线性压缩机的控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种线性压缩机的控制装置及其控制方法。
背景技术
一般而言,压缩机(Compressor)是,从电机或者叶轮机(turbine)等动力产生装置中得到动力后,压缩空气或者冷媒或者其他种类工作气体,从而提高上述工作气体自身压力的机械装置。上述压缩机在空调和冰箱等一般的家用电器或者制造业领域,使用较为普遍。
上述压缩机大体上可以分为如下几类:
往复式空气压缩机(Reciprocating-compressor)。其是在活塞(Piston)和气缸(Cylinder)之间形成有吸入、排出工作气体的压缩空间,并且通过活塞在气缸内部的直线往返运动,压缩冷媒。
旋转式空气压缩机(Rotary-compressor)。其是在偏心旋转的滚子(Roller)和气缸(Cylinder)之间形成有吸入、排出工作气体的压缩空间,并且通过滚子沿着气缸内壁的偏心旋转运动,压缩冷媒。
涡旋式空气压缩机,其在绕动涡卷(Orbiting-scroll)和固定涡卷(Fixed-scroll)之间形成有吸入、排出工作气体的压缩空间,并且通过绕动涡卷与固定涡卷之间的相对运动,压缩冷媒。
近来,在现有的往复式空气压缩机的基础上,开发出很多不仅结构简单,而且能够提高压缩效率的线性压缩机。上述往复式空气压缩机,其结构原理描述如下:在活塞(Piston)和气缸(Cylinder)之间形成有吸入、排出工作气体的压缩空间,并且通过活塞在气缸内部的直线往返运动,压缩冷媒。另外,在上述往复式空气压缩机的基础上开发的线性压缩机,其结构特征叙述如下:把活塞直接连接在做直线往返运动的驱动电机上,因此,避免了由于运动转换而导致的机械性损失。从而,与现有往复式空气压缩机相比,线性压缩机不但可以提高压缩效率,而且其结构也变得简单。
一般而言,线性压缩机是利用电机的直线驱动力吸入、压缩、排出冷媒。该线性压缩机大体上分为如下几个部分:包含有压缩冷媒气体的汽缸及活塞等构件的压缩部;包含有向上述压缩部提供驱动力的线性电机的驱动部。
具体地讲,上述线性压缩机,其结构及工作原理进一步描述如下:密闭容器内部固定设置有气缸。然后,在上述气缸内部设置有活塞,该活塞能够做直线往返运动。并且,随着该活塞在上述气缸内部做直线往返运动,冷媒流入上述气缸内部的压缩空间,然后冷媒被压缩后排出。上述压缩空间内设置有吸入阀门组和排出阀门组。该阀门组通过上述压缩空间内部的压力,调节冷媒的流入及排出。
上述活塞上相互连接设置有产生动力的线性电机。这里,上述线性电机的具体结构描述如下:内定子和外定子间隔一定距离设置。在上述气缸周边,多个叠片(lamination)向圆周方向叠层而构成上述内定子和外定子。该内定子或者外定子内侧缠绕有线圈,并且在上述内定子和外定子之间的缝隙里设置有永久磁石,该永久磁石与上述活塞相连接。
另外,上述永久磁石设置成:可向上述活塞的运动方向移动的状态。一旦上述线圈中有电流流动,由于此时所产生的电磁力的作用,该永久磁石将向上述活塞的运动方向进行直线往返运动。一般而言,该线性电机将以一定的运行频率(fc)运行,并且使上述活塞以一定的冲程(S)进行直线往返运动。
因此,如上所述的线性压缩机工作过程如下:一旦向上述线性电机提供电流,该线圈中将有电流流动。这时,由于上述外定子及内定子的相互作用将产生电磁力,并且由于该电磁力的作用,永久磁石及与永久磁石相连接的活塞将进行直线往返运动。
如上所述,随着上述活塞在汽缸内部做直线往返运动,压缩空间内部的压力将随时变化。随着该压缩空间内部的压力变化,冷媒被吸入到该压缩空间,被压缩后重新排出到外部。
如图1所示,现有的线性压缩机的控制装置是由如下几个部分构成:供给到外部交流电源,并且把一定的最大电压界限值以下的交流电源提供到线性压缩机(42)的电源部(41);从上述电源部(41)供给到交流电源,从而进行压缩及吸入作业的线性压缩机(42);控制上述电源部(41),从而调节根据负荷(或者冷力)供给到上述线性压缩机(42)的交流电源的大小的控制部(43)。这里,上述最大电压界限值是为了保护控制装置及线性压缩机而设定的。
