（流体机械及工程专业论文）动圈式线性压缩机变工况特性研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 压缩机是影响制冷机性能的关键部件。线性压缩机由直线电机驱动，无曲柄连 杆机构，能大幅提高制冷机的能效比，具有节能和环保的重要意义。以动圈式线性 压缩机为研究对象，建立了压缩机的热力学和动力学模型，运用描述函数法和m a t l a b 软件研究其振动特性、活塞运动特性和频率特性，以及摩擦力、弹簧刚度和电路特 性对压缩机的影响。利用压缩机性能测试实验台，理论比较了变工况下线性压缩机 和传统压缩机的性能，并分析吸气压力、吸气温度、排气压力和余隙变化对线性压 缩机性能的影响。同时进行了积分分离p i d 替代普通p i d 控制的研究。 关键词：动圈式，线性压缩机，变工况，积分分离p i d a b s t r a c t t h e c o m p r e s s o ri st h ek e yc o m p o i l e mw h i c ha a e c t sm er e 衔g e r a t o rp e d b n n a n c e t h el i n e a r c o m p r e s s o ri s 嘶v e db yal i i l e a rm o t o r ，、) v ! 1 1 i c hc a nl a r g e l ye r m a n c e st 1 1 ec o po fr e 衔g e r a t o r f o ri th a sn oc r a u 咄一p i s t o n ，s oi th a l sv i t a ls i 班f i c a n c eo ft i l ee n e r g yc o n s e a t i o na n d e n v i r o 眦e n t a lp r o t e c t i o n t a k et h el i n e a u rc o i n p r e s s o rw i 廿1m o v i n gc o i l 弱t h er e s e a u r c ho b j e c t ， i th a se s 托i b l i s h e dt h ec o m p r e s s o rt l l e 肌o d y i l a m i c sa n dd y n a 血c sm o d e l ，h a ss t u d i e di t s v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，也ep i s t o nm o t i o nc h a r a c t e r i s t i ca i l dt h ef r e q u e n c yc h a r a c t e s t i cb y u s i n gn l ed e s c r i p t i o nf u n c t i o n1 a wa i l dm a t l a bs o f t w a r e ，a sw e l la l si n n u e n c eo f 衔c t i o nf o r c e ， s p r i n gr i g i d i t ya 1 1 de l e c t r i cc i r c u i tc 1 1 a r a c t e r i s t i ci 1 1c o r 印r e s s o r t e s t e db yu s i n gm ec o m p r e s s o r p e 响珊a n c el a b o r a t o 巧 b e n c h ，c o m p a r e dp e r f o n n a n c eo fl i n e a rc o m p r e s s o rw 砒l t h e 仃a d i t i o n a lc o m p r e s s o ru n d e rt h eo f f d e s i g nc o n d i t i o n sb yt h e o r ) ，m e t h o d ，a n da n a l y s i st h e i n n u e n c eo fi n s p i r a t i o np r e s s u r e ，i n s p i r a t i o nt e m p e r a t u r e ，e x h a u s tp r e s s u r ea r l dc l e a r a n c et o l i n e 2 u rc o m p r e s s o rp e r f o r m a i l c e s i m u l t a n e o u s l yc a r r i e do n 也er e s e a r c ho fm ei 1 1 t e r g r a l s 印a r a ：t ep i dt os u b s t i n l t et h eo r d i n a r yp i dc o n 昀1 g u il i a n g m i n g ( n u i dm e c h a n i s me n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f x i ey i n g b a i k e yw o r d s ： m o v i n gc o i l ，i i n e a rc o m p r e s s o r o f f - d e s i g nc o n d i t i o n s ， i n t e r g r a i s e p a r a t e d p i d 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 压缩机是影响制冷机性能的关键部件。