用于共振式线性压缩机的促动系统、用于促动共振式线性压缩机的方法以及共振式线性 ...的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于共振式线性压缩机(50)的促动系统，所述共振式线性压缩机(50)被应用于冷却系统，后者被特别地设计成在所述压缩机(50)的机电频率下运行，使得在所述冷却系统的过载的状态下，该系统将能够提升由线性促动器供应的最大功率。另外，本发明涉及用于共振式线性压缩机(50)的促动方法，该促动方法的操作步骤使得人们能够在机电共振频率下促动设备，又能够在过载状态下控制该设备的促动。
【专利说明】用于共振式线性压缩机的促动系统、用于促动共振式线性压缩机的方法以及共振式线性压缩机
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于共振式线性压缩机(resonant linear compressor)的促动系统，所述共振式线性压缩机被应用于冷却系统，后者被特别地设计成在所述压缩机的机电共振(electromechanical resonance)下运行,使得在所述冷却系统过载的状态下，所述系统将能够提高由线性促动器供应的最大功率。
[0002]另外，本发明涉及用于共振式线性压缩机的促动方法，其操作步骤使得人们能够在机电共振频率下促动设备，也能够在过载状态下控制该设备的促动。
[0003]最后，本发明涉及共振式线性压缩机，其设置有如在本要求保护的对象中所提出的促动系统。
【背景技术】
[0004]已知的往复活塞式(alternating-piston)压缩机运行以使用活塞的轴向运动来引起产生压力而在汽缸内部压缩气体，使得在低压侧(也被称为吸入压力或蒸发压力)上的气体将通过吸入阀进入汽缸。
[0005]气体随后在汽缸内通过活塞运动进行压缩，并且该气体在被压缩之后通过排放阀离开汽缸到达高压阀(也被称为排放压力或冷凝)。
[0006]就共振式线性压缩机来讲，活塞由线性促动器促动，该线性促动器由支撑件和磁体形成，支撑件和磁体可由一个或更多线圈促动。此类线性压缩机还包括一个或更多弹簧，所述一个或更多弹簧将可移动部件(活塞、支撑件和磁体)连接到固定部件上，后者由汽缸、定子、线圈、头部(head)和结构件形成。可移动部件和弹簧形成了压缩机的共振组件。
[0007]由线性马达促动的所述共振式组件具有产生线性往复运动的功能，引起活塞在汽缸内部的运动，以将压缩作用施加至由吸入阀准入的气体，直到该气体可通过排放阀被排放至高压侧。
[0008]线性压缩机的运行范围通过由马达产生的功率与由压缩机构消耗的功率(除了在此过程中产生的损耗之外)的平衡来调节。为了获得最高的热力学效率和最大的冷却能力，有必要使活塞的最大位移尽可能地接近冲程终点(stroke end)，因此减少了在压缩过程中的死气(dead gas)体积。
[0009]为了使该过程可行，变得有必要极其精确地了解活塞冲程，以便防止活塞在冲程终点处与设备头部碰撞的危险。除了产生噪音外，此碰撞可产生装置的效率的损失，或者甚至产生压缩机的损坏。
[0010]因此，在估计/测量活塞位置上的误差越大，则在最大位移和冲程终点之间所需的安全系数就越大，以便使压缩机处于安全状态下运行，这导致了产品的性能损失。
[0011]在另一方面，如果由于对冷却系统的较少需求而有必要降低压缩机的冷却能力，则有可能减小最大的运行活塞冲程，减小供应给压缩机的功率，并且因此有可能控制压缩机的冷却能力，获得可变的能力。[0012]在共振式线性压缩机的运行中额外的且非常重要的特性是它们的促动频率。
