与传统的固定速度的压缩机相比较，可变容量的压缩机在用做冷却 时可以提供可观的能量节约。该项节约的范围从20％至45％。在对减少 该能量消耗作出最大贡献的几个因素中的一个因素是在低速旋转下工 作的可能性。传统压缩机通常总是在约3000rpm(50Hz)或3600rpm (60Hz)的转速下工作，而可变容量压缩机则可以在约1600rpm的平均 转速下工作。该平均转速的数值可以根据油泵的结构和曲轴中的油路的 配置而变化。具体地对于离心式油泵来说，它不可能通过在较低数值的 平均转速下的工作来保证润滑压缩机的所有机械零件所需要的油的最 小容积。
作为例子，在本申请中可将可以使用该最小转速值1600rpm。但是， 所描述的方法对于任何一个最小转速值都是有效的，如上所述，该最小 转速值是因压缩机而不同的。
用来在可变容量压缩机中获得机械损失的额外减少的一种可选方 案是使用具有较小粘度的润滑油。较小粘度的润滑油可在压缩机轴承中 减少由于粘性摩擦所产生的损失，因而可以提高轴承的效率。另一方 面，在较高冷凝温度和较低转速的情况下，它也将产生一些问题，增加 了存在于压缩机轴承中的润滑油膜破裂的可能性，而该油膜的破裂又将 引起这些零件的机械磨损，并将严重地损害它们的功能。
在防止现有压缩机中产生高压缩压力的各种技术中，我们将引用在 以下专利文件中所描述的技术：US2002018724，CN1311397，US5975854， HK210896，EP1500821，WO9623976。这些技术的特征在于，当压力达到 其临界水平时，通过使用保护传感器和/或保护阀来中止该压缩机的功 能。在所提出的技术中，使用了对压缩机工作时的压力情况的直接检 测。该检测可以由用来控制压缩机的一个微处理装置来进行。当临界压 力值被确定后，转速值就与安全值相符合，从而可以保证在压缩机中的 润滑油的稳定性。

发明目的
本发明的一个目的是保护压缩机轴承在高压缩(排气)压力条件下 以低转速工作时免于承受由于油膜破裂而产生的固体摩擦。
本发明的另一个目的是能够使用粘度较小的油，以便增加压缩机的 效率。
本发明的再一个目的是使用一种控制电机的微处理装置，以便保证 提供保护而且不需要向密封式压缩机增加传感器。
本发明的又一个目的是通过测量压缩机的量值来监测和控制其功 能状态，从而不需要增加外部传感器。
发明简介
本发明的上述目的可以通过一种用于控制密封式压缩机的控制系 统来实现，其中，作用于压缩机轴承上的载荷可以通过测量由电机传递 给压缩机轴的振动水平或转矩(它限定了一个轴承-状态变量)而直接 测得。设置在该系统内的用来分析该轴承-状态变量或旋转-振动水平的 微处理机将电机的转速值提高到一个预定值，以便保证在压缩机轴承内 不会产生油膜的破裂。
该系统包括一个压缩机，一个与该压缩机相连接的电机，一个微处 理控制电路，该电路用来测量在压缩机机械转动期间轴承-状态或旋转- 振动变量的水平或者在压缩机轴上的转矩水平。然后将该测量值与预定 值相比较，用来核查该压缩机是否在能使轴承中的油膜破裂并由此导致 这些机械零件产生磨损的压力条件(它取决于转速)下工作。如果由该 微处理机所保持的轴承-状态变量的数值大于预定值，应将压缩机的转 速以预定的速率提高，从而保证油膜的稳定性。
