用于共振式線性壓縮機的促動系統、用于促動共振式線性壓縮機的方法以及共振式線性 ...的制作方法
【專利摘要】本發明涉及用于共振式線性壓縮機(50)的促動系統，所述共振式線性壓縮機(50)被應用于冷卻系統，后者被特別地設計成在所述壓縮機(50)的機電頻率下運行，使得在所述冷卻系統的過載的狀態下，該系統將能夠提升由線性促動器供應的最大功率。另外，本發明涉及用于共振式線性壓縮機(50)的促動方法，該促動方法的操作步驟使得人們能夠在機電共振頻率下促動設備，又能夠在過載狀態下控制該設備的促動。
【專利說明】用于共振式線性壓縮機的促動系統、用于促動共振式線性壓縮機的方法以及共振式線性壓縮機
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于共振式線性壓縮機(resonant linear compressor)的促動系統，所述共振式線性壓縮機被應用于冷卻系統，后者被特別地設計成在所述壓縮機的機電共振(electromechanical resonance)下運行,使得在所述冷卻系統過載的狀態下，所述系統將能夠提高由線性促動器供應的最大功率。
[0002]另外，本發明涉及用于共振式線性壓縮機的促動方法，其操作步驟使得人們能夠在機電共振頻率下促動設備，也能夠在過載狀態下控制該設備的促動。
[0003]最后，本發明涉及共振式線性壓縮機，其設置有如在本要求保護的對象中所提出的促動系統。
【背景技術】
[0004]已知的往復活塞式(alternating-piston)壓縮機運行以使用活塞的軸向運動來引起產生壓力而在汽缸內部壓縮氣體，使得在低壓側(也被稱為吸入壓力或蒸發壓力)上的氣體將通過吸入閥進入汽缸。
[0005]氣體隨后在汽缸內通過活塞運動進行壓縮，并且該氣體在被壓縮之后通過排放閥離開汽缸到達高壓閥(也被稱為排放壓力或冷凝)。
[0006]就共振式線性壓縮機來講，活塞由線性促動器促動，該線性促動器由支撐件和磁體形成，支撐件和磁體可由一個或更多線圈促動。此類線性壓縮機還包括一個或更多彈簧，所述一個或更多彈簧將可移動部件(活塞、支撐件和磁體)連接到固定部件上，后者由汽缸、定子、線圈、頭部(head)和結構件形成。可移動部件和彈簧形成了壓縮機的共振組件。
[0007]由線性馬達促動的所述共振式組件具有產生線性往復運動的功能，引起活塞在汽缸內部的運動，以將壓縮作用施加至由吸入閥準入的氣體，直到該氣體可通過排放閥被排放至高壓側。
[0008]線性壓縮機的運行范圍通過由馬達產生的功率與由壓縮機構消耗的功率(除了在此過程中產生的損耗之外)的平衡來調節。為了獲得最高的熱力學效率和最大的冷卻能力，有必要使活塞的最大位移盡可能地接近沖程終點(stroke end)，因此減少了在壓縮過程中的死氣(dead gas)體積。
[0009]為了使該過程可行，變得有必要極其精確地了解活塞沖程，以便防止活塞在沖程終點處與設備頭部碰撞的危險。除了產生噪音外，此碰撞可產生裝置的效率的損失，或者甚至產生壓縮機的損壞。
[0010]因此，在估計/測量活塞位置上的誤差越大，則在最大位移和沖程終點之間所需的安全系數就越大，以便使壓縮機處于安全狀態下運行，這導致了產品的性能損失。
[0011]在另一方面，如果由于對冷卻系統的較少需求而有必要降低壓縮機的冷卻能力，則有可能減小最大的運行活塞沖程，減小供應給壓縮機的功率，并且因此有可能控制壓縮機的冷卻能力，獲得可變的能力。[0012]在共振式線性壓縮機的運行中額外的且非常重要的特性是它們的促動頻率。
[0013]一般而言，共振式壓縮機被設計成在所謂的質量/彈簧系統的共振頻率下運作，在該狀態下效率是最高的，并且其中，所考慮的質量由可移動部件(活塞、支撐件和磁體)的質量的總和給出，并且等效彈簧(Kt)從系統的共振彈簧(Ktt)加上由氣體的壓縮力所產生的氣體彈簧OQ的總和中扣除，該氣體彈簧具有類似于非線性可變彈簧的行為，并且取決于冷卻系統的蒸發壓力和冷凝壓力，也取決于在所述系統中使用的氣體。
