Способ и устройство для управления линейным компрессором
Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано в устройствах управления линейными компрессорами, в особенности для применения с целью сжатия хладагента в холодильном аппарате. Устройство для управления линейным компрессором содержит токовый датчик для регистрации потребления тока линейным компрессором, датчик (18) для регистрации отклонения колеблющегося тела линейного компрессора, а также схему (11) управления, служащую для управления движением и для регистрации состояния перегрузки линейного компрессора на основании потребления тока, причем потребление тока регистрируется токовым датчиком, и на основании отклонения, зарегистрированного датчиком (18). При управлении линейным компрессором используется его полная производительность. 2 н. и 9 з.п.ф-лы, 4 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу и к устройству управления линейным компрессором, в особенности для применения с целью сжатия хладагента в холодильном аппарате.
Уровень техники
Подобные линейные компрессоры известны, например, из US 6596032 В2 или US 6642377 В2.
При работе компрессора в холодильном аппарате могут возникнуть ситуации, при которых потребление электроэнергии компрессором будет необычайно высоким и может привести к сильному нагреванию компрессора. Это может, например, иметь место при первом включении холодильного аппарата или после длительного простоя, когда все внутренняя камера холодильного аппарата должна быть охлаждена от высокой исходной температуры до заданной рабочей температуры. Для этого компрессор должен длительное время непрерывно работать, если, например, по причине плохо закрытой двери повышена подача тепла во внутреннюю камеру холодильного аппарата, если нарушена отдача тепла на конденсаторе холодильного аппарата или если само движение колеблющегося тела компрессора нарушено вследствие механического дефекта. Такие ситуации должны надежно распознаваться, чтобы ограничить потребление мощности компрессором так, чтобы перегрев компрессора не создавал опасности возникновения пожара. В обычных холодильных аппаратах с компрессорами, приводимыми в действие вращением, эта задача в целом решается с помощью температурного датчика, расположенного на корпусе компрессора, и с помощью схемы управления, которая на основе измеряемых значений, выдаваемых температурным датчиком, принимает решение о возможном снижении электрической мощности, подаваемой на компрессор.
Из KR 2002021532-А известен способ управления линейным компрессором, причем в этом способе на основе измерения расхода электрического тока, потребляемого компрессором, определяется, находится ли компрессор в состоянии перегрузки или нет, и уменьшается ход поршня компрессора, если определяется, что имеется состояние перегрузки.
Так как для определения состояния перегрузки используется только измерение потребления тока, граничное значение потребления тока, выше которого имеет место состояние перегрузки, должно быть таким низким, чтобы и при неблагоприятных возможных рабочих условиях надежно предотвращалось перегревание. Граничное значение должно быть, следовательно, выбрано таким, чтобы и при длительной работе компрессора, как, например, при пуске холодильного аппарата из теплого состояния, было исключено перегревание. Работа при более высокой силе тока, вполне допускаемая при периодической работе, когда должна поддерживаться только низкая температура во внутренней камере холодильного аппарата, тем самым исключается. Тем самым производительность линейного компрессора не может быть использована полностью.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в том, чтобы создать способ и устройство для управления линейным компрессором, которые бы способствовали полному использованию его производительности.
Во-первых, задача решается посредством того, что в способе управления линейным компрессором, в котором регистрируется потребление тока линейным компрессором, и на основе потребления тока делается вывод, находится ли линейный компрессор в состоянии перегрузки, и уменьшается амплитуда движения колеблющегося тела линейного компрессора в случае, если определено состояние перегрузки линейного компрессора, также регистрируется и амплитуда движения колеблющегося тела линейного компрессора и используется для определения того, находится ли линейный компрессор в состоянии перегрузки.
Амплитуда движения колеблющегося тела линейного компрессора может быть существенной для определения того, имеется ли состояние перегрузки или нет, так как линейный компрессор при одинаковом потреблении тока может отводить наружу высвобождаемое в нем джоулево тепло тем эффективнее, чем сильнее он движется.
