本发明涉及一种控制往复式压缩机运行的设备与方法，并特别涉及一种能够通过改变工作频率来提高压缩机运行效率的控制往复式压缩机运行的设备与方法。

普通的往复式压缩机(下面，用压缩机来指代)通过依次向定子线圈提供正弦波电压或方波脉冲电压并向动子重复施加一定的线性行程来实现动子的往复运动。更详细地，当连续电流流到定子线圈时，定子的铁芯被磁化并变成电磁体。然后，由铁芯制成并用轴承支撑出气隙的动子被磁化，并受吸引力作用而移动。接下来，当改变定子的电流方向时，作用于动子的吸引力运行方向也改变，动子则向相反的方向运动。如上所述，如果定子的励磁电流方向依次持续改变，动子就不断地进行往复式运动。
图1是普通用于控制压缩机运行的设备的结构方框图。如图1所示，这种普通的设备包括：直线压缩机150，利用根据行程参照值向压缩机施加的电压来上下运动活塞，从而调整冷冻能力；电压检测单元130，根据行程的加大来检测施加给压缩机150的电压；电流检测单元120，根据行程的加大来检测施加给压缩机150的电流；微电脑140，利用检测的电压和电流来计算行程，将计算的行程与行程参照值进行比较，并根据比较结果输出控制信号；电路单元110，根据微电脑140的控制信号间歇流到双向晶闸管的交流电，并向压缩机150施以电流。
在压缩机150中，因为按照使用者设定的行程参照值所施加的电压，活塞上下运动，所以能够改变行程，因而可以调节冷冻能力。
根据微电脑140的控制信号，通过延长电路单元110的双向晶闸管的导通周期，能够加大行程。这里，电压检测单元130和电流检测单元120分别检测施加给压缩机150的电压和电流，并将检测后的结果提供给微电脑140。
然后，微电脑140使用电压和电流来计算行程，将计算的行程与行程参照值相比较，并根据比较结果输出控制信号。更详细地，当计算的行程小于行程参照值时，微电脑140通过输出控制信号延长双向晶闸管的导通周期，提高施加给压缩机150的电压。当计算的行程大于行程参照值时，微电脑140通过输出控制信号缩短双向晶闸管的导通周期，降低施加给压缩机150的电压。
然而，由于根据传统技术的往复式压缩机的控制设备的机械运动特征具有严重的非线性，不考虑非线性就不能用线性控制方法来精确恰当地实现往复式压缩机的运行。
通过统一控制电流和行程之间的相位差能够提高压缩机的运行效率，然而当压缩机不断运行时，由于环境改变引起的负荷变化可能会降低其运行效率。

因此，本发明的一个目的是，通过恒定地控制运行速度，从而利用活塞速度和电流之间的相位差并随负荷变化来改变工作频率，以便把压缩机的工作点置于高效运行区内，来改进压缩机的运行效率。
另外，本发明的另一目的是，通过恒定地控制上止点(TDC)，以便利用活塞速度和电流之间的相位差并随负荷变化来改变工作频率，从而把压缩机的工作点置于高效运行区内，来改进压缩机的运行效率。
为实现上述目的，一种控制压缩机运行的设备包括：检测装置，用于检测与压缩机运行效率相关的各种因素；相位差比较装置，用于比较各因素彼此之间的相位，并根据比较结果输出相位差；工作频率确定装置，根据相位差，按一定的频率单位来升高/降低参照工作频率，以便把某一时刻的频率确定为工作频率，所述时刻是与相位差相关的拐点；运行参照值确定装置，用于按照工作频率确定装置输出的工作频率，来确定运行参照值；控制装置，用于比较运行参照值与检测装置检测的因素，根据比较结果向压缩机施加控制信号，并根据工作频率确定装置所确定的工作频率来改变压缩机的工作频率。
一种控制压缩机运行的方法包括：按照参照频率运行压缩机；利用压缩机的活塞速度与施加给压缩机的电流之间的相位差计算出拐点之后，把拐点的速度确定为速度参照值；按照速度参照值运行压缩机；当发生负荷变化时改变压缩机的工作频率，根据改变的工作频率改变速度参照值。
