CN100526644C - 控制往复式压缩机驱动的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种控制往复式压缩机驱动的装置和方法，其通过根据负载大小不同地控制频率和行程电压而能够提高效率，并能够减小能耗。该装置包括控制单元，用于通过将检测到的电流和行程之间的相位差与参考相位差相比较来判断负载大小，并根据所判定的负载大小来输出频率控制信号和行程控制信号。

Description

控制往复式压缩机驱动的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种压缩机，更具体地涉及一种控制往复式压缩机驱动的装置和方法。

背景技术

通常，往复式压缩机并不设置用于将旋转运动转换成线性运动的曲轴，从而具有较小的摩擦损耗。因此，往复式压缩机比普通压缩机具有更高的压缩效率。

当往复式压缩机应用于冰箱或空调时，通过改变输入的行程电压而改变压缩比来控制其制冷容量。在这里，行程代表活塞的上止点和下止点之间的距离。

下面参照图1说明传统的往复式压缩机。

图1为框图，示出根据传统技术的控制往复式压缩机驱动的装置的构造。

如图所示，传统的控制往复式压缩机驱动的装置包括：电流检测器4，用于检测提供给往复式压缩机6的马达(未示出)的电流；电压检测器3，用于检测提供给马达的电压；行程计算器5，用于根据检测到的电流和电压以及马达的参数来计算压缩机的行程评估值；比较器1，用于将计算出的行程评估值与预设的行程指令值相比较，从而输出它们之间的差值；以及行程控制器2，用于根据该差值控制串联连接到马达的三端双向可控硅开关元件(未示出)的导通周期来改变提供给马达的电压，从而控制压缩机6的行程。

以下，将参照图1来说明根据传统技术的控制往复式压缩机驱动的装置的运行。

电流检测器4检测提供给压缩机6的马达(未示出)的电流，并将检测到的电流值输出到行程计算器5。电压检测器3检测提供给马达的电压，并将检测到的电压值输出到行程计算器5。

行程计算器5通过将检测到的电流值、检测到的电压值以及马达的参数代入以下公式1来计算压缩机的行程评估值(X)，然后将计算出的行程评估值(X)应用到比较器1。

$X=\frac{1}{\mathrm{\α}}\∫(V_m-\mathrm{Ri}-L\stackrel{\‾}{i})\mathrm{dt}$       ------公式1

这里，R代表电阻值，L代表马达电感值，α代表马达常数，V_m代表提供给马达的电压，i代表提供给马达的电流，i代表提供给马达的电流随时间的变化比。也就是说，i代表i的微分值(di/dt)。

然后，比较器1将行程评估值与行程指令值相比较，并将它们之间的差值应用到行程控制器2。

行程控制器2根据该差值改变提供给压缩机6的马达的电压，从而控制压缩机6的行程。

图2为流程图，示出根据传统技术控制往复式压缩机驱动的方法。

当由行程计算器5所得的行程评估值应用到比较器1(S1)时，比较器1将行程评估值与预设的行程指令值相比较，从而得到它们之间的差值(S2)。然后，比较器1将该差值输出到行程控制器2。

当行程评估值小于行程指令值时，行程控制器2增大将提供给马达的电压，以控制压缩机的行程(S3)。相反，当行程评估值大于行程指令值时，行程控制器2减小将提供给马达的电压(S4)。这里，行程控制器2通过控制电连接到马达的三端双向可控硅开关元件(未示出)的导通周期来增大或减小将提供给马达的电压。

行程指令值根据往复式压缩机负载的尺寸而改变。也就是说，当往复式压缩机的负载较大时，行程指令值增大以不减小活塞的行程，从而防止制冷容量降低。相反，当往复式压缩机的负载较小时，行程指令值减小以不增大活塞的行程，从而防止制冷容量增大，并防止活塞和气缸之间由于过行程而产生碰撞。

当活塞的行程减小为特定水平时，使用行程电压的传统线性压缩机效率降低，从而在改变容量时受到限制。

使用旋转马达的传统旋转式压缩机通过改变频率来在较宽范围的改变容量。当在较小的容量改变范围内改变频率时，旋转式压缩机的效率不会急剧降低。相反，当活塞的行程较小时，往复式压缩机的效率降低。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种控制往复式压缩机驱动的装置和方法，其通过根据提供给往复式压缩机的电流和行程之间的相位差来判断负载，然后根据判定的负载来控制驱动频率和行程，从而能够提高驱动马达的效率。