Поэтому, согласно изобретению, для принятия решения о состоянии перегрузки привлекается предпочтительно первое граничное значение потребление тока линейным компрессором, причем это первое граничное значение устанавливается в качестве возрастающей функции амплитуды движения, а в случае превышения граничного значения определяется состояние перегрузки.
Эквивалентным образом, и амплитуда движения может быть установлена в виде возрастающей функции потребления тока, и состояние перегрузки определяется в том случае, когда зарегистрированная амплитуда движения опускается ниже значения этой функции при зарегистрированном потреблении тока.
Целесообразно, как в одном, так и в другом случае функция сначала определена так, что сумма джоулевой теплоты, высвобождаемой в линейном компрессоре посредством омического сопротивления линейного компрессора, и холодопроизводительности, достигаемой на линейном компрессоре посредством движения колеблющегося тела компрессора, является по существу постоянной. Это означает, что граничное значение эффективно соответствует температуре линейного компрессора, которая не должна превышаться в длительном режиме работы.
Предпочтительным будет, чтобы при определении по одному из описанных выше критериев состояния перегрузки амплитуда движения колеблющегося тела линейного компрессора снижалась до подходящего значения и таким образом линейный компрессор продолжал работать при уменьшенной мощности.
Кроме того, состояние перегрузки может быть также определено, если амплитуда движения опускается ниже второго граничного значения, причем это второе граничное значение может быть задано независимо от потребления тока линейным компрессором, и в случае, если используемое первое граничное значение амплитуды движения, как пояснено выше, выбрано меньше, чем последнее, чтобы зарегистрировать случай механической блокировки линейного компрессора. Если при этих условиях регистрируется состояние перегрузки, то амплитуда движения колеблющегося тела линейного компрессора целесообразно понижается до нуля.
Чтобы зарегистрировать механический дефект, может быть целесообразным также регистрировать отклонение колеблющегося тела линейного компрессора в различных фазах его осцилляции и сравнить с заданной характеристикой движения, и определить состояние перегрузки, если разница между зарегистрированным отклонением и заданной характеристикой движения превышает третье граничное значение.
Далее задача решается при помощи устройства для управления линейным компрессором, причем дополнительно к токовому датчику для регистрации потребления тока линейным компрессором и дополнительно к схеме управления, служащей для управления движением колеблющегося тела линейного компрессора при помощи зарегистрированного потребления тока, устройство содержит также соединенный со схемой управления датчик для регистрации отклонения линейного компрессора, причем предпочтительно схема управления выполнена так, чтобы осуществлять вышеописанный способ.
Краткое описание чертежей
Другие признаки изобретения раскрыты в последующем описании вариантов реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи. На них показано следующее.
Фиг.1: аксонометрическая проекция первого варианта реализации линейного компрессора с устройством для управления согласно настоящему изобретению.
Фиг.2: аксонометрическая проекция второго варианта реализации линейного компрессора с устройством для управления.
Фиг.3: типичная характеристика граничного значения потребления тока линейным компрессором из фиг.1 или 2 как функция амплитуды движения колеблющегося тела компрессора.
Фиг.4: диаграмма, которая показывает заданную характеристику движения колеблющегося тела компрессора, а также различные примеры наборов зарегистрированных отклонений колеблющегося тела компрессора.
Осуществление изобретения
Показанный на фиг.1 в аксонометрической проекции линейный компрессор имеет жесткую, примерно U-образную при виде сверху рамку, которая составлена из трех частей, а именно двух плоских стенок 1 и дуги 2. Между обращенными друг к другу торцевыми сторонами дуги 2 и двумя стенками 1 зажата первая пружинная мембрана 3, вторая пружинная мембрана 4 того же вида, что и пружинная мембрана 3 закреплена на обращенных от дуги 2 торцевых сторонах стенки 1.