一种控制压缩机运行的方法包括：按照参照频率运行压缩机；利用电压与电流之间的相位差计算出拐点之后，把拐点的上止点(TDC)确定为TDC参照值；按照TDC参照值运行压缩机；当发生负荷变化时改变压缩机的工作频率，根据改变的工作频率改变TDC参照值。
附图说明
下述附图用于进一步理解本发明，并入说明书中成为说明书的一部分，附图示出本发明的实施例并且和说明书一同用来解释本发明的原理。
图中：图1是普通控制压缩机运行的设备的结构方框图；图2是根据本发明的压缩机运行控制设备的方框图；
图3示出根据本发明的压缩机的高效运行区曲线图；图4示出随负荷变化的机械共振频率的变化曲线图；图5A示出随负荷增加的压缩机工作点的变化曲线图；图5B示出随图5A中的工作频率增加，压缩机工作点的变化曲线图；图6示出根据本发明压缩机运行控制设备的速度控制流程图；图7示出根据本发明一个实施例的压缩机运行控制方法的流程图；图8示出随负荷大小来升高/降低工作频率的曲线图；图9示出根据本发明的压缩机运行控制设备的上止点(TDC)流程图；和图10示出根据本发明另一实施例的压缩机运行控制方法的流程图。

在根据本发明的压缩机运行控制设备及其方法中，通过检测装置或活塞速度或上止点(TDC)来分别检测施加给压缩机的电流或电压，检测的电流或电压与从运行参照值确定电压输出的运行参照值进行比较，并根据比较结果控制施加给压缩机的输入电压。另外，通过相位差比较装置检测作为TDC＝0(相位差拐点)的点，利用运行参照值确定装置将该点的TDC或活塞速度(压缩机速度)设定为运行参照值。另外，压缩机内发生负荷变化时，利用工作频率确定装置确定工作频率以便在高效运行区内运行压缩机，并且把该工作频率施加给运行参照值确定装置。然后，运行参照值确定装置将该工作频率及与之相关的运行参照值施加给控制装置。控制装置根据运行参照值改变压缩机的工作频率并改变输入电压。因此，提高压缩机的运行效率。
下面，将参照附图详细描述根据本发明的控制压缩机运行的设备与方法。
图2是根据本发明的压缩机运行控制设备的方框图。如图2所示，一种压缩机运行控制设备包括：检测装置250，分别检测施加给压缩机的电流/电压、活塞(压缩机)速度和上止点(TDC)；相位差比较装置260，用于电流的相位与电压的相位，或比较活塞(压缩机)速度的相位与电流的相位；工作频率确定装置270，通过按一定的频率单位增加/减小参照工作频率将某一时刻的频率确定为工作频率；运行参照值确定装置210，根据从工作频率确定装置270输出的工作频率，确定活塞(压缩机)速度参照值或TDC参照值；控制装置220，把工作频率确定装置270确定的工作频率施加给压缩机，将运行参照值确定装置210确定的速度参照值或TDC参照值与检测装置250检测的每一个值相比较，并根据比较结果施加控制信号。
工作频率确定装置270包括：工作频率确定单元271，用于补偿与机械共振频率相应的工作频率，该机械共振频率随压缩机负荷变化而变化；高效区存储单元272，通过实验确定可进行高效运行的高效相位差区域，并存储之；比较单元273，用于确定相位差比较装置260的相位差是否落在高效相位差区域内。
运行参照值确定装置210包括：运行参照值确定单元212，用于根据从工作频率确定单元271输出的工作频率来确定活塞(压缩机)速度、上止点(TDC)或行程参照值；和存储单元211，利用每个通过实验确定的工作频率，来存储活塞(压缩机)速度、TDC或行程。
另外，控制装置220包括：比较单元221，用于比较从运行参照值确定装置210施加的运行参照值和从检测装置250检测的结果值；输入电压改变装置(未示出)，用于根据比较结果改变施加给压缩机的电压；工作频率改变装置(未示出)，用于根据从工作频率确定装置270施加的工作频率来改变压缩机的工作频率。
