專利名稱：直線電動機的頻率控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直線電動機，特別涉及直線型冷凍劑壓縮機的直線電動機的頻率控制。
背景技術(shù)：
簡言之，一個直線型冷凍劑壓縮機包括一個安裝在驅(qū)動冷凍劑壓縮機活塞的兩個彈簧之間的電樞。電樞由電氣式驅(qū)動器往復驅(qū)動，并交替地壓縮兩個彈簧中的一個或另一個。
這種直線壓縮機有一個自然的諧振頻率，該頻率為電樞的質(zhì)量和彈簧張力的函數(shù)。由于活塞附著在電樞上，諧振頻率將受到施加在活塞的荷載的影響。在多數(shù)應用中，該荷載不是恒定的，因而壓縮機的諧振頻率將不是恒定的。
為獲得高效率，直線電動機應在諧振頻率下進行驅(qū)動，這就是說，驅(qū)動器頻率要盡可能靠近直線電動機壓縮機的諧振頻率。
在已有技術(shù)中，有一些試圖使驅(qū)動器頻率與壓縮機諧振頻率同步的各種方法。一種已有的方法測量壓縮機高壓側(cè)和低壓側(cè)的壓力，并根據(jù)這些壓力測量值調(diào)節(jié)驅(qū)動器的頻率。該方法的不足之處在于沒有考慮直線電動機壓縮機初始諧振頻率內(nèi)在的變化，這種變化是由制作加工而產(chǎn)生的。
另一種試圖使驅(qū)動器頻率與諧振頻率同步的已有方法，對電流波形進行檢測，并根據(jù)檢測所得的波形調(diào)節(jié)驅(qū)動器頻率。該方法的不足之處在于電流波形與電樞移動之間的關(guān)系，在壓縮機所有的運行條件下不是固定的。
澳大利亞專利No.687,294描述了一種具有單側(cè)電樞驅(qū)動器的直線型冷凍劑壓縮機。電樞所產(chǎn)生的反電動勢被用來調(diào)節(jié)電氣式驅(qū)動器的頻率。這可以在反電動勢為零時向壓縮機提供功率來實現(xiàn)，反電動勢可以在沒有向壓縮機提供功率的向下沖程之后測量(即，只在向上沖程時對壓縮機供電)。該已有的系統(tǒng)有一些不足之處。例如，壓縮機和驅(qū)動器上的波紋電流非常高，與雙側(cè)驅(qū)動器相比較在向上的沖程提供的電流高達兩倍。再有，由于僅在一個方向上提供功率，壓縮機的效率不能最大化，同時由于壓縮機的工作時間是恒定的和對頻率進行了調(diào)節(jié)，在整個工作狀況的范圍內(nèi)，效率不可能最大化。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的一個目的是要提供一種在一個頻率下驅(qū)動一個直線電動機壓縮機的方法，通過測量電動機電樞所產(chǎn)生的反電動勢，使其頻率靠近壓縮機的諧振頻率。
直線電動機，和任何其它電動機工作一樣，產(chǎn)生正比于電樞移動速度的反電動勢。在沖程的兩端，電樞的速度為零，因此，直線電動機在沖程的兩端所產(chǎn)生的反電動勢也為零。
當在電樞移動方向的折返點產(chǎn)生零反電動勢時-即在一個新周期的開始或驅(qū)動器波形的半個周期，可調(diào)節(jié)電氣式驅(qū)動器的頻率，使電樞移動方向的改變與驅(qū)動波形由一個極性變?yōu)榱硪粯O性的時間相同。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種控制直線電動機驅(qū)動電路頻率的方法，該電動機驅(qū)動一個具有特征諧振頻率的直線型冷凍劑壓縮機，所說的方法的步驟包括在壓縮機沖程的開始或終止時，測量電動機反電動勢的幅值和極性；分析所測得的反電動勢，以確定驅(qū)動器頻率高于還是低于壓縮機的諧振頻率；和將驅(qū)動器的頻率調(diào)節(jié)到或更為接近壓縮機的諧振頻率。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作直線電動機驅(qū)動電路的的方法，該電動機驅(qū)動一個具有特定諧振頻率的直線型冷凍劑壓縮機，所說的方法包括在壓縮機沖程的開始或終止時，監(jiān)測電動機反電動勢的極性；分析所監(jiān)測的反電動勢和將驅(qū)動器的頻率調(diào)節(jié)到或更為接近壓縮機的諧振頻率。