为获得根据本发明意图的这些以及其它优点，如在此具体实施和广泛描述的，本发明提供一种控制往复式压缩机驱动的装置，包括：控制单元，用于通过将电流和行程之间的相位差与参考相位差相比较来判断负载大小，并根据判定结果输出频率控制信号和行程控制信号；驱动频率指令值确定单元，用于根据该频率控制信号确定驱动频率指令值；行程指令值确定单元，用于根据该行程控制信号确定行程指令值；第一比较单元，用于将该驱动频率指令值与当前驱动频率相比较，并根据比较结果输出频率补偿信号；第二比较单元，用于将该行程指令值与当前行程相比较，并根据比较结果输出行程补偿信号；PWM控制单元，用于根据该频率补偿信号和该行程补偿信号输出用于改变驱动频率和行程的PWM控制信号；以及逆变器，用于根据该PWM控制信号来改变提供给马达的电压和驱动频率。

为获得根据本发明意图的这些以及其它优点，如在此具体实施和广泛描述的，本发明还提供一种控制往复式压缩机驱动的方法，包括：驱动具有对应于特定行程指令值的容量的往复式压缩机；检测提供给该往复式压缩机马达的电流和电压，并通过检测到的电流和电压计算行程；检测计算出的行程和该电流之间的相位差；将检测到的相位差与参考相位差相比较，并根据比较结果改变行程指令值和驱动频率指令值；将改变后的驱动频率指令值与当前驱动频率相比较，并根据比较结果产生频率补偿信号；将改变后的行程指令值与当前行程相比较，并根据比较结果产生行程补偿信号；根据该频率补偿信号和该行程补偿信号，产生用于改变行程电压和驱动频率的PWM控制信号；以及根据该PWM控制信号改变提供给该往复式压缩机马达的行程电压和驱动频率。

本发明提供一种控制往复式压缩机驱动的装置，包括：控制单元，用于通过将检测到的电流和行程之间的相位差与参考相位差相比较来判断负载大小，并用于根据所判定的负载大小来输出频率控制信号和行程控制信号，其中，当检测到的电流和行程之间的相位差小于该参考相位差时，该控制单元输出用于将当前行程改变为满行程的行程控制信号，并输出用于将当前驱动频率改变为大于谐振频率的驱动频率的频率控制信号；当检测到的电流和行程之间的相位差大于该参考相位差时，该控制单元输出用于改变容量的行程控制信号，并输出用于将当前驱动频率改变为谐振频率的频率控制信号。

本发明还提供一种控制往复式压缩机驱动的方法，包括：驱动具有对应于特定行程指令值的容量的往复式压缩机；检测提供给该往复式压缩机马达的电流和电压，并通过检测到的电流和电压计算行程；检测计算出的行程和检测到的电流之间的相位差；以及将检测到的相位差与参考相位差相比较，并根据比较结果改变行程指令值和驱动频率指令值。其中，改变行程指令值和驱动频率指令值的步骤包括：当检测到的该电流和行程之间的相位差小于该参考相位差时，将当前驱动频率改变为大于谐振频率的驱动频率，并将当前行程改变为满行程；当检测到的电流和行程之间的相位差大于该参考相位差时，将当前驱动频率改变为谐振频率，并改变行程从而改变该往复式压缩机的驱动容量。

通过结合附图对于本发明的以下具体描述，本发明的前述以及其它目的、特征、方案和优点将更为显而易见。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书一部分的附图提供了对于本发明的进一步理解，示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1为框图，示出根据传统技术的控制往复式压缩机驱动的装置的构造；

图2为流程图，示出根据传统技术的控制往复式压缩机驱动的方法；

图3为框图，示出根据本发明的控制往复式压缩机驱动的装置的构造；以及

图4为流程图，示出根据本发明的控制往复式压缩机驱动的方法。

具体实施方式

下面详细参照本发明的优选实施例，其实例示出于附图中。

以下，将参照图3和图4说明控制往复式压缩机驱动的装置和方法，其通过具有相同容量的线性压缩机而能够驱动高负载的往复式压缩机，并且通过根据提供给往复式压缩机的电流和行程之间的相位差来判断负载大小、以及通过根据判定结果控制当前驱动频率和行程而能够降低主驱动状态下的能耗。

