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Prioritäten:
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- Rep. of Korea (KR); 6. Mai 2005; 10-2005-0038133
- Rep. of Korea (KR); 6. Mai 2005; 10-2005-0038136
- Rep. of Korea (KR); 6. Mai 2005; 10-2005-0038137
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
des Betriebs eines Hubkolbenkompressors.
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Ein
Hubkolbenkompressor wird durch einen eine lineare Hin- und Herbewegung
ausführenden
Elektromotor ohne Kurbelwelle zum Umwandeln einer Drehbewegung in
eine Linearbewegung betrieben, und er verfügt über geringe Reibungsverluste,
so dass er mit höherer
Kompressionseffizienz als andere Kompressoren arbeiten kann.
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Wenn
ein Hubkolbenkompressor z. B. für
einen Kühlschrank
oder eine Klimaanlage verwendet wird, kann sein Kompressionsverhältnis variiert
werden, um die Kühlleistung
zu steuern, wozu eine an seinen Linearantriebsmotor angelegte Spannung
variiert wird.
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Nun
wird eine herkömmliche
Steuerungsvorrichtung für
einen Hubkolbenkompressor unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben,
die ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen des Aufbaus dieser Steuerungsvorrichtung
ist.
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Wie
es aus der 1 erkennbar
ist, verfügt
die herkömmliche
Steuerungsvorrichtung für
einen Hubkolbenkompressor 6 über einen Stromdetektor 4 zum
Erfassen eines Stroms, der dem Motor (nicht dargestellt) des Hubkolbenkompressors
zugeführt
wird; einen Spannungsdetektor 3 zum Erfassen einer an den
Motor angelegten Spannung, eine Hubberechnungseinrichtung 5 zum
Berechnen eines Hub-Schätzwerts
für den
Hubkolbenkompressor auf Grundlage der erfassten Werte für den Strom
und die Spannung sowie eines Motorparameters, einen Komparator 1 zum
Vergleichen des berechneten Hub-Schätzwerts und eines Vorgabe-Hubwerts
und zum Ausgeben eines dem Vergleichsergebnis entsprechenden Differenzwerts,
und eine Hub steuerung 2 zum Steuern des Betriebs (des Hubs)
des Hubkolbenkompressors 6 durch Variieren der an den Motor angelegten
Spannung entsprechend dem Differenzwert.
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Nun
wird der Betrieb der Steuerungsvorrichtung für den Hubkolbenkompressor beschrieben.
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Zunächst erfasst
der Stromdetektor 4 den dem Motor des Hubkolbenkompressors 6 zugeführten Strom,
und er ergibt den erfassten Stromstärkewert an die Hubberechnungseinrichtung 5 aus.
Dabei erfasst der Spannungsdetektor 3 die an den Motor
angelegte Spannung, und er gibt den erfassten Spannungswert ebenfalls
an die Hubberechnungseinrichtung 5 aus.
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Die
Hubberechnungseinrichtung 5 berechnet einen Hub-Schätzwert X
für den
Hubkolbenkompressor 6 durch Einsetzen des erfassten Stromstärkewerts,
des erfassten Spannungswerts und des Motorparameters in die unten
angegebene Gleichung (1), um dann diesen Hub-Schätzwert X an den Komparator 1 zu
liefern: X = (1/α)∫(VM – Ri – Li -)dt (1)wobei R der
Motorwiderstand des Hubkolbenkompressors ist, L die Induktanz des
Motors ist, α eine
Motorkonstante ist, VM der Wert der an den
Motor gelegten Spannung ist, i die Stärke des dem Motor zugeführten Stroms ist
und i die zeitliche Änderungsrate
des dem Motor zugeführten
Stroms ist, d.h. der Differenzierwert (di/dt) zu i.
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Anschließend vergleicht
der Komparator 1 den Hub-Schätzwert und den vorgegebenen
Hubreferenzwert, und er liefert einen dem Vergleichsergebnis entsprechenden
Differenzwert an die Hubsteuerung 2.
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Die
Hubsteuerung 2 steuert den Hub des Hubkolbenkompressors 6 durch
Variieren der an seinen Motor angelegten Spannung auf Grundlage
des Differenzwerts.
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Die 2 ist ein Flussdiagramm
eines bekannten Verfahrens zum Steuern des Betriebs eines Hubkolbenkompressors.
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Als
Erstes berechnet die Hubberechnungseinrichtung 5 den Hub-Schätzwert für den Hubkolbenkompressor 6 auf
Grundlage des erfassten Stromstärkewerts,
des erfassten Spannungswerts und des Motorparameters, und sie liefert
den berechneten Hub-Schätzwert
an den Komparator 1 (Schritt S1).
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Der
Komparator 1 vergleicht den Hub-Schätzwert mit dem vorgegebenen
Hubreferenzwert (Schritt S2), und er gibt einen dem Vergleichsergebnis
entsprechenden Differenzwert an die Hubsteuerung 2 aus.
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Wenn
der Hub-Schätzwert
kleiner als der Hubreferenzwert ist, erhöht die Hubsteuerung 2 die
an den Motor des Hubkolbenkompressors 6 gelegte Spannung
(Schritt S3), wohingegen sie andernfalls die angelegte Spannung
verringert (Schritt S4).
