导通角对直线压缩机工作特性的影响

文章编号: 1005 0329(2007)04 0006 03导通角对直线压缩机工作特性的影响张金权,畅云峰(西安交通大学,陕西西安 710049)摘 要: 以基于Lab V I E W的测量与控制系统为基础,研究了一种动磁式直线压缩机的位移、电压、启动特性。

实验结果表明:在同一排气压力下,活塞行程和上死点位移随导通角的增大而变小;在直线电机线圈中产生的感应电动势在一定排气压力下,随导通角的增大而增大,其与电流的相位差随导通角的增大而增大;启动电流随导通角的增大而减小,控制系统应以大导通角启动,可防止撞缸现象。

关键词: 直线压缩机;动磁;导通角;工作特性中图分类号: TH45 文献标识码: AInfluence of Angle of F low onW orking Characteristics of L i n ear C o m pressorZ HANG Ji n quan,CHANG Y un feng(X ia'n Jiao tong U nivers it y,X ia'n710049,Chi na)Abstrac t: The character i stics o f d i sp lacement,vo ltage,start up o f a m ov i ng m agnet li nea r co m pressor w as st udied by usi ng m eas ure m en t and contro l sy stem based on L abV IE W.T he expe ri m ental resu lts sho w that p i ston s'stroking and top dead position i ncrease w it h the ang le o f fl ow unde r the sa m e discharge pressure.Induc ti on e l ec trom oti ve f o rce i n li near mo tor s'co il i ncreases w ith the an g le of fl ow under the sa m e d i scharg e pressure,the phase difference be t w een induction e lectro m otive force and current i ncreases w it h ang le of fl ow.T he larg er angle o f fl ow is,the s m a ller the starti ng current is.So the contro l syste m shou l d be started under larg e ang l e o f flo w i n order to avo idi ng str i k i ng the cy linder.K ey word s: mov i ng m agnet;li near com pressor;ang le of fl ow;wo rk i ng characteristi cs1 前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,与传统的活塞压缩机相比,具有机械效率高、结构简单、体积小、反应速度快、易变容量控制等特点[1~7]。

直线压缩机的优点已得到广泛的认可,但其在结构设计、工艺及控制等方面还存在诸多难题待解决。

近年来,各大公司及研究机构都相继投入了大量的科技开发力量,申请了许多专利,对整机结构、性能、控制系统及直线电机的研究都进行了许多工作。

目前,国外已经建立了一套直线压缩机的设计方法和研究理论,国内对直线压缩机的研究在广度和深度上与国外有着较大差距,这限制了直线压缩机的应用范围,无法实现产业化。

本文针对一种动磁式直线压缩机的工作特性进行了试验研究,分析了控制元件三端双向可控硅的导通角对压缩机的位移特性、电压特性、启动特性的影响,为开发高效、经济的控制系统奠定了试验基础。

2 结构直线压缩机被广泛应用于各种制冷系统中,图1是一种动磁式直线压缩机的结构示意。

主要包括活塞运动组件、直线电机、机械弹簧、进排气组件、气缸组件、壳体、油泵等。

直线电机包括线圈、内定子、外定子、动子[5]。

活塞和动子联接在一起,同时由机械弹簧夹持,动子置于内定子和外定子的气隙之间,组成活塞运动组件。

当给线圈收稿日期: 2006 08 30中通入交变电流时,在线圈产生的磁场作用下,动子上受到与电流同相同频的交变电磁力,推动着活塞运动组件在气缸中做周期性的往复直线运动。

进气阀片安装在活塞的端部,气流经进气消音器后,冲开阀片进入到气缸中,被压缩后又经过排气阀排入排气腔,然后由排气管导出压缩机壳体。

活塞行程及上死点位置是通过基于LabV I E W 的测控系统来实现的[2~4]。

图1 直线压缩机结构示意3 实验方法图2是为了研究导通角对压缩机的位移特性、电流和电压特性、启动特性的影响而搭建的实验装置简图。

实验中所使用是一种动磁式直线压缩机,数据采集系统采集安装在活塞处的位移传感器所测量的活塞位移信号,直线电机的电流和电压通过数字存储示波器采集。

图2 实验装置示意利用美国N I 的PC I6024E 数据采集卡和LabV I E W 软件搭建了一个基于PC 的测量与控制活塞行程的系统。

该系统主要通过调整三端双向可控硅的导通角来控制活塞行程及活塞的上死点位置,并对活塞位移进行检测并存储其波形数据。

实验主要进行了3个方面的研究:(1)在不同的排气压力下,活塞的上死点位移、行程与导通角的关系;(2)在一定排气压力下,电压与导通角的关系;(3)在不同导通角启动时,电流和电压的变化情况。

4 实验结果及讨论4.1 活塞位移特性图3为在不同排气压力下,导通角与活塞上死点位移TDC 的关系,图4为在不同排气压力下,导通角与活塞行程S 的关系。

图3 不同排气压力下,导通角与活塞上死点位移的关系图4 不同排气压力下,导通角与活塞行程的关系从图3,4中可知,在同一排气压力下,直线压缩机活塞的上死点位移、行程随着导通角的增大而减小。

