基于RC负载法的线性压缩机PV功输出反馈特性研究.docx

? ? 基于RC负载法的线性压缩机PV功输出反馈特性研究 ? ? 黄天亮，王小军，闫春杰，许国太，罗新奎 （兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000） 0 引言 线性压缩机驱动的斯特林制冷机在航天、军事等领域红外探测器系统中有十分广泛的应用[1～3]。线性压缩机驱动的斯特林制冷机采用了板弹簧和间隙密封技术，因而具有寿命长、可靠性高等优点。航天用斯特林制冷机一般采用分置型对置式结构，对置式压缩机能够极大地减小斯特林制冷机的振动[4]。分置型斯特林制冷机包括压缩机和膨胀机两部分。压缩机和膨胀机的合理匹配是提高斯特林制冷机效率的主要研究方向之一。压缩机对膨胀机输出的PV功是评价压缩机性能的重要指标，在研究压缩机和膨胀机之间的匹配问题时，首先必须测量PV功与输入电功的比值——电声转换效率。 目前，测量直线电机出口处PV功的方法主要有两种：（1）利用位移传感器直接测量活塞端面位移，计算得到出口处PV功；（2）利用RC负载法间接测量线性压缩机出口处的压力波，计算得到PV功。由于线性压缩机活塞与缸体之间为间隙密封，同时存在空容积，在活塞端面运动工况下测得的PV功与实际出口处的PV功存在20%～40%的间隙密封损失差[5]。RC负载法是从声功角度出发，将质量流等效为电流，压力波等效为电压，在膨胀机进口端，制冷机内部的质量流相位始终领先压力波，从而将膨胀机简化为电阻和电容两个部分，通过计算获得压缩机出口处PV功。甘智华等[6-7]对用两种方法测量的结果进行了比较，认为RC负载法测量装置更简单，测量范围广泛，准确度更高。王龙一[8]使用RC负载法成功地指导了脉管制冷机压缩机与回热器的匹配。何海琴等[9]在RC负载法中考虑了间隙损失，使结果更加准确。 本文首先对线性压缩机进行电压平衡和受力平衡分析，用复向量的形式，直观地表现负载对压缩机运行参数的影响；再采用RC负载法，试验测量压缩机出口处的PV功，并对已知的压缩机运行参数（频率、阻抗、容抗、输入电功）对PV功的影响进行分析。 1 理论分析 1.1 线性压缩机电压平衡与受力平衡分析 对置式线性压缩机驱动膨胀机模型简图[10]如图1所示，图的左半部分为动圈式线性压缩机，右半部分为简化的膨胀机模型。 图1 线性压缩机驱动的气动型斯特林制冷机模型简图Fig.1 Linear compressor driven pneumatic Stirling refrigerator model diagram 直线电机受电压平衡方程和受力平衡方程控制，电压平衡方程： 式中：V为输出交流电压；Re为压缩机线圈电阻；I为输出电流；j为虚数；ω为压缩机运行的角频率；α为电机比推力；Le为线圈电感；u1为活塞运动速度；u2为膨胀机排出器运动速度。 斯特林制冷机中的参数大都以正弦函数的形式表达，将正弦函数转换为复向量的形式[11]能够直观地显示出各个参数之间的关系。以电流方向为实轴方向，压缩机的电压平衡方程在极坐标上的表示如图2所示。 图2 电压平衡向量图Fig.2 Voltage balance vector diagram 图中，Ψ为电源功率因子；β为电流领先活塞速度的相位角。 从式（1）可以看出，电源电压由三部分组成：活塞运动产生的动生电动势、线圈的电感电压和电阻分担的电压。Radebaugh等[12]指出，从电压平衡向量图可以大致看出一台压缩机是否高效。压缩机的声功效率可以表示为声功PV与电功e的比值，而声功PV等于活塞机械功m减去阻尼耗散d，电功等于机械功m加上焦耳热。压缩机声功效率可以表示为： 压缩机运行效率较高时，cosβ趋近于1，此时|I|Re/αu1的值决定了压缩机是否高效。而活塞运动速度与相位角的变化会影响输入电流与功率因子的大小。以活塞位移方向为实轴方向，对压缩机进行受力分析，如图3所示。 图3 活塞受力分析图Fig.3 Force analysis diagram of piston 活塞受力平衡关系式： 式中：FLM为电驱动力；FI为惯性力；Fc为机械阻力；Fd为风阻力；FS为弹簧力；Fp为压缩腔动态压力；Fb为背压腔压力。 图4中φ为活塞出口处质量流领先压力波的相位角。基于试验的典型值，当斯特林型制冷机φ为45°到50°时，压缩机和负载的耦合特性较好。图4中，压缩机的PV功体现为压缩腔压力向量的模量。对于输出同样的PV功，当电机驱动力最小时，输入电功最小，此时效率最高（谐振状态），即β=0。 图4 活塞受力分析矢量图Fig.4 Piston force analysis vector diagram 总之，压缩机负载的变化会反馈到输入电源的电流、电压与功率因子的变化上；压缩机电功转换效率最高时，对应工作频率下的输入电流为最小值。 1.2 RC负载法分析 对置式线