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Jedoch
kann die herkömmliche
Steuerungsvorrichtung für
einen Hubkolbenkompressor den Hub-Schätzwert auf Grund des Motorparameters
des Hubkolbenkompressors und eines mechanischen Fehlers desselben
nicht genau berechnen, so dass der Betrieb (der Hub) des Hubkolbenkompressors 6 nicht
genau gesteuert werden kann.
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Demgemäß bestehen
bei der Vorrichtung und beim Verfahren zum Steuern des Betriebs
eines Hubkolbenkompressors gemäß dem Stand
der Technik Probleme dahingehend, dass der Betrieb (der Hub) des Hubkolbenkompressors
nicht genau gesteuert werden kann, da der Hub-Schätzwert auf
Grund des Motorpara meters des Hubkolbenkompressors und des mechanischen
Fehlers desselben nicht genau berechnet werden kann.
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Die
Dokumente US-A-6,779,982 und US-A-6,746,211 offenbaren ebenfalls
herkömmliche
Steuerungsvorrichtungen für
Hubkolbenkompressoren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Hubkolbenkompressors zu
schaffen, mit denen der Betrieb (der Hub) eines Hubkolbenkompressors
unabhängig
von einem Parameter eines Antriebsmotors für den Hubkolbenkompressor und
eines mechanischen Fehlers des Hubkolbenkompressors genau gesteuert
werden kann.
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Diese
Aufgabe ist durch die Steuerungsvorrichtung gemäß dem beigefügten Anspruch
1 und die Verfahren gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen 7,
12, 15 und 16 gelöst.
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Bei
der Erfindung wird ein Punkt ausgenutzt, zu dem ein Auslassventil
des Hubkolbenkompressors öffnet.
Dadurch kann der Hubkolbenkompressor immer genau gesteuert werden,
auch dann, wenn die für
eine spezielle Last benötigte
Kompressionsleistung variiert wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von durch Figuren veranschaulichten
Ausführungsformen
näher erläutert.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer bekannten Steuerungsvorrichtung
für einen
Hubkolbenkompressor zeigt;
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2 ist
ein Flussdiagramm eines bekannten Steuerungsverfahrens für einen
Hubkolbenkompressor;
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3 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Steue rungsvorrichtung für einen
Hubkolbenkompressor gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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4 ist
ein Kurvenbild zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Erfassen
der Hubphase bei einer Ausführungsform
der Erfindung;
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5 ist
ein Kurvenbild zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Erfassen
der Stromphase bei einer Ausführungsform
der Erfindung;
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6 ist
ein Kurvenbild zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Berechnen
einer Phasendifferenz zwischen einem Hub und einem Strom gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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7 ist
ein Flussdiagramm eines Steuerungsverfahrens für einen Hubkolbenkompressor
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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8 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Steuerungsvorrichtung für einen
Hubkolbenkompressor gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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9 ist
ein Flussdiagramm eines Steuerungsverfahrens für einen Hubkolbenkompressor
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung;
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10 ist
ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Steuerungsvorrichtung für einen
Hubkolbenkompressor gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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11 ist
ein Flussdiagramm eines Steuerungsverfahrens für einen Hubkolbenkompressor
gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung.
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Nun
werden unter Bezugnahme auf die 3 bis 11 eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Hubkolbenkompressors
beschrieben, mit denen der Betrieb (der Hub) eines Hubkolbenkompressors
unabhängig
von einem Parameter eines Antriebsmotors des Hubkolbenkompressors
und einem mechanischen Fehler des Hubkolbenkompressors durch Ermitteln
eines Hub-Schätzwerts
entsprechend dem Punkt, zu dem ein Auslassventil des Hubkolbenkompressor öffnet, als
Hubreferenzwert und durch Steuern einer an den Hubkolbenkompressor
angelegten Spannung entsprechend dem bestimmten Hubreferenzwert
gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung genau gesteuert werden kann.
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Wie
es aus der 3 ersichtlich ist, verfügt die dort
dargestellte Steuerungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung über
Folgendes: einen Stromdetektor 17 zum Erfassen eines Stroms, der
einem Motor (nicht dargestellt) eines Hubkolbenkompressors 16 zugeführt wird;
einen Spannungsdetektor 15 zum Erfassen einer an den Motor
gelegten Spannung; eine Hubberechnungseinrichtung 14 zum
Berechnen eines Hub-Schätzwerts
für den
Hubkolbenkompressor 16 auf Grundlage der erfassten Strom-
und Spannungswertes wie eines Motorparameters; einen Komparator 12 zum
Vergleichen des Hub-Schätzwerts
und eines Hubreferenzwerts und zum Ausgeben eines Differenzwerts
entsprechend dem Vergleichsergebnis; einer Hubsteuerung 13 zum
Steuern des Betriebs (des Hubs) des Hubkolbenkompressors 16 durch
Variieren der an den Motor gelegten Spannung entsprechend dem Differenzwert;
einem Phasendifferentdetektor 19 zum Erfassen der Phasendifferenz
zwischen dem Hub und dem Strom des Hubkolbenkompressors 16 auf
Grundlage der Hub-Schätzwerte
und der Stromstärkewerte
während
einer Periode; einem Wendepunktdetektor 18 zum Erfassen
des Wendepunkts der Phasendifferenz und zum Ausgeben eines Wendepunkt-Erkennungssignals;
und einer Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 zum Ermitteln
eines Hub-Schätz werts
entsprechend einem Punkt beim Erfassen des Wendepunkts auf Grundlage
des vom Wendepunktdetektor 18 ausgegebenen Wendepunkt-Erkennungssignals
als Hubreferenzwert und zum Ausgeben desselben an den Komparator 12.
