CN1573107A - 控制往复式压缩机运行的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种控制往复式压缩机运行的装置和方法，能够通过使运行频率和机械共振频率一致而提高压缩机的效率。该装置包括：机械共振频率计算单元，使用作用在压缩机上的电流和行程计算机械共振频率；运行频率参考值确定单元，用于将运行频率参考值确定在计算出的机械共振频率的预先设定范围之内；和一个控制器，用于比较被确定的运行频率和当前运行频率，然后根据该比较结果控制压缩机的运行频率，从而能够更加精确的控制行程反馈或TDC反馈。因此，提高压缩机的运行效率。

Description

控制往复式压缩机运行的装置和方法

技术领域

本发明是关于一种往复式压缩机，特别是控制往复式压缩机运行的装置和方法，其通过计算出与负载状态相应的机械共振频率，然后根据计算出的共振频率可变的控制运行频率，能够提高压缩机运行效率。

背景技术

当今，不同类型的压缩机被使用，在它们中最普遍使用的是往复式压缩机，当活塞在缸体中直线往复时，压缩机吸入、压缩和排出制冷气体。

根据驱动活塞的类型，往复式压缩机能够被分成往复式和直线式。

在往复式压缩机中，电机的旋转运动被转换成直线运动以压缩制冷气体，同时为了能把旋转运动转换成直线运动，需要一种转换装置，如螺杆、链条、齿轮系统、同步皮带等类似装置。因此，由于转换产生的能量损失很大，同时这种装置的结构复杂。由于这个原因，电机自身直线往复运动的直线式往复压缩机在如今被广泛使用。

在直线式往复压缩机里，因为电机自身产生一种线性驱动力，因而不需要机械转换装置，从而它的结构不复杂，由于转换而导致的能量损失也可以被减少，同时因为没有会产生摩擦和磨损的连接部分，所以噪声也会显著的减少。

在用于冰箱和空调里的直线式往复压缩机，因为随着施加在压缩机的行程电压变化，压缩比改变，制冷能力能被容易的控制。

图1是表示一种用于控制传统往复式压缩机运行装置的结构的框图。

如图所示，控制传统往复式压缩机运行的装置包括一个往复式压缩机3，它可以通过改变行程电压而改变往复式活塞的行程(行程指活塞上止点到下止点的距离)，因而控制制冷能力(或冷冻能力)；电压检测单元5，用来检测产生于压缩机3的电压；电流检测单元6，检测产生于压缩机3的电流；行程计算单元4，通过检测的电流、电压和电机参数估算行程；比较器1，用来比较估算行程值和行程参考值，然后根据比较结果输出偏差信号；以及控制器2，根据偏差信号，改变作用在电机上的电压，从而控制行程。

现在将描述如上构建的传统往复式压缩机的控制操作。

在往复式压缩机3中，当压缩机从使用者处接收到一个预先设定的行程参考值，然后输出行程值，行程通过气缸里活塞的垂直运动被改变，同时气缸里的冷却气体通过泄压阀被传递到冷凝器从而控制制冷能力。

在这里，当行程被行程电压控制而改变时，电压检测单元和电流检测单元检测产生于往复式压缩机的电压和电流，然后分别输出检测的电压和电流值到行程计算单元4。从而，通过应用电流、电压和电机参数到下面的公式，行程计算单元4计算活塞的速度(公式1)和行程(公式2)，之后输出估算行程值到比较器1。

$\mathrm{Velocity}=V_M-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}-------\left(1\right)$

$\mathrm{Stroke}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\∫\left(\mathrm{Velocity}\right)\mathrm{dt}-------\left(2\right)$

在这里，α是电机常数，用于计算行程和将电能转换为机械能；R是由于电阻导致的损失，如铜损和铁损；L是感应系数，V_M是一个电机两端之间的电压。

然后，比较器1比较估算行程值和行程参考值，然后根据比较结果施加偏差信号到控制器2。因此，控制器2改变作用到压缩机3的电机上的电压从而控制行程。

图2是根据传统往复式压缩机估算行程值控制运行的方法的运行流程图。

如这里所示，行程计算单元4接收作用在往复式压缩机的电压和电流，然后估算当前的行程(SP1)。

然后，如果估算的当前行程值大于行程参考值，控制器2减少作用在电机上的电压(SP2，SP4)，或者如果估算的当前行程值小于行程参考值，控制器2就会增加作用在电机上的电压(SP2，SP3)。