[0014]如在下文中所闡述的，現有技術的一些解決方案嘗試解決對于某些運行狀態的共振式壓縮機的促動頻率問題。
[0015]文獻WO 00079671A1使用馬達的反電動勢(CEMF)的檢測來調整共振頻率，但此技術方案具有下列缺陷:其需要最小的無電流時間來檢測對CEMF的零點的跨越，因此由于在電流的波形中的扭曲損害了所供應的最大功率以及效率。
[0016]繼而，專利US5，897，296公開了一種帶有位置傳感器和頻率控制器(control)以使電流最小化的控制器。此解決方案類似于那些在現有技術中已經可用的解決方案，并且具有缺點:人們必須周期性地擾動該系統以進行促動頻率的調整，這可極大地損害最終產品的性能。
[0017]專利US 6，832，898描述了由對于恒定電流的功率的最大值進行的運行頻率的控制。此技術采用了與前述專利相同的原理，并且對其而言具有對系統進行持續地擾動的同樣缺點。
[0018]所有的以上解決方案，加上那些由文獻US 5，980, 21UKR0237562和KR0176909公
開的解決方案，具有在機械系統的共振頻率下對壓縮機進行促動的主要目標，而不管頻率調節方法，并且在此狀態下，位移和電流(或者速度和電流)之間的關系是最大的。
[0019]盡管在機械共振頻率下效率是最大的，饋電電壓(feed voltage)并非在最佳點處，也即，在此頻率下，位移和饋電電壓之間的關系并非是最大的。所以，取決于促動器的設計以及冷卻系統和壓縮機的負載狀態，該系統可被控制系統可供應的最大電壓限制，限制了系統的最大功率，或者使得響應時間非常長以降低冷卻系統的內部溫度，這可損害在系統內食物的保存。
[0020]對于此過載問題的解決方案是使線性促動器的尺寸過大(oversize)，這提高了成本并且降低了在標稱狀態(nominal condition)下的系統效率。
[0021]在前文的基礎上，本發明預見了用于促動共振式線性壓縮機的活塞的系統和方法，該共振式線性壓縮機被設計用于在冷卻系統的過載狀態下向設備供應最大功率，使成本降低并且提高了在其標稱運行狀態下的壓縮機效率。
【發明內容】
[0022]本發明的第一目的在于提出用于共振式線性壓縮機的促動系統，其應當能夠在壓縮機的機電共振頻率下促動該壓縮機，以便在冷卻系統的過載的狀態下向設備提供最大功率。
[0023]本發明的第二目的在于提供用于共振式線性壓縮機的促動系統，使得通過提高供應給設備壓縮機的最大功率，它將顯著地有助于存儲在冷凍機(refrigerator)中的食物的更好保存。[0024]本發明的第三目的在于通過優化其線性促動器的尺寸來降低共振式線性壓縮機的制造成本。
[0025]本發明的進一步目的包括在其定尺寸(sizing)中所獲得改進的基礎上，優化在標稱運行狀態下促動器的效率。
[0026]最后，本發明的另一個目的在于提供相對于現有技術顯著更簡化的解決方案用于其在工業規模上的生產。
[0027]本發明的目的是通過提供用于共振式線性壓縮機的促動系統而獲得的，該共振式線性壓縮機系統是冷卻回路的組成部分，該共振式線性壓縮機包括至少一個汽缸、至少一個頭部、至少一個電動馬達和至少一個彈簧，汽缸可操作地容納活塞，促動系統包括電動馬達的促動裝置的至少一個電子控制器，該電子促動控制器包括彼此相關聯的至少一個控制電路和至少一個促動電路，該電子促動控制器被電氣地關聯至線性壓縮機的電動馬達，該促動系統被構造成通過由電子促動控制器所測量或估計的至少一個電氣量值(electricmagnitude)來檢測線性壓縮機的至少一個過載狀態，并且從過載中的控制模式，將電動馬達的促動頻率調整至機電共振頻率，或者調整在機械共振和機電共振之間的中間頻率下。