Hierbei bedeutet der Wendepunkt den Punkt, zu dem die Phasendifferenz
zwischen dem Hub und dem Strom zunimmt, nachdem sie zuvor abnah,
d.h. den Punkt, an dem die Steigung wechselt. Der Hub bedeutet die
Position eines Kolbens (nicht dargestellt) des Hubkolbenkompressors,
wenn sich dieser hin- und herbewegt.
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Nun
wird der Betrieb der Steuerungsvorrichtung für den Hubkolbenkompressor gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung detailliert beschrieben.
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Als
Erstes erfasst der Stromdetektor 17 den dem Motor des Hubkolbenkompressors 16 zugeführten Strom,
und er gibt den erfassten Stromstärkewert an die Hubberechnungseinrichtung 14 und
den Phasendifferenzdetektor 19 aus. Dabei erfasst der Spannungsdetektor 15 die
an den Motor angelegte Spannung, und er gibt den erfassten Spannungswert
an die Hubberechnungseinrichtung 14 aus.
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Die
Hubberechnungseinrichtung 14 berechnet auf Grundlage der
Strom- und Spannungswerte und eines Motorparameters einen Hub-Schätzwert für den Hubkolbenkompressor 16,
und sie liefert diesen an den Komparator 12.
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Der
Komparator 12 vergleicht den Hub-Schätzwert mit dem Hubreferenzwert,
und er liefert einen dem Vergleichsergebnis entsprechenchenden Differenzwert
an die Hubsteuerung 13.
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Dann
steuert die Hubsteuerung 13 den Hub des Hubkolbenkompressors
durch Variieren der an den Motor gelegten Spannung. Hierbei ist
der Hubreferenzwert derjenige Hub-Schätzwert, der dem Punkt entspricht,
zu dem der Wendepunkt in der Pha sendifferenz zwischen dem Hub und
dem Strom entsteht.
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Das
heißt,
dass der Hubreferenzwert den Punkt bedeutet, zu dem sich ein Auslassventil
des Hubkolbenkompressors 16 öffnet. Demgemäß kann der
Betrieb des Hubkolbenkompressors dadurch genau gesteuert werden,
dass die Hubphase auf Grundlage der Hub-Schätzwerte während einer Periode erfasst
wird, der Wendepunkt der Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem
Strom erfasst wird, der Hub-Schätzwert
(Hubreferenzwert), der dem Punkt entspricht, zu dem der Wendepunkt
auftritt, als Punkt erkannt wird, zu dem das Auslassventil öffnet, und
der voreingegebene Hubreferenzwert auf den Hub-Schätzwert geändert wird.
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Nun
wird das Verfahren zum Erfassen des Wendepunkts in der Phasendifferenz
zwischen dem Hub und dem Strom detailliert beschrieben. Der Fachmann
kann dies durch verschiedene Ausführungsformen bewerkstelligen,
und eine bevorzugte Ausführungsform
wird nun unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 detailliert
beschrieben.
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Als
Erstes erfasst der Phasendifferenzdetektor 19 die Hubphase
auf Grundlage von Hub-Schätzwerten
für eine
Periode, er erfasst die Stromphase auf Grundlage von einer Periode
entsprechenden Stromstärkewerten
und der Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem Strom, und er gibt
die erfasste Phasendifferenz an den Wendepunktdetektor 18 aus.
Zum Beispiel berechnet der Phasendifferenzdetektor 19 den
Winkel zwischen dem Mittelwert von Hub-Schätzwerten kleiner als null und
dem Mittelwert von Stromstärkenwerten kleiner
als null, um die Phasendifferenz zu erfassen.
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Die 4 ist
ein Phasenbild zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Erfassen
der Hubphase im vorliegenden Fall.
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Wie
es aus der
4 ersichtlich ist, überstreicht
ein Winkel Θ vom
Anfang bis zum Ende einer Periode Winkel von 0 bis 360 Grad. Ein
Winkel Θ entsprechend
Hub-Schätzwerten
unter 0 verfügt über Werte
p bis q, und die zugehörige
Nummerierung ist k. Um über
rauschunempfindliche Eigenschaften zu verfügen, ist es bevorzugt, nicht
den mittleren Wert sondern einen Mittelwert zu berechnen. Demgemäß wird die
Hubphase Θ
X durch die folgende Gleichung (2) berechnet:
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5 ist
ein Kurvenbild zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Erfassen
der Stromphase im vorliegenden Fall.
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Wie
es aus der
5 erkennbar ist, liegen für Winkel Θ unter 0
Werte mit der Anzahl p bis q vor, wobei die Anzahl k den Wert n
hat. Demgemäß wird die
Stromphase Θ
i durch die folgende Gleichung (3) berechnet:
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Die 6 ist
ein Kurvenbild zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Berechnen
der Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem Strom im vorliegenden
Fall.
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Wie
es aus der 6 erkennbar ist, erfasst der
Phasendifferenzdetektor 19 die Phasendifferenz Θi,x zwischen dem Hub und dem Strom durch
Berechnen des Winkels zwischen dem Mittelwert von Hub-Schätzwerten
unter 0 und dem Mittelwert von Stromstärkewerten unter 0.