线性压缩机由直线电机驱动，无曲柄连 杆机构，能大幅提高制冷机的能效比，具有节能和环保的重要意义。以动圈式线性 压缩机为研究对象，建立了压缩机的热力学和动力学模型，运用描述函数法和m a t l a b 软件研究其振动特性、活塞运动特性和频率特性，以及摩擦力、弹簧刚度和电路特 性对压缩机的影响。利用压缩机性能测试实验台，理论比较了变工况下线性压缩机 和传统压缩机的性能，并分析吸气压力、吸气温度、排气压力和余隙变化对线性压 缩机性能的影响。同时进行了积分分离p i d 替代普通p i d 控制的研究。 关键词：动圈式，线性压缩机，变工况，积分分离p i d a b s t r a c t t h ec o m p r e s s o ri sm ek e yc o m p o n e n tw h i c ha a e c t st 1 1 er e 衔g e r a t o rp e r f o n a l l c e t h el i n e a r c o m p r e s s o ri sd r i v e db yal i r i e a rm o t o f ，w k c h c a nl a r g e l ye n h a n c e st h ec o po fr e 箭g e r a t o r f o ri th a sn oc r a u 出一p i s t o n ，s oi th 嬲v i t a ls i 嘶f i c a n c eo ft i l ee n e r g yc o n s e a t i o na n d e n v i r o n m e 玎志a lp r o t e c t i o n t 出em e1 i i l e a rc o m p r e s s o rw i t l lm o v i n gc o i l 弱t h er e s e a u r c ho b j e c t ， i th a se s t a b l i s h e dt h ec o m p r e s s o rt l l e m o d y n a m i c sa n dd y n a n 正c sm o d e l ，h a ss t u d i e di t s v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep i s t o nm o t i o nc h a r a c t e r i s t i ca i l dt h e 行e q u e n c yc h 撒c t 嘶s t i cb y u s i n gt 1 1 ed e s c r i p t i o n 丘m c t i o nl a wa i l dm a t l a bs o r w a r e ，a sw e l la l si n n u e n c eo f 衔c t i o nf o r c e ， s p r i i l gr i g i d i t ya 1 1 de i e c t r i cc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i ci i lc o m p r e s s o r t e s t e db yu s i n gt h ec o m p r e s s o r p e 0 册a i l c el a b o r a t o r ) rb e n c h ，c o m p a r e dp e r f o n i l a n c e o fl i n e a r c o m p r e s s o r w i t l lt h e 廿a d i t i o n a lc o m p r e s s o ru i l d e rt h eo f f d e s i 朗c o n d i t i o n sb yt 1 1 e o 巧m e t h o d ，a n da i l a l y s i st h e i 衄u e n c eo fi n s p i r a t i o np r e s s u r e ，i n s p i r a t i o nt e m p e r a t u 建，e x h a u s tp r e s s u r ea n de l e a r a i l c e 协 l i n e a rc o m p r e s s o rp e 怕r m a n c e