[0013]一般而言，共振式压缩机被设计成在所谓的质量/弹簧系统的共振频率下运作，在该状态下效率是最高的，并且其中，所考虑的质量由可移动部件(活塞、支撑件和磁体)的质量的总和给出，并且等效弹簧(Kt)从系统的共振弹簧(Ktt)加上由气体的压缩力所产生的气体弹簧OQ的总和中扣除，该气体弹簧具有类似于非线性可变弹簧的行为，并且取决于冷却系统的蒸发压力和冷凝压力，也取决于在所述系统中使用的气体。
[0014]如在下文中所阐述的，现有技术的一些解决方案尝试解决对于某些运行状态的共振式压缩机的促动频率问题。
[0015]文献WO 00079671A1使用马达的反电动势(CEMF)的检测来调整共振频率，但此技术方案具有下列缺陷:其需要最小的无电流时间来检测对CEMF的零点的跨越，因此由于在电流的波形中的扭曲损害了所供应的最大功率以及效率。
[0016]继而，专利US5，897，296公开了一种带有位置传感器和频率控制器(control)以使电流最小化的控制器。此解决方案类似于那些在现有技术中已经可用的解决方案，并且具有缺点:人们必须周期性地扰动该系统以进行促动频率的调整，这可极大地损害最终产品的性能。
[0017]专利US 6，832，898描述了由对于恒定电流的功率的最大值进行的运行频率的控制。此技术采用了与前述专利相同的原理，并且对其而言具有对系统进行持续地扰动的同样缺点。
[0018]所有的以上解决方案，加上那些由文献US 5，980, 21UKR0237562和KR0176909公
开的解决方案，具有在机械系统的共振频率下对压缩机进行促动的主要目标，而不管频率调节方法，并且在此状态下，位移和电流(或者速度和电流)之间的关系是最大的。
[0019]尽管在机械共振频率下效率是最大的，馈电电压(feed voltage)并非在最佳点处，也即，在此频率下，位移和馈电电压之间的关系并非是最大的。所以，取决于促动器的设计以及冷却系统和压缩机的负载状态，该系统可被控制系统可供应的最大电压限制，限制了系统的最大功率，或者使得响应时间非常长以降低冷却系统的内部温度，这可损害在系统内食物的保存。
[0020]对于此过载问题的解决方案是使线性促动器的尺寸过大(oversize)，这提高了成本并且降低了在标称状态(nominal condition)下的系统效率。
[0021]在前文的基础上，本发明预见了用于促动共振式线性压缩机的活塞的系统和方法，该共振式线性压缩机被设计用于在冷却系统的过载状态下向设备供应最大功率，使成本降低并且提高了在其标称运行状态下的压缩机效率。
【发明内容】
[0022]本发明的第一目的在于提出用于共振式线性压缩机的促动系统，其应当能够在压缩机的机电共振频率下促动该压缩机，以便在冷却系统的过载的状态下向设备提供最大功率。
[0023]本发明的第二目的在于提供用于共振式线性压缩机的促动系统，使得通过提高供应给设备压缩机的最大功率，它将显著地有助于存储在冷冻机(refrigerator)中的食物的更好保存。[0024]本发明的第三目的在于通过优化其线性促动器的尺寸来降低共振式线性压缩机的制造成本。
[0025]本发明的进一步目的包括在其定尺寸(sizing)中所获得改进的基础上，优化在标称运行状态下促动器的效率。
[0026]最后，本发明的另一个目的在于提供相对于现有技术显著更简化的解决方案用于其在工业规模上的生产。
[0027]本发明的目的是通过提供用于共振式线性压缩机的促动系统而获得的，该共振式线性压缩机系统是冷却回路的组成部分，该共振式线性压缩机包括至少一个汽缸、至少一个头部、至少一个电动马达和至少一个弹簧，汽缸可操作地容纳活塞，促动系统包括电动马达的促动装置的至少一个电子控制器，该电子促动控制器包括彼此相关联的至少一个控制电路和至少一个促动电路，该电子促动控制器被电气地关联至线性压缩机的电动马达，该促动系统被构造成通过由电子促动控制器所测量或估计的至少一个电气量值(electricmagnitude)来检测线性压缩机的至少一个过载状态，并且从过载中的控制模式，将电动马达的促动频率调整至机电共振频率，或者调整在机械共振和机电共振之间的中间频率下。