Выштампованные из пластины пружинной стали пружинные мембраны 3, 4 имеют по четыре пружинных рычага 5, которые проходят зигзагообразно от стенок 1 к среднему участку 6, на котором они встречаются. Средний участок 6 имеет три отверстия - два внешних отверстия, на которых с помощью болтов или заклепок 7 подвешено выполненное из постоянного магнита колеблющееся тело 8, и одно среднее отверстие, через которое у пружинной мембраны 3 проходит поршневой шток 10, закрепленный на колеблющемся теле 8, например, посредством резьбовых соединений. Поршневой шток 10 соединяет колеблющееся тело 8 с непоказанным на чертеже поршнем внутри нагнетательной камеры 15, несомой дугой 2. Впускной и выпускной штуцеры хладагента нагнетательной камеры 15 обозначены соответственно позициями 16 и 17.
Два электромагнита 9 с Е-образной опорой и с катушкой, намотанной вокруг средней поперечины «Е», расположены между колеблющимся телом 8 и стенками 1 с полюсными наконечниками, обращенными к колеблющемуся телу, и служат для создания колебательного движения колеблющегося тела.
Схема 11 управления, служащая для управления возбуждением электромагнитов 9, смонтирована на одной из стенок 1. Схема 11 управления может содержать, например, инвертор, который подает на электромагниты 9 синусоидальный ток возбуждения с частотой, подогнанной к собственной частоте колеблющегося тела 8, и с переменной амплитудой напряжения, или который подает на электромагниты 9 импульсы напряжения с определенной амплитудой напряжения, но с переменной скважностью. Как в одном, так и в другом случае схема 11 управления регулирует посредством амплитуды напряжения или посредством коэффициента заполнения среднюю силу тока, принимаемого электромагнитами 9, и тем самым их мощность.
Схема 11 управления содержит встроенный и поэтому непоказанный на чертеже токовый датчик для регистрации магнитного потока через катушки электромагнитов 9 и соединена с датчиком 18 положения, служащим для регистрации положения колеблющегося тела 8 с временной дискретой. Датчик 18 положения содержит здесь С-образный электромагнит, между двумя обращенными друг к другу полюсными наконечниками которого проходит поршневой шток 10. Датчик 18 положения экранирован металлической пружинной мембраной 3 от полей рассеяния электромагнитов 9. На высоте полюсных наконечников датчика 18 положения находится один из двух суженных участков 12 поршневого штока 10. Поршневой шток 10 эластично гнется в суженных участках, чтобы скомпенсировать обусловленные производственными допусками возможные ошибки центровки между движением колеблющегося тела 8 с одной стороны и движением поршня в нагнетательной камере 15 с другой стороны. Эффективная ширина воздушного зазора между полюсными наконечниками датчика 18 положения меняется в зависимости от того, насколько далеко один суженный участок 12 погружается между полюсными наконечниками. Соответствующим образом меняется и индуктивность обмотки электромагнита и тем самым частота электрического колебательного контура, в который включена обмотка. Эта частота, которая существенно выше, чем собственная частота колеблющегося тела 8, образует тем самым величину его отклонения, которая обрабатывается схемой 11 управления.
Описанный выше датчик 18 положения может быть заменен любым другим типом датчика положения, который в состоянии подавать измеренные значения положения колеблющегося тела 8 с временной дискретой. Так, на фиг.2 показан измененный вариант линейного компрессора по настоящему изобретению, причем в данном линейном компрессоре вместо магнитного предусмотрен оптический датчик 18 положения. Он содержит жестко соединенную с колеблющимся телом 8 пластину 19 из светопроницаемого материала, на которой на одинаковом расстоянии друг от друга расположены светонепроницаемые полосы, проходящие поперек направлению движения колеблющегося тела 8. Пластина выполнена из стекла или из пластмассы, устойчивой к хладагенту, накаченному в нагнетательной камере 15.
На опоре одного из электромагнитов 9 в корпусе смонтированы два источника света, например светодиода, которые излучают направленный световой луч на два фотодиода, смонтированные в корпусе 21 на опоре другого электромагнита 9. В зависимости от того, прошли световые лучи пластину 19 или задержались полосами, фотодиоды подают светлый или темный уровень сигнала на схему 11 управления, которая на основании количества переходов уровня и относительной фазы сигналов, подаваемых от двух фотодиодов, прослеживает величину и направление движения колеблющегося тела 8.