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Danach
erfasst der Wendepunktdetektor 18 einen Wendepunkt (den
Punkt, zu dem die Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem Strom
zunimmt, nachdem sie zuvor abnahm) der Phasendifferenz zwischen dem
Hub und dem Strom, und er gibt ein Wendepunkt-Erkennungssignal an
die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 aus.
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Die
Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 korrigiert den
voreingegebenen Hubreferenzwert auf Grundlage des vom Wendepunktdetektor 18 ausgegebenen
Wendepunkt-Erkennungssignals. Das heißt, sie ermittelt einen Hub-Schätzwert entsprechend
dem Punkt, zu dem der Wendepunkt der erfassten Phasendifferenz zwischen
dem Strom und dem Hub erkannt wird, als Hubreferenzwert, und sie
liefert diesen an den Komparator 12. Zum Beispiel liest
die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 einen zum Ändern des
voreingegebenen Hubreferenzwerts auf den nun bestimmten Hubreferenzwert
verwendeten Korrekturwert aus einer Speichereinheit (nicht dargestellt)
aus, sie addiert diesen zum vorgegebenen Hubreferenzwert, und sie
gibt den Summenwert (Hubreferenzwert) an den Komparator 12 aus.
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Indessen
liefert, wenn kein Wendepunkt der Phasendifferenz zwischen dem Strom
und dem Hub erkannt wird, die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 vorzugsweise
einen zuvor bestimmten Hubreferenzwert an den Komparator 12,
oder sie liefert den vorgegebenen Hubreferenzwert an ihn.
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Nun
wird das Verfahren zum Steuern des Betriebs des Hubkolbenkompressors
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die 3 bis 7 detailliert
beschrieben.
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Gemäß dem Flussdiagramm
der 7 erfasst der Stromdetektor 17 den an
den Motor des Hubkolbenkompressors 16 gelieferten Strom,
und er gibt den erfassten Stromstärkewert an die Hubberechnungseinrichtung 14 und
den Phasendifferenzdetektor 19 aus. Gleichzeitig erfasst
der Spannungsdetektor 15 die an den Motor gelegte Spannung,
und er gibt den erfassten Spannungswert ebenfalls an die Hubberechnungseinrichtung 14 aus
(Schritt S11).
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Die
Hubberechnungseinrichtung 14 berechnet einen Hub-Schätzwert auf
Grundlage der Strom- und Spannungswerte sowie eines Motorparameters,
und sie liefert den berechneten Hub-Schätzwert an den Phasendifferenzdetektor 19 (Schritt
S12).
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Der
Phasendifferenzdetektor 19 erfasst die Hubphase auf Grundlage
der einer Periode entsprechenden Hub-Schätzwerte, er erfasst die Stromphase
auf Grundlage der einer Periode entsprechenden Stromstärkewerte,
er erfasst die Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem Strom, und
er gibt die erfasste Phasendifferenz an den Wendepunktdetektor 18 aus
(Schritt S13).
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Der
Wendepunktdetektor 18 erkennt einen Wendepunkt der Phasendifferenz
zwischen dem Hub-Schätzwert
und dem Strom, um ein Wendepunkt-Erkennungssignal zu erzeugen, und
er gibt dieses an die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 aus
(Schritt S14).
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Die
Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 empfängt das
Wendepunkt-Erkennungssignal vom Wendepunktdetektor 18,
und sie korrigiert den vorgegebenen Hubreferenzwert auf Grundlage
des empfangenen Wendepunkt-Erkennungssignals. Das heißt, dass
die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 den Hub-Schätzwert,
wie er vorliegt, wenn der Wendepunkt der erfassten Phasendifferenz
zwischen dem Strom und dem Hub auftritt, als Hubreferenzwert, und
er liefert diesen an den Komparator 12 (Schritt S15).
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Indessen
liefert die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 dann,
wenn kein Wendepunkt der Phasendifferenz zwischen dem Strom und
dem Hub erzeugt wird, den vorgegebenen Hubreferenzwert an den Komparator 12,
oder wenn ein zuvor bestimmter Hubreferenzwert vorliegt, liefert
sie diesen an den Komparator 12.
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Der
Komparator 12 vergleicht den Hub-Schätzwert und den vorgegebenen
Hubreferenzwert, und er liefert den dem Vergleichsergebnis entsprechenden
Differenzwert an die Hubsteuerung 13 (Schritt S16).
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Wenn
die Hubsteuerung 13 auf Grundlage des Differenzwerts erkennt,
dass der Hub-Schätzwert
kleiner als der vorgegebene Hubreferenzwert ist, erhöht sie die
an den Motor des Hubkolbenkompressors angelegte Spannung (Schritt
S17), während
sie andernfalls die Spannung verringert (Schritt S18).