根据本发明的第一个较佳实施例，如果可选择从旋转-振动的测量 来测量轴承-状态变量，在控制压缩机的电机的过程中所使用的位置传 感将通知控制系统的电源开关的瞬时变换。在压缩机机械转动一圈期 间，该瞬时变换将发生N次，N取决于电机的相位和磁极的数目。在连 续变换之间所经过的时间由微处理机贮存，用来估算旋转振动。在压缩 机电机的电机轴处于小载荷的情况下，N次瞬时变换在机械转动一圈内 彼此均匀地隔开。但是，当压缩机承受较大的压缩压力和吸气压力时， 在机械转动一圈期间将发生载荷的严重的不平衡，并且在N次瞬时变换 之间的间隔也将变得很不均匀。在压缩循环(机械转动半圈)期间，各 瞬时变换之间的间隔将变大，而在吸气循环(机械转动半圈)期间，各 瞬时变换彼此之间的间隔将变小。用在最小变换时间tMIN与最大变换时 间tMAX之间的差(即在一圈内两次变换之间的时间)加上平均变换时间 tMED，然后再用平均变换时间tMED除上述各数，即可得到振动参数KOSC， 该参数提供了与压缩机电机的旋转-振动的水平有关的信息。当压缩机 转速增加时，该振动参数将减少，因为在这种情况下能使振动水平减少 的机械惯性增加了。当该参数达到振动参数KMAX的一个预定数值时，应 当使电机转速增加，以便将该参数永远保持在该数值以下。
根据本发明的第二个较佳实施例，如果可选择从与压缩机相连接的 电机轴上的转矩来测量轴承-状态变量，通过测量该数值或者与作用在 电机轴上的载荷成比例的其他量值，例如在电机中循环的电流，将会发 现，还可以得到压缩机所承受的排气压力和吸气压力的水平。因此，当 转矩值超过预定值时，应检查转矩和最小转速的关系图表，并且确定压 缩机应当在那个转速值上工作，以便保证轴承将不会由于油膜的破裂而 损坏。导致电机的最小转速需要调整的转矩数值取决于许多量值，例 如，压缩机的型号，油的数量和种类，压力的情况，电机的温度等，因 此不能认定为一个不变的关系。所以，确定转矩与最小转速之间的适当 的相互关系时应当考虑到这些参数。
实现本发明目的的一种方式是通过一种用来防止在密封式压缩机 的轴承中的润滑油膜破裂的控制系统，压缩机包括一个与该压缩机相连 接的M相电机，从而形成了电机-压缩机组件，该压缩机具有由润滑油 膜所覆盖的轴承，一个微处理机，一个包括一组开关的变换器，该变换 器与一个电压相接通，并且与微处理机相连接，该变换器调节供给电机 的电压，一个电压观测器，该观测器用来测量在变换器出口处的电压水 平，以及一个电流观测器，该观测器与微处理机相联，用来测量循环流 经变换器的一组开关的电流，微处理机可选择地促动该组开关，以便在 电机-压缩机组件中产生转动，为了使油膜不会破裂，压缩机具有一个 最小压缩机转速，微处理机被配置成能根据电压观测器和电流观测器的 信息来描述轴承-状态变量，该轴承-状态变量具有一个最大预见值，微 处理机使电机转速提高，以便使该电机转速超过最小转速，并且可以根 据与微处理机相连接的电压观测器来获得轴承-状态变量，微处理器监 测在由电机转动所限定的每个位置中的电机的持久时间，以便根据振动 参数的计算或者根据紧靠电机轴的转矩来获得轴承-状态变量。
实现本发明目的的另一种方式是通过一种用来防止在密封式压缩 机的轴承中的润滑油膜破裂的方法，压缩机由电机致动，一个变换器与 电压相接通，受到促动的变换器供电给电机，并由此使电机产生转动， 该方法包括以下步骤：根据变换器上所观测到的电压和电流建立轴承- 状态变量；建立该轴承-状态变量的最大预见值；根据预先建立的关系 曲线提高电机转速，从而防止了在压缩机轴承中的油膜的破裂。
附图说明
-图1a示出了符合本发明原理的用来控制压缩机电机的控制系统 的示意图；
-图1b示出了与压缩机相连接的电机的起动的波形特性曲线；
-图2示出了在电机转动一圈的过程中压缩机压力与电机变换时间 的关系曲线，根据该曲线可以得到旋转-振动参数Kosc的计算结果；
-图3a示出了压缩机以1600转/分的平均速度运行时，旋转振动 参数随着压缩压力及吸气压力而变化的曲线；