上述控制部(43)从外部的其他控制装置中接收到指令值(电压及/或者电流指令值),并且根据上述接收到的指令值来控制电源部(41)。上述控制部(43)将只处理最大电压界限值以下的指令值。即,该控制部(43)不处理超出上述最大电压界限值的指令值。因此,即使在产生高负荷而需要高冷力的情况下,上述控制部(43)也只接收上述最大电压界限值以内的指令值,使得线性压缩机(42)只能供给到上述最大电压界限值以内的交流电压。
如图2所示,由于指令值限制在最大电压界限值(vp)以内,因此根据上述指令值的交流电压(V)也限制在上述最大电压界限值(vp)以内。而且,由于交流电压(V)得到了限制,根据上述交流电压(V)的交流电流(i)也将被限制。结果,由于得到限制的交流电压(V)及交流电流(i),供给到上述线性压缩机(42)的电力也将被限制。
但是,如上所述的限制交流电压(V)及交流电流(i)的现有技术存在如下缺点:即,根据高负荷而需要高冷力的情况下,也不能提供一定大小以上的冷力。
而且,在冷冻循环系统内,当是高负荷的情况下,为了输出高冷力,根据现有技术的控制装置将造成共振运动(power mode)环境。另外,在冷冻循环系统内,当在低负荷或者是中间负荷的情况下,为了输出低冷力或者中间冷力,根据现有技术的控制装置将造成正常运动(saving mode)环境。当在正常运动的状态下,如图2所示,控制装置将不会使输入到上述线性压缩机(42)的交流电压(V)增加至最大电压界限值(vp)以上,从而不能使活塞达到相似点(TDC)。另外,还有如下问题:即使线性电机的效率下降,控制装置仍然控制为共振运动,使活塞达到相似点(TDC)。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述缺点,本发明提供一种线性压缩机的控制装置及其控制方法,能够提供比现有技术的电力大的电力,从而能够显著提高冷力,在显著提高冷力的同时,产生最大电压界限值以内的电压,并能控制电压指令值,从而能够实现高冷力和相似点(TDC)运动。
本发明线性压缩机的控制装置是:
一种线性压缩机的控制装置,其特征在于,包括:将接收到的交流电压变换为直流电压的稳流部;接收上述直流电压,并根据反相器控制信号产生正弦波电压的反相器部;接收对应于负荷的最大电压界限值以上的电压指令值,设定相对应的正弦波电压,并产生对应于上述设定的正弦波电压的反相器控制信号,传送到上述反相器中的控制部。
前述的线性压缩机的控制装置,其中所设定的正弦波电压是被上述最大电压界限值所限制。
前述的线性压缩机的控制装置,其中控制部是根据对应于上述最大电压界限值的上述反相器控制信号的开关周期界限值来产生上述反相器控制信号。
前述的线性压缩机的控制装置,其中所设定的正弦波电压是被上述最大电压界限值所钳位(clamp)的正弦波电压。
前述的线性压缩机的控制装置,其中被钳位的正弦波电压是球形波。
本发明线性压缩机的控制方法是:
一种线性压缩机的控制方法,其特征在于,包括下述步骤:根据负荷供给到一定的最大电压界限值以上的电压指令值的步骤;设定对应于上述电压指令值的正弦波电压的步骤;产生对应于上述设定的正弦波电压的反相器控制信号的步骤。
前述的线性压缩机的控制方法,其中设定步骤还附加包含如下步骤:由上述最大电压界限值限制上述正弦波电压的步骤。
前述的线性压缩机的控制方法,其中产生步骤是:根据对应于上述最大电压界限值的上述反相器控制信号的开关周期界限值来产生上述反相器控制信号。
前述的线性压缩机的控制方法,其中所设定的正弦波电压是被上述最大电压界限值所钳位的正弦波电压。
前述的线性压缩机的控制方法,其中被钳位的正弦波电压是球形波。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有的线性压缩机控制装置的结构示意图。
图2是图1所示的线性压缩机的电压及电流的波形图。
图3是本发明的线性压缩机的结构示意图。
图4是本发明的线性压缩机的控制装置的结构示意图。
图5是图4所示的线性压缩机的电压及电流的波形图。
图6是根据电压指令值的线性压缩机输入电力的变化图。
图中标号说明:
51:稳流部 52:反相器部
53:线性压缩机 54:控制部
具体实施方式
如图3所示,本发明的线性压缩机,其具体结构描述如下:密闭容器(2)的一侧设置有使冷媒流入、流出的流入管(2a)及流出管(2b)。气缸(4)固定设置于上述密闭容器(2)的内侧。为了压缩吸入到上述气缸(4)内部压缩空间(P)内的冷媒,在该气缸(4)内部设置有活塞(6)。该活塞(6)可进行直线往返运动。与此同时,设置有:向上述活塞(6)的运动方向弹性支撑活塞(6)的各种弹簧。该活塞(6)与产生直线往返驱动力的线性电机(10)相连接设置。上述线性电机(10)控制活塞(6)的冲程(S),以改变压缩容量。
