CN1327129C - 控制和监控压缩机中活塞位置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制压缩机(1)的方法，特别是防止活塞(5)撞击设置在其中阀系统(8、9)的方法。本发明具有控制线性压缩机(1)的活塞(5)的行程的目的，以使得活塞(5)可向前运动到在负载极限状况下的活塞机械行程的末端处，并不使活塞(5)撞击到阀系统(8、9)。该目的借助于一用于控制压缩机(1)特别是线性压缩机的方法而实现，该压缩机包括活塞(5)和线性马达(2)，所述活塞(5)沿行程移动并由马达(2)驱动，平均电压(Vm)施加给所述马达(2)并控制活塞(5)的运动，该方法包括以下步骤：测量所述活塞(5)的运动的第一时间；将第一时间与运动预计时间相比较；如果所述第一时间与所述预计运动时间不同，则改变电压(Vm)，预计运动时间为该活塞(5)到达最大限度点(M)的运动，该点(M)大致接近活塞(5)行程的末端。一种用于监控线性压缩机(1)的活塞(5)的位置的系统，以及也可预见到一压缩机(1)。

Description

控制和监控压缩机中活塞位置的方法
技术领域
本发明涉及一种控制压缩机的方法，尤其涉及一种防止活塞撞击设置在其中的阀系统的方法，还涉及一种监控压缩机活塞位置的系统，并涉及一种装备有活塞位置监控系统的压缩机。
线性压缩机在现有技术中是已知的，并且包括一机构，其中活塞做往复运动，并且在大多数情况下，设置有一互连汽缸和活塞的弹性装置，其破坏了该运动的共振特性，能量由线性位移马达提供。
现有技术的描述
在已知方案(A-US5704771-Sawafuji Electric)中，活塞行程基本上与施加给线性马达的电压程度成比例，该马达是磁体固定线圈可活动式的。在该方案中，该机构构造成，以使得行程范围和活塞直径的之间的关系较大，以至于由于输入电压和负载的变化，活塞在其往复运动中其到达的终点位置的变化没有显著地干扰压缩机制冷能力和效率。
在此方案中，该机构设置有排出阀，该阀如此装入，即，如果活塞超过在其往复运动中预计的最大行程，例如当施加到马达上的电压过大时，活塞将接触该排出阀，并且后者可允许活塞向前少许移动，这样可防止对阀头板的撞击。
在另一已知的方案中，活塞的行程也基本上与施加到线性马达的电压成比例，该马达为磁体活动且线圈固定式(B-US4602174-Sunpower，Inc.)。
在此方案中，该机构的结构没有设置用于活塞行程的机械式限制器，并且没有将尺寸确定成，使其承受活塞对阀板的过大撞击。由于追求效率最优化的结构，行程与活塞直径之间的关系不大，其使得压缩机的性能取决于活塞行程中的偏差。例如，在很小一部分的行程后，大约整个行程的5％，排出气体的过程就发生了。
在此种压缩机中出现的另一效果在于，往复运动的中间点的位移，其具有使活塞离开排出阀的效果。这是因为，当活塞两个侧面存在压力差时，由活塞和弹簧形成的共振机械系统的弹性变形。往复运动的中间点的这种位移与排出和吸入的压力差成比例。
由于以上原因，在该方案中采用一活塞行程的控制器是必要的，该控制器是一将电压施加到线性马达上的控制器，其重新输入活塞位置的信息，该位置信息基本上从供应给马达的电流信息和马达的接线端感应到的电压信息估算出(C-US5342176，US5496153，US5450521，US5592073)。
用于向该电压控制器提供重新输入的另一步骤是观察活塞是否撞击阀板，借助于撞击检测麦克风或加速度计进行检测(方案D)，其产生一命令，以用于减小施加到马达上随后为活塞行程中的电压。
现有技术的缺陷
在方案(A)中，活塞行程不受控制，设计可允许电压和负载的变化，并没有损坏机构，但是该方案限制了产品的效率。并且在该方案中，活塞对排出阀可能的撞击即使没有影响产品可靠性，其也必然伴有噪音的升高。
在方案(C)中，通过采用估算的活塞位置作为参考量，使活塞行程受控制，该位置由马达接线端处的电流和电压计算出，但是由于马达的结构差别、温度和负载的变化，其会发生错误，这样阻碍了更精确的控制，其在冷却能力的极端状况下限制效率和运行。
该方案的另一缺陷在于，往复运动的中间点的位移的计算不精确，其基本上是由于吸入压力和排出压力之间的平均差以及共振系统的弹簧的弹性常数而造成的。
在方案(D)中，通过保持施加到马达上的电压的某一程度来控制最大的活塞行程，在该电压程度之下则导致撞击，其控制通过检测撞击并基于获得的信息些微地降低施加的电压而实现。
