专利名称：往复式压缩机及其驱动单元和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种往复式压缩机，而更具体地讲，本发明涉及一种用于往复式压缩机的驱动单元和控制方法，用于控制输入供电的频率，以便压缩机的工作频率为根据施加到压缩机的负载的变化而变化的共振频率(resonant frequency)，并用于提高低负载状态中往复式压缩机的效率。
背景技术：
通常，压缩机被用在空调系统、冰箱等中以压缩制冷剂。一种类型的压缩机为往复式压缩机，这种压缩机利用活塞往复运动而导致压缩室的体积变化来压缩制冷剂。某些往复式压缩机使用旋转电机作为驱动单元，而其它的使用传统的线性电机。
使用传统的线性电机的往复式压缩机被构造以便在压缩室内往复运动的活塞，直接连接到线性电机的沿直线往复运动的运动装置(mover)，且由弹性共振弹簧支撑。在这种往复式压缩机中，当交流电被施加到线性电机时，随着运动装置与输入供电的频率一致地沿直线往复运动，实现了制冷剂的压缩。该活塞根据运动装置的直线往复运动而往复运动。在这里，共振弹簧实现推动活塞运动的激发力，从而保证活塞的平滑往复运动。
当活塞的工作频率与压缩机的共振频率(即，固有频率)一致时，活塞的运动增加。因此，为了提高压缩机的效率，总是试图使压缩机的共振频率与典型的供电频率一致。具体地讲，为了提高压缩机的压缩能力，重要的是调节压缩机的共振频率以符合典型的供电频率。通过控制运动单元(包括活塞和线性马达的运动装置)的质量，以及控制共振弹簧的弹性，可以实现此类对压缩机的共振频率的调节。
然而，在被控制具有与供电频率相同的共振频率的传统往复式压缩机中，具有高频率(即，通常60Hz)的典型供电必须被用作输入供电，这导致压缩机的运行速度加快。这使得扩大压缩机的压缩能力的可用范围变得十分困难，从而将压缩机的操作限制到相当低的频率范围，并且由于电机铁损和机械摩擦，也导致压缩机的效率下降。
此外，当负载在压缩机操作期间变化时，由于作用于活塞的气体压力变化，传统的往复式压缩机的共振频率会发生改变。这种共振频率的变化导致共振频率和工作频率之间的不一致，从而导致压缩机效率的恶化。
发明内容
因此，本发明一方面提供了一种用于往复式压缩机的驱动单元和控制方法，用于将压缩机的共振频率设置在小于典型供电频率的值，并使被供应到压缩机的输入供电的频率与共振频率一致，从而能够扩大压缩能力。因此，压缩机的压缩能力的可用范围允许压缩机在小于典型供电频率的低频率范围内共振，从而提高了压缩机的效率。
本发明的另一方面是提供一种用于往复式压缩机的驱动单元和控制方法，用于使压缩机的工作频率符合根据施加到压缩机的负载的变化而改变的共振频率，从而提高压缩机的效率。
本发明的其它方面与/或优点将在下述描述中部分列出。部分通过描述便会很明显，或通过实践本发明而被认识到。
通过提供一种包括变换器的往复式压缩机，可以实现前述与/或其它方向，其中该变换器接收供电并调节所接收供电的频率并将调节过的供电输入到压缩机，其中压缩机的共振频率小于所接收供电的典型频率，而输入供电的频率与共振频率一致。
该共振频率可在典型供电频率的60％和90％之间。
该压缩机还可包括控制压缩机操作的控制器，而该控制器可控制输入供电的频率，以便随着共振频率根据压缩机的操作的变化，压缩机的工作频率按照共振频率。
该控制器可以测定输入电力频率与工作频率之间的相差，从而根据对应于相差的修正值控制变换器以增加或减小输入供电的频率。
该压缩机还可包括电流探测器，该电流探测器用于探测从变换器向压缩机供应的输入供电的频率；和位移探测器，该位移探测器用于探测安装在压缩机内的活塞的位移以便确定工作频率。
该压缩机还可以包括探测施加到压缩机的负载的负载探测器，而控制器可控制变换器，以便当负载探测器探测的负载为正常负载时，输入供电的频率等于共振频率，而当探测的负载高于正常负载时，输入供电的频率大于共振频率。