另外,与上述压缩空间(P)相邻的活塞(6)的一端设置有吸入阀门(22)。与上述压缩空间(P)相邻的气缸(4)的一端设置有排出阀门组(24)。这里,该吸入阀门(22)及排出阀门组(24),各自通过压缩空间(P)内部的压力,自动调节开、关状态。
上述密闭容器(2)为了使内部密闭,相互结合设置上、下部罩(Shell)。该密闭容器(2)的一侧设置有供冷媒流入的流入管(2a)及冷媒流出的流出管(2b)。在该气缸(4)内侧设置有活塞(6),该活塞(6)向运动方向被弹性支撑,并且上述活塞(6)可进行直线往返运动。与此同时,在上述气缸(4)外侧,该线性电机(10)与框架(18)相互组装后构成组装体。该组装体依靠支撑弹簧(29),弹性支撑于密闭容器(2)的内侧底面。
上述密闭容器(2)内部的底面存放有一定量的油(oil)。该组装体的下端上设置有抽吸油的油供给装置(30)。与此同时,该组装体下侧框架(18)内部形成有用于将油供给到上述活塞(6)和气缸(4)之间的油供给管(18a)。因此,上述油供给装置(30)利用活塞(6)进行直线往返运动时产生的振动抽吸油。然后,上述油通过油供给管(18a)供给到活塞(6)和气缸(4)之间的间隙,从而起到冷却及润滑作用。
为了使上述活塞(6)在气缸(4)内部进行直线往返运动,该气缸(4)形成为中空状。该气缸(4)的一侧形成有压缩空间(P)。该气缸(4)最好是在一端相邻于流入管(2a)内侧的状态下,与流入管(2a)设置在同一直线上。
当然,在上述气缸(4)中,与流入管(2a)相邻的一端内部设置可进行直线往返运动的活塞(6);与流入管(2a)反方向侧的一端设置排出阀门组(24)。
上述排出阀门组(24)包括:为了在气缸(4)的一端侧形成一定的排出空间而设置的排出罩(24a);为了开、关该气缸的压缩空间(P)侧一端而设置的排出阀门(24b);设置在上述排出罩(24a)和排出阀门(24b)之间,并且向轴方向赋予弹性力的阀门弹簧(24c)(该阀门弹簧是一种盘簧)。该气缸(4)的一端内周面,镶嵌设置有0型环(R),并以此使上述排出阀门(24a)封闭气缸(4)一端。
上述排出罩(24a)的一侧和流出管(2b)之间连接设置有弯曲形成的环状管(28)。该环状管(28)的作用是:不但可以引导压缩的冷媒排出到外部,还可以缓冲气缸(4)、活塞(6)、线性电机(10)的相互作用引起的振动传送至密闭容器(2)整体的现象。
随着上述活塞(6)在气缸(4)内部进行直线往返运动,如果该压缩空间(P)的压力达到一定的排出压力值以上,该阀门弹簧(24c)将被压缩后开放上述排出阀门(24b)。然后,冷媒从上述压缩空间(P)排出后,将顺着环状管(28)及流出管(2b)完全排出到外部。
为了使从流入管(2a)流入的冷媒流动,上述活塞(6)的中央形成有冷媒流路(6a)。与该流入管(2a)相邻的一端,由连接部件(17)直接连接到线性电机(10)。与此同时,与流入管(2a)相反方向侧的一端上设置吸入阀门(22)各种弹簧向活塞(6)的运动方向弹性支撑活塞(6)。
上述吸入阀门(22)为薄板形状,并且为了开关活塞的冷媒流路(6a),切开中央的一部分,其一侧由螺丝固定设置于活塞(6)的一端。
因此,随着上述活塞(6)在气缸(4)内部进行直线往返运动,一旦压缩空间(P)的压力达到低于排出压力的一定的吸入压力值以下,该吸入阀门(22)将开放,使冷媒吸入到压缩空间(P)内。另外,一旦压缩空间(P)的压力达到一定的吸入压力值以上,在吸入阀门(22)关闭的状态下,该压缩空间(P)的冷媒将被压缩。
如图4所示,本发明线性压缩机的控制装置是由以下几个部分构成:将接收到的外部交流电压变换为直流电压的稳流部(51);接收上述直流电压,并根据反相器控制信号产生正弦波控制电压的反相器部(52);从反相器部(52)中供给到正弦波控制电压,从而进行压缩及吸入作业的线性压缩机(53);根据对应于负荷(或者冷力)的一定的最大电压界限值以上的电压指令值,设定相对应的正弦波控制电压,并产生对应于上述设定的正弦波控制电压的反相器控制信号,传送到上述反相器(52)中的控制部(54)。这时,上述控制部(54)是利用从其他控制装置中接收的负荷(或者冷力)信息等来进行对负荷(或者冷力)的判断。也可以独自判断线性压缩机(53)内的负荷。