图3为框图，示出根据本发明的控制往复式压缩机驱动的装置的构造。

如图所示，根据本发明的控制往复式压缩机驱动的装置包括：电压检测单元100、电流检测单元110、行程检测单元120、控制单元130、第一比较单元170和第二比较单元140、行程指令值确定单元150、驱动频率确定单元160、PWM控制单元180、逆变器190，以及电源单元200。

电流检测单元110检测线性压缩机马达的电流，电压检测单元100检测线性压缩机马达的电压。

行程检测单元120通过检测到的电流和电压计算行程。

控制单元130将检测到的电流和行程之间的相位差与参考相位差相比较，来判断结果值是否对应于高负载。然后，控制单元130根据判定结果输出频率控制信号和行程控制信号。

作为控制单元130的第一实例，当检测到的电流和行程之间的相位差小于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为高负载，并输出用于将当前驱动频率改变为比谐振频率大的驱动频率的频率控制信号。

作为控制单元130的第二实例，当检测到的电流和行程之间的相位差小于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为高负载，并输出用于将当前行程改变为满行程的行程控制信号。

作为控制单元130的第三实例，当检测到的电流和行程之间的相位差小于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为高负载，并输出用于将当前驱动频率改变为比谐振频率大的驱动频率的频率控制信号，以及输出用于将当前行程改变为满行程的行程控制信号。

作为控制单元130的第四实例，当检测到的电流和行程之间的相位差大于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为正常负载(低负载或中等负载)，并输出用于改变容量(在最大容量的30％到90％范围内的容量)的行程控制信号。

作为控制单元130的第五实例，当检测到的电流和行程之间的相位差大于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为正常负载(低负载或中等负载)，并输出用于将当前驱动频率改变为谐振频率的频率控制信号。

作为控制单元130的第六实例，当检测到的电流和行程之间的相位差大于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为正常负载(低负载或中等负载)，并输出用于改变容量的行程控制信号，以及输出用于将当前驱动频率改变为谐振频率的频率控制信号。

为了检测谐振频率，控制单元130改变频率和行程以使检测到的电流和行程之间的相位差可以为90°，或者改变频率和行程以使往复式压缩机的速度和电流之间的相位差可以为0°，或者直接计算气体弹簧常数。

通过检测用户设定温度或外部温度，控制单元130能够由预存的试验值产生负载。

驱动频率指令值确定单元160根据频率控制信号确定用于改变驱动频率的驱动频率指令值。

行程指令值确定单元150根据行程控制信号确定用于改变行程的行程指令值。

第一比较单元170将该驱动频率指令值与当前驱动频率相比较，并根据比较结果输出频率补偿信号。

第二比较单元140将该行程指令值与当前行程相比较，并根据比较结果输出行程补偿信号。

PWM控制单元180根据该频率补偿信号和行程补偿信号输出用于改变驱动频率和行程的PWM控制信号。

这里，PWM控制信号包括：PWM占空比改变信号，用于改变提供给往复式压缩机马达的行程电压；以及PWM周期改变信号，用于改变提供给往复式压缩机的电压的频率。

逆变器190根据PWM控制信号来改变提供给往复式压缩机马达的电压和驱动频率。

逆变器190用于通过使用电源电压(AC 50Hz或60Hz)，产生可选频率的AC(交流)电力，来改变马达的速度。使用逆变器190具有以下优点。首先，容易改变往复式压缩机马达的速度，可以节能，并且通过应用低频而非高频能提高往复式压缩机的效率。

也就是说，逆变器190通过PWM控制信号控制内部开关器件的开/关时间，并改变DC(直流)电力的频率以及从电源单元200输出的提供给往复式压缩机的马达的电压。

这里，电源单元200对AC电力整流及进行平滑，从而产生特定DC电力。

以下，将参照图4来详细说明该控制往复式压缩机驱动的装置的运行。

图4为流程图，示出根据本发明的控制往复式压缩机驱动的方法。

首先，驱动具有特定行程指令值的往复式压缩机的马达(SP11)。

然后，电流检测单元110检测往复式压缩机马达的电流，电压检测单元100检测往复式压缩机马达的电压(SP12)。

然后，行程检测单元120使用检测到的电流和检测到的电压来计算行程(SP13)。

然后，控制单元130检测所检测到的电流和行程之间的相位差(SP14)，并将该相位差与参考相位差相比较(SP15)。

通过试验将参考相位差设定为具有最佳值。

当往复式压缩机的负载增大时，气体弹簧常数增大，因此电流和行程之间的相位差减小。

也就是说，当电流和行程之间的相位差为90°时，产生对应于中等负载的谐振频率。此外，当电流和行程之间的相位差为60°时，产生对应于高负载的谐振频率，该谐振频率是经试验证实的。