-图3b示出了在图3a曲线提升过程中，在最小恒定转速为1500 转/分(平均1600转/分)检测压缩机时所显示的曲线；
-图4a重复示出了图3a的曲线，但图中用KMAX线示出了振动参数 Kosc的最大振动参数KMAX，根据本发明的原理，大于KMAX时将起动防止 油膜破裂的保护系统；
-图4b示出了振动参数Kosc随着符合本发明原理的保护系统而变 化的曲线；
-图4c重复示出了图3b，以便用来直接与图4d相比较；
-图4d示出了由于起动防止油膜破裂的保护系统而使压缩机最低 转速增加的曲线，该曲线根据本发明的原理使用了振动参数Kosc；
-图5a示出了压缩机的电机轴上的转距随着压缩压力和吸气压力 而变化的曲线；以及
-图5b示出了建立最低转速值的预定曲线，该最低转速值(它取 决于电机轴上的转距的数值)应当施加在压缩机电机上，以便保证轴承 内的油膜不会破裂。

根据图1a，压缩机的电机控制系统是由密封的压缩机21，同压缩 机相连接的M-相电机20(在该实施例中示出的是三相电机)，用来检 测电机20的位置而由微处理机10所使用的电压观测器30，由Y个电源 开关SW1，SW2，SW3，SW4，SW5和SW6组成的变换器2，以及与滤波器4 相连接用来在供变换器2使用的直流电压装置的输入端变换交流电压的 整流电路3等组成。电机2 0内部由感应电压源EA，EB和EC以及阻抗 ZA，ZB和ZC来表示。微处理机10通过电压观测器30读出电机所感应 的电压EA，EB和EC并且在两个电压彼此相交的瞬间，将会使电源开关 SW1，SW2，SW3，SW4，SW5，SW6产生如图1b中所示的起动顺序。在压 缩机的每圈机械转动中总共有N个开关组合(位置)，此处N与电机的 相数M和磁极数P有关。这种电机控制方法在美国专利文件US 6,922,027中做了详细的描述，其内容通过引用结合在本文中。
按照本发明的原理，有两种防止压缩机轴承内的油膜破裂的实施 例。按照第一个实施例，根据振动参数Kosc来测定轴承-状态变量，以 便起动保护，而按照本发明的第二个实施例，则根据电机轴上的转距值 来测定轴承-状态变量。
按照本发明的第一个实施例，在图2中示出了一种测定和监测轴承 -状态变量的方式，具体地说是通过测量旋转的振动来确定振动参数 Kosc，从而具体地和大略地用图解法示出在该圈机械转动过程中压缩机 21的压力腔内的压力曲线的形状。在同一图中，还显示了与电机20的 起动有关的开关SW1...SW6的N个瞬时变换(位置)。当压缩机21的机 轴的轴承上的载荷较低时，N个瞬时变换之间的间隔实际上是相同的， 但当载荷增加时，该间隔将发生变化。在压缩循环内，当活塞压缩气体 时，电机受到减速，从而使瞬时变换之间的间隔较长(见位置3中的最 大减速的持续时间，此处限定了最长变换时间TMAX)。在吸气循环内， 当压缩机21的活塞再次吸入气体时，电机将加速，从而使瞬时变换之 间的间隔彼此更加接近(见位置10中的最大加速的持续时间，此处限 定了最小变换时间tMIN)。量出在两个变换之间的较长的间隔或最大变 换时间tMAX，在两个变换之间的较短的时间间隔或最小变换时间tMIN，以 及N个间隔之间的平均值或平均变换时间tMED，振动系数或参数Kosc便 可以计算出来：
$\mathrm{Kosc}=\frac{t_{\mathrm{MAX}}-t_{\mathrm{MIN}}+t_{\mathrm{MED}}}{t_{\mathrm{MED}}}$(公式1)
其中，对于图示的实施例，$t_{\mathrm{MED}}=\frac{t_1+t_2+...+t_{12}}{12}$(公式2)
或写成通用表达式