具体地讲,上述反相器部(52)根据从控制部(54)中的反相器控制信号(例如,PWM信号等),产生由上述控制部(54)设定的正弦波控制电压。
在负荷(或者冷力)为高负荷(或者高冷力)时,控制部(54)将根据现有技术中所提及的最大电压界限值(Vp)以上的电压指令值(V*)设定正弦波驱动电压,并且产生对应于该设定的正弦波驱动电压的反相器控制信号。上述设定的正弦波驱动电压,首先可以设定为与电压指令值(V*)相对应的波峰值,但是该波峰值受到上述最大电压界限值(Vp)的限制。该限制过程如图5所示。
参阅图5,控制部(54)首先根据电压指令值(V*)设定正弦波驱动电压。然后,根据最大电压界限值(Vp)进行限制,从而使超过最大电压界限值(Vp)的驱动电压设定为最大电压界限值(Vp)。即,对于电压指令值(V*)的大小(或者波峰值)并没有限制,但是对于供给到线性压缩机(53)的正弦波驱动电压的大小(或者波峰值)还是有一定限制。控制部将产生对应于上述设定的被钳位的正弦波驱动电压(V’)的反相器控制信号,供给到反相器部(52)。这时,随着正弦波驱动电压(V’)变大,正弦波驱动电流(i’)也将变大。
换句话说,上述控制部(54)将具有对应于上述最大电压界限值(Vp)的上述反相器控制信号的开关周期界限值。因此,在设定了根据最大电压界限值(Vp)以上的电压指令值(V*)的正弦波驱动电压后,将上述设定的正弦波驱动电压转换为控制信号时,适用上述反相器控制信号的开关周期界限值,堵截超过最大电压界限值(Vp)的正弦波驱动电压的产生。
如上所述,控制部(54)对电压指令值(V*)并没有限制,而是仅仅具备反相器控制信号的开关周期界限值,因此可以使反相器部(52)实际产生的正弦波驱动电压始终被维持在最大电压界限值(Vp)以下。
对图2所示的电压(V)和电流(I)的电力,以及图5所示的电压(V’)和电流(i’)的电力进行比较,很显然,本发明依据电压(V’)和电流(i’)的电力要大很多。因此,可以提高线性压缩机(53)中的冷力的最大值。即,对于同样的外部交流电压,可以提高较大的电力,因此也可以提高电力的效率。
如上所述,一旦本发明的电压(V’)为球形波,电力的效率将显著增加,因此可以进一步提高冷力的最大值。
如图6所示,该图是在周围温度为43度时的线性压缩机中的实验结果。这时,最大电压界限值(Vp)为220V(RMS)。
如图所示,X轴表示的是利用控制部(54)设定,并依据负荷设定的电压指令值(V*)的变化,Y轴表示的是线性压缩机的输入电力比率(%)。这里,输入电力比率(%)定义为,当前输入电力/TDC运动时的输入电力。
第1区间表示的是:在控制部(54)的电压指令值(V*)为最大电压界限值(Vp)220V以下时,设定正弦波交流电压,并通过反相器部(52)提供到线性压缩机(53)时的线性压缩机的输入电力比率(%)。在第1区间中,随着电压指令值(V*)的增加,输入电力比率(%)也将增加,但是由于活塞(6)不能完成到相似点(TDC)的直线往返运动,因此输入电力比率(%)最高只能达到约78%左右。
第2区间表示的是:控制部(54)的电压指令值(V*)设定为最大电压界限值(Vp)以上,并设定被钳位的正弦波交流电压(即,球形波形态的交流电压),然后通过反相器部(52)供给到线性压缩机(53)时的线性压缩机的输入电力比率(%)。在第2区间中,随着电压指令值(V*)的增加,输入电力比率(%)也将增加。特别是,从第2区间到达第3区间之前的电压指令值(V*)大约从310V,相对于之前的输入电力比率(%)增加的程度,急剧增加。因此在第3区间的始端,大概在330V程度下,输入电力比率(%)将达到100%。在上述第3区间之前,活塞(6)的直线往返运动相当靠近于相似点(TDC),因此会使输入电力比率(%)急剧增加。在第3区间,活塞(6)进行到达相似点(TDC)的直线往返运动,从而使输入电力比率(%)达到100%。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
发明的效果
本发明可以实现现有技术的电力以上的电力,从而显著提高冷力。
另外,根据本发明,不但可以显著提高冷力,还可以产生最大电压界限值以内的电压。
本发明通过控制电压指令值可以体现高冷力和相似点(TDC)运动。