1、动圈式线性压缩机空载运动特性分析FLUIDMACHINERYVo1.35,No.11,2007文章编号:1005-0329(2007)11-0034-03动圈式线性压缩机空载运动特性分析谢英柏,桂良明,徐周璇,黄秀芝(华北电力大学,河北保定 071003)摘要:为掌握线性压缩机的启动特性,以动圈式线性压缩机为例 ,建立了系统的运动方程,得到空载系统的开环与闭环传递函数,并运用 Mathb 软件进行空载系统的稳定性 ,时域和频域等特性的分析.结果表明,空载的动圈式线性压缩机总体上是稳定的,启动特性快,但是它的超调量过大,需要适当增加阻尼比以降低超调量.关键词:线性压缩机;动圈式;空载特性;阻尼,
2、中图分类号:TB652 文献标识码:AAnalysisoftheNo-loadMovingCharacteristicoftheMovingCoilLinearCompressorXIEYing-bai,GUILiang-ming,XUZhouxuan,HUANGXiuzhi(NorthChinaElectricPowerUniversity,Baeding071003,China)Abstract:Amovingcoillinearcompressoristakenforanexampletofindthelinearcompressorsno-loadcharacteristic.Theo
3、penloopandclosedlooptransferfunctionsofthesysteminnoloadconditionareobtainedderivedfromtheequationofsystemmotion.TheMatlabsoftwareisappliedtoanalyzethestability.timedomainandfrequencydomainofthesystem.Resultindicaresthatthemovingcoillinearcompressorisalmoststableatnoloadstage,andthecharacteristicofs
4、taringisrelativefast,buttheovershootisrelativehigh,andthedampingratioshouldbeincreasetolowertheovershoot.Keywords:linearcompressor;movingcoil;noloadcharacteristic;damp1 前言压缩机是冰箱的心脏,能耗占电冰箱总能耗的 80%85%.因此压缩机性能好坏直接影响冰箱的耗电量.当前冰箱使用的压缩机绝大多数为,活塞式压缩机,采用旋转电机驱动,通过【珏 j 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低,例如,全封闭冰箱压缩机的
5、输入功率只有 30%50%得到利用.线性压缩机采用直线电机驱动,按驱动方式可分为:动圈式,动磁式和动铁式三种.由于无【珏 j轴连杆机构,线性压缩机的结构紧凑,且实际运行表明其能效远高于传统的活塞式压缩 J.随着节能与环保意识的提高,新能效标准的推行,以及工质替代的迫切需求,人们开始考虑使用直线电机驱动的线性压缩机代替原来的活塞式收稿日期:2007o427 修稿日期:20070709基金项目:华北电力大学校内基金(93102011)压缩机.活塞行程可变是线性压缩机的特点之一,使压缩机易于在压差下启动和根据负荷需要进行相应调整.活塞行程的变化引起了压缩机的压比,余隙及止点位置的变化,这方面国内外研
6、究较少为了保证系统能高效,稳定地运行,本文以动圈式线性压缩机为例,通过建立运动方程,对空载系统的稳定性,时域和频域进行分析.2 动圈式线性压缩机运动分析图 1 为动圈式线性压缩机结构简图.它采用永久磁铁励磁,当交变电流通过线圈时,在磁场作用下,线圈产生交变轴向力,推动活塞作轴向往复运动,达到压缩气体的目的.这种压缩机具有结构简单,惯性小,启动电流低和成本低等特点,有较强的发展前景 J.2007 年第 35 卷第 11 期流体机械 35图 1 动圈式线性压缩机结构示意对图 1 所示的系统,其机械系统方程为 J:警+c 警+=删一 Ap(1)电磁系统方程为:u=+BId一十 XRI(2)式中一运动
7、线圈和活塞的质量,kg活塞位移,m时间,sC粘滞阻尼系数,N?s/m弹簧弹性系数,kN/mB磁感应强度,T卜_电流强度,AZ线圈长度,m一线圈电感,H活塞面积,mp工质压力的变化,Pa电压,V电阻,Q根据文献5, 可取 M=0.3kg,C=7N?s/m,K=7.365kN/m,B=0.25T,Z=42m,L=0.0165H,R=412.上式中,Ap 属于扰动变量,因为只对系统的空载特性进行研究,故不予考虑.由上可知,系统是电磁系统和机械系统综合体,其中电压 u 为输入变量,位移为输出变量.经过拉普拉斯变换,可得到系统的开环传递函数:C(s)=Bl/MLs+(MR+CL)s+(C+B+Lk)s+
8、RK(3)式中 G(s)开环传递函数s复频率一个系统的全部性质都取决于其闭环传递函数,系统的闭环传递函数:(s)=式中咖(S)闭环传递函数日(s) 反馈环节,其值取 1闭环传递函数进一步可表示为:Bo(sf)咖(s)=一:虚(s+P)审(s+2+)式中日.高次项系数比系统闭环零点Pi系统的实极点阻尼比无阻尼振荡频率3 空载特性分析(4)(5)3.1 时域分析3.1.1 稳定性分析稳定性取决于其极点.动态性能既取决于极点,也与零点有关.极点决定系统固有运动属性,其位置决定运动模态的稳定性和快速性.当极点具有负的实部或为负实数时,对应的模态一定是收敛的.计算式(4)可知,系统有一个实极点 P,=一
