CN100351519C - 线性压缩机和控制该线性压缩机的装置 - Google Patents

Abstract

一种线性压缩机以及控制该线性压缩机的装置，可使施加到驱动电机的驱动电流的频率实时地与根据负载的波动情况而变化的谐振频率同步，从而获得线性压缩机的最大效率。该线性压缩机包括：驱动电机；利用该驱动电机往复运动的活塞；以及控制单元，该控制单元产生与活塞的位移波形具有90度相位差和等于活塞的位移波形的频率的基准电流，并通过将驱动电流与基准电流同步而控制提供到驱动电机的驱动电流与活塞的谐振频率同步。

Description

线性压缩机和控制该线性压缩机的装置

技术领域

本发明总体上涉及线性压缩机，更具体地说，涉及一种其活塞由线性电机线性地往复推动的线性压缩机、以及控制该线性压缩机的装置。

背景技术

一般来说，由于往复压缩机将电机的转动转换成操作活塞的线性运动，因此运动转换过程期间，会产生能量损失，这样就降低了其能量效率。与往复压缩机不同，线性压缩机使用其内的推进器(mover)线性往复的线性电机，使活塞的线性运动直接连接到线性电机推进器的线性运动，而不需将转动转换成线性运动的过程，这样就降低了其能量损失。因此，线性压缩机比往复压缩机的更加有效。

在线性压缩机中，当线性压缩机的谐振频率与施加到线性电机的驱动电流的频率相等时，可获得最大效率。但是，由于谐振频率实际上随诸如活塞的负载波动之类的特定情况而改变，因此需要一种方案，使驱动电流的频率等于线性压缩机的谐振频率。

发明内容

因此，本发明的一个方面就是提供线性压缩机以及控制该线性压缩机的装置，可使施加到驱动电机的线性压缩机的驱动电流的频率实时地与根据负载的波动情况而变化的谐振频率同步，从而获得线性压缩机的最大效率。

本发明的其它方面和优点将部分体现在下述说明书中，并且可从该说明书中部分地显而易见，或者通过实施本发明而获得教导。

本发明所述的上述和/或其它方面是这样实现的，提供一种线性压缩机，包括驱动电机和利用该驱动电机往复运动的活塞。控制单元产生与活塞的位移波形具有90度相位差和相等频率的基准电流，并通过将驱动电流与基准电流同步而控制提供到驱动电机的驱动电流与活塞的谐振频率同步。

通过提供一种控制线性压缩机的装置而实现上述和/或其它方面，该线性压缩机包括位移/速度检测单元、幅值控制单元、相位控制单元和电流控制单元。位移/速度检测单元产生活塞的位移波形和速度波形中的至少一个波形。幅值控制单元设定用于控制驱动电机所需的最大幅值的驱动电流，从而使活塞的顶部和底部死点分别满足从线性压缩机的外部接收的顶部和底部死点指令。相位控制单元产生基准波形，该基准波形满足其基准波形与活塞的位移波形相比具有90的相位差和相等频率的条件、或者满足基准波形具有等于活塞的速度波形的相位和频率的相位和频率的条件。

电流控制单元根据分别从幅值控制单元和相位控制单元提供的幅值信息、相位和频率信息产生基准电流，并控制提供到驱动电机的驱动电流与基准电流同步。

由线性压缩机的驱动电机(线性电机)产生的驱动力正比于驱动电机的反电动势与提供到驱动电机的驱动电流的乘积。因此，当把具有等于反电动势的相位的驱动电流提供到驱动电机时，线性压缩机可以最大效率地运行。在利用诸如三端双向可控硅开关元件等开关元件和相位控制方案、以等于交流电频率的频率(例如60Hz或者50Hz)驱动线性压缩机的情况下，线性压缩机的谐振频率和交流电的频率相等。因此，当把具有等于驱动电机的反电动势的相位的驱动电流提供到电机时，线性压缩机可以最大效率地运行。当以谐振频率驱动线性压缩机时，驱动电流的相位等于电机的反电动势〔或者速度〕的相位，而且相对于活塞的位移具有90度的相位差。