s i m u l t a n e o u s l yc 撕e do nm er e s e a r c ho fm e 缸e 唱r a l s e p 嬲l t ep i dt os u b s t i n l t et h eo r d i n a 叮p i dc o n 昀1 g u il i a n g m i n g ( n u i dm e c h a n i s me n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r of x i ey i n g b a i k e yw o r d s ： m o v i n gc o i l ， i i n e a r c o m p r e s s o bo f f - d e s i g nc o n d i t i o n s ， i n t e r g r a l s e p a r a t e d p i d 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文动圈式线性压缩机变工况特性 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 盟彳 良一 姐 型节 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景和意义 第一章绪论 目前，我国电冰箱社会拥有量为1 3 亿台，空调器也超过了1 亿台。空调器的 用电量是各类家电产品之首，每年消耗电量达5 0 0 7 0 0 亿度l l 】。据统计，目前空调 器的能耗已经占我国总用电量的2 0 ，而北京市在最热天可达用电量的4 0 ，深 圳则达到了5 0 的水平。第二位是电冰箱，用电量达4 0 0 5 0 0 亿度【2 1 。而在未来 几年内，我国家用空调器每年新增用电量将达到2 0 0 0 万千瓦，占全国每年新增发 电量的一半以上【3 】。这也是造成夏季电力紧张、拉闸限电的主要原因之一。所以降 低空调器和电冰箱的能耗是科研部门和家电生产企业面临的一个严峻挑战。 压缩机是空调器和电冰箱的心脏，也是电力消耗的主要部件，能耗占冰箱空调 总能耗的8 0 8 5 【4 】。往复式压缩机由于设计制造技术不断趋于成熟，特别是具 有较低的加工和制造成本优势，使其在制冷空调领域占据主导地位。往复式压缩机 主要采用旋转电机驱动，通过曲轴机构把旋转运动转化为直线往复运动，这种结构 整体机械效率较低。例如，现在冰箱的全封闭压缩机的输入功率只有3 0 5 0 得 到利用i ”。 随着节能与环保意识的深入人心，新能效标准的推行，以及工质替代的迫切需 求，使人们开始考虑使用直线电机驱动的线性压缩机来代替原来的压缩机1 6 j 。采用 线性压缩机对于提高系统能效比、节约电力、减少温室气体排放等具有重要意义。 因此从二十世纪九十年代开始，日本、美国、韩国以及欧洲一些国家开始把线性压 缩机作为下一代家用电器的核心技术进行研究【7 】。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外线性压缩机研究现状 国外对线性压缩机的研究，主要是伴随着直线电动机的发展而逐步发展起来 的。 早在1 9 世纪末与2 0 世纪初就有人从事直线电动机的研究。1 8 4 0 年英国人惠斯 顿发明了世界上第一台直线电动机，由于气隙过大，效率很低【8 1 。1 9 5 4 年，随着核 动力的发展，需要抽吸钠钾混合物之类液态金属，美国率先成功研制了作为核工业 用的利用直线感应电动机原理的电磁泵。1 9 5 6 年英国的l a i t h w a i t e 【9 】等发表了有关 直线电动机的理论，l9 6 6 年英国出版了l a i t h w a i t e 的著作特殊用途感应电动机， 为直线感应电动机理论奠定了基础。此外，日本的山田一教授也撰写了多本有关直 1 华北电力大学硕士学位论文 线电机的著作【1 0 】。 随着直线电动机的研制成功，许多人在此基础上将直线电动机作为压缩机活塞 往复运动的驱动源，并申请了相应类型线性压缩机的发明专利，如n a h a m a n 、 黜m s t a d 、g i l b e n 、v o nd e l d e n 和s a r v e r 等人申请了动圈式线性压缩机专利以5 1 。 这。时期，线性压缩机得到了较快的发展，比较有代表性的线性压缩机有两种，分 别称为d o e l z 压缩机和c h a u s s o n 压缩机。d o e l z 压缩机是一种单作用双气缸的动圈 式线性压缩机，由德国人h e i n r i o nd o e l z 于1 9 5 4 年申请美国专利【1 6 1 ；c h a u s s o n 压 缩机是1 9 5 5 年法国人l a v i g n e 在他的专著e i e c t r o m a g n e t i cc h a u s s o nc o m p r e s s o r 中介绍的一种动磁式线性压缩机1 1 7 】，由p e r r o n n e 推出了其商业化样机，并提出了很 多实用的设计结构i j 。 