通过提供包括如下部件的往复式压缩机可实现前述与/或其它方面调节压缩机供电输入频率的变换器；和控制器，该控制器控制变换器的以便根据工作频率与输入供电频率之间确定的相位差，使压缩机的工作频率与输入供电的频率一致。
通过提供包括如下部件的用于驱动往复式压缩机的驱动单元，可以实现前述与/或其它方面调节供应到压缩机的输入供电的频率的变换器；测定应用于压缩机的负载的负载探测器；和控制器，该控制器控制变换器的以便当由负载探测器测定的负载为正常负载时，输入供电的频率等于压缩机的共振频率，反之当探测的负载高于正常负载时，输入供电的频率大于共振频率。
通过提供包括如下部件的用于驱动往复式压缩机的驱动单元，可以实现前述与/或其它方面活塞；调节供应到压缩机的输入供电的频率的变换器；探测输入供电的频率的电流探测器；探测活塞的位移从而确定压缩机的工作频率的位移探测器，和控制器，该控制器控制变换器从而测定输入电力频率与工作频率之间的相差，然后根据测定的相差，控制变换器以增加或减小输入供电的频率，其中工作频率按照根据压缩机的操作而变化的共振频率。
通过提供用于往复式压缩机的控制方法可实现前述与/或其它方面，该方法包括确定应用于压缩机的负载为高负载还是正常负载；如果应用于压缩机的负载为正常负载，将与压缩机的共振频率相同的频率的供电供应到压缩机；而如果应用于压缩机的负载为高负载，将频率大于压缩机的共振频率的供电应用于压缩机。
通过提供用于包括变换器的往复式压缩机的控制方法，可实现前述与/或其它方面，该方法包括确定输入供电的频率与压缩机的工作频率之间的相差；并利用对应于相差的修正值，控制变换器以增加或减小输入供电的频率。
结合附图，通过对实施例的如下描述，本发明的这些与/或其它特征及优点将会变得更加明显和更易理解。其中图1为根据本发明的一个实施例的往复式压缩机的断面视图；图2为图1的往复式压缩机内设置的驱动单元的控制框图；和图3为显示图1的往复式压缩机所用控制方法的流程图。
具体实施例方式
现在，将对其实例在附图中显示的本发明的实施例进行详细描述，其中相同的标号代表相同的元件。参照图，以下将对解释本发明的实施例进行描述。
图1为根据本发明的一个实施例的往复式压缩机的断面视图。如图1所示，往复式压缩机包括通过将上部容器10a和下部容器10b结合而形成的密闭容器10。该往复式压缩机还包括具有气缸体21、活塞22和气缸盖23的压缩单元20；和线性电机30。线性电机30用于驱动压缩单元20，并具有运动装置31和内、外定子32和33。压缩单元20和线性电机30作为一套装置被安装在密封容器10内。
该压缩单元20的气缸体21包括内部确定压缩室24的气缸部21a；和从气缸部21a的下部区域的外圆周径向延伸以在其上支撑外部定子33的支撑部21b。利用多个减震部件25，气缸体21在其支撑部21b的下端被支撑，以便气缸体21与下部容器10b的内壁表面间隔开。
活塞22以可垂直往复运动的方式被安装在气缸体21的压缩室24内。该缸盖23位于气缸体21之下，且内部确定导入室23a和排放室23b。包括导入阀板的导入端口23c形成在气缸盖23的导入室23a处，而包括排放阀板的排放端口23d形成在气缸盖23的排放室23b处。标号11代表外部导入管；标号12代表连接到导入室23a的导入管；而标号13代表连接到排放室23b以延伸到密封容器10的外部的排放管。
适合驱动活塞22的线性电机30被装配，以便运动装置31位于气缸部21a的内部，而内和外定子32和33位于气缸部21a的外部。该运动装置31具有中空的圆柱体形状，以便其上固定部31a被联接到活塞22的上部区域的外周，从而使运动装置31与活塞22一起垂直往复运动。运动装置31具有连接到上固定部31a的下端的磁铁35。通过磁铁35和外定子33之间的交互作用，磁铁35使运动装置31垂直往复运动。