附图说明

通过结合附图，对最佳实施例做如下说明，本发明的这些和/或其它目的和优点将会清晰，而且更容易理解。

图1是根据本发明的第一实施例所述用于控制线性压缩机的的装置的方框图；

图2所示的方框图表示图1所示线性压缩机控制装置的控制单元；

图3所示的方框图表示图2所示控制单元的幅值控制单元；

图4所示的方框图表示图2所示控制单元的相位控制单元；

图5是根据本发明的第二实施例所述用于控制线性压缩机的装置的方框图；

图6所示的方框图表示设置在图5所示的线性压缩机控制装置的相位控制单元。

具体实施方式

下面，参照表示在附图中的实例详细说明本发明的优选实施例，全文中的相同附图标记表示相同的部件。下面所描述的实施例是为了参照附图解释本发明。

图1至4的示意图表示根据本发明的第一实施例所述的线性压缩机以及控制该线性压缩机的装置，图中示出了通过位移传感器检测的活塞的位移和速度、以及利用所检测的位移和所检测的速度获得的线性压缩机的机械谐振频率。

图1是根据本发明的第一实施例所述控制线性压缩机的装置。如图1所示，变流器104把从交流电源102提供的交流电转换成直流电。通过直流耦合电容108连接到变流器104的逆变器106产生具有驱动线性电机110所需的可变电位和/或可变频率的交流电。

逆变器106的输入端子和输出端子分别连接到电压检测单元118和电流检测单元112。电压检测单元118检测提供到逆变器106的直流电源的电位。电流检测单元112检测流经线性电机110的驱动电流。

利用位移传感器120和位移/速度检测单元116获得活塞的位移/速度。位移传感器120检测线性电机110的推进器(或者活塞)的位移。位移/速度检测单元116根据由位移传感器120检测的结果，检测往复活塞的位移波形和运动速度波形。

控制单元114控制逆变器106的转换操作，以利用由电流检测单元112、电压检测电压118和位移/速度检测电压116检测的结果，使提供到线性电机110的驱动电流与线性压缩机的谐振频率同步。

图2所示的方框图表示图1所示线性压缩机控制装置的控制单元114。如图2所示，控制单元114包括相位控制单元202、幅值控制单元206、电流指令产生单元204和电流控制单元208。控制单元114控制逆变器106，使逆变器106产生基准电流，该基准电流具有等于活塞的谐振频率和相位的频率和相位，并能够使活塞的顶部和底部死点到达从线性压缩机的外部接收的目标值，还使提供到线性电机110的驱动电流与基准电流同步。

在图2中，相位控制单元202产生正弦波信号，该正弦波信号具有等于由位移/速度检测单元116产生的活塞运动速度波形的相位、并与位移波形相比具有90度的相位差。幅值控制单元206获得第一偏差和第二偏差，其中所示第一偏差为由位移/速度检测单元116检测的活塞的实际顶部死点、与基于从线性压缩机的外部接收的顶部死点指令而产生的指令顶部死点之间的偏差，第二偏差为由位移/速度检测单元116检测的活塞的实际底部死点、与基于从线性压缩机的外部接收的底部死点指令而产生的指令底部死点之间的偏差。进一步地，幅值控制单元206将提供到线性电机110的驱动电流的最大幅值(峰值)设定为补偿第一和第二偏差的强度值。电流指令产生单元204产生电流指令信号(基准电流)，该电流指令信号具有从相位控制单元202输出的正弦波信号的频率信息、以及从幅值控制单元206输出的最大幅值的信息。在监控当前提供到信息电机110、并由电流检测单元112检测的驱动电流的同时，电流控制单元208产生用于控制逆变器106的逆变器控制信号，使提供到线性电机110的驱动电流与由电流指令产生单元204产生的电流指令信号的频率、相位和最大幅值同步。

