DE10235153A1

DE10235153A1 - Betriebssteuerungsverfahren eines Kolbenverdichters

Info

Publication number: DE10235153A1
Application number: DE10235153A
Authority: DE
Inventors: Kye-Si Kwon; Hyuk Lee; Hyung-Jin Kim
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2002-03-16
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: US6746211B2; US20030175125A1; BR0202878A; KR100451233B1; CN1445455A; KR20030075111A; JP3980977B2; JP2003278665A; DE10235153B4; CN1246587C

Abstract

Es wird ein Betriebssteuerungsverfahren eines Kolbenverdichters offenbart, bei dem im Falle einer Überladung des Motors eine Betriebsfrequenz erhöht wird, um zu verursachen, dass Magnetflüsse eines Magneten und eines Eingangsstroms gegenseitig ausgeglichen sind, so dass ein Kolbenverdichter sogar im Überladungsfall stabil betreibbar ist. Zu diesem Zweck wird, während der Kolbenverdichter, der einen Wechselrichter verwendet, auf einer Nennfrequenz betrieben wird, eine Stromladung des Motors gemessen und die gemessene Ladung mit einer vorgegebenen Bezugsladung verglichen. Wenn die gemessene Ladung beim Vergleich größer als die Bezugsladung ist, wird sie als Überladung bestimmt, und die Betriebsfrequenz wird um einen bestimmten Wert, der über einer Oszillationsfrequenz liegt, zur Durchführung eines Überladungsbetriebs erhöht. Um eine Hubreduzierung auszugleichen, die erzeugt wird, wenn die Betriebsfrequenz erhöht wird, wird die Spannung, die dem Motor zugeführt wird, um eine bestimmte Höhe gemäß der erhöhten Betriebsfrequenz erhöht, wodurch ein Überladungsbetrieb durchgeführt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter, und insbesondere ein Betriebssteuerungsverfahren eines Kolbenverdichters, das in der Lage ist, einen Verdichter stabil zu betreiben, wenn ein Motor überladen ist.

