压缩机用直线电机不同控制方法的特性分析

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文章编号：1006—297 1(2013)05—0043—05压缩机用直线电机不同控制方法的特性分析李志海，刘 雁，宣征南，钟 源(广东石油化工学院 机电工程学院，广东 茂名 525000)摘 要：介绍压缩机用直线电机两种不同控制方法 (可控硅控制方法和PWM控制方法)的原理，建立了这两种控制方法的数学模型，运用maflab对两种控制方法进行仿真计算，得出两者所消耗的功率，比功和效率。研究结果表明在可控硅控制角比较大时，采用可控硅控制方法直线压缩机功耗比较大，比功大，效率比较低。但是 当可控硅的控制角比较小时，采用两种控制方法相差较小。通过实验研究可以得到相同的结果。从而为直线压缩机的控制研究提供一种仿真和实验的研究方法。

关键词：直线压缩机 ；直线电机；可控硅；PWM；特性分析中图分类号：TH457 文献标志码：ACharacteristics Analysis of Diferent Control M ethods ofLinear Motor for Compressor控制技术Control TechnokLI Zhi-hai，LIU Yan，XUAN Zheng—Bal，ZHONG Yuan(Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Petmehemic~Technology，Maoming 525000，China)Abstract：This paper introduces the principle of two dife：rent control methods of TRIAC method and PWM method．The mathemmodel is expressed by a set of diferent equations，which are simulated and calculated by maflab．The power，specifc powerandciency consumed can be obtained．From simulation result，when the control angel of TRIAC is lager,the control circuit based TRcosts more power and the efficiency iS lOW．While the controI angel of TRIAC iS smaller。two methods are almost the same．Fromperiment the similar results are obtained．Th en a method for simulation and experiment of linear compressor is provided.

Key words：linear compressor；linear motor；TRIAC；PWM；characteristics analysis1 引言直线压缩机是一种由直线电机直接驱动做往复直线运动的新型压缩机，由于没有曲柄连杆机构，其活塞可以不受行程限制自由运动。要控制直线压缩机的行程，防止其撞缸，减小余隙，直线压缩机运行就必需一个控制器。目前控制方法有两种 ，一种采用双向可控硅截波调压控制 ，通过调节双向可控硅控制角来控制输入电压的大小，收稿 日期：2013—01—04基金项目：广东省茂名市科技局项 目(2011011)；广东石油化工学院自然科学研究项 目●2013年05期(总第241期)另一种方法 PWM逆变斩波调压控制，先将交流成直流，然后通过控制 IGBT管的导通和关断，直流变成一定频率和幅值的交流电输人到压缩浙江大学化机所对可控硅截波调压方法进行了析研究，设计了控制实验装置 【 。西安交通大也对这两种控制方法进行了分析，张金权 [s-7】设计了一种基于 LabVIEW 的直线压缩机测控统，通过计算机控制双向可控硅的控制角来调电压控制压缩机的运行；唐明 [8,91等采用SPWM制方法构造了一套直线压缩机的控制系统 ；韩的 LG电子公 司也对可控硅控制方法进行 了究[10,11，分析其频率和功率因数。

本文通过仿真和实验研究了两种方法 ，建立两种控制方法的数学模型，对两种控制方法所消耗的功率和比功率进行比较，对直线压缩机控制方法的分析选择具有一定参考价值。 A2 压缩机用电机系统的数学模型图 1为本研究 中的动圈式直线压缩机。该直线压缩机内轭铁 内部装有气缸，外轭铁在内轭铁的外部，并与内轭铁之间形成一个气隙；线圈支架插入内、外轭铁形成的气隙中，线圈缠绕在线圈支架上；一对共振弹簧使线圈组件在内、外轭铁形成的气隙中连续的进行共振运动；吸排气阀组件安装在内轭铁上，用于控制活塞往复运动时的吸、排气。

工作原理：当向线圈中通人交流电时，线圈组件受到周期性电磁力作用进行往复运动 ，带动连接在线圈组件上的活塞在气缸内部作直线往复运动 ，使由气缸 、活塞 、阀组组成的压缩腔周期性膨胀压缩，于是制冷剂气体便通过进气阀片进入压缩腔，经过压缩后又排出。以上工作过程反复进行。