[0028]本发明的目的通过提供用于共振式线性压缩机的促动方法被进一步实现，该共振式线性压缩机包括至少一个电动马达，该电动马达由频率逆变器(frequency inverter)促动，该促动方法包括下列步骤:
a)在共振式线性压缩机的每个运行周期处，测量或估计促动或运行频率、共振式线性压缩机的活塞的最大位移、和/或活塞冲程的位移相位和/或活塞的速度相位和/或电流相位；
b)将活塞的最大位移与最大参考位移进行比较，并且计算位移误差；
c)从先前周期的运行馈电电压值和在先前步骤(S)处所获得的位移误差，计算电动马达的运行馈电电压值；
d)将在先前步骤处计算出的电动马达的运行馈电电压值与最大馈电电压值进行比
较；
e)如果在步骤“c”处计算出的运行馈电电压值低于或等于最大馈电电压值，于是解除激活(deactivate)电子控制器的过载控制模式，并且将促动频率降低至机械共振频率值；并且返回至步骤a)，
f)如果在步骤“c ”处计算出的运行馈电电压值高于最大馈电电压值，于是激活过载控制模式，并且将促动频率增大至机电共振频率。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]参考附图现在将更详细地描述本发明，在附图中:
-图1展示了共振式线性压缩机的示意性视图；
-图2图示了在本发明中使用的共振式线性压缩机的机械模型的示意性视图；
-图3图示了本发明的共振式线性压缩机的电气模型的示意性视图；
-图4显示了根据本发明教导的电气的、机械的和完整的系统的极点(pole)的位置的图表；
-图5图示了关于机械系统的位移的伯德图(Bode diagram)；-图6显示了关于机械系统的速度的伯德图；
-图7图示了本发明的完整的机电系统的电流的伯德图；
-图8图示了根据本发明教导的完整的机电系统的位移的伯德图；
-图9图示了本发明的完整的机电系统的速度的伯德图；
-图10展示了带有传感器的控制器的简化方框图；
-图11图示了带有传感器的控制器和逆变器的方框图；
-图12显示了不带有传感器的控制器的简化方框图；
-图13显示了不带有传感器的控制器和逆变器的方框图； -图14显示了能够在常规控制方案中检测过载模式的第一流程图；
-图15显示了意在在第二常规控制方案中检测过载模式的第二流程图；
-图16显示了用于最大位移的过载控制流程图； -图17显示了用于速度相位的调整的过载控制流程图；
-图18显示了用于位移相位的调整的过载控制流程图；以及 -图19显示了用于最小电流偏移(shift)的过载控制流程图。
【具体实施方式】
[0030]图1显示了本发明目的的共振式线性压缩机50的示意性视图。
[0031]线性压缩机50的模型，此类机械模型在以下公式I的基础上进行定义，并且所述电气模型由公式2进行定义。
[0032]从公式2。
[0033]
【权利要求】
1.用于共振式线性压缩机(50)的促动系统，所述共振式线性压缩机(50)是冷却回路的组成部分，所述共振式线性压缩机(50)包括至少一个汽缸(2)、至少一个头部(3)、至少一个电动马达和至少一个弹簧，所述汽缸(2)可操作地容纳活塞(1)， 所述促动系统的特征在于包括用于促动所述电动马达的至少一个电子促动控制器(20)，所述电子促动控制器(20)包括彼此相关联的至少一个控制电路(24)和至少一个促动电路(26)， 所述电子促动控制器(20)被电子地关联至所述线性压缩机(50)的所述电动马达， 所述促动系统被构造成通过由所述电子促动控制器(20)所测得或估计出的至少一个电气量值来检测所述线性压缩机(50)的至少一个过载状态，并且从过载中的控制模式，将所述电动马达的促动频率调整至机电共振频率。
2.根据权利要求1所述的促动系统，其特征在于，所述测得或估计出的电气量值由活塞速度值(Vp)给出。