2. Beschreibung des technischen Hintergrunds

Im Allgemeinen ist ein Kolbenverdichter ein Gerät, das eine davon abgegebene Kühlkapazität durch Verändern eines Verdichtungsverhältnisses gemäß einer ihm zugeführten Hubspannung variabel steuert.
Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 der gewöhnliche Kolbenverdichter beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Aufbaus einer Betriebssteuerungsvorrichtung des gewöhnlichen Kolbenverdichters.
Wie in Fig. 1 gezeigt, beinhaltet eine Betriebssteuerungsvorrichtung des gewöhnlichen Kolbenverdichters: einen Kolbenverdichter (K. VERD) 12 zur Aufnahme einer Hubspannung, die einem internen Motor (nicht gezeigt) gemäß einem Hubbezugswert, der von einem Benutzer eingerichtet ist, zur Steuerung einer vertikalen Bewegung eines internen Kolbens (nicht gezeigt) zugeführt wird; eine Spannungsermittlungseinheit 30 zur Ermittlung einer Spannung, die dem Kolbenverdichter 12 zugeführt wird, wenn der Hub verändert wird; eine Stromermittlungseinheit 20 zur Ermittlung eines Stroms, die dem Kolbenverdichter zugeführt wird, wenn der Hub verändert wird; einen Mikrocomputer 40 zum Errechnen eines Hubs durch Verwendung der Spannung und des Stroms, die von der Spannungsermittlungseinheit 30 und der Stromermittlungseinheit 20 ermittelt werden, Vergleichen des errechneten Hubwerts mit dem Hubbezugswert und Ausgeben eines entsprechenden Schaltsteuersignals; und ein Stromkreisgerät 10 zum Ein/Ausschalten eines Wechselstroms mit einem Triac (Tr1) gemäß dem Schaltsteuersignal des Mikrocomputers 40, um so eine Höhe der Hubspannung zu steuern, die dem Kolbenverdichter 12 zugeführt wird.
Es wird nun der Betrieb der Betriebssteuerungsvorrichtung des gewöhnlichen Kolbenverdichters, der wie oben beschrieben gebaut ist, erläutert.
Im Kolbenverdichter 12 wird ein Kolben durch eine Hubspannung, die vom Motor (nicht gezeigt) gemäß einem Hubbezugswert, der vom Benutzer eingerichtet ist, zugeführt wird, vertikal bewegt, und demgemäß wird ein Hub verändert, um dadurch eine Kühlkapazität zu steuern.
Der Hub bedeutet eine Strecke, über die der Kolben im Kolbenverdichter 12 hin- und herbewegt wird.
Ein Einschaltzeitraum des Triac (Tr1) der elektrischer Stromkreiseinheit 10 wird durch das Schaltsteuersignal des Mikrocomputers 40 verlängert, und wenn der Einschaltzeitraum verlängert wird, wird ein Hub erhöht.
Dabei ermitteln die Spannungsermittlungseinheit 30 und die Stromermittlungseinheit 20 eine Spannung und einen Strom, die dem Kolbenverdichter 12 zugeführt werden, und führen sie jeweils dem Mikrocomputer 40 zu.
Der Mikrocomputer 40 errechnet unter Verwendung der Spannung und des Stroms, die von der Spannungsermittlungseinheit 30 und der Stromermittlungseinheit 20 ermittelt wurden, einen Hub, vergleicht den errechneten Hub mit dem Hubbezugswert und gibt ein entsprechendes Schaltsteuersignal aus.
Wenn der errechnete Hub kleiner als der Hubbezugswert ist, gibt der Mikrocomputer 40 ein Schaltsteuersignal zur Verlängerung des EIN-Zeitraums des Triac (Tr1) aus, um dadurch die Hubspannung zu vergrößern, die dem Kolbenverdichter 12 zugeführt wird.
Wenn jedoch der errechnete Hub größer als der Hubbezugswert ist, gibt der Mikrocomputer 40 ein Schaltsteuersignal zur Verkürzung des EIN-Zeitraums des Triac (Tr1) aus, um dadurch die Hubspannung zu vermindern, die dem Kolbenverdichter 12 zugeführt wird.
Was den Motor (nicht gezeigt) betrifft, der im Kolbenverdichter 12 eingerichtet ist, so ist darauf eine Spule gleichmäßig in einem bestimmten Spulenwicklungsverhältnis gewickelt, so dass, wenn der Spule ein Strom gemäß der Hubspannung zugeführt wird, am Elektromagnet in der Spule des Motors ein Magnetpol und an der Spule ein Magnetfluss erzeugt wird.
Der Kolbenverdichter wird bei einer Nennantriebsfrequenz mechanisch in Schwingung versetzt.
Zum Beispiel ist, wenn eine Nennfrequenz des Kolbenverdichters 60 Hz ist, eine Resonanzfrequenz auch mit 60 Hz bei einem Nennstrom ausgelegt.
Im Falle einer Nennladung des Kolbenverdichters wird die Resonanzfrequenz (eine Nennantriebsfrequenz) durch die Summe einer Trägheitskraft (MX(t)), einer Dämpfungskraft (cX(t)) und einer Restitution (kX (t)) einer Feder erhalten.

wobei f(t) eine auf den Motor ausgeübte Kraft, á eine Motorkonstante, 1(t) Strom, x(t) eine Verschiebung 'M' eine bewegliche Masse 'c' eine Dämpfungskonstante 'k' eine Federkonstante, ks eine Maschinenfeder und kg eine Gasfeder ist.
Die Federkonstante (k) ist eine Summe aus der Maschinenfeder (ks), die mit einer Masse, welche vom Motor bewegt wird, verbunden ist, um einen Resonanzpunkt des Kolbenverdichters zu regulieren, und der Gasfeder (kg), die abhängig von einer Ladung des Kolbenmotors verändert wird.
Die Verschiebung (x(t)) ist eine Strecke, die der Magnet vom Zentrum der Spule wegbewegt wird.
Durch die Laplace'sche Umformungsgleichung (1) kann ein Verhältnis zwischen dem Strom und der Verschiebung des Kolbenverdichters erhalten werden.
Der Kolbenverdichter ist so gestaltet, dass die Resonanzfrequenz und die Antriebsfrequenz bei einer Nennladung miteinander übereinstimmen.
Gleichung (1) kann als Frequenzbereich folgendermaßen ausgedrückt werden:

wobei ω eine Antriebsfrequenz (rad/s) 'f' eine Antriebsfrequenz (Hz) 'j' eine imaginäre Zahl und f_n eine Resonanzfrequenz ist.
Dabei ist F(jω) ein Wert, der durch Tourier'sche Umformung von f(t) aus Gleichung (q), und X(jω) ein Wert, der durch Fourier'sche Umformung von x(t) erhalten wird.
Durch Anwendung von Gleichung (5), die die Resonanzfrequenz (Nennantriebsfrequenz) des Kolbenverdichters betrifft, auf Gleichung (4), die die Kraft und die Verschiebung des Kolbenverdichters betrifft, können eine Kraft und eine Verschiebung gemäß der Resonanzfrequenz des Kolbenverdichters erhalten werden.
So weist, wie in Gleichung (8) gezeigt, eine Kraft und eine Verschiebung eine Phasendifferenz von 90° aus. Außerdem zeigt, da Kraft und Phase von Strom gleich sind, ein Magnetfluss des Kerns, der durch den Strom erzeugt wird, eine Phasendifferenz von 90° von dem Magnetfluss, der aufgrund der Verschiebung des Magneten erzeugt wird.
Dies wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 detailliert beschrieben.
Fig. 2 zeigt Wellenformen, die eine Beziehung zwischen dem Strom, der dem Kolbenverdichter zugeführt wird, und einer Verschiebung beim Schwingen bei einer Nennladung zeigen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wird, wenn dem Motor beim Schwingen bei einer Nennladung Strom zugeführt wird, der Spule des Motors Strom zugeführt und ein Magnetfluss an der Spule in der Richtung erzeugt, in der der Strom zugeführt wird.
Wie durch 'a' in Fig. 2 angegeben, wird, wenn Strom gegen den Uhrzeigersinn zugeführt wird, von der rechten Seite der Spule ein N-Pol erzeugt, während von der linken Seite der Spule ein S-Pol erzeugt wird. Dabei wird ein Magnetfluss, der durch den Strom erzeugt wird, maximiert. Wenn der Magnetfluss, der durch den Strom erzeugt wird, maximiert wird, weisen der Magnetfluss, der durch den Strom erzeugt wird, und der Magnetfluss gemäß der Verschiebung des Magneten eine Phasendifferenz von 90° auf, so dass der Magnet im Zentrum der Spule angeordnet wird und der Magnetfluss des Kerns durch den Magneten minimiert wird.
Darauf folgend wird, wie durch 'b' in Fig. 2 angegeben, wenn der Magnet in eine Richtung bewegt wird, der Magnetfluss des Kerns durch den Strom minimiert, so dass der Magnetfluss des Kerns durch den Strom nahezu abklingt und der Magnetfluss des Kerns gemäß dem Magneten maximiert wird.
Wenn der Magnet zurück zum Zentrum der Spule bewegt wird, wird der Magnetfluss des Kerns durch den Strom groß und der Magnetfluss des Kerns durch den Magneten wird minimiert (wie durch 'c' in Fig. 2 angegeben).
Wenn der Magnet wieder in die Gegenrichtung bewegt wird, wird der Magnetfluss des Kerns durch den Strom klein und der Magnetfluss des Kerns durch den Magneten ebenfalls klein (wie durch 'd' in Fig. 2 angegeben).
Die oben angegebenen Vorgänge werden wiederholt durchgeführt, so dass der Magnetfluss des Motorkerns, d. h. der Magnetfluss des Kerns durch den Strom und der Magnetfluss des Kerns durch den Magneten zusammen, eine Phasendifferenz von 90° aufweist.
Wenn jedoch bei dem oben genannten Betrieb der Verdichter überladen wird, wird die Starrheit der Gasfeder erhöht, und eine natürliche Frequenz des Kolbenverdichters wird höher als die Antriebsfrequenz, und demgemäß wird der Strom leicht gesättigt.
Dies wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 detailliert beschrieben.
Fig. 3 zeigt Wellenformen, die eine Beziehung zwischen einem Eingangsstrom und einer Verschiebung im Falle einer Überladung gemäß der herkömmlichen Technik zeigen.
Im Falle einer Überladung des Motors, d. h. wenn ein Antriebsstrom um das etwa 1,3-fache größer als ein Nennstrom ist, wird die Starrheit der Gasfeder erhöht, d. h. zum Beispiel, dass die natürliche Frequenz auf 62 Hz steigt, wenn die Antriebsfrequenz 60 Hz beträgt, so dass ein Resonanzpunkt erhöht ist.
D. h., wenn die Antriebsfrequenz konstant ist und eine Ladung beim Betrieb des Motors erhöht wird, wird der Wert der Gasfederkonstanten (kg) im Wert der Federkonstanten 'k' von Gleichung (4) erhöht.
Wenn der Wert 'k' erhöht wird, wird Mω2 der Antriebsfrequenz kleiner, so dass die Kraft und Verschiebung des Kolbenverdichters eine Phase von nahezu 0° aufweisen.
Anders gesagt, wenn der Ladungswert der Gasfeder erhöht wird, wird ein Eingangsstrom erhöht, um den Kolben des Kolbenverdichters konstant zu bewegen. Da der Eingangsstrom erhöht wird, weisen der Magnetfluss des Eingangsstroms und der Magnetfluss des Magneten dieselbe Phase auf, und daher wird die Selbstsättigung schwerwiegender.