[0028]本發明的目的通過提供用于共振式線性壓縮機的促動方法被進一步實現，該共振式線性壓縮機包括至少一個電動馬達，該電動馬達由頻率逆變器(frequency inverter)促動，該促動方法包括下列步驟:
a)在共振式線性壓縮機的每個運行周期處，測量或估計促動或運行頻率、共振式線性壓縮機的活塞的最大位移、和/或活塞沖程的位移相位和/或活塞的速度相位和/或電流相位；
b)將活塞的最大位移與最大參考位移進行比較，并且計算位移誤差；
c)從先前周期的運行饋電電壓值和在先前步驟(S)處所獲得的位移誤差，計算電動馬達的運行饋電電壓值；
d)將在先前步驟處計算出的電動馬達的運行饋電電壓值與最大饋電電壓值進行比
較；
e)如果在步驟“c”處計算出的運行饋電電壓值低于或等于最大饋電電壓值，于是解除激活(deactivate)電子控制器的過載控制模式，并且將促動頻率降低至機械共振頻率值；并且返回至步驟a)，
f)如果在步驟“c ”處計算出的運行饋電電壓值高于最大饋電電壓值，于是激活過載控制模式，并且將促動頻率增大至機電共振頻率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]參考附圖現在將更詳細地描述本發明，在附圖中:
-圖1展示了共振式線性壓縮機的示意性視圖；
-圖2圖示了在本發明中使用的共振式線性壓縮機的機械模型的示意性視圖；
-圖3圖示了本發明的共振式線性壓縮機的電氣模型的示意性視圖；
-圖4顯示了根據本發明教導的電氣的、機械的和完整的系統的極點(pole)的位置的圖表；
-圖5圖示了關于機械系統的位移的伯德圖(Bode diagram)；-圖6顯示了關于機械系統的速度的伯德圖；
-圖7圖示了本發明的完整的機電系統的電流的伯德圖；
-圖8圖示了根據本發明教導的完整的機電系統的位移的伯德圖；
-圖9圖示了本發明的完整的機電系統的速度的伯德圖；
-圖10展示了帶有傳感器的控制器的簡化方框圖；
-圖11圖示了帶有傳感器的控制器和逆變器的方框圖；
-圖12顯示了不帶有傳感器的控制器的簡化方框圖；
-圖13顯示了不帶有傳感器的控制器和逆變器的方框圖； -圖14顯示了能夠在常規控制方案中檢測過載模式的第一流程圖；
-圖15顯示了意在在第二常規控制方案中檢測過載模式的第二流程圖；
-圖16顯示了用于最大位移的過載控制流程圖； -圖17顯示了用于速度相位的調整的過載控制流程圖；
-圖18顯示了用于位移相位的調整的過載控制流程圖；以及 -圖19顯示了用于最小電流偏移(shift)的過載控制流程圖。
【具體實施方式】
[0030]圖1顯示了本發明目的的共振式線性壓縮機50的示意性視圖。
[0031]線性壓縮機50的模型，此類機械模型在以下公式I的基礎上進行定義，并且所述電氣模型由公式2進行定義。
[0032]從公式2。
[0033]
【權利要求】
1.用于共振式線性壓縮機(50)的促動系統，所述共振式線性壓縮機(50)是冷卻回路的組成部分，所述共振式線性壓縮機(50)包括至少一個汽缸(2)、至少一個頭部(3)、至少一個電動馬達和至少一個彈簧，所述汽缸(2)可操作地容納活塞(1)， 所述促動系統的特征在于包括用于促動所述電動馬達的至少一個電子促動控制器(20)，所述電子促動控制器(20)包括彼此相關聯的至少一個控制電路(24)和至少一個促動電路(26)， 所述電子促動控制器(20)被電子地關聯至所述線性壓縮機(50)的所述電動馬達， 所述促動系統被構造成通過由所述電子促動控制器(20)所測得或估計出的至少一個電氣量值來檢測所述線性壓縮機(50)的至少一個過載狀態，并且從過載中的控制模式，將所述電動馬達的促動頻率調整至機電共振頻率。
2.根據權利要求1所述的促動系統，其特征在于，所述測得或估計出的電氣量值由活塞速度值(Vp)給出。