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Demgemäß kann durch
die Vorrichtung und das Verfahren zum Steuern des Betriebs (des
Hubs) eines Hubkolbenkompressors gemäß der vorliegenden Ausführungsform
unabhängig
von einem Parameter des Antriebsmotors des Hubkolbenkompressors
und einem mechanischen Fehler desselben durch Erfassen der Phasendifferenz
zwischen dem Hub und dem Strom auf Grundlage von Hub-Schätzwerten
des Hubkolbenkompressors und Stromstärkewerten des dem Hubkolbenkompressor
zugeführten
Stroms dadurch genau gesteuert werden, dass der Hub-Schätzwert,
der dem Punkt entspricht, zu dem ein Wendepunkt der Phasendifferenz
erzeugt wird, als Punkt erkannt wird, zu dem ein Auslassventil des
Hubkolbenkompressors öffnet,
und dieser Hub-Schätzwert als
Hubreferenzwert bestimmt wird.
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Außerdem kann
bei dieser Vorrichtung und diesem Verfahren durch Steuern des Hubs
des Hubkolbenkompressors entsprechend dem Hub-Schätzwert,
der dem Punkt entspricht, zu dem der Wendepunkt der Phasendifferenz
auftritt, die Kompressionsleistung des Hubkolbenkompressors entsprechend
einer zuneh menden Last zunehmend erhöht werden, wohingegen die Kompressionsleistung
gleichmäßig verringert
werden kann, wenn die Last kleiner wird. Demgemäß kann der Hubkolbenkompressor
präzise
auf die Kompressionsleistung gesteuert werden, wie sie für eine spezielle
Last benötigt
wird.
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An
Hand des Blockdiagramms der 8 wird nun
der Aufbau einer Steuerungsvorrichtung für einen Hubkolbenkompressor
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Wie
es aus der 8 erkennbar ist, verfügt diese
Steuerungsvorrichtung über
Folgendes: einen Stromdetektor 17 zum Erfassen eines dem
Motor des Hubkolbenkompressors 16 zugeführten Stroms; einen Spannungsdetektor 15 zum
Erfassen der an den Motor angelegten Spannung; eine Hubberechnungseinrichtung 14 zum
Berechnen eines Hub-Schätzwerts
für den
Hubkolbenkompressor 16 auf Grundlage der erfassten Werte
für den
Strom und die Spannung sowie eines Motorparameters; einen Komparator 12 zum
Vergleichen des Hub-Schätzwerts
und eines Hubreferenzwerts und zum Ausgeben des Differenzwerts entsprechend
dem Vergleichsergebnis; eine Hubsteuerung 13 zum Steuern
des Betriebs (des Hubs) des Hubkolbenkompressors 16 durch
Variieren der an den Motor gelegten Spannung entsprechenden dem
Differenzwert; eine Dämpfungskoeffizient-Berechnungseinrichtung 22 zum
Berechnen eines Dämpfungskoeffizienten
auf Grundlage der Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem Strom
sowie des Stromstärkewerts
und des Hub-Schätzwerts;
einen Wendepunktdetektor 21 zum Erfassen eines Wendepunkts
des von der Dämpfungskoeffizient-Berechnungseinrichtung 22 ausgegebenen
Dämpfungskoeffizienten
und zum Erzeugen eines Wendepunkt-Erkennungssignals; und eine Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 zum
Bestimmen des Hub-Schätzwerts,
wie er dem Punkt entspricht, zu dem der Wendepunkt auf Grundlage
des vom Wendepunktdetektor 18 ausgegebe nen Wendepunkt-Erkennungssignals
erkannt wird, als Hubreferenzwert und zum Ausgeben desselben an
den Komparator 12. Hierbei bedeutet der ermittelte Hubreferenzwert
den Punkt, zu dem ein Auslassventil des Hubkolbenkompressors öffnet, und
der Wendepunkt ist der Punkt, an dem der Dämpfungskoeffizient zunimmt nachdem
er zuvor abnahm, d.h. der Punkt, an dem die Steigung wechselt.
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Nun
wird der Betrieb dieser Steuerungsvorrichtung unter Bezugnahme auf
die bereits erläuterte 8 sowie
das Flussdiagramm der 9 näher erläutert.
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Als
Erstes erfasst der Stromdetektor 17 den dem Motor des Hubkolbenkompressors 16 zugeführten Strom,
und er gibt den erfassten Stromstärkewert an die Hubberechnungseinrichtung 14 und
die Dämpfungskoeffizient-Berechnungseinrichtung 22 aus.
Gleichzeitig erfasst der Spannungsdetektor 15 die an den
Motor gelegte Spannung, und er gibt den erfassten Spannungswert
an die Hubberechnungseinrichtung 14 aus (Schritt S21).
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Die
Hubberechnungseinrichtung 14 berechnet einen Hub-Schätzwert auf
Grundlage der Werte für
den Strom und die Spannung sowie eines Motorparameters, und sie
liefert den berechneten Hub-Schätzwert
an die Dämpfungskoeffizient-Berechnungseinrichtung 22 (Schritt
S22).
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Die
Dämpfungskoeffizient-Berechnungseinrichtung 22 erfasst
die Hubphase auf Grundlage von einer Periode entsprechenden Hub-Schätzwerten,
sie erfasst die Stromphase auf Grundlage von einer Periode entsprechenden
Stromstärkewerten,
sie erfasst die Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem Strom (Schritt S23),
sie berechnet einen Dämpfungskoeffizient
auf Grundlage der erfassten Phasendifferenz, des Stromstärkewerts
und des Hub-Schätzwerts
und sie gibt den Dämpfungsko effizient
an den Wendepunktdetektor 21 aus. Das Verfahren zum Erfassen
der Phasendifferenz wurde für
die erste Ausführungsform
detailliert beschrieben, so dass hier eine erneute Erläuterung
weggelassen wird.
