CN1754306A - 压缩机的驱动装置及使用该装置的冰箱 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不会起动失败的往复式压缩机的驱动装置。由于将连接往复式压缩机15的活塞107—压缩上止点—下止点的线作为基准线,将θinit沿45°左右旋转方向移动的位置作为最佳的起动初始位置,因此设定旋转初始位置θinit、起动加速度ωinit、起动d轴电流Id init、起动q轴电流Iq init作为使转子117向该起动初始位置移动用的起动电动机常数,在起动前,根据起动电动机常数,在压缩机所带的电动机28的一相中流过驱动电流,使转子117的位置待机于起动初始位置,其后,从该起动初始位置开始起动,从而无论转子117从任何起动位置开始都能正常起动。

Description

压缩机的驱动装置及使用该装置的冰箱
技术领域
本发明有关利用逆变电路驱动压缩机所带的电动机用的压缩机驱动装置。
背景技术
以往,使用往复式压缩机作为冰箱压缩机的驱动源。
这种压缩机是使曲轴从和电动机的转轴形成一体的曲轴销开始延伸,通过球关节机构使该曲轴和气缸室中的活塞连接,球关节机构由设在曲轴的端部并形成一体的球和设在活塞上的滑动自由地抱住球的球窩组成,通过使所述电动机旋转,活塞在气缸中作往复运动而压缩制冷剂(例如:参照特開2003-214343号公报)。
但是,在控制这种压缩机所带的电动机的情况下,要检测电动机的转子位置。因此,如用霍尔IC等位置检测元件,虽能检测出转子确切的位置,但成本高。所以,在通常的逆变控制中,为了利用两相通电使其起动,可以进行根据未通电的另外一相产生的感应电动势来检测位置的无传感器控制。
但是,在矢量控制中,由于使三相同时通电并根据分流电阻检测转子的位置,所以,在电动机起动时,因在到达规定速度以前无法准确地捕捉到电动机的转子位置,故在起动时转子到达所述的规定速度后才开始进行速度控制。
但是,对于6槽4极的无刷DC电动机,由于电动机转1圈中电气控制位置存在180度对称的两个位置,所以存在的问题是:在转子的停止位置上开始其后的起动时,不知道转子从两个位置中的哪一个开始起动。
另外,上述压缩机由于通过转1圈靠活塞进行压缩动作,所以根据旋转中的位置加在转子上的转矩一直在变化。为此,存在的问题是:在压缩机的吸入口和排出口有压差的状态下起动压缩机时,有时起动会失败。
因而,本发明为解决上述问题,提供一种起动不会失败的压缩机驱动装置。
发明内容
本申请的第1方面为一种压缩机的驱动装置,其特点在于,具有至少包括用三相无刷DC电动机驱动的往复式压缩机、冷凝器、以及蒸发器的冷冻循环系统,在利用所述压缩机压缩制冷剂使所述蒸发器冷却的压缩机的驱动装置中,包括:向所述无刷DC电动机的定子绕组供给三相驱动电流的逆变电路;向所述逆变电路供给PWM信号的PWM电路;检测所述三相驱动电流的驱动电流检测单元;根据所述测得的三相驱动电流、变换成与所述无刷DC电动机的转子磁通对应的电流分量即d轴电流和与所述无刷DC电动机的转矩对应的电流分量即q轴电流的dq变换单元;根据所述变换后的d轴电流和q轴电流及从外部输入的速度指令信号、输出基准d轴电流和基准q轴电流的控制单元;将所述基准q轴电流和基准d轴电流变换成基准q轴电压和基准d轴电压的电压变换单元;将所述变换后的基准q轴电压和基准d轴电压变换成三相电压、向所述PWM电路输出的三相变换单元;使所述无刷DC电动机的转子旋转移动到以连接所述压缩机的活塞的位置和压缩上止点及下止点的连线作为基准线旋转40°至50°的位置即起动初始位置的初始方式输出单元;以及使所述压缩机从所述起动初始位置起动的起动单元。