3.根据权利要求1所述的促动系统，其特征在于，所述测得或估计出的电气量值由活塞位移值(dp)给出。
4.根据权利要求1所述的促动系统，其特征在于，所述过载控制被构造成通过采用活塞位移值(de(t))作为基准，参照最大参考位移(Dkef),调整所述电动马达的所述促动频率。
5.根据权利要求1所述的促动系统，其特征在于，所述过载控制模式被构造成通过采用所述压缩机(50)的所述马达的速度相位值(Φν)作为基准，参照参考速度相位(ΦΚΕΡ)，调整所述电动马达的所述促动频率。
6.根据权利要求1所述 的促动系统，其特征在于，所述过载控制模式被构造成通过采用所述压缩机(50)的所述马达的所述位移相位值((K)作为基准，参照参考位移相位(Φ dREp)，调整所述电动马达的所述促动频率。
7.根据权利要求1所述的促动系统，其特征在于，所述过载控制模式被构造成通过采用最小电流相位值(Φ。)作为基准，调整所述电动马达的所述促动频率。
8.根据权利要求6所述的促动系统，其特征在于，所述促动频率的调整是从在所述活塞位移值(de(t))和输入电压相位值(Vint)之间的相位差大约-180度开始被给出的。
9.根据权利要求5所述的促动系统，其特征在于，所述促动频率的调整是从在所述速度相位值(Φν)和输入电压相位值(Vint)之间的相位差大约-90度开始被给出的。
10.用于共振式线性压缩机(50)的促动方法，所述共振式线性压缩机(50)包括至少一个电动马达，所述电动马达由频率逆变器促动，所述促动方法的特征在于包括下列步骤: a)在所述共振式线性压缩机(50)的每个运行周期(Tk)处，测量或估计促动频率(Fk)、所述共振式线性压缩机(50)的最大活塞位移(de(t))、和/或活塞位移相位(Φ)和/或活塞速度相位(Φ v)和/或电流相位(Φ c)， b)将所述最大活塞位移(de(t))与最大参考位移(Dkef)进行比较，并且计算位移误差(Err), c)从先前周期的运行馈电电压值和在先前步骤(s)处所获得的所述位移误差(Err)，计算所述电动马达的运行馈电电压值(Am_)； d)将在先前步骤处计算出的所述电动马达的所述运行馈电电压值(Am_)与最大馈电电压值(Amax)进行比较；e)如果在步骤“c”处计算出的所述运行馈电电压值(Am_)低于或等于所述最大馈电电压值(Amax),于是解除激活所述电动马达的过载控制模式，并且使所述促动频率(Fk)降低至机械共振频率值，并且返回至步骤a)； f)如果在步骤“c”处计算出的所述运行馈电电压值(Am_)高于所述最大馈电电压值(Amax),于是激活所述过载控制模式，并且使所述促动频率(Fk)增大至机电共振频率。
11.根据权利要求10所述的促动方法，其特征在于，所述过载控制模式还包括下列步骤: g)将所述最大活塞位移(de(t))与在所述运行周期(Tk)的时期先前的周期的活塞位移值(de(t-l))进行比较； h)如果所述最大活塞位移(de(t))大于所述先前周期的活塞位移(de(t-l))，于是将所述促动频率(Fk)与先前周期的运行频率(FK(t-l)进行比较； i)如果所述促动频率(Fk)高于所述先前周期的促动频率(Fk(t-Ι))，于是使所述促动频率(Fk)增加一频率Λ值(Tf)，并且返回至步骤a)； j)如果所述促动频率(Fk)不高于所述以前周期的促动频率(FK(t-l))，于是使所述促动频率(Fk)减少一频率△值(Tf)，并且返回至步骤a)； k)如果所述最大活塞位移(de(t))不大于所述先前周期的最大活塞位移(de(t-l))，于是将所述促动频率(Fk)与所述先前周期的促动频率(FK(t-l))进行比较； I)如果所述促动频率(Fk)低于所述先前周期的促动频率(Fk(t-Ι))，于是使所述促动频率(Fk)增加一频率Λ值(Tf)，并且返回至步骤a)； m)如果所述促动频率(Fk)不高于所述先前周期的促动频率(FK(t-l))，于是使所述促动频率(Fk)减少一频率△值(Tf)，并且返回至步骤a)。