该方案的缺陷是撞击本身，该撞击是告知活塞接近阀板所必要的，因为其导致噪音和机械损坏，这降低了产品的使用寿命。
另一缺陷是这种形式的控制的较慢的反应速度，在公共电网的供给电压下剧烈地往复运动期间，不能防止撞击和防止冷却能力的减小。在活塞行程的更精确控制中这些限制代表了该种压缩机极大的性能局限。理想的情况应使活塞尽可能地靠近阀板，同时没有撞击发生。从现有技术已知的控制装置不许可这样的接近，这是因为活塞位置的估算的不精确性，并且保持更长的安全距离使必要的，安全距离使得压缩机在排出压力高时不能泵压气体，并由于无用容积的存在减小了最高效率。
发明内容
本发明的目的在于：
控制线性压缩机的活塞的行程，以使得活塞可向前运动到的活塞机械行程的末端处，甚至在负载极限状况下，使得活塞不能撞击到阀系统。
控制线性压缩机的活塞的行程，以使得活塞可向前运动到在负载极限状况下的活塞机械行程的末端处，使得甚至在来自能源供应网的极端干扰出现时活塞不能撞击到阀系统。
提供对线性压缩机的活塞行程的控制，并不需要关于活塞往复运动的中间点位移的信息。
提供对线性压缩机的往复行程的幅度的控制，使得能对压缩机提供的冷量进行控制。
这些目的借助于一用于控制压缩机特别是线性压缩机的方法而实现，该压缩机包括活塞和线性马达，活塞沿行程移动并由马达驱动，平均电压施加给马达并控制活塞的运动，该方法包括以下步骤：测量活塞的第一运动时间；将第一时间与一预计运动时间相比较；如果第一时间与预计运动时间不同，则改变电压，预计运动时间为该活塞到达最大限度点的运动。
为了防止活塞撞击位于活塞行程末端的阀板，也可预见到一种用于监控压缩机的活塞位置的系统。借助于活塞位置的监控系统，特别是线性压缩机的活塞位置监控系统，该目的得以实现，活塞沿行程移动并由马达驱动，马达由电压驱动，该系统包括一电子电路，其监控自参照点处经过的活塞的运动，该参照点位于比最大限度点更远离活塞行程末端的一位置处，电子电路测量活塞超过参照点的保持的持久时间并将持久时间与所需预计时间相比较，该所需预计时间比当活塞到达最大限度点时的最大行程的最大行程时间短或与之相等，如果持久时间比所述所需预计时间长，则电子电路降低电压，如果持久时间比所需预计时间短，则该电子电路升高电压。
本发明的一目的在于提供一种具有监控系统的压缩机，甚至在负载极限状况下该压缩机防止活塞可向前运动到的活塞机械行程的末端处，甚至在负载极限状况下，使得活塞不能撞击到阀系统。借助于一种压缩机，特别是线性压缩机，该目的得以实现，该压缩机包括一活塞、阀板以及一线性马达，活塞沿行程移动并由马达驱动，该压缩机包括一电子电路，该电路测量活塞超过参照点的保持的持久时间，并将持久时间与所需预计时间相比较，该所需预计时间比当活塞到达最大限度点时的最大行程的最大行程时间短或与之相等，该参照点位于比最大限度点更远离阀板的一位置处。
附图说明
本发明通过参照由附图示出的一实施例详细地进行描述。附图为：
图1为线性压缩机的示意图，其中应用了本发明的方法；
图2为图1所示的压缩机的活塞运动状态，以及施加给马达以控制它的电压变化情况；
图3为本发明方法的框图；
图4为示出活塞位移和施加给线性马达的电压之间关系图；
图5为控制马达的逆变器的框图；和
图6为示出传感器如何借助于微控制器启动逆变器的框图。
具体实施方式
图1示意性地示出了一线性式压缩机1，其设置有一容纳在块6中的活塞5，其中活塞的行程和运动被限定，并且活塞被线性马达2驱动。活塞5由于弹簧4的作用做一共振类型的往复运动，该运动的控制通过电子电路40起作用，该电路包括逆变器50和微控制器41，逆变器50可改变活塞行程的幅度。阀板8、9靠近活塞行程的末端，在外部干扰的情况下活塞5抵靠阀板撞击，该外部干扰导致该活塞5的运动中的改变。
如图3所示，幅度中的控制和改变借助于重新输入31实现，其在沿活塞5行程的块6中所实际确定的参照点“R”处被测量。更具体地说，本发明旨在使用活塞5超过靠近对于活塞5的最大可能行程“M”(或最大限度点“M”)的末端的参照点“R”的持久时间(或运动时间)“to”的信息；完全循环的持续时间“tc”(或循环时间)；以及与对于活塞5的最大限度点“M”相对应的时间“tom”(或最大行程时间“tom”)的信息，其在图2中借助于曲线“Pm”示出；施加给马达的平均电压“Vm”，在持久时间“to”的比所需预计时间“tod”短的情况下平均电压“Vm”增加，反之亦然；保持所需排量“P”以向使用压缩机1的系统供应确定了的冷量。