本申请的第2方面为如第1方面所述的压缩机的驱动装置,其特点是:所述无刷DC电动机是三相4极。
本申请的第3方面为如第1方面所述的压缩机的驱动装置,其特点是,所述起动初始位置为以连接所述活塞的位置和压缩上止点及下止点的连线为基准线旋转45°的位置。
本申请的第4方面为如第1至第3方面中至少一项所述的压缩机的驱动装置,其特点是,所述冷冻循环系统为冰箱的冷冻循环系统。
根据本申请,在压缩机起动时通过使无刷DC电动机的转子移动到起动初始位置,在由正弦波逆变器起动中压缩机的吸入口和排出口间有压差存在的状态下仍能起动压缩机,进行最佳的冷冻循环控制。
附图说明
图1为本发明一实施方式的往复式密闭型压缩机的纵断面正视图。
图2为说明本实施方式的压缩机构部分的上止点位置用的说明图。
图3为说明本实施方式的压缩机构部分的下止点位置用的说明图。
图4为压缩机所带的电动机的说明图。
图5为表示本实施方式中对于θinit的起动成功几率用的曲线图。
图6为表示本实施方式的冰箱的断面图。
图7为本实施方式的冰箱的冷冻循环系统图。
图8为本实施方式的冰箱的方框图。
图9为从三相进行αβ变换的矢量图。
图10为从αβ进行dq变换的矢量图。
具体实施方式
以下,说明本发明一实施方式的冰箱1。
首先,参照图6及图7说明冰箱1的构成。
图6为表示本实施方式的冰箱1的断面图。图7为冰箱1的冷冻循环系统。
冰箱1的箱柜的结构为:用绝热箱体9和内箱8形成,利用绝热隔板2分割成冷藏温度区30和冷冻温度区31,两温度区30、31的冷气完全独立,各冷气不会混合。
冷藏温度区30的区域内用冷藏隔板3分成冷藏貯藏室4和蔬菜室5,冷冻温度区31的区域内由第1冷冻室6和第2冷冻室7组成,各室有能各自开闭的门4a、5a、6a、7a。另外,在冷藏貯藏室4中装有检测冰箱内温度用的温度传感器(以后称R传感器)34和除臭装置35。
在蔬菜室5的背面配置冷藏室蒸发器10和冷藏室冷却风扇11,冷藏室冷却风扇11能根据冰箱内温度变化或门的开闭任意运转。而且,冷藏貯藏室4的背面成为向冷藏温度区30内供给冷气用的冷气循环通路18。在冷冻室蒸发器12的下部配置除霜加热器26。
冷冻室蒸发器12和冷冻室冷却风扇13配置在第1及第2冷冻室6、7的背壁上,通过使冷气循环来冷却第1及第2冷冻室6、7。
在冰箱1的背壁下部的机械室14中如图7所示分别配置构成冷冻循环系统的压缩机15、冷凝器21,从压缩机15排出的可燃性制冷剂通过冷凝器21后,由切换阀22的制冷剂切换机构交替切换制冷剂流通路径,从而能交替实现冷冻方式和冷藏方式。
切换阀22的一侧出口依次连接冷藏毛细管23和冷藏室蒸发器10,切换阀22的另一侧出口依次连接冷冻毛细管24和冷冻室蒸发器12,冷冻室蒸发器12连接贮存器16。
根据上述构成的冰箱1,其冷冻循环系统的构成为:靠切换阀22切换制冷剂流通路径,在冷冻温度区31冷却时的冷冻方式下,可燃性制冷剂用冷冻毛细管24减压,进入冷冻室蒸发器12,使冷冻温度区31冷却后,再度返回压缩机15。而另一方面,在冷藏温度区30冷却时的冷藏方式下,可燃性制冷剂用冷藏毛细管23处减压,进入冷藏室蒸发器10,使冷藏温度区30冷却后,通过冷冻室蒸发器再度返回压缩机15。
冷冻方式时的可燃性制冷剂按照冷冻毛细管24、冷冻室蒸发器12、储存罐16的次序流动,靠冷冻室冷却风扇13的运转使冷气在冰箱内循环,对第1及第2冷冻室6、7进行冷却。
冷藏方式时,切换阀22切换,当制冷剂流通路径从冷冻温度区31一侧切换到冷藏温度区30一侧时,可燃性制冷剂在冷藏室蒸发器10中流动,靠冷藏室冷却风扇11的运转来冷却冷藏貯藏室4和蔬菜室5。
(2)冰箱1的电气系统结构
关于冰箱1的电气系统结构,现参照图8的方框图进行说明。