因此，设定参考相位差为具有大于60°的值。

将参考相位差设定在比TDC＝0的点小的点处。

TDC代表往复式压缩机的活塞的上止点，并且表示已经完成行程过程的活塞的位置。

当TDC位于“0”处，往复式压缩机的效率最大。因此，往复式压缩机被控制为使得活塞可位于TDC＝0的点处。

作为一个实例，当电流和行程之间的相位差小于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为高负载，并输出用于将当前驱动频率改变为比谐振频率大的驱动频率的频率控制信号。

作为另一实例，当电流和行程之间的相位差小于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为高负载，并输出用于将当前行程改变为满行程的行程控制信号。

作为再一实例，当电流和行程之间的相位差小于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为高负载，输出用于将当前驱动频率改变为比谐振频率大的驱动频率的频率控制信号，并输出用于将当前行程改变为满行程的行程控制信号(SP22)。

行程指令值确定单元150根据从控制单元130输出的行程控制信号确定用于将当前行程改变为满行程的行程指令值，并将该行程指令值提供给第二比较单元140(SP17)。

驱动频率指令值确定单元160根据从控制单元130输出的频率控制信号，将大于谐振频率的驱动频率确定为驱动频率指令值，并将该驱动频率指令值提供给第一比较单元170(SP18)。

通过试验设定与负载大小相应的驱动频率指令值。

第一比较单元170将驱动频率指令值与当前驱动频率相比较，并将与比较结果相应的频率补偿信号提供给PWM控制单元180(SP19)。

第二比较单元140将行程指令值与当前行程相比较，并将与比较结果相应的行程补偿信号提供给PWM控制单元180(SP19)。

然后，PWM控制单元180将与第一比较单元170输出的频率补偿信号以及第二比较单元140输出的行程补偿信号相应的PWM控制信号提供给逆变器190(SP20)。逆变器190根据该PWM控制信号来改变提供给往复式压缩机马达的行程电压和驱动频率(SP21)。

作为一个实例，当提供给往复式压缩机马达的电流和行程之间的相位差大于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为正常负载(中等负载或低负载)，并输出用于改变往复式压缩机的驱动容量的行程控制信号。

作为另一实例，当提供给往复式压缩机马达的电流和行程之间的相位差大于参考相位差时，控制单元130输出用于将驱动频率改变为谐振频率的频率控制信号。

作为优选实例，当提供给往复式压缩机马达的电流和行程之间的相位差大于参考相位差时，控制单元130判定往复式压缩机的负载为正常负载(中等负载或低负载)，输出用于将当前驱动频率改变为谐振频率的频率控制信号，并输出用于改变往复式压缩机的驱动容量的行程控制信号(SP16)。

行程指令值确定单元150根据从控制单元130输出的行程控制信号，确定用于将往复式压缩机的驱动容量改变为对应于当前负载的驱动容量的行程指令值，并将该行程指令值提供给第二比较单元140(SP17)。

驱动频率指令值确定单元160根据从控制单元130输出的频率控制信号，将谐振频率确定为驱动频率指令值，并将该驱动频率指令值提供给第一比较单元170(SP18)。

第一比较单元170将该驱动频率指令值与当前驱动频率相比较，并将与比较结果相应的频率补偿信号提供给PWM控制单元180(SP19)。

第二比较单元140将该行程指令值与当前行程相比较，并将与比较结果相应的行程补偿信号提供给PWM控制单元180(SP19)。

然后，PWM控制单元180将与第一比较单元170输出的频率补偿信号以及第二比较单元140输出的行程补偿信号相应的PWM控制信号提供给逆变器190(SP20)。逆变器190根据PWM控制信号来改变提供给往复式压缩机马达的行程电压和驱动频率(SP21)。

在本发明中，通过将提供给往复式压缩机的电流和行程之间的相位差与参考相位差相比较来判断当前负载的大小。如果当前负载被判定为高负载，则当前驱动频率变为大于谐振频率的驱动频率，并且当前行程变为满行程。因此，通过使用具有相同容量的往复式压缩机，能够对应于不止高负载的负载。

此外，在本发明中，通过将提供给往复式压缩机的电流和行程之间的相位差与参考相位差相比较来判断当前负载的大小。如果当前负载被判定为中等负载或低负载，则输出用于改变容量的行程控制信号，并且当前驱动频率变为谐振频率。因此，在冰箱或空调的主驱动状态下能够降低能耗。