$t_{\mathrm{MED}}=\frac{t_1+t_2+...+t_N}{N}$(公式3)
该系数告知在机械转动一圈期间电机轴上的振动水平。当压缩机21 上的载荷较低时，该系数将具有最大值1。当载荷增加时，该系数将从 该单一值离开。
当使用振动参数Kosc时，该控制系统将对这个参数的数值进行监 测，当参数Kosc的数值达到或超过振动参数的最大值KMAX时，电机20 的转速将被提高，以便使振动参数Kosc的数值总是保持小于振动参数 的最大值KMAX。转速增加使得振动参数Kosc数值的增加是由于电机20 的电机轴上的惯性的增加，从而产生较低水平的振动而引起的。作为实 例，在图3a中，根据可变容量压缩机的冷凝压力和蒸发压力，该系统 提升了振动变量Kosc的曲线。在横坐标轴上我们取为蒸发压力，该压 力以其相应的摄氏度数值来表示，其温度范围从-35℃到0℃，曲线中的 每一条曲线都表示不同的冷凝压力，该压力同样也用摄氏度来表示，其 温度范围从+30℃到+70℃。在图3b中，图中显示了(例如)在压缩和 吸气的所有情况下，最小的压缩机转速都固定在1500转/分。该最小转 速是在旋转一圈过程中，与变换之间的较长时间相对应的数值。在图3 情况下，该系统已经工作但没有通过振动参数Kosc起动保护。在图4a 中，重复显示了图3a中的曲线，而且在图中还包括一条为这种情况而 选择的显示振动参数最大值KMAX的虚线。在图4b中示出了振动参数Kosc 曲线，该曲线此时具有按照本发明的控制系统起动的保护。可以观察 到，在这种情况下，曲线都没有超过振动参数的最大值KMAX。图4c是图 3b的重复，它是为了直接与图4d进行比较而作出的。在图4d中，示出 了该控制系统在具有有效保护的不同实验条件下的压缩机21的转速 值。应当指出，本发明控制系统使得转速增加到1500转/分以上，是为 了保持振动参数Kosc的数值小于振动参数的最大值KMAX。
振动参数的最大值KMAX取决于压缩机21所要求的最小转速和所使用 的润滑油的粘度。
按照另一个其目的在于保护压缩机21防止油膜破裂的较佳实施 例，人们可以选择通过测量电机20的电机轴上的转距，来监测轴承-状 态变量。
当电机轴上的转距T作为起动该保护的参数时，其程序与所使用的 振动参数Kosc值时的程序很相似。该转距可以由微处理机10根据在电 流观测器40上所测得的电流计算出来。转距T与平均电流成正比，它 可以通过下面的公式计算：
T＝CM×IMED(公式4)
式中：CM是与电机结构有关的常数，IMED是电机20中的平均电流， 以安培表示。转距T也可以使用下面的公式计算：
$T=\frac{C_N\times C_M\times P}{R}$(公式5)
式中：P是变换器2所消耗的功率(以瓦特表示)，可以根据电压 观测器30和电流观测器40计算出来，Cn是调整常数，R是与压缩机21 相连接的电机20的转速值，以转/分表示。
在图5a中，绘制有用于冷凝和蒸发温度的各种组合的转距T的曲 线。该图中示出的转距T的数值直接取自微处理机10，没有调整为已知 单位。在横坐标上是蒸发温度，温度范围从-35℃到0℃，每条曲线都与 不同的冷凝(压缩)温度值相对应，温度范围从+30℃到+70℃。将图5a 中的转距曲线与图4a中的振动参数Kosc曲线相比较，人们可以看到， 随冷凝(压缩)温度和蒸发温度而变化的转距T具有与振动参数Kosc 的变化相似的特征，按照本发明第一个实施例，该参数用来作为监测轴 承-状态变量的方法。这样，正如在振动参数Kosc中的情况一样，人们 可以选择一个预定的转距T的数值，大于该数值时防止油膜破裂的保护 就被起动。图5a中的虚线代表选定的极限转距值TLIM。