如图8所示,该系统由以下三部分构成,即驱动压缩机15的三相无刷DC电动机(以后称压缩机所带的电动机)28、驱动该压缩机所带的电动机28的驱动装置(以后称压缩机驱动装置)32、以及控制该压缩机驱动装置32的冰箱1的主控制单元33。再有,主控制单元33与分别设置在各室4、5、6、7的门4a~7a上的门开关4b~7b连接。还有,主控制单元33还与除臭装置35、除霜加热器26、R传感器34连接。
现先说明压缩机驱动装置32的结构。
压缩机驱动装置32由以下的单元构成,即逆变电路42、整流电路44、交流电源46、PWM形成单元48、AD变换单元50、dq变换单元52、速度检测单元54、速度指令输出单元56、速度PI控制单元58、q轴电流PI控制单元60、d轴电流PI控制单元62、三相变换单元64、以及初始方式输出单元66。
使压缩机15旋转的压缩机所带的电动机28如上所述为三相无刷DC电动机。该压缩机所带的电动机28的三相(u相、v相、w相)定子绕组40u、40v、40w中流过逆变电路42的三相驱动电流。
该逆变电路42为由6个开关半导体即晶体管Tr1~Tr6构成的全桥逆变电路。还有,虽然图中未示出,但对该开关晶体管Tr1~Tr6反并联连接有二极管。另外,与开关晶体管Tr1及Tr4串联连接用于检测驱动电流用的检测电阻R1,与开关晶体管Tr2及Tr5串联连接用于检测驱动电流用的检测电阻R2,与开关晶体管Tr3及Tr6串联连接用于检测驱动电流用的检测电阻R3。
整流电路44由市电(AC100)的交流电源46供给交流电压,再将其整流后供给逆变电路42。
PWM形成单元将PWM信号供给6个开关晶体管Tr1~Tr6的栅极端。PWM形成单元48根据以后将说明的三相电压Vu、Vv、Vw进行脉宽调剂,按照规定的时序使各开关晶体管Tr1~Tr6进行导通/关断。
AD变换单元50检测分流电阻R1、R2、R3上的电压值,将各相的电压值从模拟量变换成数字量,输出三相驱动电流Iu、Iv、Iw。
dq变换单元52将AD变换单元50输出的驱动电流Iu、Iv、Iw变换成与磁通对应的电流分量即d轴(direct-axis,直轴)的电流Id和与压缩机所带的电动机28的转矩对应的电流分量即q轴(quadrature-axis,交轴)的电流Iq。
该变换方法如式(1)所示,将三相的Iu、Iv、Iw变换成两相的Iα、Iβ。图9为表示该三相电流和两相电流间的关系的矢量图。
Iα Iβ = 2 3 1 - 1 / 2 - 1 / 2 0 3 / 2 - 3 / 2 Iu Iv Iw - - - ( 1 )
然后,利用式(2)将这样变换成的两相的电流Iα、Iβ变换成q轴电流Iq和d轴电流Id。这一两相的驱动电流和变换(检测)后的q轴电流Iq和d轴电流Id间的关系具有象图10示出的矢量图那样的关系。
Id Iq = cos θ sin θ - sin θ cos θ Iα Iβ - - - ( 2 )
速度检测单元54中,根据检测出的q轴电流Iq和d轴电流Id,检测压缩机所带的电动机28的转角θ和转速ω。根据q轴电流Iq和d轴电流Id,求压缩机所带的电动机28转子的位置即转角θ,通过对该转角θ微分求出转速ω。
冰箱1的主控制单元33中,根据dq变换单元52送来的q轴电流Iq,输出速度指令信号S。
速度指令输出单元56根据来自主控制单元33的速度指令信号S和来自速度检测单元54的转速ω,输出基准转速ωref。基准转速ωref与当前的转速ω一起输入速度PI控制单元58。
在速度PI控制单元58中,根据基准转速ωref与当前的转速ω间的差分进行PI控制,输出基准q轴电流Iqref和基准d轴电流Idref,与当前的q轴电流Iq和当前的d轴电流Id一起分别向q轴电流PI控制单元60和d轴电流PI控制单元62输出。