下面将描述根据本发明的压缩机运行控制设备的运行。
首先，检测装置250分别检测施加给压缩机240的电流/电压、活塞(压缩机)速度和TDC。然后，相位差比较装置260对活塞(压缩机)速度的相位与施加给压缩机240的电流相位进行比较，并向工作频率确定装置270施加差值。这里，相位差比较装置260除了比较活塞(压缩机)速度的相位与施加给压缩机240的电流相位之外，还比较电压(220V/60HZ，220V/50HZ，110V/60HZ，110V/50HZ)的相位与施加给压缩机240的相位。在参照相位差(即，在相位差比较装置260的比较结果中，相位差为高效区的参照值)内，施加给压缩机240的电压与电流之间的相位差为0°这里，当压缩机240机械共振时，在经实验确定的施加给压缩机240的电流与活塞(压缩机)速度的相位差之间或施加给压缩机240的电流与电压之间的相位差基础上，高效区存储单元272检测一个在±δ(某定值)范围内的区域，并预先存储之。这里，该定值通过实验设定，以便于检测关于活塞(压缩机)速度与施加给压缩机的电流之间相位差的拐点。
比较单元273收到从工作频率确定单元271输出的压缩机速度与施加给压缩机240之间的相位差，查看是否该相位差落在高效运行区内，并根据比较结果向工作频率确定单元271施加一控制信号。
当压缩机240的负荷变化时，工作频率确定单元271按一定的频率单位来提高/减小参照工作频率，以将压缩机速度和施加给压缩机240的电流之间的相位差曲线放在高效区内。当相位差曲线放在高效区内时，将该时刻的频率确定为工作频率，它被施加到运行参照值确定单元212。据此，运行参照值确定单元212接收从工作频率确定单元271输出的工作频率，并确定与其相应的运行参照值。另外，工作频率被施加给控制装置220。更详细地，通过实验在存储单元211中预先存储了利用每个频率施加给压缩机240的活塞(压缩机)速度或TDC，通过计算与工作频率确定单元270输出的工作频率相应的活塞速度和TDC来确定运行参照值。
然后，控制装置220接收从参照值确定装置输出的参照值，将该参照值与当前的活塞(压缩机)速度或检测装置250内检测的TDC相比较，根据比较结果向压缩机240施加控制信号，来改变工作频率。因此，压缩机240按照改变的工作频率运行。
下面将参照附图更详细地描述压缩机运行控制设备的运行。
首先，将描述负荷变化与压缩机240的运行效率之间的关系。
图3示出根据本发明的压缩机240的高效运行区曲线图。如图3所示，在相位差比较装置260计算的0°相位差点(施加给压缩机240的电流和电压之间的相位差为0°)，压缩机240的机械共振频率与工作频率相符合。这里，压缩机240的工作频率最大。
图4示出随负荷变化的机械共振频率的变化曲线图。如图4所示，如果活塞(压缩机)速度和TDC不变，当压缩机240的负荷增大时，压缩机240的工作点从“A”移到“B”。更详细地，机械共振频率加大。然而，当压缩机240的负荷减小时，压缩机240的工作点从“A”移到“C”。换言之，机械共振频率减小。如上所述，当机械共振频率随压缩机240的负荷变化而变化时，压缩机240能在其中有最大效率的运行区域也变化了。
图5A和图5B示出当工作频率随负荷增加而增加时，活塞(压缩机)速度和施加给压缩机的电流之间的相位差拐点的移动曲线图。如图5A和5B所示，尽管压缩机240在高效运行区内运行，当负荷加大时，压缩机240跑出高效运行区运行。这里，当工作频率稳定增加时，压缩机240又在高效运行区内运行了。