活塞5的持久时间“to”是持久时间“to(n)”，“to(n-1)”...的最后测量的平均值，并且所需预计时间“tod”(或预计运动时间)对应于活塞5保持超过对于所需行程“P”的参照点“R”的部分，“P”比“M”短。该所需行程“P”由系统的制冷需求所确定。
除了对平均电压“Vm”的控制之外，活塞由参照点“R”经过的循环时间“tc”(或运动时间)和由参照点“R”的该经过的预计的时刻“tc(计划)”(或运动的预计时间)之间在时间上的差值使得对施加给马达的电压“V1”强加一修正“dV”，“tc(计划)”由在前循环“tc(n)”，“tc(n-1)”，...的平均时间段所确定，在按照一定顺序的循环期间，特别是在活塞5经过参照点“R”和对于经过最大振幅点“P”的预计时刻的期间，“V1”与所需电压“V2”不同，并且这样设法校正在此循环中的路径，保持该行程“P2”非常接近所需值“ P3”并防止活塞5抵靠阀板8、9撞击，如果活塞5的路径按图2所示的从干扰“D”开始的曲线“P1”和“P4”继续的话，该撞击将发生。
最大限度点“M”非常接近阀板，通常保持几十微米的间距。
参照点“R”定位成接近阀板，通常留有1-2毫米的间距。
通过示例，考虑到共振频率为50Hz的压缩机1和大约16mm的活塞5的行程，将参照点“R”定位在离阀板8、9的2mm处，我们具有一持久时间“to”，其根据制冷量的需要从零变化到约3，9ms的最大行程时间“tom”。预计时间“tc(计划)”为20ms(1/50Hz)，而循环时间“tc(n)”一般相对于预计时间“tc(计划)”变化5％。该5％的范围是在供给点网(feed network)35中干扰的结果。
这些时间的测量一般通过使用瞬时器(temporizer)进行，其实际上是存在于微控制器41中的计时器。例如，在持久时间“to”的测量中，当来自安装在参照点“R”处的传感器的逻辑水平从0变化到1时，则显示出活塞5处于超过参照点“R”的区域中，开始该持久时间“to”的测量，当传感器10告知活塞5已返回在参照点“R”的该侧上的位置时该测量结束，其特征为逻辑水平从1变化至0。以相同的方式，第二瞬时器将测量当活塞5在该循环中向前超过参照点“R”的时刻和当活塞5在下一次循环中再次经过该点的时刻之间所经过的时间，由此形成循环时间“tc(n)”。
所需预计时间“tod”应根据需要的冷量来确定，并且对于所需预计时间“tod”存在一最大程度的容许值，其等于当活塞5处于其最大行程时的最大行程时间“tom”。所需预计时间“tod”越长，冷量越大，并且对于每一型号的压缩机，冷量和所需预计时间“tod”值之间的相对表格应被确定。所需预计时间“tod”也可被表示成最大行程时间“tom”的一部分“k”，例如tod＝k·tom。所需预计时间“tod”根据需要而改变，并且在零至等于最大行程时间“tom”的值的范围内，并且部分“k”从0到1变化。
本发明的方法以及监控活塞5的系统使得在每一循环中可更精确地估算活塞5的往复运动幅度；允许对冷量的改变进行补偿的电子控制的反应，该改变为慢速改变；以等于“P”的所需值保持活塞5的往复行程的平均幅度，以及还可允许用于使运行状况中的急速改变均衡化的电子控制的快速反应，该改变由供给电压35中的波动造成，并且这些校正应在每一往复循环中被强制施加，以便在活塞经过实际参照点“R”的其路径的最后部分处校正活塞5往复行程的幅度。
在电压急速升高的情况下，行程的校正通过增大或减小电压“V”的值和随后增大或减小电压“Vm”而进行，电压“Vm”以一与循环时间“ tc(n)”和预计时间“tc(计划)”之间的差值成比例的值“dV”施加给马达。
当压缩机1的需要改变时，或当在电力供给网中发生慢速改变时，如果活塞5超过参照点“R”的保持部分的持久时间“to”不同于所需预计时间“ tod”，则施加给马达的平均电压“Vm”被改变，如果持久时间“to”比所需预计时间“tod”短，则增大平均电压“Vm”；持久时间“to”比所需预计时间“tod”长则减小平均电压“Vm”。
如图5和6所示，包括逆变器50的电子电路40借助于“Vm”的值来控制马达2，并且从安装在处理器1中的传感器10接收重新输入31，由此控制活塞5的运动。
升高和降低“Vm”的值的优选方式是通过使用PWM(脉宽调制)式调制，通过控制开关Q1、Q2、Q3和Q4其向线性马达2的接线端施加一可变(和可控)电压值，以用于改变该调制的工作循环。典型的是，约5kHz的频率用于马达2的电压的这种PWM调制。该类型的电路的实施例在图5中示出。