图3所示的方框图表示图2中的控制单元114的幅值控制单元206。如图3所示，从线性压缩机的外部接收的顶部死点指令和底部死点指令分别设定在顶部死点设定单元302和底部死点设定单元304。第一加法器306获得设定在顶部死点设定单元302中的指令的顶部死点与由位移/速度检测单元116检测的活塞的实际顶部死点之间的偏差。第二加法器308获得设定在底部死点设定单元304中的指令的顶部死点与由位移/速度检测单元116检测的活塞的实际底部死点之间的偏差。幅值设定单元310设定正弦波信号的最大幅值，以补偿指令的顶部死点与实际的顶部死点之间的偏差、以及指令的底部死点与实际的底部死点之间的偏差，这两种偏差都是分别由第一和第二加法器306和308获得的。把由幅值设定单元310设定的最大幅值提供到电流指令产生单元204，而且随后被用做控制提供到线性电机110的驱动电流的电流指令信号的最大幅值信息。

图4所示的方框图表示图2中的控制单元114的相位控制单元202。如图4所示，相位比较单元402分别将从位移/速度检测单元116和电压控制振荡单元404输出的信号相位进行比较，并产生其强度(即幅值)正比于它们之间的相位差的电压信号。电压控制振荡单元404输出正弦波信号，其频率正比于从相位比较单元402输出的电压信号的强度而变化。相位差产生单元406对从电压控制振荡单元404输出的正弦波的相位移相90度。驱动电流与活塞的位移波形相比具有90度的相位差，或者其相位等于活塞运动速度波形的相位。因此，利用位移传感器120检测的活塞的位移波形的相位被相位差产生单元406移项90度，以等于运动速度波形的相位。由相位控制单元202产生的正弦波信号被提供到电流指令产生单元204，并被用做电流指令信号的频率和相位。

也就是说，控制单元114的电流指令产生单元204，通过利用相位控制单元202和幅值控制单元206获得的相位和最大幅值信息，确定电流指令信号的相位和最大幅值，从而产生电流指令信号。电流控制单元208产生用于控制逆变器106的转换操作的变流器控制信号，使提供到线性电机110的驱动电流与由电流指令产生单元204产生的电流指令信号的相位、频率和最大幅值同步。

图5和6的示意图表示根据本发明的第二实施例所述控制线性压缩机的装置，图中示出了使用线性电机的电气特性值代替使用位移传感器，直接检测驱动电机(线性电机)的推进器的位移和速度的情况，而且利用直接检测到的位移和速度获得线性压缩机的机械谐振频率。

图5是根据本发明的第二实施例所述控制线性压缩机的装置的方框图。如图5所示，位移/速度检测单元502利用由电流检测单元112检测的驱动电流、提供到变流器106并与电压检测单元118检测的直流电压、以及线性电机110的电气特性值产生活塞的位移/速度波形。如上所述，控制单元514利用由位移/速度检测单元502检测的活塞的位移/速度波形控制提供到线性电机110的驱动电流。

在图5所示的控制装置中，由于利用线性电机110的电气特性值代替利用位移传感器，产生活塞的速度波形，因此可包括在控制单元514中的相位控制单元610的结构本根据发明的第一实施例所述的相位控制单元202变化，而且该结构图示在图6中。图6所示的方框图表示设置在图5所示的线性压缩机控制装置中的相位控制单元610。如图6所示，由于利用线性电机110的电气特性值直接检测活塞的速度波形，因此相位控制单元610不需要如图4所示的本发明的第一实施例所述的相位差产生单元406。

从上面的说明中可以清楚，提供一种线性压缩机和控制线性压缩机的控制装置，可使施加到驱动电机的驱动电流的频率实时地与根据负载的波动情况而变化的谐振频率同步，从而获得线性压缩机的最大效率。

尽管已图示并说明了本发明的一些实施例，但是，本领域技术人员可以理解，不偏离本发明的原理和精神实质、附属权利要求中限定的本发明的保护范围及其等同替换，可以改变这些实施例。也可以理解，本发明中展现的优点可运用于上面已讨论的之外的技术中。