根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供了一個用于直線電動機的控制電路，該電動機驅(qū)動一個具有一個諧振頻率的直線型冷凍劑壓縮機，所說的控制電路包括用以在壓縮機沖程的開始和/或終止測量電動機反電動勢的幅值和極性的裝置；用以分析所測得的反電動勢，以確定驅(qū)動器頻率高于還是低于壓縮機的諧振頻率的裝置；和將驅(qū)動器的頻率調(diào)節(jié)到或更為接近壓縮機的諧振頻率的裝置。
附圖的簡要說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于直線電動機壓縮機的電氣式驅(qū)動器的簡圖。
圖2為圖1所示電氣式驅(qū)動器的四個MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)Q1,Q2,Q3和Q4中每一個的驅(qū)動信號波形圖。
圖3為圖1所示電氣式驅(qū)動器的MOSFET Q2，在驅(qū)動器頻率低于直線壓縮機諧振頻率時的漏極電壓波形圖。
圖4為MOSFET Q2的漏極電壓波形圖，并示出當驅(qū)動器頻率高于直線壓縮機諧振頻率，在圖1所示電氣式驅(qū)動器沖程開始時所檢測到的反電動勢，還示出了在沖程終止檢測到的反電動勢。
圖5為圖1所示電氣式驅(qū)動器的MOSFET Q1，在驅(qū)動器頻率高于直線壓縮機諧振頻率時的漏極電壓波形圖。
圖6為本發(fā)明驅(qū)動器的驅(qū)動電流的波形圖，圖7為MOSFET Q2在驅(qū)動器頻率等于壓縮機諧振頻率時漏極電壓的波形圖，和圖8為在操作的一個完整的同期中，壓縮機電壓相對于時間的波形圖。
優(yōu)選實施例的詳細描述圖1所示的電氣式驅(qū)動器10包括四個為直線型冷凍劑壓縮機11的電動機提供功率的MOSFET Q1,Q2,Q3和Q4。MOSFET Q1,Q2,Q3和Q4由一個控制電路12分別通過線13,14,15和16進行控制。在這種情況下，使用一個微控制器作為控制電路12的主要部分。該微控制器具有一個模擬-數(shù)字(A/D)變換器，變換器可檢測模擬電壓，并將檢測到的模擬電壓變換為微控制器可進行處理的數(shù)字數(shù)據(jù)。
功率通過正輸入線19和負輸入線20供給驅(qū)動器10。連接在線17和控制電路12之間的線21包括一個傳感電阻器22。
示于圖2的MOSFET Q1,Q2,Q3和Q4，在由控制電路12所控制的一個頻率下，依次為導通和關(guān)斷。在圖2中，一個高信號表示一個MOSFET導通，一個低信號表示一個MOSFET不導通(即關(guān)斷)。功率由正輸入線19和負輸入線20通過兩對MOSFET-Q4和Q2在一個方向，Q3和Q1在另一個方向一輸入壓縮機11的電動機。
根據(jù)工作狀況的改變，如室溫的變化，壓縮機11導通(ON)的時間是變化的。導通的時間可以在周期的35％和75％之間變化。在線23中使用了一個熱敏電阻24，用以確定，比方說制冷系統(tǒng)冷凝器的溫度。線23將熱敏電阻兩端的電壓降(這是對冷凝器溫度的一個度量)施加于控制電路12，在其中將電壓降變換為一個數(shù)字信號，并饋送給控制電路軟件中的一個查閱表，以便對于提供特定的冷凝器溫度和用于制冷系統(tǒng)預先-確定的工作參數(shù)的該系統(tǒng)，以確定合適的導通時間。例如，如果壓縮機的諧振頻率為50赫，工作周期為20微秒，導通時間應為12微秒和關(guān)斷時間為8微秒。熱敏電阻24可為一個電阻器，電位器或任何其它可測量工作狀態(tài)中的變化的可變傳感器。
首先將說明驅(qū)動器在其頻率按照檢測到的沖程終止反電動勢進行調(diào)節(jié)的操作。剛剛在時間t1之前，MOSFET Q2和Q4導通，向線17提供正電勢和向線18提供負電勢。電流由正輸入線19通過Q4經(jīng)過線17流入壓縮機11，并隨后由線12經(jīng)過Q2流入負輸入線20。