德国的f u e n e r t a u c h m a n 等人对d o e l z 压缩机进行了安装测试，采用传感器测 量压力及行程并得到p v 图，计算出了容积效率是压力比的函数，研究结果表明， 随着压力比增加，活塞行程变化不大，但中心位置发生漂移，导致余隙容积增加， 从而使得容积效率迅速下降l l9 2 0 j 。 1 9 6 6 年，c o a t e s 采用非线性微分方程对线性压缩机进行了数值模拟，研究了参 数变化对压缩机运动动力及稳定性的影响【2 1 抛】。c a d m a n 和c o h e n 开发了双作用自 由活塞式线性压缩机，利用计算机模拟了压缩机的实际工作过程，指出活塞运行时 的漂移量和压力比有关，压比增加引起了排气量的下降【2 3 五4 1 。l o c a t e s 也对双作用 自由活塞式线性压缩机进行了计算机模拟，提出了活塞在一些工况下作正弦运动的 规律【2 5 1 。y a n g 对单缸线性压缩机进行了动态分析，试图通过改变系统物理参数以 获得较高的压缩机效率，但试验表明非常困难【2 6 】。a n o n 对动磁式线性压缩机进行 了实验研究，结果表明：输入功率对压缩机工作频率很敏感，4 的频率变化会造成 8 0 的输入功率的变化【27 1 。f i c e k 对单缸线性压缩机进行了研究，采用弹簧阻尼模 拟气体力。试验表明，输入功率和制冷量在压力比增加时下降很快。他同时还探讨 了采用电器控制电路使系统运行在谐振频率的可能性1 2 引。 2 0 世纪7 0 年代以后，直线电动机进入了独立应用时代。许多著名的电气企业 和机构均在研究和开发直线电动机产品，如美国的西屋公司( w e s t h o u s e ) 、德国的西 门子( s i e m e n s ) 等。直线电动机技术的发展和应用，促进了线性压缩机的较快发展。 这时，线性压缩机的研究主要应用于航天或军事，比较有代表性的是美国s u n p o w e r 公司开发的一种用于脉管型低温制冷器的动圈式线性压缩机，如图1 1 所示；以及 荷兰飞利浦公司开发的作为斯特林制冷机用的磁铁可动型线性压缩机，如图1 2 所 示。这两种线性压缩机不仅具有结构紧凑、体积小、重量轻，而且具有振动小、效 率高等特点【2 9 。如j 。 随着人们对线性压缩机认识的不断加深，国外正在将这一高新技术成果逐步从 航天或军事转向民用。美国正在开发用于家用制冷机的线性制冷压缩机，这一项目 2 华北电力大学硕士学位论文 由美国环保署( u s e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a g e n c y ，简称e p a ) 发起，美国环保 署、美国宇航局以及投资公司等相继投入资金。日本的三菱、三洋、松下、日立、 韩国l g 、三星、美国的泰康、太阳能( s u n p o w e r ) 公司、瑞典的e l e c t r o l u x 公司、 巴西的e m b r a c o 公司等，都将线性压缩机作为下一代压缩机的核心技术。 2 图卜1线性压缩机在脉管型制冷制冷机中应用 卜分离器；2 一冷头；3 一脉管：4 一线性压缩机 图卜2线性压缩机在斯特林制冷机中的应用 韩国的l g 公司投入了6 0 位研究人员及4 0 0 亿韩国货币，用8 年时间开发了线 性压缩机，在此过程中获得专利5 0 0 多项，并且成功地将线性压缩机商业化。在世 界上推出了第一台使用线性压缩机的双门电冰箱。该公司的研究认为，线性压缩机 与现有最高效的压缩机曲轴驱动的变速往复式压缩机相比，能效可提高2 0 3 0 ，且运转时是线性运动，消耗能源最少，噪音最小3 1 趣】。图1 3 是l g 公司的 3 华北电力大学硕士学位论文 线性压缩机。美国的s u n p o w e r 公司于19 9 1 年在美围环保局的资助下开始线性压缩 机的研究。研究表明线性压缩机可在较宽广的制冷量范围内调节，且都保持了较高 的性能【珏3 ”。目前，该公司生产的线性压缩机c o p 在a s h r a e 的测试条件下大于 2o ，单级压缩比可达2 6 【3 6 3 ”，与现有的家用往复式压缩机相比，效率可提高15 2 5 【3 9 4 “。图1 4 是该公司生产的线性压缩机。 图1 一j 线性压缩机结构图到卜6 线性压缩机剧盘彤闭门 用，构成了一种机械一一电磁振荡系统。活塞的运动不受传统的曲轴连杆限制而成 为自由活塞。线性压缩机的排气阀和普通压缩机的一样，也固定在闷盘上，但吸气 阀固定在活塞上。这样的结构极大地碱少了气体的流动阻力阀门结构见圈l6 。 华北电力大学硕士学位论文 随着现代电力电子技术、控制工程技术、计算机技术以及实验技术的发展，各 国学者都先后采用各种手段对压缩机的工作过程、运动机理等方面进行了更为复杂 和准确的研究。其中，t h i r a i 对无油电动式线性压缩机的设计和测试进行了详细的 阐述【4 。m i n a s 对无油线性压缩机的非线性动力学进行了研究，建立了线性压缩机 机电系统的动力学j 热力学及电磁系统的数学模型，并提出了线性压缩机的最佳运 行频率由压缩机的质量流量决定1 4 引。g y u s a n gc h o e 对线性压缩机的非线性系统进 行了理论和实验研究，提出了动态系统的跳跃现象及其影响【4 3 4 4 1 。