也就是说，在本发明的往复式压缩机中，并不总是产生最大制冷容量，而是通过控制行程来产生必需的制冷容量。因此，可以降低能耗。

如前所述，在根据本发明的控制往复式压缩机驱动的装置和方法中，通过将提供给往复式压缩机的电流和行程之间的相位差与参考相位差相比较来判断当前负载的大小。如果当前负载被判定为高负载，则当前驱动频率变为大于谐振频率的驱动频率，并且当前行程变为满行程。因此，通过使用具有相同容量的往复式压缩机，能够对应于不止高负载的负载，从而能够提高往复式压缩机的效率。

此外，在本发明中，通过将提供给往复式压缩机的电流和行程之间的相位差与参考相位差相比较来判断当前负载的大小。如果当前负载被判定为中等负载或低负载，则输出用于改变容量的行程控制信号，并且当前驱动频率变为谐振频率。因此，在冰箱或空调的主驱动状态下能够降低能耗。

由于本发明可体现为多种形式而不脱离其精神或实质特点，因此应当理解，除非另有规定，上述实施例并不受限于前述的任何细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地构成，因此落入权利要求和等效范围内的全部变化和改型都应包含于随附权利要求中。

Claims (6)

1、一种控制往复式压缩机驱动的装置，包括：

控制单元，用于通过将检测到的电流和行程之间的相位差与参考相位差相比较来判断负载大小，并用于根据所判定的负载大小来输出频率控制信号和行程控制信号，

其中，当检测到的电流和行程之间的相位差小于该参考相位差时，该控制单元输出用于将当前行程改变为满行程的行程控制信号，并输出用于将当前驱动频率改变为大于谐振频率的驱动频率的频率控制信号；当检测到的电流和行程之间的相位差大于该参考相位差时，该控制单元输出用于改变容量的行程控制信号，并输出用于将当前驱动频率改变为谐振频率的频率控制信号。

2、如权利要求1所述的装置，还包括：

驱动频率指令值确定单元，用于根据该频率控制信号确定驱动频率指令值；

行程指令值确定单元，用于根据该行程控制信号确定行程指令值；

第一比较单元，用于将该驱动频率指令值与当前驱动频率相比较，并根据比较结果输出频率补偿信号；

第二比较单元，用于将该行程指令值与当前行程相比较，并根据比较结果输出行程补偿信号；

PWM控制单元，用于根据该频率补偿信号和该行程补偿信号输出用于改变驱动频率和行程的PWM控制信号；以及

逆变器，用于根据该PWM控制信号来改变提供给马达的电压和驱动频率。

3、如权利要求1所述的装置，其中该PWM控制信号包括：PWM占空比改变信号，用于改变行程电压；以及PWM周期改变信号，用于改变提供给该往复式压缩机的行程电压的频率。

4、一种控制往复式压缩机驱动的方法，包括：

驱动具有对应于特定行程指令值的容量的往复式压缩机；

检测提供给该往复式压缩机马达的电流和电压，并通过检测到的电流和电压计算行程；

检测计算出的行程和检测到的电流之间的相位差；以及

将检测到的相位差与参考相位差相比较，并根据比较结果改变行程指令值和驱动频率指令值，

其中，改变行程指令值和驱动频率指令值的步骤包括：当检测到的该电流和行程之间的相位差小于该参考相位差时，将当前驱动频率改变为大于谐振频率的驱动频率，并将当前行程改变为满行程；当检测到的电流和行程之间的相位差大于该参考相位差时，将当前驱动频率改变为谐振频率，并改变行程从而改变该往复式压缩机的驱动容量。

5、如权利要求4所述的方法，还包括：

将改变后的驱动频率指令值与当前驱动频率相比较，并根据比较结果产生频率补偿信号；

将改变后的行程指令值与当前行程相比较，并根据比较结果产生行程补偿信号；

根据该频率补偿信号和该行程补偿信号，产生用于改变行程电压和驱动频率的PWM控制信号；以及

根据该PWM控制信号改变提供给该往复式压缩机马达的行程电压和驱动频率。

6、如权利要求4所述的方法，其中该PWM控制信号包括：PWM占空比改变信号，用于改变行程电压；以及PWM周期改变信号，用于改变提供给该往复式压缩机的行程电压的频率。

Images