3.根據權利要求1所述的促動系統，其特征在于，所述測得或估計出的電氣量值由活塞位移值(dp)給出。
4.根據權利要求1所述的促動系統，其特征在于，所述過載控制被構造成通過采用活塞位移值(de(t))作為基準，參照最大參考位移(Dkef),調整所述電動馬達的所述促動頻率。
5.根據權利要求1所述的促動系統，其特征在于，所述過載控制模式被構造成通過采用所述壓縮機(50)的所述馬達的速度相位值(Φν)作為基準，參照參考速度相位(ΦΚΕΡ)，調整所述電動馬達的所述促動頻率。
6.根據權利要求1所述 的促動系統，其特征在于，所述過載控制模式被構造成通過采用所述壓縮機(50)的所述馬達的所述位移相位值((K)作為基準，參照參考位移相位(Φ dREp)，調整所述電動馬達的所述促動頻率。
7.根據權利要求1所述的促動系統，其特征在于，所述過載控制模式被構造成通過采用最小電流相位值(Φ。)作為基準，調整所述電動馬達的所述促動頻率。
8.根據權利要求6所述的促動系統，其特征在于，所述促動頻率的調整是從在所述活塞位移值(de(t))和輸入電壓相位值(Vint)之間的相位差大約-180度開始被給出的。
9.根據權利要求5所述的促動系統，其特征在于，所述促動頻率的調整是從在所述速度相位值(Φν)和輸入電壓相位值(Vint)之間的相位差大約-90度開始被給出的。
10.用于共振式線性壓縮機(50)的促動方法，所述共振式線性壓縮機(50)包括至少一個電動馬達，所述電動馬達由頻率逆變器促動，所述促動方法的特征在于包括下列步驟: a)在所述共振式線性壓縮機(50)的每個運行周期(Tk)處，測量或估計促動頻率(Fk)、所述共振式線性壓縮機(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/或電流相位(Φ c)， b)將所述最大活塞位移(de(t))與最大參考位移(Dkef)進行比較，并且計算位移誤差(Err), c)從先前周期的運行饋電電壓值和在先前步驟(s)處所獲得的所述位移誤差(Err)，計算所述電動馬達的運行饋電電壓值(Am_)； d)將在先前步驟處計算出的所述電動馬達的所述運行饋電電壓值(Am_)與最大饋電電壓值(Amax)進行比較；e)如果在步驟“c”處計算出的所述運行饋電電壓值(Am_)低于或等于所述最大饋電電壓值(Amax),于是解除激活所述電動馬達的過載控制模式，并且使所述促動頻率(Fk)降低至機械共振頻率值，并且返回至步驟a)； f)如果在步驟“c”處計算出的所述運行饋電電壓值(Am_)高于所述最大饋電電壓值(Amax),于是激活所述過載控制模式，并且使所述促動頻率(Fk)增大至機電共振頻率。
11.根據權利要求10所述的促動方法，其特征在于，所述過載控制模式還包括下列步驟: g)將所述最大活塞位移(de(t))與在所述運行周期(Tk)的時期先前的周期的活塞位移值(de(t-l))進行比較； 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))，于是將所述促動頻率(Fk)與先前周期的運行頻率(FK(t-l)進行比較； i)如果所述促動頻率(Fk)高于所述先前周期的促動頻率(Fk(t-Ι))，于是使所述促動頻率(Fk)增加一頻率Λ值(Tf)，并且返回至步驟a)； j)如果所述促動頻率(Fk)不高于所述以前周期的促動頻率(FK(t-l))，于是使所述促動頻率(Fk)減少一頻率△值(Tf)，并且返回至步驟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))，于是將所述促動頻率(Fk)與所述先前周期的促動頻率(FK(t-l))進行比較； I)如果所述促動頻率(Fk)低于所述先前周期的促動頻率(Fk(t-Ι))，于是使所述促動頻率(Fk)增加一頻率Λ值(Tf)，并且返回至步驟a)； m)如果所述促動頻率(Fk)不高于所述先前周期的促動頻率(FK(t-l))，于是使所述促動頻率(Fk)減少一頻率△值(Tf)，并且返回至步驟a)。