内定子32与外定子33均具有圆筒或圆柱形，并分别位于运动装置31的内部和外部。该内定子32被固定在气缸部21a的外周并导引运动装置31的垂直往复运动，而保证平稳的磁通量穿过运动装置31的磁铁35。外定子33具有激励线圈34以与磁铁35电磁相互作用。外定子33的下端被支撑在气缸体21的支撑部21b上，而外定子33的上端由固定框架36支撑。
往复式压缩机还包括多层式片状弹簧形式的共振弹簧37。该共振弹簧37被安装在固定框架36上，以从运动装置31向上方间隔开。共振弹簧37在中央联接到活塞22的上端，而共振弹簧37的外周边缘被联接到从固定框架36向上延伸的弹簧支撑部件38。如上构造的共振弹簧37利用其弹性产生激励力，从而提高活塞22的活动性。
传感器芯41和线圈型位移探测传感器42被安装到共振弹簧37。传感器芯41从运动装置31的上表面向上延伸，并可随运动装置31和活塞22的往复运动而往复运动。位移探测传感器42用于探测传感器芯41的运动距离。
在如上构造的往复式压缩机中，当交流电被施加到其激励线圈34时，外定子33产生磁场。所产生的磁场的极性交替变化，导致具有磁铁35的运动装置31的垂直往复运动。随着运动装置31的往复运动，活塞22相应地往复运动以实现压缩操作，从而能够导入和排放制冷剂。
在压缩运行期间，如果活塞22的工作频率与压缩机的共振频率(即，压缩机的固有频率)一致时，则实现了压缩机的共振。这提高了活塞22和运动装置31的运动能力或可动性而提高压缩机的效率。与其中控制共振频率以与典型供电频率一致的传统往复式压缩机相比，本发明的实施例的往复式压缩机被控制以便压缩机的共振频率被设置为小于典型供电频率的数值。同时，供应到往复式压缩机的输入供电的频率对应于或等于小于典型供电频率的共振频率。
例如，如果典型供电频率为60Hz，而压缩机的共振频率被设置为近似50Hz的值，这样输入供电的频率近似为50Hz。在这种情况中，如果共振频率和输入供电频率过低，可能会导致压缩机的效率的恶化。因此，当典型供电频率为60Hz时，共振频率和输入供电频率在35到55Hz的范围内，对应于供电频率的60％到90％。
与现有技术相比，采用如上所述的往复式压缩机的这种结构可以扩大压缩机的可用压缩能力范围，这样即使在相对低的频率范围内，压缩机也可以实现共振。根据使用压缩机的制冷系统的负载变化，这能够提高压缩能力的可用范围，并提高压缩机的效率。压缩机可以在小于典型供电频率的相对较低的频率范围共振的事实，表明压缩机可以在一般的、低负载、低速运行条件(以下，称作正常负载条件)更有效地操作。采用低于普通供电的频率的工作频率，在正常负载条件中，压缩机的操作可以减小在传统装置中产生的任何可能的电机芯损耗(铁耗/coreloss)或机构摩擦损耗。
图2为图1的往复式压缩机1内设置的驱动单元的控制框图。如图2所示，驱动单元包括变换器(inverter)51，该变换器51用于调节从交流电源50供应到往复式压缩机的输入供电的电压和频率；和电流探测器53，该电流探测器53用于根据从电流传感器52发送的信息探测输入供电的频率。该驱动单元还包括位移探测器54，该位移探测器54用于根据发自安装在压缩机内的位移探测传感器42的信息探测活塞22和运动装置31的工作频率；负载探测器55，该负载探测器55用于探测压缩机的温度和排放、导入压力，或施加到包含压缩机的制冷系统的负载，以便探测施加到压缩机的负载；以及控制器56，根据经电流探测器53、位移探测器54和负载探测器55探测的信息，该控制器56控制变换器51，以控制向往复式压缩机供应的输入供电的频率。
现在，将说明根据本发明的实施例的往复式压缩机的压缩操作和用于有效地控制该压缩机操作的方法。
当从交流电源50供应频率为60Hz供电时，利用变换器51，普通供电被变换为频率与压缩机的共振频率对应的输入供电。具体地讲，从变换器51向压缩机供应的输入电的频率为与共振频率对应的近似50Hz。因此，当压缩机处于低负载状态中时，即正常负载状态，活塞22以约50Hz的工作频率往复运动来执行压缩操作。具体地讲，压缩机在小于普通供电的频率的低频率范围内共振，在占压缩机运行比例很高的正常负载状态中，显示出提高的操作效率。