在q轴电流PI控制单元60中,进行PI控制,同时还进行电流/电压变换,输出基准q轴电压Vq。
在d轴电流PI控制单元62中,进行PI控制,同时还进行电流/电压变换,输出基准d轴电压Vd。
在三相变换单元64中,首先根据式(3)将基准d轴电压Vd和基准q轴电压Vq变换成两相的电压。
Vα Vβ = cos θ - sin θ sin θ cos θ Vd Vq - - - ( 3 )
根据式(4)再将这一变换后的两相电压Vα、Vβ变换成三相的电压Vu、Vv、Vw。
Vu Vv Vw = 2 3 1 0 - 1 / 2 3 / 2 - 1 / 2 - 3 / 2 Vα Vβ - - - ( 4 )
向所述的PWM形成单元48输出该变换成三相的电压Vu、Vv、Vw。
利用以上的压缩机驱动装置32,根据检测出的d轴电流Id和q轴电流Iq来检测转速,根据这一转速ω和来自主控制单元的速度指令信号S进行反馈控制,从PWM形成单元48向逆变电路42输出PWM信号,使得压缩机所带的电动机28按照与速度指令信号S一致的转速ωref旋转。逆变电路42据此向压缩机所带的电动机28的三相定子绕组40输出三相驱动电流。
然后,初始方式输出单元66设定压缩机15起动时的起动电动机常数,起动时,根据这一设定的起动电动机常数来决定起动特性。所设定的起动电动机常数为旋转初始位置θinit、起动加速度ωinit、起动d轴电流Id init、起动q轴电流Iq init,起动加速度ωinit向速度指令输出单元56输出,旋转初始位置θinit向dq变换单元52输出,起动d轴电流Id init、起动q轴电流Iq init向速度PI控制单元58输出。关于该起动时的控制将在以后予以说明。
(3)压缩机15的结构和工作状态
(3-1)压缩机15的结构
以下,参照图1~图4说明往复式密闭型压缩机15的结构。
图1表示将压缩机15纵向剖开的正视图。
压缩流体即制冷剂如上所述当然为可燃性的制冷剂即异丁烷(R600a)。
在压缩机15的立式密封外壳101内的上下方向大致中间部位,通过弹簧102a弹性地支持机架102。在机架102的上部设置压缩机构103,在下部设置压缩机所带的电动机28。压缩机构103采用所谓的往复式压缩机构。
沿机架102的中心部设置主轴支持用孔102b,主轴即转轴105能自由转动地嵌在其中。在转轴105的上端设置有置于机架102上表面能自由滑动的轴环105a,并形成一体,轴环105a的上部联接有与转轴105的中心轴具有规定量偏心的中心轴的曲轴销105b。因此,当转轴105旋转驱动时,轴环105a在机架102上表面以滑动接触状态旋转,而且,曲轴销105b沿转轴105中心周围作偏心旋转。
压缩机构103装在机架102的上表面,具有轴向朝着水平的气缸106、该气缸106的内部为装有活塞107并能自由往复的气缸室108。活塞107通过球关节机构110连接曲轴109的一端。在曲轴109的另一端设置与曲轴销105b配合并能自由转动的端部111。
现对球关节机构110进行说明。在曲轴109的一端设置有球112,并形成一体。而另一方面,在活塞107内部设置球窝113。该球窝113能抱住球112自由地转动。通过这样,随着曲轴销105b的偏心旋转,曲轴109以球关节机构110为支点能作摆动运动,使活塞107在气缸106内往复运动。
另外,气缸106的开口一端被阀门机构115封闭,用阀盖116覆盖。阀盖116上设置将内部一分为二的分割部,其一部分空间为吸入室,而另一部分空间为排出室。
阀门机构115设置具有吸入口和排出口的阀板,各吸入口和排出口靠吸入阀和排出阀开闭。吸入口面对吸入室,排出口面对排出室。
