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

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。

说明书

技术领域

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。

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。

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

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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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(K_T)从系统的共振弹簧(K_ML)加上由气体的压缩力所产生的气体弹簧(K_G)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。

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。

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。

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。

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。

所有的以上解决方案，加上那些由文献US 5,980,211、KR0237562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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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(electric magnitude)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。

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。

附图说明

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

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。

线性压缩机50的模型，此类机械模型在以下公式1的基础上进行定义，并且所述电气模型由公式2进行定义。

从公式2。

 (1)

其中：

 - 马达力[N]；

 - 弹簧力[N]；

 - 阻尼力[N]；

 - 汽缸中气压的力[N]；

K_MT - 马达常数

K_ML - 弹簧常数

K_AM - 阻尼常数

m - 可移动部件的质量

v(t)- 活塞速度

d(t)- 活塞位移

i(t)- 马达电流

 (2)

其中：

 - 电阻电压[V]；

 - 电感电压[V]；

 - 在马达中感应的电压或CEMF [V]；

 - 馈电电压[V]；

R - 马达的电阻

L - 马达电感。

应当指出的是，气体压力(F_G(d(t)))随着吸入压力和排放压力、随着非线性活塞位移、随着在机械公式中的其他力而变化，它们都是线性的，正如电气公式中的所有电压一样。为了获得系统的完整模型，有可能通过压力在该系统中所引发的效应来代替该压力，这些效应是功率消耗以及共振频率上的变化。

功率消耗可通过等效阻尼来建模，并且共振频率上的变化可通过等效弹簧来建模。

因此，可将以上公式(1)改写为如下：

 (3)

或

 (4)

其中：

K_MLEq - 等效弹簧系数

K_AMEq - 等效阻尼系数

 - 总弹簧系数

 - 总阻尼系数

将拉普拉斯变换应用到公式(2)和(4)，可获得以下公式(5)以及机械公式(6)和(7)，该公式(5)代表了在频率的最小值处的电气公式，机械公式(6)和(7)分别代表了在位移和速度与电流之间转换的函数。

 (5)

 (6)

 (7)

以下公式(8)代表了电气系统的特征公式，使得公式(9)代表了机械系统的特征公式。此公式的极点限定了机械共振频率，在该机械共振频率的区域处，位移/电流或速度/电流之间的关系是最大的，并且因此也具有最高的效率，正如在现有技术的其他解决方案中已描述的。

 (8)

 (9)

对公式(5)至(9)进行数学处理，可获得公式(10)、(11)和(12)，它们分别代表了对于根据本发明教导的完整的机电系统，电流根据(as a function of)输入电压的转换的函数、压缩机50的活塞的位移根据输入电压的转换的函数、以及压缩机50的活塞的速度根据输入电压的转换的函数：

 (10)

 (11)

 (12)

可进一步将下列公式(13)或(14)定义为在本发明中设计的机电系统的特征公式：

 (13)

或：

 (14)

以上机电系统的特征公式的一对复极点(complex pole)限定了机电共振频率，在该机电共振频率的区域中，电流、位移和速度与输入电压之间可具有更大的相关性。因此，如本发明中所提出的，这是有可能获得共振式线性压缩机的最大功率的区域。

为了对所提出的促动系统的特性以及对所提出的稍后将更详细描述的方法进行更好的理解，在以下表格1中展示了值，这些值限定了共振式线性压缩机的系数，该共振式线性压缩机被设计成对于50W的标称负载在50Hz的机械共振频率下运行。

表格1 - 共振式线性压缩机的系数

系数值单位R12.9?L0.75HK_MT70V.s/m或N/AK_MLT81029.5N/mK_AMT10N.s/mm0.821Kg

单独计算电气系统和机械系统的极点，并且计算完整的机电系统的极点，根据以下表格2并且也从图4，人们可将在系统极点上的改变视觉化。

机械共振频率由机械系统的特征公式的一对复极点的模给出(314.2弧度/秒或50Hz)。机电共振频率由机电系统的特征公式的一对复极点的模给出(326.6弧度/秒或51.97Hz)。

表格2 - 电气、机械和机电系统的极点

在关于机械系统的位移和速度的转换函数的伯德图中，诸如在图5和6中所示，人们可注意到：在机械共振频率下，增益(gain)是最大的。在此情况下，位移和电流之间的相位是-90度(位移和电流是正交的)，并且速度与电流的相位是零度(速度和电流是同相的)。

另外，人们可从图7、8和9中观察到分别代表了电流、速度和位移与输入电压之间的转换函数的伯德图，在这些伯德图中，根据本发明的教导，在机电共振频率下增益是最大的。

此外，有可能观察到的是，在图7中，在机械共振频率下，电流的值是最小的，出于该原因效率是最大的。在机械共振频率和机电共振频率之间的中点处，线性促动器的功率因数是最大的，因为电流的相位具有最短的延迟。