1．弹簧压盖 2．共振弹簧 3．活塞 4．线圈支架5．线圈 6．内轭铁 7．外轭铁 8．磁铁9一气缸 10．吸排气阀组件图 1 直线压缩机结构直线压缩机由3个子系统构成，即机械系统、电磁系统 、热力学系统 。以图 1所示的永磁动圈型压缩机为基础，建立该系统的数学模型见参考文献 【2J。采用不同的控制方法则方程中的“(￡)不同。确定不同控制方法的 就可以进行仿真计算。

-=图 2 可控硅控制系统硬件框图m +c ) )= ㈤ t)Ri( 弘 +L o2．1可控硅控制原理其控制系统硬件框图见图 2。其运行原理见参考文献【4】。假设控制角是 Ol，(0< <订)，在一个周期 内当o)t=or时 ，双向可控硅在脉冲作用下导通 ，线圈两端施加电压，电路导通产生电流。由于线圈具有电感 ，电流逐渐增加，随着电压降低 ，电流又逐渐减小。在tot=c~．时，电路中电流降为零，此时双向可控硅关闭，电路关断 ，压缩机两端 电压 ut=0。电路中电流为零直到双向可控硅再次导通。控制采用正负半周期对称导通，则在~．Ot=Or+'r时，双向可控硅再次导通 ，在 tot=or：时关闭。则输入直线压缩机的电压可以用下式表示U~sin(tot)0U．~in(cot)0Ot≤ Ogt≤ OilOL1

(1)正半周期时 ，Q 始终导通 ，Q 始终关闭，Q 调制，Q 与 Qs导通截至互逆。

当电流为正，Q 关闭，Q 导通时，电流从 Q 流向电机经过Q 到达电源，此时 =Q 导通，Q 关闭时，此时电路断开，ab两段输入电压为零， =0当电流为负，即电流从 b流向 a，Q，关闭，Q 导通时，电流从 Q 流向电机经过Q 到达电源，此时仍然 =Q，导通 ，Q 关闭时，此时电路断开，ab两段输入电压为零，此时仍然 =0所以在正半周期不论电流是正或者负 ，始终有， ， f Q，关闭，Q 导通扩 l0 Q，导通，Q 关闭(2)同理在负半周期，Q 始终关闭，Q 始终导通，Qs调制，Q 与 Q。导通截至互逆。

， ，
f0 Q，关闭，Q 导通扩 l一 Q，导通，Q 关闭从图中可以看出直线压缩机系统方程中／,(t)=ho3 计算结果及其分析将两种控制方法中的电压 (￡)代入分别系统方程(1)中，采用 4阶龙格库塔法求解微分方程，可得到系统方程的解。

计算时两者采用不同的电压输人方式，具体表达式见第 2节，其他条件一致。在相同进排气压力 ，调节电压使得压缩机的余隙和行程相同，也就是压缩机具有相同的位移 ，比较采用两种不同的控制方法电路中的电压 、电流以及所需要的功和比功。

图4是可控硅控制电流电压位移图，当控制角是 ，每一个周期中tOt=O~ ，双向可控硅接收到单片机发来的触发脉冲导通，电压作用到压缩机上，由于线圈具有电感 电流从零缓慢增大，电流■ 2013年 05期(总第 241期)在磁场中产生力推动线圈支架运动，随着电压减小电流逐渐减小直到零tOt=Or 双向可控硅关断。当双向可控硅接收到单片机发来的触发脉冲再次导通，电路中的电流具有相同的规律，电流方向相反产生一个负的电磁力。在往复的电磁力和弹簧回复力的共同作用下，线圈支架带动活塞做往复直线运动，从而压缩气体做功。从图中可以看出，双向可控硅控制角越小 ，则导通的时间越长，输入压缩机的总功率越大。调节控制角可以调节输入功率的大小，调节压缩的余隙和行程。

图4 可控硅控制电流电压位移图0．0l00．0080．002O图 5 PWM控制电流电压位移图，图中可以看出输入到电机两端电压是方波式 ，采用 SPWM控制方法输入脉冲，每个时刻的脉宽是与正弦电压的面积一致。由于电感的作用电路中电流是连续的。交变的电流在磁场中产生交变的往复电磁力，其与弹簧回复力的共同作用，使活塞做往复运动。由于电压的时断时续，电路中电流具有微小的波动，电感越大则波动越小。