12.根据权利要求11所述的促动系统，其特征在于，所述步骤“g”至“m”限定了用于所述压缩机(50)的最大活塞位移的过载控制模式。
13.根据权利要求10所述的促动方法，其特征在于，还包括下列步骤: η)计算所述压缩机(50)的所述活塞的所述速度相位(Φν); ο)将所述压缩机(50)的所述活塞的所述速度相位(Φν)与参考速度相位值(Φν_)进行比较； P)如果所述速度相位(Φν)高于所述参考速度相位(ΦνκΕ[?)，于是使所述促动频率(Fk)增加一频率Λ值(Tf)，并且返回至步骤a)； q)如果所述速度相位(Φν)不高于所述参考速度相位(Φν_)，于是使所述促动频率(Fe)减少一频率Λ值(Tf)，并且返回至步骤a)。
14.根据权利要求13所述的促动方法，其特征在于，所述步骤“η”至“q”限定了压缩机(50)的过载控制模式，该过载控制模式用于大约-90度的频率速度相位的调整。
15.根据权利要求10所述的促动方法，其特征在于，还包括下列步骤: η)计算所述压缩机(50)的所述活塞的位移相位(Φ); ο)将在所述先前步骤处计算出的所述位移相位(Φ)与参考位移相位值(Φ-ρ)进行比较； P)如果所述位移相位(Φ)大于所述参考位移相位(Φ-ρ)，于是使所述促动频率(Fk)增加一频率Λ值(Tf)，并且返回至步骤a)；q)如果所述位移相位(Φ^不大于所述参考位移相位(ΦΜΕΡ)，于是使所述促动频率(Fe)减少一频率Λ值(Tf)，并且返回至步骤a)。
16.根据权利要求15所述的促动方法，其特征在于，所述步骤“η”和“q”限定了所述压缩机(50)的过载控制模式，该过载控制模式用于大约-180度的参考位移相位的调整。
17.根据权利要求10所述的促动方法，其特征在于，所述过载控制模式还包括: η)计算所述压缩机(50)的电流相位(Φ。)； ο)将在先前步骤处计算出的所述电流相位(Φ。)与在所述运行周期(Tk)的时期先前的周期的电流相位值(Φ。-:)进行比较； P)如果所述电流相位(Φ。)高于所述先前周期的电流相位值(Φ㈠)，于是将所述促动频率(Fk)与先前周期的促动频率(FK(t-l))进行比较； q)如果所述促动频率(Fk)高于所述先前周期的促动频率(Fk(t-Ι))，于是使所述促动频率(Fk)增加一频率Λ值(Tf)，并且返回至步骤a)； r)如果所述促动频率(Fk)不高于所述先前周期的促动频率(FK(t-l))，于是使所述促动频率(Fk)减少一频率△值(Tf)，并且返回至步骤a)； s)如果所述电流相位(Φ。)不高于所述先前周期的电流相位值(Φη)，于是将所述促动频率(Fk)与先前周期的促动频率(FK(t-l))进行比较； t)如果所述促动频率(Fk)低于所述先前周期的促动频率(Fk(t-Ι))，于是使所述促动频率(Fk)减少一频率Λ值(Tf)，并且返回至步骤a)； u)如果所述促动频率(Fk)不低于所述先前周期的促动频率(FK(t-l)))，于是使所述促动频率(Fk)减少一频率△值(Tf)，并且返回至步骤a)。
18.根据权利要求17所述的促动方法，其特征在于，所述步骤“η”至“u”限定了用于最小电流偏移的所述压缩机(50)的过载控制模式。
19.共振式线性压缩机(50)，其特征在于，包括如权利要求1至9中所限定的促动系统和如权利要求10至18中所限定的促动方法。
【文档编号】F04B35/04GK103547805SQ201280023574
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年3月15日 优先权日:2011年3月15日
【发明者】P.S.戴内滋, D.E.B.莉莉伊 申请人:惠而浦股份公司