然而，在控制传统往复式压缩机运行的方法和装置中，即使机械共振频率随着负载(制冷器外部空气的温度或冷凝器的温度)变化而变化，行程也可按固定频率控制而不改变运行频率，因此压缩机的运行效率恶化。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种控制往复式压缩机运行的装置和方法，为了使负载变化时运行频率和机械共振频率一致，通过把行程和电流的乘积值在一段时间里的平均值确定为机械共振频率，并把它的平均值接近零时的运行频率确定为运行频率，负载这样能够提高压缩机的运行效率。

为了实现这些和其他的优点并根据本发明的目的，如这里实施和广泛描述的，本发明提供了一种控制往复式压缩机运行的装置，它包括：机械共振频率计算单元，使用作用在压缩机上的电流和行程来计算机械共振频率；运行频率参考值确定单元，用于将运行频率参考值确定在计算出的机械共振频率的预先设定范围内；和控制器，比较被确定的运行频率参考值和当前运行频率，然后根据比较结果可变的控制压缩机的运行频率。

为了实现这些和其他的优点并根据本发明的目的，如这里实施和广泛描述的，本发明提供了一种控制往复式压缩机运行的方法，它包括以下步骤：在特定时期内检测作用在压缩机上的电流和行程；使用检测到的电流和行程计算机械共振频率；和通过增加/减少当前运行频率来确定运行频率参考值，以至于使它处于机械共振频率的预先设定的范围内，然后用运行频率参考值驱动压缩机。

本发明前述的和其他的目的、特点、方面和优点将会从下面附图中对本发明详细的描写变得更加清晰。

附图说明

被包括的附图提供了对本发明更深入的理解，它被包括在本说明书中并组成了说明书的一部分，阐述了本发明的实施例并结合描述解释了本发明的原理。

在附图中：

图1是说明一种用于控制传统往复式压缩机运行装置的结构的框图；

图2是说明一种根据传统往复式压缩机估算行程值控制运行的方法的运行流程图；

图3是说明在本发明中用于控制往复式压缩机运行装置的结构的框图；

图4是说明在图3中运行频率变化常数和压缩机效率关系的曲线图；

图5是说明在图3中根据运行频率变化常数的大小增加/减少运行频率的曲线图；

图6是说明在本发明中控制往复式压缩机运行的方法的运行流程图；

图7a至7d是说明机械共振频率的预先设定范围和电流以及它的范围和电流的关系的曲线图。

具体实施方式

本发明的优选实施例将被详细的说明，它的例子在附图中说明。

图3是说明在本发明中一种用于控制往复式压缩机运行装置的结构的框图。

如那里所示，本发明中控制往复式压缩机运行的装置包括一个用于检测施加到压缩机30上的电流的电流检测单元80；一个用于检测在压缩机30上产生行程的行程检测单元60；一个通过使用来自于电流检测单元80输出的电流和来自于行程检测单元60输出的行程来计算机械共振频率(P_avg)的机械共振频率计算单元70；一个用于确定运行频率参考值的运行频率参考值确定单元40，运行频率参考值在计算机械共振频率的预先设定的范围(0±δ)之间；一个第一个比较器10，用来比较运行频率参考值和当前运行频率，并根据比较的结果输出差值；一个第二个比较器50，用来比较来自于行程检测单元60输出的行程和行程参考值，并根据比较结果输出差值；一个控制器20，用来根据第一个比较器10输出的差值来改变压缩机的运行频率，根据第二个比较器50输出的差值来改变作用于压缩机的电压，从而控制行程。

图4是一张曲线图，它说明了在图3中机械共振频率和压缩机效率的关系。图5是一张曲线图，它表示了在图3中根据机械共振频率的大小增加/减少运行频率。

现将描述根据用于控制往复式压缩机运行装置的结构的操作，参见图4和图5。

首先，电流检测单元80检测作用到压缩机30上的电流，同时行程检测单元60检测在压缩机30上产生的行程。在这里，压缩机30是往复式压缩机，优选是直线式往复压缩机。同样，可不用传感器的方法通过计算检测行程。

然后，使用电流检测单元80输出的电流和行程检测单元60输出的行程，计算出机械共振频率(P_avg)。机械共振频率(P_avg)通过电流和行程相乘，然后对一段时间内的所获得的值进行平均而得到。如图4所示，当机械共振频率接近于零时，压缩机获得最大效率。

根据这点，如图5所示，运行频率参考值确定单元40确定运行频率参考值，以至于压缩机能够以接近从机械共振频率计算单元70输出的机械共振频率的运行频率运行，并输出运行频率参考值。