机电共振频率总是高于机械共振频率，并且对于在以上表格1中展示的数据，在机电共振频率下，位移和输入电压之间的相位是大约-176度，并且速度和输入电压之间的相位是大约-86度。机电系统的实极点和一对复极点的模之间的差越大，位移的偏移和速度的偏移将分别趋向-180度和-90度。

面对上述情况，提出了本发明，主要目的在于对于冷却系统的过载的状态，将最大功率供应给共振式线性压缩机50。

此系统考虑了：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，使得汽缸2可操作地容纳活塞1。图1显示了所述压缩机50和它的组成部件。

只要关注电子的组成物，就有可能在图10至图13的基础上记录本促动系统的主要特性。此类系统包括至少一个电动马达的电子促动控制器20，此电子促动控制器20设置有彼此电气地相关联的至少一个控制电路24和至少一个促动电路26。

同样的图显示了电子促动控制器20被电子地关联至线性压缩机50的电动马达，此电子控制器20由整流元件、逆变器(逆变桥)和数字处理器组成。

在与现有技术相比较时，本要求保护的发明的非常相关的特性涉及下列事实：促动系统被特别地构造成通过由电子促动控制器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，将电动马达的促动频率调整至机电共振频率。

测得或估计出的电气量值由促动活塞速度值V_p给出，或者还由活塞位移值d_p给出。根据本发明的教导，促动电子控制器20能够以从放大且受控的范围起始的PWM正弦电压来促动压缩机50的电动马达。

如以前已经提及到的，本发明具有检测线性压缩机50的过载的状态的中心目的，在这些状态下，在其中有必要的是在所确定的过载中运行模式下，调整所述电动马达的促动频率，以便在高要求的情况下获得冷却系统的期望控制。

在图16中图示出了在此状态下控制压缩机50的马达的一种第一方法。图14和15显示了两个流程图，这些流程图被定位为在常规控制的两个不同提案中检测过载模式。在此情况下，过载控制模式被构造成：通过采用活塞位移值d_e((t))或D_MAX[K]作为基准，参照最大参考位移D_REF，调整电动马达的促动频率。人们观察到，在图14中图示的函数F(参见第二方框A[k]=F(A[k-1], Ed[k]))可以是控制P、PI或PID。

在第二模式中，如图17中所示，过载控制被构造成：通过采用压缩机50m的马达的速度相位φ_v作为基准，参照参考速度φ_REF，调整电动马达的促动频率。

在图18中显示了调整压缩机50的促动频率的第三方法。在此情况下，过载控制模式被构造成：通过采用压缩机的马达的位移相位φ_d的值作为基准，参照参考位移相位φ_dREF，调整电动马达的促动频率。

另外，图19显示了调整所述压缩机50的促动频率的备选方法。这是控制过载的方法，该方法被构造成：采用最小电流相位值φ_c作为基准，调整电动马达的促动频率。

关于上述的调整模式，它们由在活塞位置值(d_e(t))和输入电压相位(V_int.)之间的相位差给出，该相位差优选地为大约-176度(对于由表格1的参数所限定的压缩机)。在另一方面，促动频率的调整是从速度相位值φ_v和输入电压相位值V_int之间的差开始被给出的，该差优选地为大约-86度(对于由表格1的参数所限定的压缩机)。

作为超过现有技术的创造性和差异性特性，本发明具有一组步骤，这组步骤能够以对于所预见的过载控制模式有效率且相当简化的方式来调整压缩机50的促动频率。此类方法论考虑了下列事实：所述压缩机包括至少一个电动马达，后者由频率逆变器促动。所述方法基本上包括下列步骤：

a)在共振式线性压缩机50的每个运行周期T_R处测量并估计促动频率F_R、共振式线性压缩机50的最大活塞位移d_e(t)、和/或活塞位移相位φ_d和/或活塞速度相位φ_v和/或电流相位φ_c；

b)将最大活塞位移d_e((t)与最大参考位移D_REF进行比较，并且计算位移误差Err；

c)从以前周期的运行馈电电压值和在先前步骤(s)中获得的位移误差Err，计算电动马达的运行馈电电压值A_m-pop；

d)将在先前步骤处计算出的电动马达的运行馈电电压值A_mpop与最大馈电电压值A_max进行比较；

e)如果在步骤“c”处计算出的运行馈电电压值A_mpop低于或等于最大馈电电压值A_max，于是解除激活电动马达的过载控制模式，并且将促动频率F_R降低至机械共振频率；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A_mpop高于最大馈电电压值A_max，于是激活过载控制模式，并且将促动频率F_R增大至机械共振频率。