9、171.09 和一对实部为负的共轭复根(极点)s,=一 36.83182.84i,由于系统的所有闭环极点都具有负实部而位于左半 s 平面,系统时间响应的暂态分量都将随时间的增长而趋于零,可判断系统是稳定的.3.1.2 时域响应图 2 为空载系统的阶跃响应,该系统属于三阶系统.彳,皇j 磐6O0,075时间 fs)图 2 空载系统的阶跃响应曲线示意系统的峰值 Y=0.000469,延迟时间 td=0.0109s,36FLUIDMACHINERYVo1.35,No.11,2007上升时间 t=0.0201s,峰值时间 t=0.0244s,调节时间 t=0.1s,超调量%=31.37%.系统具有如下
10、特点:(1) 由 tt,f.,反应了系统的启动快速性好;(2) 超调量与阻尼比有关 ,说明了系统阻尼程度适中,系统响应的平稳性比较满意.3.2 根轨迹分析图 3 是空载系统的根轨迹曲线,因为系统不存在零点,随着闭环增益趋于无穷大,由两个对称极点出发的两条根轨迹曲线,从左半 S 平面出发,与虚轴相交并进入右半 S 平面,趋于无穷远处,不会发生相遇;系统的另一条根轨迹分支从左半 S 平面的副实轴上的极点出发,并趋向于无穷远.此图说明,在系统闭环增益 K=2.1210下,系统的一对共轭根必在左半平面的两条根轨迹曲线上;当超过 2.7110 后,此系统将会变得不稳定.图 3 空载系统的根轨迹曲线3.3
11、 频域分析频率特性是线性系统或环节在正弦函数的作用下,稳态输出与输入复数符号之比对频率的关系特性,它表征了系统的运动规律.由于此三阶系统存在一对共轭复数闭环主导极点,可近似处理为二阶系统.图 4 是系统的伯德图(上图为对数幅频,下图为对数相频),其谐振频率,=187rad/s,阻尼比=0.197.对数幅频特性表达式:22()=201g(1 一)+4(6)t-Ont_O当 09OJ 时,L(t.O)64.1dB;当时,() 401goJ/o).该二阶环节的交接频率为,幅频特性在谐振频率处有峰值.峰值大小取决于阻尼比,越小,峰值及谐振频率越高,动态响应的超调量也变大,从而影响系统的相对稳定性.咖
12、j一0图 4 空载系统的波德示意空载系统的对数相频特性表达式为:):一 arctan(7)1 一叫/(,n,当=0 时,有 (t_O)=0.;当=时, 有():一 138.;当_时,有(t_O)= 一 180.阻尼比的大小会影响(t_O)在 t_O=t_O 邻域的角度变化率,阻尼比越小,变化率越大.从图 4 可知,谐振峰值和相角变化率都较为合理,则系统的阻尼程度可以接受,与时域分析中的结论是一致的.奈奎斯特稳定判据可以根据开环频率特性判断闭环系统稳定性,如图 5 所示.4dB,0dB0aB,L2dB,一一_r-B.,.,6dB,/,/一晶 lO,dB,-,/,S,r,_-iOd,:产 2odB
13、2QdB.:/i/I, 一.,一.一一一,.一,_一,.,.-0.3实轴图 5 空载系统的奈奎斯特曲线示意因为开环系统是稳定的,根据闭环系统稳定的充要条件,当由 O 一时,奈氏曲线不包围(一 1,0)点,其相角变化量为 0,闭环系统特征方程式的根必全部在左半 S 平面,故闭环系统稳定.进一步从频域方面验证了系统的稳定性.(下转第 58 页)58FLUIDMACHINERYVo1.35,No.11,2007另外分析实验结果发现,当室外温度升高时,压比升高,过冷度不足引起冷量下降,因为高温下,通过热力膨胀阀的制冷剂干度大(通过实验分析大约为 26%),即刚通过节流就有接近四分之一的制冷剂闪发掉了,
14、从而降低了制冷量.从膨胀阀的不同开度对制冷量测试结果的影响可以得到:调试空调器时,热力膨胀阀静态开度控制不当不仅使制冷量减少,而且现场观测显示压缩机外壳有凝水.即此时尽管存在过热度,但是压缩机仍可能产生“液击 “现象.5 结论(1)高温行车空调器设计中,应合理选择设计的蒸发温度和冷凝温度及过热度,过冷度.蒸发器设计中,空气处理的焓差一般取 3kcal/kg 千为宜,调试中热力膨胀阀静态开度在 812 圈为宜;(2)在冷凝器出口设置过冷装置比如加回热器等,通过增大过冷度提高制冷量;(3)在环境温度高于 90%时,采用蓄冷装置供冷,使空调器实现蒸汽压缩制冷与蓄冷供冷之问的自动切换.在常规温区空调器
15、正常工作,除了提供室内冷量外还负责蓄冷;(4)利用喷液阀改善压缩机出口温度以及冷凝温度达到改善高温工作性能的目的.总之,高温行车空调器的设计和制造还有许多方面有待改进,包括空调器整机和部件的优化匹配,以及工艺技术方面的提高等,可以考虑将计算机仿真技术引入行车空调器的开发研制过程,这方面还有许多工作要做.参考文献1张连,金晓吕 .1t22/R142b 用于高温空调的实验研究J. 低温工程,1993:58-60.2陆甘华,茅清希 ,吴利瑞.某大型钢铁企业炼钢车间行车电气室空调系统现状的调查研究J.建筑热能通风空调,2002,(6):12 14.3丁国良,张春路 ,赵力.制冷空调新工质热物理性质的计算方法与实用图表M.上海:上海交通大学出版社,2003.4吴业正.小型制冷装置设计指导M.北京:机械工业出版社,2001.5房间空调器s.GB/T77252004.6单元式空调器s.GB/T177582004.作者简介:王 1982.),男,硕士研究生,通讯地址:200093上海市军工路 516 号上海理工大学动力学院制冷技术研究所.(上接第 36 页)