s a n g b a c ky 0 0 n 在电磁学模型、动力学模型和热力学模型的基础上，对线性压缩机进行了有限元分 析【4 5 】。r e u v e nu n g e r 则将高效线性压缩机应用于c p u 的冷却，通过控制驱动频率 的方式以达到压缩机最佳效率，实现对c p u 冷却系统的高效、低噪音、低成本、 长寿命的设计【4 引。h i r o s h ih a s e g a w a 对采用了气体弹簧的线性压缩机进行了理论和 实验研究，为谐振弹簧的设计开辟了一种新的思路【47 。m a u r i z i o 等对线性压缩机建 立了虚拟模型，用s i m u l i n ka n da d 锄s 软件对其进行了系统数值仿真和性能预测， 优化了压缩机的整体性能【4 引。 此外，线性压缩机活塞行程属于自由活塞行程，其行程大小关系到压缩机排气 量的大小，能否有效控制线性压缩机的活塞行程，是线性压缩机设计的关键。其中， s a n a d a m i s s 对线性压缩机活塞行程的控制作了理论和实验研究，他采用无传感器开 环控制，取得了较好的效果【4 9 1 。y a n gy p 对斯特林制冷机的线性压缩机采用了模糊 控制方法【5 0 1 。c l a r k re 则对基于非线性动力系统的动磁式直线电动机的控制进行了 优化设计【5 1 1 。 m a s s a y u k i 等对直线步进电机驱动的线性压缩机进行了研究，认为无需位置传 感器，就能对活塞的位置进行准确的控制【5 。美国艾尔克塞尔公司的艾萨克迪曼 斯坦设计了一种电器驱动器，对线性压缩机进行频率控制【5 2 1 ，通过测量直线电动机 的电枢所产生的反电动势，确定其频率大小，并将其频率调整为接近压缩机的谐振 频率，从而控制压缩机工作，提高压缩机的效率。韩国l g 电子公司采用模式识别 的方法来控制线性压缩机【5 3 1 ，考虑由非线性特征造成的误差情况下控制t d c ( 上死 点) ，并提高线性压缩机的运行效率。这种方法主要是通过检测线性压缩机运行中 产生的电流和电压，计算并输出位移，通过位移和电流轨迹来检测模式。再将检测 的模式与基准模式进行比较，当它们彼此一致时输出开关控制信号，根据开关控制 信号，将冲程电压施加于线性压缩机，从而提高线性压缩机效率。韩国l g 电子公 司还提出了一种采用线性压缩机进行制冷剂压缩的电冰箱控制装置【54 1 。该装置包括 一个计算压缩机工作比计算单元、一个根据压缩机活塞冲程计算压缩机制冷能力计 算单元以及一个根据所述工作比和制冷能力来控制活塞冲程的控制器，从而保持工 作比恒定，能在电冰箱的任何工作状态下都能够获得最佳系统驱动效率。日本松下 电器产业株式会社植田光男等人提出了一种线性压缩机控制装置【55 1 。这种装置主要 5 华北电力大学硕士学位论文 是由逆变器、电流检测、电压检测、电流幅值确定、输出功率装置、频率确定装置 以及逆变器控制器等部分组成，不通过活塞的位移反馈就能有效地控制压缩机稳定 地工作。 1 2 2 国内线性压缩机研究现状 国内对线性压缩机的研究和开发，从上世纪6 0 年代就已开展，但技术上一直 没有取得突破，较为成功的是由华中科技大学、原电子工业部1 6 研究所等多家研 究单位进行的斯特林制冷机研制【5 乱5 7 】。上个世纪8 0 年代，在对国外线性压缩机技 术进行引进、吸收的基础上开发出了自己的振动式空气压缩机，主要是一些小功率 的空压机。比如，汕头液压件厂生产的d c q 系列空气压缩机【5 s 】、北京小型压缩机 厂生产的电磁吸引橡胶膜片式系列压缩机等，这些压缩机的研究由于当时技术水平 的限制，虽然体积小、使用方便，但是其排气压力小、效率不高，并且价格昂贵， 无法取代当时的传统型压缩机，限制了其研究、应用和发展。浙江人梁嘉麟1 9 8 6 年发明了一种长行程低往复频率活塞式压缩机【59 1 ，解决了直线电机驱动时必须解决 的活塞换向启动和行程控制这两大关键问题。电机功率只与活塞直径有关而与活塞 行程无关，进而能够通过尽量加长活塞行程来达到增加工作压缩比和排气效率的目 的。该机型尤其适用于简化工程上现有的多级压缩系统，为变多级压缩系统变为单 级压缩系统创造了条件。西安交通大学的顾兆林等人，1 9 9 1 年成功开发了一台电磁 线性驱动高压压缩机【6 仉6 1 】，能够连续提供高压纯净空气，可以代替钢瓶直接联入制 冷系统。不仅省去了大量充装高压纯净空气的保障设备和费用，而且具有启动方便、 适时调节、可靠性高的特点。太原理工大学研制了动铁式和动磁式直线振荡电动机 驱动的直线式压缩机，其性能指标为频率为5 0 h z ，动子质量为2 蚝，动子行程为 7 0 m m ，电机动子可以在0 2 5 h z 范围内平滑地调节振动频率和振幅【6 2 1 。 天津大学的马一太等人总结了线性压缩机的特点，对不同类型的线性压缩机进 行了比较，建立了未包括气体力的动圈型线性压缩机数学模型，同时对压缩机容量 调节特性和系统控制进行了简单阐述【6 3 j 。焦作工学院的王建生等人1 9 9 8 年对复合 次级直线电机驱动的活塞式压缩机进行了比较深入的研究，探讨了其工作原理、设 计方案、结构组成及其可行性，并进行了样机的试验【6 4 1 。