实施例1如图6和图7所示，在压缩机240的运行控制设备中，通过检测装置250检测压缩机240的速度，将该检测速度与运行参照值确定单元212确定的速度参照值进行比较，控制施加给压缩机240的电压，以便补偿上述两者之间的差值。同时，计算活塞(压缩机)速度与施加给压缩机240的电流之间的相位差，在计算的差值的基础上速度参照值增大至相位差曲线上出现拐点，以便找到压缩机240的具有最大运行效率的速度点，所找到的速度点被确定为速度参照值。当确定速度参照值时，压缩机240在该点继续运行。然而，当压缩机240的负荷变化时，压缩机240的机械共振频率也变化，压缩机240的工作点跑出高效运行区。为了对此进行补偿，工作频率随负荷变化而变化。因此，工作点返回到高效运行区(10～60秒的周期)。
更详细地，如图6所示，在步骤S601和S602中，当压缩机240的运行以参照频率开始时，检测装置250检测活塞(压缩机)速度并将该速度施加到控制装置220。然后，如步骤S603～605所示，控制装置220接收从运行参照值确定单元212施加的速度参照值，将检测的压缩机速度与速度参照值进行比较，如果检测速度大于速度参照值，则输入电压减少，如果检测速度小于速度参照值，则输入电压增大，以便把早期的设定工作点放在高效运行区中。这里，压缩机240的高效运行区为从TDC＝0(相位差为90°)的点分开±δ(一定值)的区域。
这里，在相应于电压频率(60HZ电压，每秒60次控制)的速度控制压缩机240，当压缩机240运行时继续速度控制。
如图7所示，运行参照值确定单元212提高速度参照值，相位差比较装置260比较活塞(压缩机)速度与施加给压缩机240的电流之间的相位差。如果在相位差曲线中出现拐点，则向运行参照值确定单元212施加活塞(压缩机)的速度。然后，运行参照值确定单元212确定该速度为速度参照值，向控制装置220施加该速度，并以该速度通过控制方法不变地运行压缩机，如步骤S701～S704所示。
然而，由于环境变化导致出现压缩机240的负荷变化，因此机械共振频率增大或减小。然后，相位差比较装置260通过压缩机速度与施加给压缩机240的电流之间的相位差检测负荷的变化，并根据负荷变化向工作频率确定单元271施加相位差值，如步骤S705所示。这里，根据行程与施加给压缩机的电流之间的相位差是否落在一定的高效运行区内，或活塞(压缩机)速度与施加给压缩机的电流之间的相位差是否落在一定的高效运行区内，或施加给压缩机的电流与电压之间的相位差是否落在一定的高效运行区内，来检测负荷变化。
然后，工作频率确定单元271通过相位差比较装置260确定补偿的工作频率，并将其施加给运行参照值确定单元212。更详细地，如图5A和图5B所示，当相位差大于上限时，工作频率增加，当相位差小于下限时，工作频率减小，如步骤S706～S708所示。这里，通过实验来测定用于实现高效运行的高效运行区，并将该高效运行区预先存储在存储单元211内。并且，通过存储单元211把与变化的工作频率相应的频率确定为速度参照值，并将其施加给控制装置220。然后，控制装置220按照速度参照值改变输入频率和输入电压，因此，压缩机240在高效运行区内继续运行，如步骤S709和S710所示。
图8示出随负荷大小升高/降低工作频率的曲线图。如图8所示，当压缩机以不变的速度在当前工作点运行时，如果负荷的变化不大，因为压缩机速度与电流之间的相位差在高效运行区内，工作频率也不变。然而，由于负荷增大当工作点大于高效运行区时，工作频率就沿连续的线方向移动，由于负荷减小当工作点小于高效运行区时，工作频率就沿间断的线方向移动。
如图8所示，当发生负荷变化，改变工作频率以便把压缩机240的工作点放在高效运行区内，因此能够提高压缩机240的运行效率。