在時間t1，驅(qū)動器中的電流為或接近其最大值，如圖6所示。在時間t1,Q4關(guān)斷，但Q2保持導通。由于壓縮機11的電感和與壓縮機電感相關(guān)聯(lián)的慣性，電流將繼續(xù)沿同一方向流動，但將會降低，如圖6所示。電流將由壓縮機11流入MOSFET Q2(Q2仍為導通)，并通過Q1內(nèi)部的體型(body)二極管回到壓縮機11。如圖6所示，該電流將逐漸降低，直到儲存在壓縮機11電感中的全部能量消散于壓縮機繞組和MOSFET Q1和Q2的阻抗。
在所有的能量消散以后，電流降為零(在時間t1a)。由時間t1a到t2，在壓縮機11接線端上僅有的電壓將是反電動勢的結(jié)果(即由于電樞的移動)。如果壓縮機諧振頻率在時間段t1a到t2內(nèi)低于驅(qū)動器的頻率，電樞將如t1之前繼續(xù)沿相同方向移動。這意味著由電樞所產(chǎn)生的反電動勢與時間t1之前施加的電壓具有相同的極性-即MOSFET Q1的漏極或線17上的電壓將是正的，如圖5所示。
當電樞放慢下來，該電壓將朝著零下降并將在電樞停止時為零。在壓縮機頻率低于驅(qū)動器頻率的情況下，這將在t2之后發(fā)生，從而電壓為正。在壓縮機頻率高于驅(qū)動器頻率的情況下，這將在t2之前發(fā)生，從而在線17上的電壓為負。
線17上的電壓通過電阻器22饋送給微控制器的A/D變換器。A/D變換器將該電壓變換為一個饋送給控制電路12的微控制器的數(shù)字信號。微控制器12檢驗該信號，若其在時間t2為正，將降低驅(qū)動器的頻率。如果數(shù)字信號在時間t2為負，微控制器將提高驅(qū)動器的頻率。在兩種情況下，微控制器改變驅(qū)動器的頻率，從而在時間t2，該信號(它代表反電動勢)將盡可能接近于零，保證驅(qū)動器頻率接近壓縮機的諧振頻率。
在時間t3通過檢測線18或Q2漏極，并將該信號送到微控制器，也可達到相同的結(jié)果。這示于圖7。在這種情況下，兩個頻率非常接近，并且反電動勢在時間t3接近于零。
驅(qū)動器的頻率也可通過在沖程開始時檢測反電動勢予以調(diào)節(jié)。在時間t2,MOSFET Q1導通，MOSFET Q2關(guān)斷，而MOSFET Q3和Q4保持關(guān)斷。時間2表示新周期或半個周期的開始。
在這一周期中，壓縮機11通過MOSFET Q3和Q1供電，線18或MOSFET Q2的漏極將具有正電位。如果壓縮機諧振頻率在時間t2高于驅(qū)動器頻率，電樞沿新周期的方向移動。這意味著在Q2漏極正反電動勢將產(chǎn)生正電位，如在圖3中所能看到的。
如果壓縮機的諧振頻率在時間t2低于驅(qū)動器頻率，電樞仍將沿先前周期的方向移動。因此，反電動勢將在線18或Q2漏極上產(chǎn)生負電位，如圖4所示。該信號通過電阻器22饋送給微控制器，并變換為數(shù)字信號。如同前述的情況，微控制器將調(diào)節(jié)驅(qū)動器的頻率，從而在時間t2的Q2的漏極上的信號接近于零。在理論上，這將保證驅(qū)動器的頻率接近壓縮機的諧振頻率，如圖7所示。也可通過在時間t3檢測Q1漏極的信號而達到同樣的結(jié)果，如圖5所示，其中壓縮機的頻率低于驅(qū)動器的頻率。
由前面的敘述可以看清，優(yōu)選實施例為一個諧振型直線電動機提供了一個對稱的驅(qū)動器，該電動機設(shè)置了空載時間，電動機繞組在空載時間過程中被卸荷(unload)，從而電動機的反電動勢能以被監(jiān)測。
復合的壓縮機電壓示于圖8，其中TD-空載時間-沒有在壓縮機上施加電壓，從而可以觀測反電動勢TON-工作時間-壓縮機由驅(qū)動器供電T-半周期時間=TON+2TDf=頻率=1/2Tf=若反電動勢在時間T靠近零時的壓縮機的諧振頻率對驅(qū)動器頻率進行調(diào)節(jié)，使電動機的反電動勢在驅(qū)動器極性由一側(cè)變化到另一例時接近零-這就是說，在同一時間，電樞的移動靠近零-這意味著在驅(qū)動器的波形由一側(cè)改變到另一側(cè)的同一時間附近，電樞正在改變方向，即驅(qū)動器頻率接近壓縮機諧振頻率。
如上所述，反電動勢的幅值代表為操作頻率“脫離”諧振頻率的程度。在控制電路采取校正作用之前，控制電路可以提供有小量值的反電動勢。
例如，在改變驅(qū)動頻率之前，一個正或負300毫瓦的偏離是可以接受的。這意味著，300毫瓦幅值被用作一個閾值。