这种压缩机实际上是采用 直线感应电动机作为驱动源，着重就组合式和分体式两种结构方案的线性压缩机的 驱动特性进行了分析，但其体积大、重量重，无法真正发挥线性压缩机的许多优点， 更无法替代现有的传统压缩机，限制了其使用范围。何志龙等人设计了一种线性压 缩机，采用新型直线磁阻电机( l r m ) 驱动【65 1 。电机的动子与活塞直接相连，动子两 端连着两个谐振弹簧，气缸固定在电机的定子上，缸体上装有阀板、吸排气阀片、 吸排气腔和吸排气消音室等。动子在电磁力的作用下推动活塞作往复振荡运动，在 控制电流和弹簧的作用下做谐振运动，活塞余隙的止点位置控制是通过传感器和控 6 华北电力大学硕士学位论文 制电路来实现。浙江大学化工机械研究所的李志海等人提出了一种基于单片机的可 控硅输入电压控制系统，包括同步脉冲电路、触发电路、隔离电路、显示电路、人 机接口以及电流检测单元等。通过单片机控制可控硅的控制角，使系统的输入功率 改变，从而使线性压缩机的起动平缓并且具有连续可调的排气量( 6 6 】。浙江大学的谢 洁飞对动磁式直线压缩机进行了理论和实验研究，对动磁式直线振荡电动机电磁场 工作机理进行建模，揭示电磁力之间的内在关系【6 。并对压缩机动力学进行了分 析，研制了样机，同时对直线压缩机系统控制方法进行了研究，实现对动磁式直线 压缩机排气量的自动调节与控制，提高了节能的效果。 1 3 论文的主要研究内容 本文以动圈式线性压缩机为研究对象，通过建立热力学和动力学模型，结合已 有的压缩机实验台，理论分析线性压缩机性能的影响因素。主要研究内容如下： ( 1 ) 建立动圈式线性压缩机的理论模型。对线性压缩机的热力学系统、机械 系统和电磁系统进行分析，采用热力学理论、机械振动理论和电磁理论，建立了线性 压缩机的热力学模型和动力学模型，并采用描述函数法对非线性模型进行了线性化研 究。 ( 2 ) 从共振、活塞运动、频率、摩擦力、弹簧刚度和电路特性等对动圈式线性压 缩机进行了分析研究，以优化线性压缩机的性能。 ( 3 ) 利用现有的压缩机性能测试实验台，理论比较分析了线性压缩机系统和往 复式压缩机系统。同时分析吸气压力、排气压力、吸气温度和余隙对线性压缩机系 统的影响。 ( 4 ) 运用m a t i ，a b 软件进行编程仿真，优化线性压缩机的控制算法，进行积分分 离p i d 算法替代普通p i d 控制算法的研究。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章动圈式线性压缩机数学模型 根据驱动源的不同，线性压缩机可分为电磁振动、线性电动以及线性步进电机 驱动等三种类型，目前应用最广的是电磁振动线性压缩机。电磁振动线性压缩机是 采用直线同步振荡电动机驱动的往复式活塞压缩机，它是利用电磁力和机械弹簧共 振原理，直接推动活塞作往复直线运动，其动子的振荡频率严格受交流电源频率的 控制。根据线性同步振荡电动机驱动方式的不同，电磁振动压缩机又可以分为动铁 式线性压缩机、动磁式线性压缩机以及动圈式线性压缩机，具有各自特点： 1 ) 动铁式线性压缩机动子质量轻、惯性小、振动频率低，与相同体积的其它 压缩机相比能产生较大的驱动力，压缩比也较大，但动子在磁场气隙中的运动是不 稳定的，容易偏离气隙中心轴线，从而在活塞上产生很大的径向力，增加了活塞与 气缸之间的摩擦和磨损，应用中性能无法与其它类型的压缩机相比，将逐渐被淘汰。 2 ) 动磁式压缩机动子质量和振动频率介于前两者之间，设计时需要考虑非线 性磁导、磁场的边端效应、电涡流损失等因素的影响，大大增加了分析设计的难度。 3 ) 动圈式线性压缩机具有动子质量轻、惯性小、振荡频率高、反应灵敏、起 动电流低、能量损失小、结构简单、制造费用低等优点。而且设计容易，能较好地 控制活塞行程，动圈上不存在径向力和扭矩，没有空载时的轴向力存在，磁场能提 供稳定的磁通，不存在磁滞损耗，一般适用于小功率的制冷机。随着永磁材料价格 的不断下降，这种类型的压缩机有很大的发展前景，也是目前最有希望取代传统冰 箱压缩机的机型之一。本章主要针对此类线性压缩机，分析其工作原理，建立系统 的数学模型i o 引。 2 1 1 动圈式线性压缩机工作原理 一刻。 卜。i ： ”一约 ， h r l 一一 一4 一 = l 7爿 j - j f【f ， 船 l 卜、 ， j li 。山il i l i 1u _， 、 、l 。1、 l 1 l 排 现一一一、； 一二二t 一永 u 图2 1动圈式线性压缩机结构示意图 如图2 1 所示的结构是一种典型的永磁动圈式线性压缩机，活塞与动圈固接构成 8 华北电力大学硕士学位论文 动子，线圈置于永久磁铁和铁芯之间的气隙内，进气阀布置在活塞顶面上，排气阀 布置在气缸顶部，气体通过迸气阀和活塞体进入压缩腔内，被压缩后又由排气阀排 出【6 9 】。 此类线性压缩机的驱动力来源于动圈上的通电导线在气隙磁场中受到的安培 力，由于动圈与活塞连接在一起，力通过线圈传递到活塞上。同时动子( 包括动圈、 连接板、活塞) 由弹簧支撑，形成共振系统。当动圈内通入交变电流时，在磁场的作 用下活塞上受到与电流同频同相的交变推动激振力，产生了动子的往复运动，从而 达到压缩气体的目的。 