Выдаваемая датчиком 18 положения информация о положении обрабатывается схемой 11 управления в двух различных процессах.
Первый процесс содержит вначале шаг определения амплитуды движения колеблющегося тела 8 исходя из информации о положении, которая выдается датчиком 18 положения. На втором шаге из памяти, в которой записана критическая сила тока как функция амплитуды движения, считывается критическое значение силы тока, соответствующее определенной амплитуде. Типичная характеристика критической силы I тока как функция отклонения а представлена на фиг.3 кривой с1. Критическая сила тока при имеющейся амплитуде движения определяется как сила тока, которая при длительной эксплуатации при данной амплитуде, то есть в тепловом равновесии между электромагнитами 9 и их окружением, посредством джоулева тепла, высвобождаемого проходящим через обмотки током, с одной стороны, и посредством тепла, отдаваемого в окружающую среду, с другой стороны, создает максимально допустимую рабочую температуру обмоток. Эта критическая сила тока увеличивается с увеличением амплитуды движения, так как чем сильнее движется колеблющееся тело, тем сильнее завихряется воздух вокруг электромагнитов 9 и отводится от них тепло.
Если схема 11 управления распознает, что потребление тока I электромагнитов 9 выше, чем допустимо при амплитуде а колебаний, то согласно первому простому варианту реализации схема 11 управления прерывает электропитание электромагнитов 9 и выдает на непоказанный на чертеже сигнальный выход сигнал об ошибке, который может быть использован в холодильном аппарате, в котором встроен линейный компрессор, чтобы воздействовать на оптический или акустический генератор предупредительных сигналов и тем самым обратить внимание пользователя на неисправность прибора.
Согласно второму варианту реализации, если будет установлено потребление тока, слишком высокое для актуальной амплитуды движения, то схема 11 управления уменьшает амплитуду синусоидального напряжения или скважность импульсов напряжения, подаваемых к электромагнитам 9, на заданную величину или с заданным коэффициентом, а затем возвращается к шагу 1 и таким образом компрессор работает дальше с пониженной мощностью. Так, в случае перегрузки компрессора его мощность ступенчато уменьшается до тех пор, пока не будет достигнут уровень мощности, на котором гарантированно может быть исключено повреждение компрессора вследствие перегрева.
Вторая характеристика, сохраненная в схеме 11 управления и представленная на фиг.3 в виде штрихпунктирной линии с2, выдает ожидаемую при нормальных рабочих условиях амплитуду движения колеблющегося тела 8 в виде функции потребления тока I. Если электромагниты 9 питаются токовыми импульсами неизменного напряжения и переменной скважности, кривая с2 имеет примерно линейный вид, как показано на фиг.2. Если ток питания является переменным током с меняющимся напряжением, то кривая имеет скорее вид параболы. На четвертом шаге схема 11 управления сравнивает, лежит ли потребление тока, зарегистрированное при измеренном значении амплитуды, выше или ниже кривой с2. Если оно лежит выше, то это указывает на затруднение движения колеблющегося тела, то есть на механическое повреждение линейного компрессора, и таким образом схема 11 управления в этом случае прерывает электропитание электромагнитов 9 и выдает сигнал неисправности.
Из рассмотрения фиг.3 легко видно, что две кривые с1 и с2 могут быть заменены также одной единственной кривой, траектория которой при низких амплитудах ниже точки пересечения с1 и с2 определяется кривой с2, а выше точки пересечения определяется кривой с1. Таким образом, для каждой пары, состоящей из измеренной амплитуды и измеренной силы тока, должно быть произведено только одно сравнение, чтобы определить, работает ли компрессор надлежащим образом.