12.根據權利要求11所述的促動系統，其特征在于，所述步驟“g”至“m”限定了用于所述壓縮機(50)的最大活塞位移的過載控制模式。
13.根據權利要求10所述的促動方法，其特征在于，還包括下列步驟: η)計算所述壓縮機(50)的所述活塞的所述速度相位(Φν); ο)將所述壓縮機(50)的所述活塞的所述速度相位(Φν)與參考速度相位值(Φν_)進行比較； P)如果所述速度相位(Φν)高于所述參考速度相位(ΦνκΕ[?)，于是使所述促動頻率(Fk)增加一頻率Λ值(Tf)，并且返回至步驟a)； q)如果所述速度相位(Φν)不高于所述參考速度相位(Φν_)，于是使所述促動頻率(Fe)減少一頻率Λ值(Tf)，并且返回至步驟a)。
14.根據權利要求13所述的促動方法，其特征在于，所述步驟“η”至“q”限定了壓縮機(50)的過載控制模式，該過載控制模式用于大約-90度的頻率速度相位的調整。
15.根據權利要求10所述的促動方法，其特征在于，還包括下列步驟: η)計算所述壓縮機(50)的所述活塞的位移相位(Φ); ο)將在所述先前步驟處計算出的所述位移相位(Φ)與參考位移相位值(Φ-ρ)進行比較； P)如果所述位移相位(Φ)大于所述參考位移相位(Φ-ρ)，于是使所述促動頻率(Fk)增加一頻率Λ值(Tf)，并且返回至步驟a)；q)如果所述位移相位(Φ^不大于所述參考位移相位(ΦΜΕΡ)，于是使所述促動頻率(Fe)減少一頻率Λ值(Tf)，并且返回至步驟a)。
16.根據權利要求15所述的促動方法，其特征在于，所述步驟“η”和“q”限定了所述壓縮機(50)的過載控制模式，該過載控制模式用于大約-180度的參考位移相位的調整。
17.根據權利要求10所述的促動方法，其特征在于，所述過載控制模式還包括: η)計算所述壓縮機(50)的電流相位(Φ。)； ο)將在先前步驟處計算出的所述電流相位(Φ。)與在所述運行周期(Tk)的時期先前的周期的電流相位值(Φ。-:)進行比較； P)如果所述電流相位(Φ。)高于所述先前周期的電流相位值(Φ㈠)，于是將所述促動頻率(Fk)與先前周期的促動頻率(FK(t-l))進行比較； q)如果所述促動頻率(Fk)高于所述先前周期的促動頻率(Fk(t-Ι))，于是使所述促動頻率(Fk)增加一頻率Λ值(Tf)，并且返回至步驟a)； r)如果所述促動頻率(Fk)不高于所述先前周期的促動頻率(FK(t-l))，于是使所述促動頻率(Fk)減少一頻率△值(Tf)，并且返回至步驟a)； s)如果所述電流相位(Φ。)不高于所述先前周期的電流相位值(Φη)，于是將所述促動頻率(Fk)與先前周期的促動頻率(FK(t-l))進行比較； t)如果所述促動頻率(Fk)低于所述先前周期的促動頻率(Fk(t-Ι))，于是使所述促動頻率(Fk)減少一頻率Λ值(Tf)，并且返回至步驟a)； u)如果所述促動頻率(Fk)不低于所述先前周期的促動頻率(FK(t-l)))，于是使所述促動頻率(Fk)減少一頻率△值(Tf)，并且返回至步驟a)。
18.根據權利要求17所述的促動方法，其特征在于，所述步驟“η”至“u”限定了用于最小電流偏移的所述壓縮機(50)的過載控制模式。
19.共振式線性壓縮機(50)，其特征在于，包括如權利要求1至9中所限定的促動系統和如權利要求10至18中所限定的促動方法。
【文檔編號】F04B35/04GK103547805SQ201280023574
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年3月15日 優先權日:2011年3月15日
【發明者】P.S.戴內滋, D.E.B.莉莉伊 申請人:惠而浦股份公司