为了进行对“dV”值的控制，将改变PWM循环，对于极少的调制循环其从80％的“工作循环”急剧变化到50％，例如，在该变化期间，对于几毫秒，在来自供给网的一尖锐干扰之后仅确保活塞行程的校正。
借助于传感器10进行逆变器50的控制，其通过触发瞬时器启动，该瞬时器测量持久时间“to(n)”和循环时间“tc(n)”。最后循环的平均值的计算和储存在其中的测量最大行程时间“tom”和预计时间“ tc(计划)”之间的时间的比较的另一计算由微控制器41执行。这些计算的结果是为获得需要的冷量而施加给马达2的电压“Vm”的循环值。这些计算的结果也是PWM电压施加的该循环的尖锐和瞬时的变化，瞬时地校正电压“dV”以补偿电压的尖锐变化，例如从关断连接的马达至电网35的近点的瞬变。
该方法、系统和由此的压缩机1具有以下优点：快速反应；在每一循环中校正；并不需要基于施加给马达2的电压和电流进行估算，且没有由于诸如温度、马达2的结构、以及活塞5的往复运动的中间点的位移而引入的错误，中间点位移是由于活塞5的端面之间的平均压力差形成的。其也使得可实施一控制装置，以独立于需要的冷量对活塞5行程保持有效地控制，并且甚至在商业电能网35的电压自然波动而造成的快速干扰出现时，可防止活塞5抵靠阀板8、9的机械撞击。
通过如图4所示的示例，电压V1低于电压V2对于实现活塞5的同一幅度是必要的，当负荷C2大于C1时，同样如此。
活塞5经过实际参照点“R”的检测借助于安装在压缩机内的实际传感器10而实施，该传感器为接触式的、光学式的、感应式的或等同传感器。该检测也可通过加入磁性干扰而实施，该磁性干扰在马达的接线端处加入电压，该干扰例如由马达的磁路的结构件产生。
尽管对本发明的优选实施例进行描述，但本技术领域的普通技术人员应当理解本发明的范围内包括各种变形，并且仅由后附的权利要求书的内容限定，其包括其它可能的等同实施例。

Claims (17)

1.一种控制压缩机(1)的方法，该压缩机包括活塞(5)和线性马达(2)，所述活塞(5)沿行程移动并由马达(2)驱动，平均电压(Vm)施加给所述马达(2)并控制活塞(5)的运动，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
测量所述活塞(5)的运动时间；
将所述运动时间与预计运动时间相比较；以及
如果所述测量的运动时间与所述预计运动时间不同，则改变所述电压(Vm)，预计运动时间是对于该活塞(5)朝向最大限度点(M)运动的时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量的运动时间为活塞(5)保持超过一参照点(R)的持久时间(to)，该参照点(R)位于活塞(5)的行程中的一点处，该参照点(R)位于比最大限度点(M)更远离活塞(5)的行程的末端的一位置处，所述预计运动时间为所需预计时间(tod)，所述方法还包括以下步骤：
如果所述持久时间(to)比所述所需预计时间(tod)长，则降低电压(Vm)，所需预计时间不大于最大行程时间(tom)，所述最大行程时间(tom)为当活塞(5)到达最大限度点(M)的持续的时间；和
如果所述持久时间(to)比所述所需预计时间(tod)短，则升高电压(Vm)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最大行程时间(tom)比当活塞(5)到达行程末端时活塞(5)第一次和第二次经过参照点(R)之间的持续时间短。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当活塞向活塞行程的末端移动时，活塞(5)的第一次经过参照点(R)，并且在第一次经过的时刻出现之后，当活塞沿相反方向离开活塞行程末端并在一运动中移动时，发生了活塞(5)的第二次通过。