关于如在图16中图示的第一过载控制模式，可陈述的是它进一步包括下列步骤：

n)将最大活塞位移d_e(t)与先前的运行周期T_R的周期的最大活塞位移d_e(t-1)进行比较；

o)如果最大活塞位移d_e(t)高于先前周期的活塞位移d_e(t)，于是将促动频率F_R与先前周期的促动频率F_R((t-1)进行比较；

p)如果促动频率F_R高于先前周期的促动频率R_F(t-1)，于是使促动频率FR增加一频率Δ(delta)值T_f，并且返回至步骤a)；

q)如果促动频率F_R不高于先前周期的促动频率F_R(t-1)，于是使促动频率F_R减少一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)；

r)如果最大活塞位移d_e(t)不大于先前周期的最大活塞位移d_e(t-1)，于是将促动频率F_R与先前周期的促动频率F_R(t-1)进行比较；

s)如果促动频率F_R低于先前周期的促动频率F_R(t-1)，于是使促动频率F_R增加一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)；

t)如果促动频率F_R不低于先前周期的促动频率F_R(t-1)，于是使促动频率F_R减少一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)。

应当指出的是，步骤“n”至“t”限定了关于压缩机50的最大活塞位移值的过载控制模式。

对于如图17中所示的第二过载控制模式，下列步骤是被预见的：

n)计算压缩机50的活塞的速度相位φ_v；

o)将在先前步骤处计算出的速度相位φ_v与参考速度相位值φ_VREF进行比较；

p)如果速度相位φ_v高于参考速度相位φ_VREF，于是使促动频率F_R增加一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)；

q)如果速度相位φ_v不高于参考速度相位φ_VVREF，于是使促动频率F_R减少一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)。

对于此第二控制模式，步骤“n”至“q”限定了压缩机50的过载控制模式，用于大约-90(对于由表格1的参数所限定的压缩机是-86)度的参考速度相位的调整。

根据本发明的教导并且如图18中图示的调整促动频率的第三方法包括下列步骤：

n)计算压缩机50的活塞位移相位φ_d；

o)将在先前步骤处计算出的位移相位φ_d与参考位移相位值Ф_DREF进行比较；

p)如果位移相位φ_d高于参考位移相位φ_DREF，于是使促动频率F_R增加一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)；

q)如果位移相位φ_d不高于参考位移相位φ_DREF，于是使促动频率F_R减少一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)；

上文最后的步骤“n”至“q”限定了压缩机50的过载控制模式，用于大约-180 (对于由表格1的参数所限定的压缩机是-176)度的参考位移相位的调整。

继而，图19显示了调整电动马达的促动频率的第四方法，其包括下列步骤：

n)计算压缩机50的电流相位φ_c；

o)将在先前步骤处计算出的电流相位φ_c与在运行周期T_R之前的电流相位值φ_c-1进行比较；

p)如果电流相位φ_c高于前一周期的电流相位φ_c-1，于是将促动频率F_R与前一周期的促动频率F_R(t-1)进行比较；

q)如果促动频率F_R高于前一周期的促动频率F_R(t-1)，随后使促动频率F_R增加一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)；

r)如果促动频率F_R不高于前一周期的促动频率F_R(-1)，于是使促动频率F_R减少一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)；

s)如果电流相位值φ_c不高于前一周期的电流相位值φ_c-1，于是将促动频率F_R与前一周期的促动频率F_R(t-1)进行比较；

t)如果促动频率F_R低于前一周期的促动频率F_R(t-1)，于是使促动频率F_R增加一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)；

u)如果促动频率F_r不低于前一周期的促动频率F_R(t-1)，于是使促动频率F_R减少一频率Δ值T_f，并且返回至步骤a)；

关于以上步骤“n”和“u”，限定了用于最小电流偏移的压缩机50的过载控制模式。

应当指出的是，当活塞位移达到最大参考值并且再次达到共振频率时，本系统和方法被构造成脱离过载控制。

在另一方面，本发明预见了一种共振式线性压缩机50，其设置有当前设计的促动系统，并且具有如在要求保护的对象中所限定的促动方法。

最后，可陈述的是，如上所述的用于共振式线性压缩机50的促动系统和方法获得了它们的目标，因为对于相同的设备设计，在高负载或过载的状态下，有可能增大供应给所述压缩机的最大功率。

此外，应当指出的是，通过增大供应给所述压缩机的最大功率，本发明能够更好地保存冷却设备的食物。进一步地，考虑了压缩机50的线性促动器的更佳尺寸，有可能在本发明教导的基础上降低最终产品的制造成本，又提高了压缩机50在其标称运行状态下的效率。

已经描述了实施例的优选示例，应当领会的是本发明的范围包括其他可能的变型，其仅由所附的权利要求的内容进行限制，其包括了可能的等同物。