实施例2图9示出根据本发明的压缩机运行控制设备的上止点(TDC)流程图。如图9所示，检测装置250检测压缩机240活塞的上止点(TDC)、施加给压缩机240的电流和电压，比较检测的TDC和运行参照值确定单元212确定的TDC参照值，根据比较结果控制施加给压缩机240的电压，以便补偿上述差值。同时，计算施加给压缩机240的电流和电压之间的相位差，在该相位差的基础上增大TDC参照值，直至相位差曲线索上出现拐点，并且把具有最大运行效率的TDC确定为TDC参照值。当确定TDC参照值时，压缩机240继续在该点运行，当发生压缩机240的负荷变化时，改变了压缩机240的机械共振频率，压缩机240的工作点跑出高效运行区，为了对此进行补偿，随负荷变化来改变工作频率，使工作点返回高效运行区。
更详细地，如图9所示，压缩机240以参照频率开始运行，检测装置250检测TDC并将该TDC施加给控制装置220，如步骤S901和S902所示。然后，控制装置220接收从运行参照值确定单元272施加的TDC参照值，并将检测的TDC与TDC参照值进行比较。当检测的TDC大于TDC参照值时，输入电压减少，当检测的TDC小于TDC参照值时，输入电压增大，以便把早期的设定工作点置于高效运行区内，如步骤S903～905所示。这里，压缩机的高效运行区为从该点(相位差为0°)分开±δ(一定值)的区域。
这里，用与电力电压频率相应的TDC控制压缩机240，并且压缩机240运行时根据工作频率来控制TDC。
如图10所示，运行参照值确定单元212提高TDC参照值，相位差比较装置比较电流的相位与电力电压的相位。如果出现相位差曲线的拐点，将该点的TDC施加给运行参照值确定单元212。然后，运行参照值确定单元212将该TDC确定为TDC参照值，并将其施加给控制装置220，并且通过这种控制方法压缩机240在该TDC处稳定运行，如步骤S1001～S1004所示。
然而，当由于环境改变出现压缩机240的负荷变化时，压缩机240的机械共振频率因此增加/减小。然后，相位差比较装置260通过施加给压缩机240的电压和电流之间的相位差来识别该负荷变化，并根据该负荷变化向工作频率确定单元271施加一相位差值，如步骤S1005所示。然后工作频率确定单元271通过相位差比较装置260来确定补偿的工作频率，并将该补偿的工作频率施加给运行参照值确定单元212。更详细地，如图5A和图5B所示，当相位差大于高效运行区的上限时，工作频率增大，当相位差小于高效运行区的上限时，工作频率减小，如步骤S1006～S1008所示。这里，通过实验来检测用于实现高效运行的高效运行区，并将其预先存储在存储单元211中。并且，通过存储单元211把与变化的工作频率相应的频率确定为TDC参照值，并该频率被施加给控制装置220。然后，控制装置220改变施加给压缩机240的输入频率，根据TDC参照值改变输入电压，因此压缩机240持续在高效运行区内运行，如步骤S1009和S1010所示。
如上所述，在本发明中，利用活塞(压缩机)速度与电流之间的相位差，恒定地控制速度，以将压缩机的工作点放在高效运行区内，并且按照负荷变化来改变工作频率，因此能够提高压缩机的运行效率。
另外，在本发明中，利用电路电压与施加给压缩机的电流之间的相位差，TDC被恒定地控制，以将压缩机的工作点放在高效运行区内，并且按照负荷变化来改变工作频率，因此能够提高压缩机的运行效率。
因为本发明可以以多种形式实施，而不偏离其精神或关键特征，还应当理解上述实施例不会局限于前述说明中的任一细节中，除非另外说明，而是广义地构成在在本发明的附属权利要求的范围和精神中，因而所有落入本发明权利要求范围内的变化和修改或与该范围等同的替换都将被本发明权利要求所涵盖。