在实现如上所述的压缩操作的过程中，根据自负载控制器55发送的信息，控制器56判断施加到压缩机的负载是正常负载还是高负载。在正常负载的情况中，控制器56控制变换器51，以便输入供电的频率对应于或等于压缩机的共振频率。
当压缩机在正常负载状态中运行，控制器56也控制变换器51，以便输入电的频率一直对应于或等于压缩机的共振频率，即使共振频率根据施加到压缩机的负载变化而发生变化。这使得压缩机连续共振，而取得最佳的压缩机效率。在压缩机的操作期间，虽然诸如活塞22和运动装置31的移动件的质量以及共振弹簧37的弹性是不能改变的，但作用于活塞22的气体压力会根据负载变化而变化，这不可避免地导致共振频率的变化。因此，为持续保持压缩机的最佳效率，通过控制器56的控制操作，输入供电的频率根据共振频率的变化而改变。
现在，将参照图3，描述控制器56实现的这种控制操作。具体地讲，为了使输入供电的频率符合共振频率，位移探测器54探测活塞22的位移以确定压缩机的工作频率(操作61)，而电流探测器53确定输入供电的频率(操作62)。根据由探测器53和54确定的信息，控制器56确定工作频率和输入供电频率之间的相差(phase difference)(操作63)，而判定所确定的相差是否为零，或大于零或小于零。这样做是为了判定是否存在相差与相差量(操作64和65)。如果输入供电的频率等于工作频率，可以确定压缩机处于共振状态。因此，如果相差为零，控制器56控制变换器51，以便继续保持输入电的频率(操作66)。如果相差大于零，控制器56通过计算对应于相差的修正值来控制变换器51，以增加输入供电的频率(操作67)。如果相差小于零，控制器56通过计算对应于相差的修正值控制变换器51，以减小输入供电的频率(操作68)。采用这种方式，根据输入供电频率与工作频率之间确定的相差，控制器56计算修正值以增加或减小输入供电的频率。因此，输入供电的频率(或工作频率)被控制以按照共振频率，即使共振频率根据负载的变化而变化，从而可以取得最佳的压缩机效率。
同时，如果负载探测器55判定施加到压缩机的负载高于正常负载，从而压缩机处于高负载状态中，控制器56控制变换器51以增加输入供电的频率而超过共振频率，以便输入供电的高频率被应用到压缩机，从而提高压缩机的能力。具体地讲，与其中控制输入供电的频率以与共振频率一致以最大化压缩机的效率的正常负载的情况相比，在高负载的情况中，压缩机被控制以在可能的最大压缩率或压缩速度(compressionrate)操作，而不会导致压缩机效率的恶化。由于压缩机主要在正常负载状态中而不是高负载状态运行，压缩机的效率可以通过最优化占压缩机的运行比例很高的正常负载状态的效率而最大化。
从上述描述可以很明显看到，本发明的实施例提供了一种往复式压缩机，其中压缩机的共振频率被设置在小于典型供电频率的值，而施加到压缩机的输入供电频率被控制与共振频率一致。这扩大了压缩机的压缩能力的可用范围，而使压缩机甚至在小于典型供电频率的相对较低的频率范围内共振，从而提高了压缩机的效率。这提高了占压缩机运动比例很高的正常负载状态下的压缩机的效率，从而实现了压缩机的最优效率。
此外，根据本发明的实施例，即使在压缩机工作期间，共振频率根据施加到压缩机的负载的变化而变化，压缩机的工作频率被控制以符合变化的共振频率，以便使压缩机连续共振，从而取得最优的压缩机效率。
虽然已显示和描述了本发明的一个实施例，本领域的技术人员将意识到在不背离本发明原则与精神(其范围在权利要求中及由等效原则定义)的情况下，可以对本实施例进行改动。
权利要求