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Die
Dämpfungskoeffizient-Berechnungseinrichtung 22 berechnet
den Dämpfungskoeffizient 10 unter Verwendung
der nachfolgenden Gleichung (4): c = (α/ω) × |[(jw)/X(jw)]| × sin(Θi,x) (4)wobei α eine Konstante
für den
Motor des Hubkolbenkompressors ist, ω den Wert 2πf hat (f ist die Betriebsfrequenz),
I(jw) der Strom-Spitzenwert in einer Periode ist, X(jw) der Hub-Spitzenwert
in einer Periode ist und Θi,x die Phasendifferenz zwischen dem Strom
und dem Hub bedeutet.
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Der
Wendepunktdetektor 21 erzeugt beim Erkennen eines Wendepunkts
(an dem der Dämpfungskoeffizient
zunimmt, nachdem er zuvor abnahm) des Dämpfungskoeffizienten C ein
Wendepunkt-Erkennungssignal,
das er an die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 ausgibt
(Schritt S24).
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Die
Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 korrigiert den
vorgegebenen Hubreferenzwert auf Grundlage des vom Wendepunktdetektor 21 ausgegebenen
Wendepunkt-Erkennungssignals, d.h., er bestimmt einen Hub-Schätzwert,
der dem Punkt entspricht, zu dem der Wendepunkt des Dämpfungskoeffizienten vorliegt,
als Hubreferenzwert, und er liefert diesen an den Komparator 12.
Zum Beispiel liest die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 einen
Korrekturwert, der zum Ändern
des vorgegebenen Hubreferenzwerts auf dem bestimmten Hubreferenzwert
verwendet wird, aus einer Speichereinheit (nicht dargestellt) aus,
sie addiert diesen zum vorgegebenen Hubreferenzwert, und sie gibt
den Summenwert (Hubreferenzwert) an den Komparator 12 aus
(Schritt S25).
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Der
Komparator 12 vergleicht den Hub-Schätzwert und den vordefinierten
Hubreferenzwert, und er liefert einen dem Vergleichsergebnis entsprechenden
Differenzwert an die Hubsteuerung 13 (Schritt S26).
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Wenn
die Hubsteuerung 13 auf Grundlage des Differenzwerts erkennt,
dass der Hub-Schätzwert
kleiner als der vordefinierte Hubreferenzwert ist, erhöht sie die
an den Motor des Hubkolbenkompressors gelegte Spannung (Schritt
S27), während
sie andernfalls diese Spannung verringert (Schritt S28).
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Indessen
liefert, wenn kein Wendepunkt des Dämpfungskoeffizienten vorliegt,
die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 einen vorgegebenen
Hubreferenzwert an den Komparator 12, oder wenn ein zuvor
bestimmter Hubreferenzwert vorliegt, liefert sie diesen an den Komparator 12.
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Demgemäß kann mit
der Vorrichtung und dem Verfahren zum Steuern des Betriebs eines
Hubkolbenkompressors gemäß dieser
zweiten Ausführungsform
der Betrieb des Hubkolbenkompressors unabhängig von einem Parameter des
Antriebsmotors des Hubkolbenkompressors und einem mechanischen Fehler
desselben durch Folgendes genau gesteuert werden: Erfassen der Phasendifferenz
zwischen dem Hub und dem Strom auf Grundlage von Hub-Schätzwerten
des Hubkolbenkompressors und Werten des ihm zugeführten Stroms, Berechnen
des Dämpfungskoeffizienten
auf Grundlage der Phasendifferenz, des Stromstärkwerts und des Hub-Schätzwerts,
Erkennen des Hub-Schätzwerts,
der dem Punkt entspricht, an dem der Wendepunkt des Dämpfungskoeffizienten
auftritt, als Punkt, an dem ein Auslassventil des Hubkolbenkompressors öffnet, und Bestimmen
des Hub-Schätzwerts
als Hubreferenzwert.
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Außerdem gilt
hinsichtlich des Steuerns der Kompressionsleistung Entsprechendes
zu dem, was zur Vorrichtung und zum Verfahren gemäß der ersten
Ausführungsform
ausgeführt
wurde.
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An
Hand des Blockdiagramms der 10 wird
nun eine Steuerungsvorrichtung für
einen Hubkolbenkompressor gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung näher
erläutert.