Claims (18)

1、一种线性压缩机，包括：

驱动电机；

利用该驱动电机往复运动的活塞；以及

控制单元，该控制单元产生与活塞的位移波形具有90度相位差和相等频率的基准电流，并通过将驱动电流与基准电流同步而控制提供到驱动电机的驱动电流与活塞的谐振频率同步。

2、如权利要求1所述的线性压缩机，其中所述控制单元从线性压缩机的外部接收顶部和底部死点指令，并设定基准电流的最大幅值，从而使驱动电流与基准电流同步，以使活塞的顶部和底部死点分别满足顶部和底部死点指令。

3、一种线性压缩机，包括：

驱动电机；

利用该驱动电机往复运动的活塞；以及

控制单元，该控制单元产生其相位和其频率都与活塞的速度波形的相位和频率相等的基准电流，并通过将驱动电流与基准电流同步、而控制提供到驱动电机的驱动电流与活塞的谐振频率同步。

4、如权利要求3所述的线性压缩机，其中所述控制单元从线性压缩机的外部接收顶部和底部死点指令，并设定基准电流的最大幅值，从而使驱动电流与基准电流同步，以使活塞的顶部和底部死点分别满足顶部和底部死点指令。

5、一种线性压缩机，包括：

驱动电机；

利用该驱动电机往复运动的活塞；

用于检测活塞的位移的位移传感器；

位移/速度检测单元，该位移/速度检测单元根据由位移传感器检测的值产生活塞的位移波形和速度波形中的至少一种波形；以及

控制单元，该控制单元产生满足下列条件的基准电流，即基准电流与活塞的位移波形具有90度的相位差和相等的频率，或者条件是基准电流的相位和频率都与活塞的速度波形的相位和频率相等，并通过将驱动电流与基准电流同步、而控制提供到驱动电机的驱动电流与活塞的谐振频率同步。

6、一种线性压缩机，包括：

驱动电机；

利用该驱动电机往复运动的活塞；

位移/速度检测单元，该位移/速度检测单元利用驱动电机的电气特性值检测活塞的位移，并根据所检测的位移产生活塞的位移波形和速度波形中的至少一种波形；以及

控制单元，该控制单元产生其相位和其频率都与活塞的速度波形的相位和频率相等的基准电流，并通过将驱动电流与基准电流同步、而控制提供到驱动电机的驱动电流与活塞的谐振频率同步。

7、如权利要求6所述的线性压缩机，其中所述驱动电机的电气特性值包括被提供到驱动电机的驱动电压和驱动电流。

8、如权利要求7所述的线性压缩机，其中驱动电机的电气特性值包括驱动电机的阻抗信息、电感信息、反电动势常数信息。

9、一种控制线性压缩机的装置，该线性压缩机具有驱动电机和由该驱动电机往复运动的活塞，该装置包括：

位移/速度检测单元，该位移/速度检测单元产生活塞的位移波形和速度波形中的至少一种波形；

幅值控制单元，该幅值控制单元设定用于控制驱动电机的最大幅值的驱动电流，从而使活塞的顶部和底部死点分别满足从线性压缩机的外部接收的顶部和底部死点指令；

相位控制单元，该相位控制单元产生基准波形，该基准波形满足基准波形与活塞的位移波形相比具有90度的相位差、而且具有等于活塞的位移波形的频率的条件、或者满足基准波形的相位和频率等于活塞的速度波形的相位和频率的条件；以及

电流控制单元，该电流控制单元根据从幅值控制单元和相位控制单元提供的幅值信息、相位和频率信息产生基准电流，并控制提供到驱动电机的驱动电流与基准电流同步。

10、如权利要求9所述的控制线性压缩机的装置，进一步包括用于检测活塞的位移的位移传感器，所述位移/速度检测单元根据由位移传感器检测的活塞位移产生活塞的位移波形和速度波形中的至少一种波形。