2 1 2 系统模型简介 一般来说，线性压缩机系统有三个子系统构成，即机械系统、电磁系统、热力 学系统。动子的往复运动是一个涉及热力学、动力学、电磁学、控制工程学等相关 学科的复杂非线性运动。 线性压缩机的实际循环包括吸气、压缩、排气、膨胀四个基本热力学过程，其 中每个过程都要涉及到能量交换、质量变化以及气体的性质等，所以需要对线性压 缩机的热力学系统进行研究，目前使用方法是直接用热力学第一定律分析，以确定 气体状态的变化，以及功和热量的交换。以图2 1 所示的永磁动圈型线性压缩机为基 础，首先分析建立压缩机的热力学系统的数学模型。 2 2 热力学模型 为了便于研究，根据压缩机的实际结构，将其简化为吸气管、吸气腔、气腔、 排气腔、排气消音室等几部分，视为控制容积，如图2 2 所示。压缩机的工作过程实 质上是物理、流动、传热、传质等现象的综合过程，控制容积内的气体状态由压力 p 、温度t 、质量m 这三个基本参数所确定，通过能量守恒方程、质量守恒方程、气 体状态方程以及一些补充方程把压缩机工作过程联系起来，可以研究压缩机内的气 体的变化规律。 图2 2线性压缩机单元划分简图 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 基本假设 压缩机工作过程中流体流动是一种复杂的、多维可压缩紊流，流动速度快，而 且流态复杂。如果采用多维紊流模型，实际计算中产生很大困难。因此，在基本正 确反映流体流动状态的情况下，对压缩机的工作过程作了如下假设： 1 ) 在任一瞬时，各控制容积内各点状态参数相同，即工质处于均匀状态，过 程为准静态。 2 ) 不考虑吸、排气管中的压力波动，视为稳态。 3 ) 忽略控制容积内气体的动能和势能，各控制容积气体的能量仅考虑内能。 假定系统边界内同一瞬时各点热力状态及化学成分完全相同的系统称为零维 系统。显然零维系统内压力、温度、比容等各项参数不随空间坐标而变化，只随时 间周期变化，按照这些假设，零维系统内的状态变化可用常微分方程来描述。 2 2 2 基本微分方程 压缩机工作过程所涉及的基本方程包括：能量守恒方程、质量守恒方程及工质 的状态方程。以下分别讨论各方程的具体应用【7 0 】： 2 2 2 1 能量守恒方程 通过热力学第一定律对气缸能量进行分析： d u = d q + d 巨一矗已一d ( 2 一1 ) 规定外界对控制容积做功为正，则： 撕炉咖( 忽+ 詈+ 矧一饥( + 孚蝎咖坦一挪 ( 2 - 2 ) 式中：所为控制容积的气体质量，材为气体内能，矗为焓值，y 为气体速度，z 为气体的 相对位置，q 为交换的热量，形为气体做功，下标i 为入口，o 表示出口。 并考虑到假设条件，且宏观势能很小，即不计进、出控制容积气体的动能和势 能，将上式对时间周期求导，写为变化率的形式： 堂型：y 热一y + y 塑一y 盟 ( 2 3 ) 对于气体有“= 矗一p y ，1 ，= 圪朋，其中圪为控制容积的体积，则： 掣= 肌警+ 厅鲁一p 警一圪害d td td t。d t 、c l l 1 0 ( 2 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由于咖= 机一咖o ，d 形= p d 矿，矗= ，将式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 6 ) 代入式( 2 3 ) ， 整理可得控制容积内的压力变化率为： 鱼： d f 牝) r 一等端 毒 警+ ( ) 警 ，ii 加r ( 劲a 丁) ，l 功kl 厶衍厶v 7 出j 1 一三鲤 v ( 印a 丁) ， 将式( 2 7 ) 代入( 2 6 ) 可得控制容积内的温度变化率为： 刀 破 躲) r 一( 副一爿 ( 嘉) ，+ 吉( 警卧聃警 2 2 2 2 质量守恒方程 等) ， ( 2 7 ) ( 2 8 ) 不考虑线性压缩机内工质的泄漏，则压缩机各控制容积内的质量守恒关系式可 表达为： 2 2 2 3 工质状态方程 塑；亟一亟( 2 9 ) 一= “ z 一7 ， d t出d t 目前压缩机中，采用的制冷工质一般为r 1 2 、r 1 3 4 a 、r 6 0 0 a ，马一丁侯方程被 认为较能准确反映其热力性质的方程，表达式如下【7 1 1 ： p = 篙+ 封警 令4 = o ，且= b ，g = o ，则上式可变为： p = 喜 警 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 刀一衍 打一出 、】、i凡 砌一订 印一订 ，i，、 + + 咖一班 咖一前 、i ，厅 、i 办 锄一加 劲一加 ，l，一 l l = 砌一出 勿一出 华北电力大学硕士学位论文 式中各参数4 ，e ，g ( f - 1 5 ) 及k ，6 ，i 等均为常数。