下面分析在相同进排气压力以及压缩机具有>V 图 5 PWM控制电流电压位移图0．0l00．0080．0020县^ 6 4 ∞ ∞
0 O 一《一曙言一6 4 ∞ 吣
0 0 一《一爆相同的余隙和行程时 ，采用两种不同的控制方法电路中的电压、电流以及所需要的功和比功。图 7表明采用两种控制方法是压缩机具有相同的位移。

从图 6可以看出由于线圈电路中有电流的时间不是整个周期 ，要使活塞运动产生相同的位移 ，采用可控硅控制方法时所需的电流峰值比采用 PWM控制控制方法时要大。采用可控硅控制时电路中有一段时间没有电流 ，也就没有电磁往复力 ，往复共振力谐波特性没有采用 PWM控制方法好，所以产生相同的位移就需要更大的电流。当电路中电流大时 ，电阻耗功和涡流耗功也就相应大。如表 1所示 ，采用可控硅控制方法电阻耗功 比采用PWM控制方法多 30％。压缩机位移相同，其对气体的做的有用功相同，从而使得其总功增加，直线压缩机的比功增加，效率降低。从表 1可得总功两者相差 11．75％。调整电机参数增大输入电压，使双向可控硅的控制角减小，采用两种控制方法的电流相差变小 (如图 6)，总功也相差较小 ，只有 2．41％。

为了实验时使用变频变压电源代替采用 PWM2·1·1.

0·蠖一 0.

一 1·一 1.

- 2.

时间(s)角角图 6 相同位移时，采用可控硅控制与 PWM控制对应电压和电流曲线日潍0．925 0．930 0．935 0．940 0．945 0．950时间(s)图 7 采用不同控制方法对应位移曲线46 i 瓣表 1 相同余隙行程下 3种控制方法的耗功比较双向可控硅 正弦控制 PWM控制 电压控制输人功率(W) 72．47 64．85 64．55对气体做功(w) 35．O2 34．91 35．48电阻耗功(W) 34．45 26．32 26．01阻尼耗功(w) 4．29 4．29 4．29比功(kW／(m3／h) 8．16 7．3O 7．27控制方法时的输入电压，将采用 PWM控制方法时结果与正弦输人电压控制结果进行了比较 ，如图7、图8所示。在相同进排气压力条件下，使得压缩机产生相同的位移，2种控制方法所需的电流相同。采用 2种控制方法时压缩机做功基本相同 ，两者各种耗功相差只有 l％ (如表 1)。所以可以用正弦电压输入代替PWM控制方法中的输入电压来做实验进行验证。

1．820 1．825 1．830 1．835 1．840 1．845 1．850时间(s)图 8 正弦电压控制与 PWM控制电流比较4 实验结果比较分析实验时由功率表测量功率 ，示波器 TDS2014测量电路中的电压和电流，采用大位移传感器TGZ一20测量位移 ，采用振兴 LZB一10型玻璃转子流量计钡4量压缩机的排量，压力表测量排气管路上的缓冲储罐压力作为排气压力。输入电源采用深圳华源锐克电子有限公司的 HY9905变频变压电源实验装置。

实验结果如图 9，10所示 ，耗功 比较如表 2所示。电路中双向可控硅关断时电路中仍然有电压 。这是因为测量的是直线压缩机两端的电压 ，双向可控硅关断时外部电源输入电压为零 ，但是2013年05期(总第241期)一啷 0图 9 可控硅控制电流电压位移图表2 相 同余隙行程下双向可控硅控制与正弦电压控制方法的耗功比较避双向可控硅控制 正弦电压控制功率(W) 140．6 l12．5流量(m ) 0．52 0．50比功(kW／(m3／h)) 16．22 13．5线圈切割磁力线产生的反电动势仍然存在，此时测量的电压即反电动势。从表 2中可以看出实验耗功与计算有偏差 ，采用可控硅控制方法比采用正弦电压控制方法 比功大 20．15％。这是因为可控硅控制电路需要消耗一定的功率。气体的总体的流量比较小时，流量计的测量有些误差。同时管路中气体也有泄漏。

5 结论本文通过数值分析对直线压缩机可控硅控制方法与 PWM控制方法进行了比较。研究结果表明在可控硅截波比较大时 ，可控硅控制方法耗功 比较大，比功大，效率比较低；但是当可控硅的控制角比较小时，两者相差较小 。通过实验可以得到相同的结果 ，可为直线压缩机的控制提供一定的参考价值。

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作者简介：李志海(1981-)，男，湖南郴州人，讲师，博士，研究方向中为直线压缩机，机电一体化。

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