11、一种控制线性压缩机的装置，该线性压缩机具有驱动电机和由该驱动电机往复运动的活塞，该装置包括：

将交流电转换成直流电的变流器；

逆变器，产生用于驱动驱动电机所需的可变电压和可变频率的交流电；

检测提供到驱动电机的驱动电流的电流检测单元；

检测提供到驱动电机的供电电压的电压检测单元；

检测活塞位移的位移传感器；

位移/速度检测单元，该位移/速度检测单元根据由位移传感器检测的位移产生活塞的位移波形和速度波形中的至少一种波形；

幅值控制单元，该幅值控制单元设定用于控制驱动电机所需的最大幅值的驱动电流，从而使活塞的顶部和底部死点分别满足从线性压缩机的外部接收的顶部和底部死点指令；

相位控制单元，该相位控制单元产生基准波形，该基准波形满足基准波形与活塞的位移波形相比具有90度的相位差、而且具有等于活塞的位移波形的频率的条件，或者满足基准波形的相位和频率等于活塞的速度波形的相位和频率的条件；

电流指令产生单元，该电流指令产生单元产生电流指令信号，该电流指令信号具有由相位控制单元产生的基准波形的频率信息和相位信息、以及由幅值控制单元产生的最大幅值信息；以及

电流控制单元，该电流控制单元控制逆变器的转换操作，以使驱动电流与电流命令信号的频率、相位和最大幅值信息同步，同时监视利用电流检测单元检测的、并提供到驱动电机的驱动电流。

12、如权利要求11所述的线性压缩机控制装置，其中幅值控制单元包括：

第一加法器，该第一加法器获得基于从线性压缩机的外部接收的顶部死区指令的指令性顶部死点与活塞的实际顶部死点之间的偏差；

第二加法器，该第二加法器基于从线性压缩机的外部接收的底部死区指令的指令性底部死点与活塞的实际底部死点之间的偏差；以及

幅值设定单元，该幅值设定单元把提供到驱动电机的驱动电流的最大幅值设定成某一强度，以补偿指令性顶部死点与实际的顶部死点之间的偏差、以及指令性底部死点与实际的底部死点之间的偏差，这两种偏差都是分别由第一和第二加法器获得的。

13、如权利要求11所述的线性压缩机控制装置，其中所述相位控制单元包括：

电压控制振荡单元；

相位比较单元，该相位比较单元分别将从位移/速度检测单元和电压控制振荡单元输出的信号相位进行相互比较，并产生其强度正比于它们之间的相位差的电压信号，电压控制振荡单元输出正弦波信号，该正弦波信号的频率正比于从相位比较单元输出的电压信号的强度而变化；以及

相位差产生单元，该相位差产生单元对从电压控制振荡单元输出的正弦波的相位移相90度，从而使驱动电流与活塞的位移波形相比具有90度的相位差，或者其相位等于活塞运动速度波形的相位。

14、如权利要求2所述的线性压缩机，其中控制单元对指令性顶部死点与活塞的实际的顶部死点之间的偏差、以及指令性底部死点与活塞的实际的底部死点之间的偏差进行补偿。

15、如权利要求2所述的线性压缩机，进一步包括：

用于检测活塞的位移的位移传感器；

位移/速度检测单元，该位移/速度检测单元根据活塞的检测的位移产生活塞的位移波形和速度波形中的一种或两种波形，并将位移和/或速度波形提供到控制单元。

16、如权利要求2所述的线性压缩机，进一步包括：

位移/速度检测单元，该位移/速度检测单元利用驱动电机的电气特性值检测活塞的位移，并根据检测的位移产生活塞的位移波形和速度波形中的一种或两种波形，并将位移和/或速度波形提供到控制单元。

17、如权利要求16所述的线性压缩机，其中所述驱动电机的电气特性值包括被提供到驱动电机的驱动电压和驱动电流。

18、如权利要求16所述的线性压缩机，其中驱动电机的电气特性值包括驱动电机的阻抗信息、电感信息、反电动势常数信息。

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