当起动跟随本发 明系统的保护时，压缩机21的转速也将提高。但是，与使用振动参数 Kosc所发生的情况不同，由于转距T只取决于载荷，因而它不会随转速 的增加而变化。因此，必须建立一种转距×最小转速的关系曲线，该关 系曲线将用来告知当保护系统起动时转速应该增加多少。图5b示出了 转距×最小转速关系曲线的实例。这样，如果我们在图5a中选定的条 件是-10℃×70℃，在此条件下转距T的数值大约是410(一个与电机20 的转距T成比例的数值，该数值由微处理机10在内部计算)，按照图 5b，本发明系统的保护将被起动，它将采用数值为2100转/分的最小转 速。
通过使用这种逻辑，就可以建立一个转距值的图表，并将它储存在 微处理机内，由此就可以确定极限转距TLIM和最小转速RPMmin的数值。
根据该系统的实施情况，本发明预见下面的方法步骤：
-根据对变换器2内的电压和电流的检测建立轴承-状态变量；
-建立轴承-状态变量的最大预见值；
-根据预先建立的关系曲线提高电机20的转速，以便防止压缩机 轴承内的油膜破裂。
按照本发明第一个实施例，轴承-位置变量是通过检测电机20在转 动期间所限定的每个磁极位置中的电机20的持久时间而确定的，从而 限定了一个振动参数Kosc。振动参数KOSC是根据对在每个磁极位置中的 电机20的持久的最大变换时间tMAX，最小变换时间tMIN和平均变换时间 tMED的比较而得到的，该振动参数可以通过上面已经描述过的公式1，2， 和3来获得。
此外，按照该方法，应将振动参数Kosc与预先建立的振动参数的 最大值KMAX相比较并使它与压缩机21的最小转速RPMmin相对应，因此， 当振动参数Kosc大于或等于参数的最大值KMAX时，电机/压缩机组件20， 21的转速将提高到大于或等于最小转速RPMmin。
概括地说，按照该方法，Kosc参数可以用来通过电机20在机械转 动一圈中的旋转振动水平来告知压缩机21在该圈机械转动中冷凝压力 和蒸发压力的情况，由此，每当该值超过预先设定的振动参数的最大极 限值KMAX时，就能使压缩机21的转速增加。该转速的增加将足以使Kosc 参数的数值总是保持为等于或小于振动参数的最大值KMAX。这样，该系 统就可以保证压缩机21在轴承内的润滑油膜没有破裂的危险的转速下 转动，也就是说，在大于最小转速RPMmin的转速下转动。
根据本发明的第二个实施例，轴承-位置变量从紧靠电机20的轴上 的转距T获得。更准确地说，轴承-位置变量是通过检测在变换器2中 循环的电流水平的数值，根据电流IMED的数值建立电机20的转距T的数 值而获得的，该电流数值是平均电流值IMED，转距T可以通过上面已经 描述的公式4和5获得。
将计算出的转距T与预先确定的极限转距TLIM的极限值相比较，当 电机20的轴上的转距T超过该预定值时，人们可以查对转距T与最小 转速RPMmin的关系表。对于每个大于极限转距TLIM的转距T的数值，表中 都有相应的需要施加在压缩机21上的最小转速值，以便保证压缩机轴 承不会因润滑油膜破坏而承受固体摩擦。
因此，按照本发明的控制系统和方法，可以实现所要求的目的。由 此可见，当在低转速和高压缩(排气)压力下工作时，该系统可以设法 防止压缩机21的轴承产生由于油膜破裂而引起的固体摩擦。此外，该 系统还可以使用其目的在于增加压缩机效率的低粘性油，并通过使用一 个微处理机来控制该系统，但是，不需在压缩机内使用其他的传感器， 因为测量是由电路直接进行的，不需要增加外部的传感器。
上面描述了几个较佳实施例，应该了解，本发明范围还包括其他可 能的变化方案，包括可能的等同形式，它们只由所附权利要求书的内容 来限定。