1.一种往复式压缩机，包括变换器，所述变换器接收供电并调节所接收供电的频率，并将调节的供电输入到压缩机，其中压缩机的共振频率小于所接收供电的典型频率，而输入供电的频率与共振频率一致。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其中所述共振频率在所接收供电的典型频率的60％到90％之间。
3.根据权利要求2所述的压缩机，还包括控制压缩机的操作的控制器，其中所述控制器控制输入供电的频率，以便随着共振频率根据压缩机操作而变化，压缩机的工作频率跟随共振频率或与共振频率一致。
4.根据权利要求3所述的压缩机，其中所述控制器确定输入供电频率与压缩机的工作频率之间的相差，从而根据对应于相差的修正值，控制变换器以增加或减小输入供电的频率。
5.根据权利要求4所述的压缩机，还包括安装在压缩机内的活塞；探测输入供电的频率的电流探测器；和探测活塞的位移以确定工作频率的位移探测器。
6.根据权利要求5所述的压缩机，还包括探测施加于压缩机的负载的负载探测器；其中，控制器控制变换器，以便当负载探测器探测的负载为正常负载时，输入供电的频率等于共振频率，而当探测的负载高于正常负载时，输入供电的频率大于共振频率。
7.一种往复式压缩机，包括调节输入到压缩机的供电的频率的变换器；和控制器，所述控制器控制变换器以便根据确定的压缩机的工作频率与输入供电频率之间的相差，使压缩机的工作频率与输入供电的频率一致。
8.根据权利要求7所述的压缩机，其中根据对应于相差的修正值，所述控制器控制变换器以增加或减小输入供电的频率，从而使工作频率根随根据压缩机操作而变化的压缩机的共振频率或与该共振频率一致。
9.一种用于驱动往复式压缩机的驱动单元，包括调节供应到压缩机的输入供电的频率的变换器；确定施加到压缩机的负载的负载探测器；和控制器，所述控制器控制变换器以便当由负载探测器确定的负载为正常负载时，输入供电的频率等于压缩机的共振频率，而当确定的负载高于正常负载时，输入供电的频率大于共振频率。
10.一种用于驱动往复式压缩机的驱动单元，包括活塞；调节供应到压缩机的输入供电的频率的变换器；探测输入供电的频率的电流探测器；探测活塞的位移从而确定压缩机的工作频率的位移探测器；和控制器，该控制器确定输入供电的频率与工作频率之间的相差，然后根据确定的相差，控制变换器以增加或减小输入供电的频率，其中工作频率与根据压缩机的操作而变化的共振频率一致或跟随该共振频率。
11.一种用于往复式压缩机的方法，包括确定施加到压缩机的负载为高负载还是正常负载；如果施加到压缩机的负载为正常负载，将其频率与压缩机的共振频率相等的供电供应到压缩机；和如果施加到压缩机的负载为高负载，将其频率大于压缩机的共振频率的供电供应到压缩机。
12.一种用于带有变换器的往复式压缩机的控制方法，包括确定输入供电的频率与压缩机的工作频率之间的相差；和控制变换器以利用对应于相差的修正值增加或减小输入供电的频率。
13.根据权利要求4所述的压缩机，其中当确定的相差为零时，所述控制器保持输入供电的频率。
14.根据权利要求5所述的压缩机，其中共振频率根据作用于活塞的气体压力而变化。
15.一种用于往复式压缩机的控制方法输入其频率大于压缩机的共振频率的供电；将输入供电调节到压缩机的共振频率；和以经调节的供电驱动压缩机。
全文摘要
一种用于往复式压缩机的驱动单元和控制方法，用于控制输入供电的频率，以便压缩机的工作频率按照根据施加到压缩机的负载的变化而变化的共振频率。该往复式压缩机包括调节输入供电频率的变换器，以便通过变换器将输入供电的频率设置为对应于共振频率的值。该共振频率被设置在普通供电频率的60％和90％之间的范围内。该压缩机还包括控制输入供电频率的控制器，以便压缩机的工作频率按照随着根据压缩机的操作而变化的共振频率。
文档编号F04B49/06GK1707106SQ20051006766
公开日2005年12月14日 申请日期2005年4月25日 优先权日2004年6月4日
发明者张根植, 张弼洙 申请人:三星电子株式会社