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Wie
es aus der 10 erkennbar ist, verfügt diese
Steuerungsvorrichtung gemäß der dritten
Ausführungsform über Folgendes:
einen Stromdetektor 17 zum Erfassen des dem Motor des Hubkolbenkompressors 16 zugeführten Stroms;
einen Spannungsdetektor 15 zum Erfassen der an den Motor
gelegten Spannung; eine Hubberechnungseinrichtung 14 zum
Berechnen eines Hub-Schätzwerts
für den
Hubkolbenkompressor 16 auf Grundlage der erfassten Werte
für den
Strom und die Spannung sowie eines Motorparameters; einen Komparator 12 zum
Vergleichen des Hub-Schätzwerts
und eines Hubreferenzwerts und zum Ausgeben eines dem Vergleichsergebnis
entsprechenden Differenzwerts; eine Hubsteuerung 13 zum
Steuern des Betriebs des Hubkolbenkompressors 16 durch
Variieren der an den Motor gelegten Spannung entsprechend dem Differenzwert;
eine Gasfederkonstante-Berechnungseinrichtung 32 zum Berechnen
einer Gasfederkonstante Kg für den Hubkolbenkompressor
auf Grundlage der Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem Strom,
des Stromstärkewerts
und des Hub-Schätzwerts;
einen Wendepunktdetektor 31 zum Erkennen eines Wendepunkts
der von der Gasfederkonstante-Berechnungseinrichtung 22 ausgegebenen
Gasfederkonstante und zum Erzeugen eines Wendepunkt-Erkennungssignals;
und eine Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 zum Bestimmen
eines Hub-Schätzwerts,
der dem Punkt entspricht, an dem der Wendepunkt auf Grundlage des
vom Wendepunktdetektor 18 ausgegebenen Wendepunkt-Erkennungssignals
erkannt wird, als Hubreferenzwert und zum Ausgeben desselben an
den Komparator 12. Hierbei bedeutet der bestimmte Hubre ferenzwert
den Punkt, an dem ein Auslassventil des Hubkolbenkompressors öffnet, und
der Wendepunkt ist der Punkt, an dem die Gasfederkonstante zunimmt,
nachdem sie zuvor abnahm, d.h, der Punkt, an dem die Steigung wechselt.
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Nun
wird die Funktion dieser Steuerungsvorrichtung unter Bezugnahme
auf die bereits erläuterte 10 sowie
das Flussdiagramm der 11 zu einem Steuerungsverfahren
für den
Hubkolbenkompressor gemäß der dritten
Ausführungsform
näher erläutert.
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Als
Erstes erfasst der Stromdetektor 17 den dem Motor des Hubkolbenkompressors 16 zugeführten Strom,
und er gibt den erfassten Stromstärkewert an die Hubberechnungseinrichtung 14 und
die Gasfederkonstante-Berechnungseinrichtung 32 aus. Gleichzeitig
erfasst der Steuerungsvorrichtung 15 die an den Motor gelegte
Spannung, und er gibt den erfassten Spannungswert ebenfalls an die
Hubberechnungseinrichtung 14 aus (Schritt S31).
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Die
Hubberechnungseinrichtung 14 berechnet einen Hub-Schätzwert auf
Grundlage der Werte für
den Strom und die Spannung sowie eines Motorparameters, und sie
liefert diesen an die Gasfederkonstante-Berechnungseinrichtung 32 (Schritt
S32).
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Die
Gasfederkonstante-Berechnungseinrichtung 32 erfasst die
Hubphase auf Grundlage von einer Periode entsprechenden Hub-Schätzwerten,
sie erfasst die Stromphase auf Grundlage von einer Periode entsprechenden
Stromstärkewerten,
sie erfasst die Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem Strom (Schritt S33),
sie berechnet eine Gasfederkonstante auf Grundlage der erfassten
Phasendifferenz, des Stromstärkewerts
und des Hub-Schätzwerts,
und sie gibt die Gasfederkonstante an den Wendepunktdetektor 31 aus.
Hierbei wurde ein Verfahren zum Erfassen der Phasendifferenz für die erste
Ausführungsform detailliert
beschrieben, so dass dies hier weggelassen wird.
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Die
Gasfederkonstante-Berechnungseinrichtung
32 berechnet die
Gasfederkonstante K
g unter Verwendung der
nachfolgend angegebenen Gleichung (5):
wobei α eine Konstante des Motors des
Hubkolbenkompressors ist, I(jw) der Strom-Spitzenwert in einer Periode
ist, X(jw) der Hub-Spitzenwert in einer Periode ist, Θ
i,x die Phasendifferenz zwischen dem Strom
und dem Hub bedeutet, M die bewegte Kolbenmasse des Hubkolbenkompressors
ist, ω den
Wert 2πf
(f ist die Betriebsfrequenz) hat und K
m eine
Maschinen-Federkonstante
des Hubkolbenkompressors ist.
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Der
Wendepunktdetektor 31 erkennt den Wendepunkt (an dem die
Gasfederkonstante zunimmt, nachdem sie zuvor abnahm) der Gasfederkonstante
Kg, und er gibt ein entsprechendes Wendepunkt-Erkennungssignal
an die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 aus (Schritt
S34).
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Die
Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 korrigiert den
vorgegebenen Hubreferenzwert auf Grundlage des vom Wendepunktdetektor 21 ausgegebenen
Wendepunkt-Erkennungssignals, d.h., er bestimmt einen Hub-Schätzwert,
der dem Punkt entspricht, zu dem der Wendepunkt der Gasfederkonstante
vorliegt, als Hubreferenzwert, und er liefert diesen an den Komparator 12.
Zum Beispiel liest die Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 einen
Korrekturwert, der zum Ändern
des vorgegebenen Hubreferenzwerts auf dem bestimmten Hubreferenzwert
verwendet wird, aus einer Speichereinheit (nicht dargestellt) aus,
sie addiert diesen zum vorgegebenen Hubreferenzwert, und sie gibt
den Summenwert (Hubreferenzwert) an den Komparator 12 aus
(Schritt S35).
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Der
Komparator 12 vergleicht den Hub-Schätzwert und den vordefinierten
Hubreferenzwert, und er liefert einen dem Vergleichsergebnis entsprechenden
Differenzwert an die Hubsteuerung 13 (Schritt S36).