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动时间是活塞的整个循环运动的持续的循环时间(tc(n))，预计运动时间是预计计划时间(tc(计划))，所述比较步骤包括将循环时间(tc(n))与预计计划时间(tc(计划))相比较，该预计计划时间(tc(计划))为活塞(5)经过参照点R的预期的持续时间，并且该预计计划时间具有防止活塞(5)在行程的末端处的撞击的最小值，参照点(R)位于比最大限度点(M)更远离活塞(5)行程末端的一点处，所述改变步骤包括，如果所述循环时间(tc(n))比所述预计计划时间(tc(计划))短，则降低电压(Vm)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述改变步骤使得当活塞(5)超过参照点(R)时，降低所述电压(Vm)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述改变步骤使得所述电压(Vm)借助于施加给电压(V)的一值(dV)被升高或降低，该值(dV)与循环时间(tc(n))和预计计划时间(tc(计划))之间的差值成比例。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括在参照点(R)处测量活塞(5)的位置的步骤。
9.一种监控活塞(5)的位置的系统，所述活塞(5)沿行程移动并由马达(2)驱动，所述马达(2)由电压(Vm)驱动，其特征在于，所述系统包括一电子电路(40)，其监控自参照点(R)处经过的所述活塞(5)的运动，该参照点(R)位于比最大限度点(M)更远离活塞(5)行程末端的一位置处，电子电路(40)测量活塞(5)保持超过参照点(R)的持久时间(to)并将持久时间(to)与所需预计时间(tod)相比较，该所需预计时间(tod)不大于当活塞(5)到达最大限度点(M)时的最大行程的最大行程时间(tom)，如果所述持久时间(to)比所述所需预计时间(tod)长，则电子电路(40)降低电压(Vm)，而如果所述持久时间(to)比所述所需预计时间(tod)短，则该电子电路(40)升高电压(Vm)。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，该电子电路(40)测量活塞(5)的完整循环的运动的持续的循环时间(tc(n))，并将循环时间(tc(n))和预计计划时间(tc(计划))相比较，预计计划时间(tc(计划))为活塞(5)经过参照点(R)的预期时刻，
如果所述循环时间(tc(n))比所述预计计划时间(tc(计划))短，则该系统降低电压(Vm)。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，该参照点(R)位于比最大限度点(M)更远离活塞(5)的行程末端的一位置处。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，该电子电路(40)包括一微控制器(41)和一逆变器(50)，该微控制器(41)用于测量持久时间(to)和循环时间(tc(n))，该逆变器(50)用于改变电压(Vm)。
13.一种压缩机，其包括：
一活塞(5)；
阀板(8、9)；以及
一线性马达(2)，
所述活塞(5)沿行程移动并由马达(2)驱动，
该压缩机(1)的特征在于，其包括：
一电子电路(40)，该电路测量所述活塞(5)保持超过参照点(R)的持久时间(to)，
并将持久时间(to)与所需预计时间(tod)相比较，
该所需预计时间(tod)不大于当活塞(5)到达最大限度点(M)时的最大行程的最大行程时间(tom)，该参照点(R)位于比最大限度点(M)更远离阀板(8、9)的一位置处。
14.如权利要求13所述的压缩机，其特征在于，如果所述持久时间(to)比所述所需预计时间(tod)长，则该电子电路(40)降低电压(Vm)，而如果所述持久时间(to)比所述所需预计时间(tod)短，则该电子电路(40)升高电压(Vm)。
15.如权利要求14所述的压缩机，其特征在于，该电子电路(40)测量活塞(5)的完整循环的运动的持续的循环时间(tc(n))，并将循环时间(tc(n))和预计计划时间(tc(计划))相比较，预计计划时间(tc(计划))为活塞(5)经过参照点(R)的预期时刻，如果所述循环时间(tc(n))比所述预计计划时间(tc(计划))短，则该电压降低电压(Vm)。
16.如权利要求14或15所述的压缩机，其特征在于，该电子电路(40)包括一微控制器(41)和一逆变器(50)，该微控制器(41)用于测量持久时间(to)和循环时间(tc(n))，该逆变器(50)用于改变电压(Vm)。
17.如权利要求15所述的压缩机，其特征在于，所述持久时间(to)和循环时间(tc(n))为多次测量的平均值。
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