导通角增大时,输给系统的能量减小了,则相应的电机功率和电流值也会变小,从而使得直线压缩机的上死点位移、活塞行程变小。

因此,可以通过控制三端双向可控硅的导通角来控制活塞位移,从而调节压缩机的排气量,实现变容量调节。

4.2 电压特性图5为直线压缩机在导通角为60 ,排气压力为0.4M Pa 时,所测得的电压U 和电流I 波形,从图中可知,在电压波形中,存在一段突变曲线,其为直线电机的感应电动势。

因为在电流为零的时刻里,即三端双向可控硅处于关断状态,由于直线电机的动子还处于运动状态,因此会在直线电机线圈中会产生感应电动势[6]。

当改变导通角,且保持排气压力不变时,电压波形会发生变化,如图6所示,在同一排气压力下,当导通角增大时,直线电机的感应电动势向接近电压峰值的方向移动,其与电压之间的相位差减小,与电流之间的相位差增大。

4.3 启动特性图7反映了直线压缩机的启动特性。

从图7可知,当压缩机以不同的导通角启动时,其启动电流和电压波形不同。

大导通角启动时,启动电流小;反之,则启动电流大,容易发生撞缸现象。

因为,在压缩机启动时,其工作载荷小,当以小导通角启动时,加给系统的能量瞬时增大,导致活塞行程急剧增大,活塞顶端容易撞缸。

因此,直线压缩机启动时,应该以大导通角启动,待系统稳定后,改变导通角直至活塞行程达到用户需求。

图5 定导通角(60 )、定排气压力(0.4M P a )下,压缩机的电压、电流波形图6 定排气压力(0.4M Pa )、不同导通角下,压缩机的电压波形(a ) 导通角为124 (b) 导通角为97 (c) 导通角为68图7 不同导通角启动时,压缩机的电流和电压波形5 结论(1)在排气压力一定时,压缩机活塞的上死点位移和行程受导通角的影响,随着导通角的增大而减小。

因此,可以通过控制三端双向可控硅的导通角来控制活塞位移,从而调节压缩机的排气量,实现变容量调节。

(2)在电压波形中存在一段突变电压,其为直线电机线圈上产生的感应电动势。

在一定排气压力下,其随导通角的增大而向电压峰值方向移动,其与电流之间的相位差在增大。

(3)压缩机的启动电流随着导通角的增大而减小。

为了避免活塞在启动时撞缸,应该以大导通角启动,待系统稳定后,改变导通角直至活塞行程达到用户需求。

(下转第5页)同的分布趋势。

图10改进前后风机全压曲线比较图11 改进前后风机内效率曲线比较作者分析这可能是由于变型线后蜗壳更适应设计工况的流动要求,而对大流量工况,由于蜗壳型线进行了收缩修正,使得蜗壳内的流速增幅较大,导致与流速平方成正比的流动损失包括摩擦、冲击等损失明显增大。

由于在实际应用中,风机总是以设计工况运行为主,所以虽然在大流量下性能略有降低,但不影响对风机运行性能的提高。

5 结语应用计算流体动力学方法,对离心风机整机进行了三维、可压缩湍流流动的数值模拟,通过比较风机计算与试验结果的性能曲线,验证了数值模拟的可靠性和准确性。

通过分析风机内部包括相对速度矢量、压力分布等流动参数的变化,针对流动存在问题,采用变蜗壳型线的办法达到了改善离心风机内部流动性能的目的。

更进一步的研究工作是在此基础上完善数值与试验研究,明确蜗壳对风机流动性能的影响规律。

参考文献[1] 李庆宜.通风机[M ].武汉:华中工学院,1992.[2] V an D oor m a l J P ,R athby G G.Enhance m ent of theS I M PLE me t hod for pred icti ng incompressi b le fl u i d flo w s[J].Num erical H ea t T ransfer ,1984,7:147163.[3] 陶文铨.数值传热学[M ].西安:西安交通大学出版社,2004.[4] L aunder D B .The nu m erical co m putation of turbulentflo w s[J].Com put M ethods A ppl M ech Eng ,1974,3:269 289.作者简介:孙长辉(1979 ),女,硕士生,通讯地址:300072天津市天津大学机械工程学院力学系。

(上接第8页)参考文献[1] 何志龙.永磁直线电机驱动的压缩机理论分析及实验研究[D ].西安:西安交通大学,2003.[2] L a m antia M,Contarni A,G ovanni S .N u m er ica l andExper i m enta l A nalysis o f a L i near Compresso r [A ].Ja m es E Braun .16th Interna ti ona l Com pressor Eng i neering Conference [C ].U S :Purdue U n i v ,2002.C23 2.[3] LG 电子株式会社.用于控制线性压缩机活塞位置的装置和方法[P ].中国.发明专利,N o .00818510.7.2003.[4] Sunpower Inc ,A thens O h i o .M ethod and apparatus f o rm easuri ng pist on positi on i n a free p i ston co m preso r [P ].U S .P atent ,N o .5496153.1996.[5] 叶云岳,卢琴芬,范承志,等.直线电机技术手册[M ].北京:机械工业出版社,2003.92 120.[6] 谭作武,凌金福,恽嘉陵,等.往复电动机[M ].北京:北京出版社,1991.35 48.[7] 王建生.直线电动活塞式压缩机的理论与试验研究[D ].重庆:重庆大学博士论文.1998.作者简介:张金权(1980 ),男,博士研究生,通讯地址:陕西西安市西安交通大学能动学院压缩机研究所。