然后，第一个比较器10比较运行频率参考值和实际运行频率，并根据比较结果输出差值。因此，根据第一个比较器10的输出差值，控制器20改变作用到压缩机上的运行频率。

第二个比较器50比较行程参考值和行程检测单元60输出的行程值，根据比较结果输出差值。根据这点，控制器20根据第二个比较器50的输出值，通过改变作用在压缩机上的电压控制行程。

图6是说明在本发明中控制往复式压缩机运行的方法的运行流程图。

如图所示，在本发明控制往复式压缩机运行的方法中，作用在压缩机的电压和行程在某个阶段被检测出来(SP11，SP12)。

然后，使用被测出的电流和行程，计算出机械共振频率(P_avg)(SP13)。此时，用下面的公式3计算出机械共振频率。

$\mathrm{Pavg}=\frac{X_p{I}_p}{2}\cos {\mathrm{\θ}}_1----\left(3\right)$

这里，X_p代表行程峰值，I_p代表电流峰值，θ₁代表行程和电流的相位差。

考察公式3，在行程和电流仅包括一个基本成分的情况下，当行程和电流的相位差是90度时，行程和电流相乘值在一段时间中的平均值总是为零。此时，即使在行程和电流中包括了直流电偏移量和谐波成分，这些值由于不大也能被忽略。

然后，通过增加和减少当前运行频率，运行频率参考值确定单元40确定运行频率参考值使其在机械共振频率的预先设定的范围里。然后，第一个比较器10比较运行频率参考值和当前运行频率，根据比较结果输出差值。控制器20根据来自第一个比较器10的输出差值，改变压缩机的运行频率(SP14至SP17)。

如图5所示，机械共振频率的预先设定范围指频率不变区域的上/下限值。因此，如果当前运行频率在机械共振频率(P_avg)的预先设定的范围(0±δ)中，则当前运行频率被确定为运行频率参考值而不改变频率。如果当前运行频率大于机械共振频率的预先设定范围(0+δ)，则当前运行频率增加至预先设定水平，且增加后的运行频率被确定为运行频率参考值。如果当前运行频率小于机械共振频率的预先设定范围(0-δ)，则当前运行频率减少至预先设定水平，且减少后的运行频率被确定为运行频率参考值。

图7a至7d是说明机械共振频率的预先设定范围和行程/电流的关系曲线图。

如图7a和7b所示，机械共振频率的预先设定范围(0±δ)要被设定和行程大小或电流大小成比例，或者如图7c所示，和行程峰值乘以电流峰值的乘积值大小或行程有效值(X_rms)乘以电流有效值(I_rms)的乘积值大小成比例，或者如图7d所示，和行程和电流的乘积值在一段时间内的平均值(P_avg)除以行程有效值(X_rms)和电流有效值(I_rms)的乘积值所得的值的大小成比例。

作为本发明中使用机械共振频率的往复式压缩机的另一个实施例，提供一个TDC(上止点)检测单元，它用于检测气缸中活塞运动的上限制点或者检测气缸容积最小的位置。因此，如果压缩机被控制在活塞上止点为零的位置时，能够进行定性控制(使用压缩机特性的控制)而与负载的变化无关。

也就是说，在使用机械共振频率的往复式压缩机里，控制单元比较当前的上止点和上止点的参考值，然后根据比较结果，通过对压缩机施加电压控制活塞上止点的反馈。从而，由于对于不同的负载能够进行精确的上止点控制，可避免由上止点变化引起的活塞的磨损和碰撞以及压缩机在运行中的制冷能力不足，因此提高了压缩机的运行效率。

正如所描述的，在本发明中，当负载变化时，行程和电流的乘积值在一段时间里的平均值被确定为机械共振频率，同时在其平均值接近零时的运行频率被确定为运行频率参考值，因此行程反馈或上止点反馈可以被更精确的控制。所以，压缩机的运行效率得到了提高。

因为本发明可以以不同形式实施而不偏离本发明的精神或实质特征，所以应该理解的是，除非特别说明，以上所描述的实施例不被前述具体描述所限制，而是可以在附带权利要求所限定的精神和范围内被广义的理解。因此，在权利要求的限定和范围内的所有变化和修改，或者这些限定和范围内的等同物，都由附带权利要求所包含。

Claims (20)

