压缩机电机

第!"卷第#期$%%&年#月

浙!江!大!学!学!报!

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基金项目#浙江省嘉兴市科技厅资助项目>

作者简介#李志海""E #"G #$男$湖南郴州人$博士生$从事直线压缩机研究>:H I ,3-%7<31+8378701+4

!7(0)><(I 通讯联系人%郑水英$女$教授>:H I ,3-%C 01+470)393+4!C 2

)>1D )><+>直线压缩机驱动电机功率因数的分析

李志海!郑水英!吴荣仁

"浙江大学化工机械研究所$浙江杭州K "%%$&

#摘!要#为了确保电机具有高的功率因数和良好的工作性能$通过理论计算和实验研究分析了直线压缩机驱动电机功率因数的几个重要影响因素$如角频率比&阻尼比>数学模型包含了机械系统&电磁系统以及压缩气体的热力学系统$为简化计算$对该模型进行了线性化处理>计算和实验结果显示$工作频率和阻尼比是最重要的影响因素>当电机工作频率位于机械系统共振频率附近时$功率因数具有极大值$随着阻尼比的增加$高功率因数区域变大>空载和带负载条件下的实验结果与理论分析基本一致’最高功率因数都在%>E A 以上>关键词#直线压缩机(功率因数(直线电机(冰箱压缩机

中图分类号#L \!F &!!!!!文献标识码#@!!!!!文章编号#"%%#E &K N "$%%&#%#"!%%%K

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.*1X )1+<9,+DD ,I W 3+4*,83(B 1*1801I (783I W (*8,+81..1<8.,<8(*7(801I ,J 3I )I W (B 1*.,<8(*B ,7(U H 8,3+1DB 01+(W 1*,83+4.*1X )1+<9B ,7+1,*801I 1<0,+3<,-*17(+,+8.*1X )1+<9(0340W (B 1*.,<8(*71<83(+B ,71+-,*41DB 3803+<*1,73+4D ,I W 3+4*,83(>L 011J W 1*3I 1+8,-*17)-87,4*11DB 1--B 380801,+,-983<,-7(-)H 83(+7B 01+801W 378(+B ,7B 380-(,D(*B 380()8>@--801034

0178W (B 1*.,<8(*7B 1*1,U (61%>E A >9"4:*&-$%-3+1,*<(I W *177(*(W (B 1*.,<8(*(-3+1,*I (8(*(*1.*341*,8(*<(I W *177(*!!直线压缩机最初用于空间技术中的微型低温制

冷机$目前已在多方面得到应用>韩国已经将其应用于制冷压缩机$开发了采用直线压缩机的c R P ;"D 1H

-)J 1$3+81--341+8$(W

83I )I,+D 73-1+8#冰箱)"*

>由于直线压缩机没有曲柄连杆机构$活塞受到的径向力和摩擦力都大大减小$压缩机的整体效率得到了提

高$电机的效率达到了E $Z )$*

$直线压缩机效率比曲轴压缩机提高了$%Z )K *(

另外直线压缩机活塞的行程随着输入电压的变化而变化$压缩机的启动和

容量调节都很容易$因此电机频繁启动造成的启动损耗也相应减少>根据Y S "Y )<[9S (-D 78,*$目前是韩国第三大公司#的实验数据$K %%Y 的冰箱采用直

线压缩机电能消耗总体可以减少$F Z )K *

>

功率因数是电机的一个重要指标$提高功率因数可以充分利用电源容量$在相同的功率条件下可以减小线路中的电流$

从而减少铜耗铁耗>本文以动圈式直线压缩机为例$分析了影响功率因数的因素$并通过实验进行验证>

"!电机结构

图"为动圈式振荡直线压缩机!该直线压缩机内轭铁内部装有气缸!外轭铁在内轭铁的外部!并与内轭铁之间形成一个气隙"

线圈支架插入内#外轭铁形成的气隙中!线圈缠绕在线圈支架上"一对共振弹簧使线圈组件在内#外轭铁形成的气隙中连续地进行共振运动"

吸排气阀组件安装在内轭铁上!用于控制活塞往复运动时的吸#排气>

工作原理$当向线圈中通入交流电时!线圈组件受到周期性电磁力作用进行往复运动!连接在线圈组件上的活塞便在气缸内部作直线往复运动!使由气缸#活塞#阀组组成的压缩腔周期膨胀压缩!于是制冷剂气体便通过进气阀片进入压缩腔!经过压缩后又排出>

以上工作过程反复进行>

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12

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(式中$?’.(为活塞顶端离开坐标原点的距离!I ".为时间!7"8为运动质量!包括线圈#线圈支架#活塞#")K 弹簧质量![4":为活塞运动过程的线性阻尼系数!主要包括摩擦阻尼和电磁阻尼!?*7)I "O 为弹簧刚度!?)I "%1为气隙处的磁感应强度’磁通密度(!L "I 1为磁场有效作用范围内的线圈长度!

I "I 为线圈的自感系数!\"&’.

(为线圈内通过的电流强度!@"W )’.(为气体力!?"D 为动子线圈的电阻!/"5’.(为输入电压!=!

空载条件下的活塞不受气体力!即W 4’.(b%!同时以安装位置为原点!即[7b%!代入系统方程’"

(!可得空载条件下的系统方程!空载条件系统是线性的!当输入电压5’.(是正弦时!输出也是正弦!只是存在相位差!可假设$

5’.(b **73+’*

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(7’*.(!令/b I *%)D ""b <$1I $

1)’8D *%(

!求解空载条件下系统方程可以求得功率因数#表达式为

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(式中$,为阻尼比!,b ))*%b ’:)$8()*%b :)’$$8O (!其中*%b O )$8"-为角频率比!-b *)*%!

从式’$(可以得到功率因数#b 9’-!,!"!/(

!分析#可得!当!,$

G $G ")/*%#$,a "*’"a ")/(

时!功率因数取得最大值’#b "

(!此时-8"!$b

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K (功率因数有两个极值’如图$(!极值"在-b "!%附近!此时表示机械系统处在共振!此处附近为电机的

工作区域"极值$在-b ’’/a "()/(

"

$附近!此时的物理意义是产生相同的位移需要最小电压所对应的角频率比!是机械系统和电磁系统耦合共振时对应的角频率比!虽然电压很小!但是电流很大!电机不应该工作在此处!同时从式’K (中可以得到极值时的频率比只与,和")/有关!分析#b 9’-!,!"!/(

可以得到!阻尼比,越小!