对于这样构成的压缩机构103,压缩机所带的电动机28具有与转轴105的从机架102向下方凸出的部位配合的转子117;以及具有和该转子117的圆周面存在狭小的间隙的内圆周面、并从机架102上以恰当的单元垂直设置固定的定子118。
(3-2)压缩机所带的电动机28的结构
如图4所示,压缩机所带的电动机28为无刷DC电动机,为三相6槽4极电动机。即4极的转子117在三相6槽的定子118的内圆周一侧旋转。
在利用压缩机的驱动装置32将电压加在压缩机所带的电动机28的各相上时,在电动机内部以180°对称地进行相同的控制。另外,如图2所示,由于曲轴109在一处,在决定起动时的位置而在三相中流过某些电流时,曲轴109根据停止位置向180°对称的某一处(图2、图3)移动。
(3-3)压缩机15的工作状态
以下,说明压缩机15的压缩运转及随此产生的冷冻循环作用。
当压缩机所带的电动机28通电,转轴105一旋转驱动,曲轴销105b就一起偏心旋转。随着这一偏心旋转,通过曲轴109和球关节机构110,活塞107就在气缸室108内往复运动。
用蒸发器蒸发、形成低压的制冷剂气体引入密闭外壳101内,并充满其中。该制冷剂气体被引入阀盖116内的吸入室,再随着活塞107的移动(向外运动),被吸入气缸106的气缸室108。
通过活塞107沿相反方向移动(向里运动),压缩制冷剂气体。活塞107当移动到所谓的上止点位置时,排出阀开放,在气缸室108被压缩并变成高压的制冷剂气体向阀盖116的排出室排出。
该高压的制冷剂气体通过外壳内排出管从密闭外壳101引向外部制冷剂管路,引入冷冻循环系统。由于转轴105继续旋转,故活塞107来回运动,冷冻循环反复地进行。
如图2和图3所示,随着转轴105的旋转,曲轴销105b偏心旋转,曲轴销105b的中心P画出以偏心量为旋转半径的圆形旋转轨迹A。曲轴109进行有规定摆动角度α的摆动运动,在球关节机构110中,球112和球窝113互相滑动。
在对引入气缸室108的制冷剂气体进行压缩之际,对活塞107的顶面加上载荷(F),该力通过活塞107作用于球关节机构110。
(4)起动时的控制方法
压缩机15的起动是经规定时间(例如3秒钟)的通电,使转子移到规定位置后开始起动。在这种情况下,由于是4极的转子117,所以究竟向180°对称的哪一边移动,将根据转子117的停止位置而变化。
因而,无论转子117从什么起动位置开始,都要能正常起动。在起动时按照规定的加速度加速的情况下,由于根据起动位置不同,在进入转矩最大的压缩功的位置上的速度将改变,所以要控制转子117的起动位置,使其达到无论从哪里开始都能超越转矩最大的点的速度。另外,通常矢量控制中,虽然最好在压缩机15的吸入口和排出口压差没有后开始起动,但是,需要在有压差(例如300Pa)时起动。也就是说,即使在压缩机15的吸入口和排出口有压差的状态下,压缩机15必须仍能正常起动,进行最佳的冷冻循环控制。
因而,作为该起动的最佳位置,在本实施方式中,为以连接活塞107-压缩上止点-下止点的线作为基准线使θinit旋转45°的位置。以下,称从上止点或下止点的位置开始旋转45°的位置为‘起动初始位置’。还有,这一位置是最佳的理由如下,如图5所示,如选0°,则虽然下止点处转矩最小,但上止点处转矩最大,转子117如正好停止在上止点,则起动失败的可能性大,另外,即使是30°或60°,由于转矩还是较大,所以45°位置处起动成功的几率最高。
这一起动初始位置如图2及图3所示,有180°对称的两处存在。即图2和图3为将压缩机构103的局部以横断面表示的概要俯视图,表示曲轴销105b的偏心旋转运动、与此相应的曲轴109的摆动运动、及球关节机构110及活塞107之间的关系。在图2及图3中,压缩上止点为0°的位置,下止点为180°的位置。图2为曲轴109从压缩的上止点旋转45°的位置,图3为曲轴109处于从下止点旋转45°的位置。