1、一种控制往复式压缩机运行的装置，包括：

一个机械共振频率计算单元，通过使用作用在压缩机的电流和行程计算机械共振频率；

一个运行频率参考值确定单元，将运行频率参考值确定在计算出的机械共振频率的预先设定范围内；和

一个控制器，比较被确定的运行频率和当前运行频率，然后根据比较结果可变的控制压缩机的运行频率。

2、如权利要求1的装置，还包括：

一个电流检测单元，检测作用在压缩机上的电流；

一个行程检测单元，检测产生于压缩机的行程；

第一个比较器，用于比较运行频率参考值和当前运行频率，然后根据比较结果输出差值。

3、如权利要求2的装置，还包括第二个比较器，其比较行程检测单元输出的行程和行程参考值。

4、如权利要求2的装置，其中所述比较器比较行程检测单元输出的行程值和行程参考值，根据比较结果改变作用在压缩机上的电压，从而控制行程。

5、如权利要求1的装置，其中所述压缩机是直线式往复压缩机。

6、如权利要求1的装置，还包括TDC检测单元，其检测压缩机气缸中活塞运动的上限制点或者气缸容积最小时的位置。

7、如权利要求6的装置，其中所述控制器比较TDC检测单元输出的当前TDC和TDC参考值，然后通过根据比较结果作用在压缩机上的电压来控制活塞TDC反馈。

8、如权利要求1的装置，其中所述机械共振频率计算单元根据压缩机的负载状况把行程和电流相乘，并计算所述乘积值在一段时间内的平均值为零时的频率，将该频率用作运行频率。

9、如权利要求1的装置，其中如果运行频率的大小在机械共振频率的预先设定范围之内，那么所述运行频率参考值确定单元把当前运行频率确定为运行频率参考值而不改变频率。

10、如权利要求1的装置，其中如果运行频率的大小大于机械共振频率的预先设定范围，那么所述运行频率参考确定单元将当前运行频率增加至预先设定的水平，然后把增加后的运行频率确定为运行频率参考值。

11、如权利要求1的装置，其中如果运行频率的大小小于机械共振频率的预先设定范围，那么所述运行频率参考值确定单元将当前运行频率减小至预先设定的水平。

12、如权利要求1的装置，其中所述机械共振频率的预先设定范围被设置为与行程大小、电流大小、行程峰值和电流峰值的乘积值的大小、行程有效值(X_rms)和电流有效值(I_rms)的乘积值的大小、或者行程和电流的乘积值在一段时间内的平均值(P_avg)除以行程有效值(X_rms)和电流有效值(I_rms)的乘积值所得的值的大小成比例。

13、一种控制往复式压缩机运行的方法，包括：

在特定时期内检测作用在压缩机上的电流和行程；

使用检测到的电流和行程计算机械共振频率；

通过减少/增加当前运行频率确定运行频率参考值，以使之处于计算得到的机械共振频率的预先设定范围之内，然后用该运行频率参考值驱动压缩机。

14、如权利要求13的方法，还包括：比较检测到的行程值和行程参考值，根据该比较结果改变作用在压缩机上的电压从而控制行程反馈；或者比较从压缩机检测到的当前TDC和TDC参考值，根据该比较结果改变作用在压缩机上的电压从而控制活塞TDC反馈。

15、如权利要求13的方法，其中所述机械共振频率是根据压缩机负载状况的行程和电流的乘积值在一段时间内的平均值为零时的频率。

16、如权利要求15的方法，其中所述机械共振频率下面的公式计算：

$\mathrm{Pavg}=\frac{X_p{I}_p}{2}\cos {\mathrm{\θ}}_1$

这里，P_avg是机械共振频率，X_p是行程峰值，I_p是电流峰值，θ₁是行程和电流的相位差。

17、如权利要求13的方法，其中所述的用运行频率参考值驱动压缩机包括：

如果当前运行频率在机械共振频率的预先设定范围之内，则把当前运行频率确定为运行频率参考值而不改变频率；

如果当前运行频率大于机械共振频率的预先设定范围，那么将当前运行频率增加至预先设定水平，然后把增加后的运行频率确定为运行频率参考值；以及

如果当前运行频率小于机械共振频率的预先设定范围，那么将当前运行频率减小至预先设定水平，然后把减少后的运行频率确定为运行频率参考值。

18、如权利要求13中的方法，其中所述机械共振频率的预先设定范围被设置为与行程大小或电流大小成比例。

19、如权利要求13中的方法，其中所述机械共振频率的预先设定范围被设置为与行程峰值和电流峰值的乘积值的大小，或者行程有效值(行程rms)和电流有效值(电流rms)的乘积值的大小成比例。

20、如权利要求13中的方法，其中所述机械共振频率的预先设定范围被设置为与行程和电流的乘积值在一段时间内的平均值(P_avg)除以行程有效值(X_rms)和电流有效值(I_rms)的乘积值所得的值的大小成比例。

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