冰箱用线性压缩机特性及控制策略研究

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采用直线电机驱动的线性压缩机能有效降低小型制冷装置的能耗,可以带来巨大的经济和社会效益,是冰箱压缩机的重要发展方向。因此进行冰箱用线性压缩机特性及控制策略的研究,加速先进高效线性压缩机的国产化以提高相关企业和产品的技术水平和竞争力,具有重要意义。   本论文针对电冰箱用线性压缩机的实用化需求,对线性压缩机进行了理论分析并建立二自由度模型,以此为指导优化动磁式线性压缩机设计方案。按方案制作线性压缩机样机后,采用多种实验方法精确测定样机关键参数值,然后对样机分别进行了位移特性、特性参数的上死点特性和变排量特性实验研究,在结果分析的基础上,提出了包括上死点控制和变排量控制在内的线性压缩机控制策略。同时设计制作了单片机驱动的控制电路板,并与LabVIEW构建的控制软件相结合,验证了控制策略的可行性。   针对线性压缩机工作过程,分别对其电路部分和动力部分进行理论分析,建立线性压缩机二自由度模型,并在Matlab平台上实现了二自由度模型,以实验测试的结果对其进行了验证。结果表明与一自由度模型相比,二自由度模型模拟计算准确度更高。同时在二自由度模型的指导下,对活塞直径与设计行程、动子质量与机身质量等关键部件进行优化设计,确定动子优化质量为0.7~0.8kg,机身质量为7~8kg,设定行程为9.8mm~11mm左右为设计优化值。   以优化设计方案制作出动磁式线性压缩机样机,并采用多种实验手段对该样机的等效电阻Re、等效电感Le、阻尼系数cf及电磁力系数K0等几个关键参数进行测算,确定在驱动频率45Hz到70Hz,线圈电流0.2A至2A,总行程在4mm到12mm范围内,等效电阻Re随频率增加而增加,等效电感Le则随电流升高而降低,阻尼系数cf随位移增加而减小,电磁力系数K0则随位移增加而增加,并均给出了计算公式。以这些关键参数作为分析其他参数的特性以及构建线性压缩机控制系统基础。   结合线性压缩机的结构特点,阐述了线性压缩机控制系统的必要性,通过理论分析得出了线性压缩机控制系统的控制目标,然后针对控制目标进行了线性压缩机位移特性,特征参数的上死点特性以及变排量特性的实验研究,综合各个实验研究结果,总结了线性压缩机的控制策略为:根据工况选择满行程运行或是变排量运行模式,在运行过程中通过电参数计算活塞位移,满行程运行时通过(Ⅰ-Ⅹ)相位差和输入功率判断活塞上死点位置,变排量运行时通过调节频率优化线性压缩机的效率。   以MCU8051系列单片机为核心,IPM智能功率模块为主要部分,选取双极性、非对称采样方式的SPWM方法作为功率输出方式,辅以其他配套电路,配合LabVIEW平台的软件程序,搭建了较完整的包括软硬件的线性压缩机控制系统,基本覆盖了线性压缩机性能实验和控制策略验证实验所需的功能。并以该控制系统对控制策略进行验证,结果表明这一控制策略准确性高,具有可行性。
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