的功率比较，并将作用于马达上的载荷与电流波形比较。

通过比较，如果测量的功率高于参考功率(ST4)，它确定为过载，因此，微型计算机400使操作频率增加一定水平(ST5)，并过载驱动马达(ST6)。

至此描述后，本发明的往复式压缩机的操作控制方法具有许多优点。

即，例如，首先，检测往复式压缩机的过载操作，如果是过载操作的话，操作频率增加，以便使磁通和输入电流产生的磁通抵消。这样，可防止马达在过载的情况下损坏。

第二，由于磁铁和输入电流产生的磁通相互抵消，基于电流的饱和现象消失，没有过电流施加，这样，功率损耗降低。

最后，输入电流和位移之间的相位差变为180度，以防止饱和，在通过执行行程等的无传感器的位移估测来控制往复式压缩机的情况下，由于饱和引起马达常数迅速降低的现象受到限制。因此，马达将不会出现故障，这样其效率最大。

在不超出本发明的实质或重要特征的前提下，本发明可采用若干形式，应该理解除非另有说明，上述实施例不限于前述说明书的任何细节的限制，而是应在本发明的实质和范围内由附后的权利要求书进行广义地限定。因此，满足和落在权利要求书界限内或其等效界限内的所有修改和变化应该包含在附后的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种受反相器驱动的往复式压缩机的操作控制方法，其步骤包括：

当往复式马达在额定频率下操作时测量作用到马达上的共振频率；

将测量的共振频率与预定的参考共振频率进行比较；

如果测量的共振频率小于或等于参考共振频率，则使往复式压缩机保持在额定频率下操作；和

如果测量的共振频率大于参考共振频率，确定为过载，使电流操作频率增加一定水平，以便进行过载操作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，参考共振频率设定成与在额定载荷下的额定频率相同。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，过载是通过试验设定的值，在过载下的驱动电流值是在额定载荷下的电流值的1.3倍以上。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在过载的情况下，操作频率增加一定值以高于共振频率，从而使电流和位移的相位差可达到180°，以便进行过载操作。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对于在过载情况下的操作频率，电流设定为额定电流的1.3倍，因此输入电流产生的磁通和磁铁产生的磁通之间的相位差为180度。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在过载的情况下，如果操作频率增加所述一定值，磁铁在与马达的绕组中产生的磁极相同的方向上移动。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，如果操作频率增加所述一定值，输入到马达的电流和磁铁产生的磁通在相互抵消的方向上移动。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在过载操作的情况下，马达的电压增加到一定水平，以便补偿操作频率增加所产生的行程降低。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，过载操作步骤包括：

将作用在马达上的输入电流的波形与参考电流正弦波形比较；和

如果波形发生扭曲确定为过载，并使电流操作频率增加至一定水平，以便进行过载操作。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，过载操作步骤包括：

将作用在马达上的功率与参考功率比较；和

如果施加的功率大于参考功率，确定为过载，并使电流操作频率增加到一定水平，以便进行过载操作。

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