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Wenn
die Hubsteuerung 13 auf Grundlage des Differenzwerts erkennt,
dass der Hub-Schätzwert
kleiner als der vordefinierte Hubreferenzwert ist, erhöht sie die
an den Motor des Hubkolbenkompressors gelegte Spannung (Schritt
S37), während
sie andernfalls diese Spannung verringert (Schritt S38).
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Indessen
liefert, wenn kein Wendepunkt der Gasfederkonstante vorliegt, die
Hubreferenzwert-Korrektureinrichtung 11 einen vorgegebenen
Hubreferenzwert an den Komparator 12, oder wenn ein zuvor
bestimmter Hubreferenzwert vorliegt, liefert sie diesen an den Komparator 12.
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Demgemäß kann mit
der Vorrichtung und dem Verfahren zum Steuern des Betriebs eines
Hubkolbenkompressors gemäß dieser
zweiten Ausführungsform
der Betrieb des Hubkolbenkompressors unabhängig von einem Parameter des
Antriebsmotors des Hubkolbenkompressors und einem mechanischen Fehler
desselben durch Folgendes genau gesteuert werden: Erfassen der Phasendifferenz
zwischen dem Hub und dem Strom auf Grundlage von Hub-Schätzwerten
des Hubkolbenkompressors und Werten des ihm zugeführten Stroms, Berechnen
der Gasfederkonstante auf Grundlage der Phasendifferenz, des Stromstärkwerts
und des Hub-Schätzwerts,
Erkennen des Hub-Schätzwerts,
der dem Punkt entspricht, an dem der Wendepunkt der Gasfederkonstante
auftritt, als Punkt, an dem ein Auslassventil des Hubkolbenkompressors öffnet, und
Bestimmen des Hub-Schätzwerts
als Hubreferenzwert.
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Außerdem gilt
hinsichtlich des Steuerns der Kompressions leistung Entsprechendes
zu dem, was zur Vorrichtung und zum Verfahren gemäß der ersten
Ausführungsform
ausgeführt
wurde.
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Aus
dem bisher Beschriebenen ist es ersichtlich, dass die Vorrichtung
und das Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Hubkolbenkompressors
gemäß der Erfindung
verschiedene Vorteile zeigen.
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Erstens
kann durch Bestimmen desjenigen Hub-Schätzwerts, der dem Punkt entspricht,
an dem das Auslassventil des Hubkolbenkompressors öffnet, als
Hubreferenzwert und durch Steuern der an den Hubkolbenkompressor
angelegten Spannung entsprechend diesem Hubreferenzwert der Betrieb
(der Hub) des Hubkolbenkompressors unabhängig von einem Parameter des
Antriebsmotors und einem Bauteilfehler des Hubkolbenkompressors
genau gesteuert werden.
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Zweitens
kann durch Erfassen der Phasendifferenz zwischen dem Hub und dem
Strom auf Grundlage der Hub-Schätzwerte
des Hubkolbenkompressors und der Werte des ihm zugeführten Stroms
sowie durch Steuern des Hubs des Hubkolbenkompressors auf Grundlage
des Hub-Schätzwerts,
der dem Punkt entspricht, an dem ein Wendepunkt der Phasendifferenz
vorliegt, der Betrieb des Hubkolbenkompressors unabhängig von einem
Parameter des Antriebsmotors und einem Bauelementfehler des Hubkolbenkompressors
genau gesteuert werden.
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Drittens
kann der Hubkolbenkompressor auf Grundlage des Hub-Schätzwerts,
der dem Punkt entspricht, an dem der Wendepunkt der Phasendifferenz
auftritt, genau mit einer Kompressionsleistung gesteuert werden,
wie sie für
eine spezielle Last erforderlich ist.
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Viertens
kann durch Steuern des Hubs des Hubkolbenkompressors auf Grundlage
des Hub-Schätzwerts,
der dem Punkt ent spricht, an dem der Wendepunkt des Dämpfungskoeffizienten
auftritt, der Betrieb des Hubkolbenkompressors unabhängig von
einem Parameter des Antriebsmotors und einem Bauelementfehler des
Hubkolbenkompressors genau gesteuert werden.
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Fünftens kann
der Hubkolbenkompressor auf Grundlage des Hub-Schätzwerts,
der dem Punkt entspricht, an dem der Wendepunkt des Dämpfungskoeffizienten
auftritt, genau mit einer Kompressionsleistung gesteuert werden,
wie sie für
eine spezielle Last erforderlich ist.
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Sechstens
kann durch Steuern des Hubs des Hubkolbenkompressors auf Grundlage
des Hub-Schätzwerts,
der dem Punkt entspricht, an dem der Wendepunkt der Gasfederkonstante
auftritt, der Betrieb des Hubkolbenkompressors unabhängig von
einem Parameter des Antriebsmotors und einem Bauelementfehler des Hubkolbenkompressors
genau gesteuert werden.
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Siebtens
kann der Hubkolbenkompressor auf Grundlage des Hub-Schätzwerts,
der dem Punkt entspricht, an dem der Wendepunkt der Gasfederkonstante
auftritt, genau mit einer Kompressionsleistung gesteuert werden,
wie sie für
eine spezielle Last erforderlich ist.