Второй процесс, выполняемый схемой 11 управления, поясняется при помощи фиг.4. На ней показаны как функция от времени t два набора точек измерения отклонения колеблющегося тела, полученных с помощью датчика 18 положения и представленных соответственно символами «+» и/или «х». Точки измерения получаются, например, посредством образования плавающего среднего значения отклонений, измеренных при одинаковой фазе, в данном случае t=T*i/8, i=0, 1, 2,…, 7, причем Т обозначает период движения колеблющегося тела 8. Схема 11 управления проверяет надлежащую функцию линейного компрессора посредством подгонки синусоиды к полученным точкам измерения. Так, например, в случае точек измерения, обозначенных «+», получается синусоида, обозначенная s1 на диаграмме. Все точки измерения, обозначенные «+», лежат в интервале, который ограничен на чертеже прерывистыми синусоидами, заданной ширины вокруг кривой s1. В этом случае не распознается никакой неисправности.
В случае точек измерения, обозначенных символом «х», схема 11 управления в моменты времени t=3 Т/8 или t=7 Т/8 распознает, что отклонение d лежит вне допустимой полосы с обеих сторон кривой s1. На колебание колеблющегося тела 8 с периодом Т накладывается высшая гармоника с половинным периодом, которая указывает на функциональную неисправность. Поэтому схема 11 управления также и в этом случае выключает электромагниты 9 и создает сигнал неисправности.
Конечно, не требуется, чтобы отклонения для всех показанных на фиг.3 точек измерения принимались в один единственный период колебания колеблющегося тела 8. Временное расстояние между двумя следующими одно за другим измерениями отклонения может составлять, например, (n+m/8) Т, причем n является маленьким целым числом, a m=1, 3, 5 или 7.
1. Способ управления линейным компрессором, при котором регистрируют потребление тока линейным компрессором и на основе потребления тока делают вывод, находится ли линейный компрессор в состоянии перегрузки, и уменьшают амплитуду движения колеблющегося тела линейного компрессора в случае, если определено состояние перегрузки линейного компрессора, отличающийся тем, что регистрируют амплитуду движения колеблющегося тела линейного компрессора и используют результаты измерений для определения того, находится ли линейный компрессор в состоянии перегрузки.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют состояние перегрузки, когда зарегистрированное потребление тока линейным компрессором превышает первое граничное значение (с1), которое определено как возрастающая функция амплитуды движения.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что функцию определяют так, что сумма отводимого тепла, высвобождаемого в линейном компрессоре посредством омического сопротивления линейного компрессора, и холодопроизводительности, достигаемой на линейном компрессоре посредством движения колеблющегося тела компрессора, является, по существу, постоянной.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют состояние перегрузки, когда зарегистрированная амплитуда движения колеблющегося тела линейного компрессора опускается ниже граничного значения (с1), которое определено как возрастающая функция потребления тока.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что функцию определяют так, что сумма отводимого тепла, высвобождаемого в линейном компрессоре посредством омического сопротивления линейного компрессора, и холодопроизводительности, достигаемой на линейном компрессоре посредством движения колеблющегося тела компрессора, является, по существу, постоянной.
6. Способ по одному из пп.2-5, отличающийся тем, что при определении состояния перегрузки амплитуду движения колеблющегося тела линейного компрессора уменьшают до подходящей величины.
7. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что состояние перегрузки определяют, если амплитуда движения опускается ниже второго граничного значения.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при определении состояния перегрузки амплитуду движения колеблющегося тела линейного компрессора уменьшают до нуля.
9. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что регистрируют отклонение колеблющегося тела линейного компрессора в различных фазах его осцилляции и сравнивают с заданной характеристикой движения, и что определяют состояние перегрузки, если разница между зарегистрированным отклонением и заданной характеристикой движения превышает третье граничное значение.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что при определении состояния перегрузки амплитуду движения колеблющегося тела линейного компрессора уменьшают до нуля.
11. Устройство для управления линейным компрессором, с датчиком тока для регистрации потребления тока линейным компрессором и со схемой (11) управления движением колеблющегося тела линейного компрессора на основании потребления тока, измеренного датчиком тока, отличающееся тем, что схема (11) управления соединена с датчиком (18) положения для регистрации отклонения колеблющегося тела линейного компрессора, причем схема (11) управления выполнена с возможностью осуществления способа по одному из пп.1-10.