然后,预先使曲轴109位于上止点时的转子117的旋转位置和曲轴109位于下止点时的转子117的旋转位置对应,设定好上述的起动电动机常数,而后由压缩机驱动装置32对压缩机所带的电动机28的各相中的至少一相通电,使转子117的旋转位置停止在从上止点开始旋转45°的位置上(参照图2)、或从下止点开始旋转45°的位置上(参照图3)。即,可预先在初始方式输出单元66中设定旋转初始位置θinit、起动加速度ωinit、起动d轴电流Id init、起动q轴电流Iq init,作为使转子117向起动初始位置移动用的起动电动机常数。
如上所述,压缩机的驱动装置32在起动压缩机15之前,根据上述的起动电动机常数对压缩机所带的电动机28至少在一相中流过驱动电流,使转子117的位置待机于起动初始位置。其后,使其按照起动转速(例如40Hz)旋转,从该起动初始位置开始起动,从而能从起动转矩小的状态开始,无论转子117从哪一起动位置开始均能正常起动。
还有,在压缩机15的吸入口和排出口无压差的状态下,由于有时因转速过快而起动失败,所以,若降低起动转速(例如从40Hz降低10Hz为30Hz)、或起动初始位置不是45°而只转10°或60°位置使转矩稍微加大来起动,则不会有转速过快、而起动失败的情况发生。
(变更例)
上述实施方式中,是将转子117的旋转位置停止在从上止点开始旋转45°后的位置(参照图2)、或从下止点开始旋转45°后的位置(参照图3)作为起动初始位置,但不限于此,只要在40°至50°的范围内都能可靠地起动。
另外,上述实施方式中,是以可燃性制冷剂为例进行说明,但也可以是不燃性制冷剂。
再有,上述实施方式的压缩机15中是以球关节机构形式为例进行说明,但并不限于此,只要是活塞移动的往复式,则其它的结构形式亦可。
工业上的实用性
本发明的压缩机的驱动装置可用于家用冰箱或空调设备的压缩机。

Claims (4)

1.一种压缩机的驱动装置,具有至少包括用三相无刷DC电动机驱动的往复式压缩机、冷凝器、以及蒸发器的冷冻循环系统,利用所述压缩机压缩制冷剂使所述蒸发器冷却,其特征在于,包括
向所述无刷DC电动机的定子绕组供给三相驱动电流的逆变电路;
向所述逆变电路供给PWM信号的PWM电路;
检测所述三相驱动电流的驱动电流检测单元;
根据所述测得的三相驱动电流、变换成与所述无刷DC电动机的转子磁通对应的电流分量即d轴电流和与所述无刷DC电动机的转矩对应的电流分量即q轴电流的dq变换单元;
根据所述变换后的d轴电流和q轴电流及从外部输入的速度指令信号、输出基准d轴电流和基准q轴电流的控制单元;
将所述基准q轴电流和基准d轴电流变换成基准q轴电压和基准d轴电压的电压变换单元;
将所述变换后的基准q轴电压和基准d轴电压变换成三相电压、并向所述PWM电路输出的三相变换单元;
使所述无刷DC电动机的转子旋转移动到以连接所述压缩机的活塞的位置和压缩上止点及下止点的连线作为基准线旋转40°至50°的位置、即起动初始位置的初始方式输出单元;以及
使所述压缩机从所述起动初始位置起动的起动单元。
2.如权利要求1所述的压缩机的驱动装置,其特征在于,
所述无刷DC电动机是三相4极。
3.如权利要求1所述的压缩机的驱动装置,其特征在于,
所述起动初始位置为以连接所述活塞的位置和压缩上止点及下止点的连线为基准旋转45°的位置。
4.一种冰箱,其特征在于,
采用如权利要求1至3中任一项所述的压缩机的驱动装置。
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