9.4應該理解，上面所描述的和在圖中所示出的波形為壓縮機驅(qū)動波形，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，在電氣式驅(qū)動器中，可以在各不同的位置上對其進行監(jiān)測。
本發(fā)明的頻率控制系統(tǒng)可應用于驅(qū)動直線型冷凍劑壓縮機的直線電動機。
權(quán)利要求
1．一種控制直線電動機驅(qū)動電路的頻率的方法，該電動機用于驅(qū)動一個直線型冷凍劑壓縮機，壓縮機具有特征諧振頻率，所說的方法的步驟包括在壓縮機沖程的開始和/或終止時，測量電動機反電動勢的幅值和極性；分析所測得的反電動勢，以確定驅(qū)動器頻率高于還是低于壓縮機的諧振頻率；和將驅(qū)動器的頻率調(diào)節(jié)到或更為接近壓縮機的諧振頻率。
2．一種操作直線電動機驅(qū)動電路的方法，該電動機用于驅(qū)動一個直線型冷凍劑壓縮機，壓縮機具有特征諧振頻率，所說的方法包括在壓縮機沖程的開始和/或終止時，監(jiān)測電動機反電動勢的極性；分析所監(jiān)測的反電動勢和將驅(qū)動器的頻率調(diào)節(jié)到或更為接近壓縮機的諧振頻率。
3．一種用于直線電動機的控制電路，該電動機驅(qū)動一個具有一個諧振頻率的直線型冷凍劑壓縮機，所說的控制電路包括用以在壓縮機沖程的開始和/或終止肘，測量電動機反電動勢的幅值和極性的裝置；用以分析所測得的反電動勢，以確定驅(qū)動器頻率高于還是低于壓縮機的諧振頻率的裝置；和將驅(qū)動器的頻率調(diào)節(jié)到或更為接近壓縮機的諧振頻率的裝置。
4．一種用于一個電驅(qū)動的直線壓縮機的電氣式驅(qū)動器，該壓縮機具有一個往復式電樞和一個特征諧振頻率，驅(qū)動器包括正向和負向電流的輸入線；第一和第二電源線，每根線為壓縮機的一側(cè)供電；第一MOSFET，位于負向輸入線和第一電源線之間；第二MOSFET，位于負向輸入線和第二電源線之間；第三MOSFET，位于正向輸入線和第二電源線之間；和第四MOSFET，位于正向輸入線和第一電源線之間；一個控制電路，用以在一個可控頻率下成對地操作MOSFETS，以實現(xiàn)電樞的往復移動，沿每個方向的這種移動是由不同對的MOSFETS驅(qū)動的，所說的控制電路包括用以測量電樞反電動勢的幅值和極性的裝置；用以分析所測得的反電動勢，以確定驅(qū)動器頻率高于還是低于壓縮機的諧振頻率的裝置；和將驅(qū)動器的頻率調(diào)節(jié)到或更為靠近壓縮機的諧振頻率的裝置。
5．根據(jù)權(quán)利要求4中所說的電氣式驅(qū)動器，其特征在于，控制電路在電樞沖程的終止測量反電動勢。
6．根據(jù)權(quán)利要求4中所說的電氣式驅(qū)動器，其特征在于，控制電路在電樞沖程的開始測量反電動勢。
7．根據(jù)權(quán)利要求4中所說的電氣式驅(qū)動器，其特征在于，該控制電路還包括一個模擬-數(shù)字變換器，該變換器根據(jù)由在一個電源線和控制電路之間連接的檢測線傳輸?shù)哪M電壓信號進行操作以產(chǎn)生一個代表反電動勢的數(shù)字信號，并由控制電路進行分析。
8．根據(jù)權(quán)利要求4中所說的電氣式驅(qū)動器，其特征在于，反電動勢由控制電路在空載時間時測量的。
全文摘要
一種用于電驅(qū)動的直線型冷凍劑壓縮機(11)的電氣式驅(qū)動器(10),該壓縮機具有一個特征諧振頻率,包括一個傳感器(22),用于在壓縮機(11)的沖程開始和/或終止時測量反電動勢的幅值和極性。一個控制電路(12),用于分析所測得的反電動勢,以確定驅(qū)動器頻率高于還是低于壓縮機(11)的諧振頻率;和將驅(qū)動器(10)的頻率調(diào)節(jié)到或更為靠近壓縮機(11)的諧振頻率。
文檔編號H02P25/02GK1324515SQ99812422
公開日2001年11月28日 申請日期1999年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月16日
發(fā)明者艾薩克·迪曼斯坦 申請人:艾爾克塞爾公司