对于式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 中的 ( 印加) r 及( 印a 丁) ，可由式( 2 - 1 0 ) 求偏导数得： ( 孙卦警 ( 耕扑绁等等一 对于制冷剂饱和蒸汽，其压力仅为温度的函数： l 咿么+ 拿+ c 1 9 m ( 竿) l g ( m ) 制冷剂的理想气体定压比热容： q = q + 乞+ 巳n 厶n 争 而厅、( 锄加) ，、( 锄a r ) ，由余函数法求得： 则： ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 办= + ( p v r 丁) + c l r + c 2 丁2 + c 3 r 3 + c 4 f 4 + 岛l n r + 斟等 q 。1 6 智l ( i j ) ( v 一6 ) 1 i ( 等) v 2 二c 4 2 _ 3 + c 5 丁 ( 2 - ，7 ， + l ! ：竺竺( 二丝：三! 笙2 ：gl 。台l ( f 一护( v 一6 ) 卜1 i ( 珊p + v ( 孙妻 坐等铲盟 协 喵) p 2 7 惦) 卢m 斟# 篱一 协。9 ， 陛盯7 t ( 一足2 丁z ) el 智l ( f 一1 ) ( v 一6 ) 1 i 式中： 1 2 华北电力人学硕士学位论文 ( 筑= 二( 嘉) ，肥) r ( 2 2 0 ) 综合能量守恒方程、质量守恒方程和工质状态方程，即可得到p 、r 、v 、“、 办中任一参数与其它两个参数间的函数关系式，组成线性压缩机的热力学模型。但 是在实际的线性压缩机中，复杂的气体流动、工质泄漏、缸壁与工质间的换热等对 线性压缩机的热力过程都会产生影响，使得热力学模型需要进一步修改完善，但其 对压缩机的驱动性能影响不大，故本文不对热力系统进行单独的分析求解，重点介 绍其动力学模型并进行分析求解。 2 3 动力学模型 线性压缩机活塞在运动过程中，受到电磁力、弹性力、惯性力、阻尼力、摩擦 力、气体作用力等多个力的作用。 2 3 1 机械系统 m x t 喜中c 图2 3 机械系统结构简图 f g f sf f 1r1r r l i m l f e x f 图2 4 活塞受力示意图 由于压缩机静止部分的质量远大于运动部分( 动圈、连接板、活塞、弹簧) 的质 量，并且机体通过螺栓紧紧安装于基座，其刚性很大，因此建模时不考虑机体的振 动。此外，在垂直方向重力只影响活塞的平衡位置，故在动力学方程中不考虑重力 的作用。这样机械系统最后简化为一个单质量单自由度的受迫阻尼振动模型，如图 2 3 所示，以活塞的静止位置为坐标原点【7 引。 根据牛顿第二定律，可以得到机械系统的强迫振动微分方程为： m 掣+ c 掣十础) ：无一以一乃 d t 。d t 一 s_ 式中：x 似活塞离开坐标原点的距离，m ； 1 3 ( 2 2 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 f 时间，s ： 。 ，r 运动质量，包括动圈、连接板、活塞、1 3 弹簧质量，埏； 尸一线性阻尼系数，主要包括摩擦阻尼和电磁阻尼，n s m ； 卜弹簧刚度，n m ； 石电磁驱动力，n ； 石气体力，n ； 厂广摩擦力，一般比较小，可合并到线性阻尼中，n 。 2 3 1 1 电磁驱动力的计算 电磁驱动力是通电导线在磁场中所受到的安培力，大小与通电导线的长度、线 圈中流过电流的大小、磁感应强度的大小有关，它的方向由左手定则确定： z ( r ) = 脱f ( f ) 式中： b 磁感应强度( 磁通密度) ，t ； 三磁场有效作用范围内的线圈长度，m ； 以) 线圈内通过的电流强度，a 。 2 3 1 2 气体力的计算 气体力是压缩机活塞运动过程中两端压力差造成的，如下式所示： o ) = 【p ( f ) 一只】彳 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 式中：么活塞的截面积，m 2 ； p ( ，) 气缸内工作介质的瞬时压力，p a ； 以活塞另一侧的气体压力，一般为活塞的吸气压力，p a 。 气缸中的压力计算主要包括进气过程、压缩过程、排气过程和膨胀过程中气体 力的计算。实际进排气过程中由于气阀阻力，使气缸内进气压力低于名义迸气压力， 而且由于气阀颤振等原因，气体压力有波动。在压缩与膨胀过程中，存在不稳定的 热交换，使得多变指数在压缩或膨胀过程中随着状态变化而变化。压缩初始阶段， 由于气体从气缸及活塞处吸收热量，多变指数大于被压缩介质的等熵指数；到压缩 终了时，气体向气缸及活塞放热，多变指数又小于被压缩介质的等熵指数；而在膨 胀过程中，变化正好相反。此外，由于活塞与气缸等处的密封以及气阀阀片不能及 时关闭引起的气体泄漏、余隙等因素也会影响气体压缩与膨胀。 为了简化分析，忽略了进排气过程中的压力波动、压缩与排气过程中的泄漏等 一系列复杂因素，并认为进气、排气按照名义进排气压力平稳进行，压缩过程和膨 胀过程用多变指数为n 的多变热力过程状态方程来表示，各过程中的气体压力计算 公式如下： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 p ( f ) = n 吸气 p 4 等丁压缩 办 排气 办斟 膨胀 ( 2 2 4 ) 式中：p 。进气压力，p a ； 肋排气压力，p a ； x 排气终点与气缸之间的距离，m ： j 活塞的行程，m ； 刀多变指数。 2 3 1 3 摩擦力的计算 摩擦力也为一非线性力，摩擦力的大小与相对运动物体之间的摩擦系数、正压