Im Falle der Überladung wie oben beschrieben, kann das Verhältnis zwischen der Kraft und der Verschiebung durch Gleichung (8) folgendermaßen ausgedrückt werden:
Wie in Fig. 3 gezeigt sind die Phasen der Kraft gemäß dem Eingangsstrom und der Verschiebung nahezu übereinstimmend. D. h. der Magnetfluss (Verschiebung), der am Kern des Magneten erzeugt wird, und der Magnetfluss des Kerns, der durch den Eingangsstrom erzeugt wird, werden gleichphasig.
Wie oben beschrieben, werden, wenn die Phasendifferenz zwischen dem Eingangsstrom und der Verschiebung des Magneten 0° ist, der Magnetfluss durch den Strom und der Magnetfluss durch den Magneten hinzugefügt, und machen so die Sättigungserscheinung des Kerns schwerwiegender.
Wenn die Kernsättigungserscheinung schwerwiegend ist, bringt der Kolbenverdichter keine ausreichende Kühlkapazität auf, und der Strom steigt übermäßig und verursacht Motorprobleme.
Im Überladungsfall wird nämlich die Starrheit der Gasfeder vergrößert und der Resonanzpunkt wird erhöht. Dabei wird der Eingangsstrom erhöht und gleichzeitig gehen der Magnetfluss durch den Strom und der Magnetfluss durch den Magneten in derselben Phase vor sich, so dass eine Selbstsättigung schwerwiegender wird.
Aufgrund der Selbstsättigung des Motors wird die Induktanz des Motors vermindert und Strom plötzlich erhöht, so dass Motorprobleme verursacht werden.
Bei einem Versuch, das oben genannte Problem zu lösen, wird das Gewicht des beweglichen Teils, d. h. des Kolbens, erhöht gestaltet, so dass im Überladungsfall die Phasen der Magnetflüsse durch den Magneten und den Strom nicht gleich sind.
Diese Lösung weist jedoch das Problem auf, dass eine Resonanz bei der Nennladung und eine Resonanz des Kolbenverdichters schwierig werden und eine Wirkungsminderung bei der Nennladung verursachen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsteuerungsverfahren eines Kolbenverdichters zu schaffen, das in der Lage ist, im Falle einer Überladung durch Erhöhen einer Antriebsfrequenz zum Antrieb eines Motors auf eine bestimmte Höhe, die über einer Nennbetriebsfrequenz liegt, betrieben zu werden, um den Magnetfluss des Stroms und den Magnetfluss des Magneten auszugleichen, wobei es eine Sättigungserscheinung eines Magnetflusses durch Strom eines Kolbenverdichters oder eines Magnetflusses eines Magneten verhindert.
Um diese und andere Vorzüge zu erzielen und gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung, wie hierin ausgeführt und ausführlich beschrieben, ist ein Kolbenverdichter vorgesehen, der einen Wechselrichter verwendet, umfassend die Schritte des: Messens einer Stromladung des Motors beim Betrieb auf einer Nennfrequenz; Vergleichens der gemessenen Ladung mit einer vorgegebenen Bezugsladung; Bestimmens einer Überladung, wenn die gemessene Ladung größer als die Bezugsladung ist, Erhöhens einer Betriebsfrequenz um einen bestimmten Wert, der über einer Oszillationsfrequenz liegt, und Durchführens eines Überladungsbetriebs; und Erhöhens einer Spannung, die dem Motor zugeführt wird, um eine bestimmte Höhe gemäß der erhöhten Betriebsfrequenz und Durchführens eines Überladungsbetriebs, um eine Hubreduzierung auszugleichen, die erzeugt wird, wenn die Betriebsfrequenz auf den bestimmten Wert erhöht wird.
Die oben genannten und andere Aufgaben, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beigefügten Zeichnungen, die enthalten sind, um ein weiteres Verstehen der Erfindung bereitzustellen, und die in der Schrift enthalten sind und ein Teil von ihr bilden, zeigen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundsätze der Erfindung zu erklären.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Betriebssteuerungsvorrichtung eines gewöhnlichen Kolbenverdichters zeigt;
Fig. 2 zeigt Wellenformen, die eine Beziehung zwischen Strom und Verschiebung, welche dem Kolbenverdichter zugeführt werden, im Falle einer Nennladungsresonanz gemäß der herkömmlichen Technik zeigen;
Fig. 3 zeigt Wellenformen, die eine Beziehung zwischen einem Eingangsstrom und einer Verschiebung im Falle einer Überladung gemäß der herkömmlichen Technik zeigen;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Betriebssteuerungsvorrichtung eines Kolbenverdichters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 zeigt eine Bauweise eines Motors des Kolbenverdichters von Fig. 4;
Fig. 6 ist ein Flussdiagramm eines Betriebssteuerungsverfahrens eines Kolbenverdichters gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 7 zeigt Wellenformen, die eine Beziehung zwischen einem Eingangsstrom und einer Verschiebung im Falle einer Überladung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN

AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es wird nun eingehend auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind.
Ein Kolbenverdichter, der durch einen Wechselrichter angetrieben wird, der vorliegenden Erfindung weist als Merkmal auf, dass, wenn eine Ladung über eine vorgegebene Bezugsladung beim Antrieb des Kolbenverdichters erhöht wird, eine Antriebsfrequenz für den laufenden Betrieb auf eine bestimmte Höhe, die über einer Resonanzfrequenz liegt, zur Bewegung des Kolbenverdichters erhöht wird, so dass der Magnetfluss durch den Strom, der dem Kolbenverdichter zugeführt wird, und der Magnetfluss durch den Magneten gegenseitig ausgeglichen werden und der Kolbenverdichter daher sogar mit der Überladung betreibbar ist.
Betrieb und Wirkung des Betriebssteuerungsverfahrens eines Kolbenverdichters der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Betriebssteuerungsvorrichtung eines Kolbenverdichters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in Fig. 4 gezeigt, beinhaltet die Betriebssteuerungsvorrichtung eines Kolbenverdichters: einen Kolbenverdichter (VERD) zur Aufnahme einer Hubspannung, die einem internen Motor (nicht gezeigt) gemäß einem Hubbezugswert, der von einem Benutzer eingerichtet ist, zur Steuerung einer vertikalen Bewegung des internen Kolbens (nicht gezeigt) zugeführt wird; Regulierung einer Resonanz, so dass der Kolben an einem vorgegebenen Resonanzpunkt (einer Antriebsfrequenz) betreibbar ist, und Steuerung einer Kühlkapazität durch Veränderung eines Hubs gemäß der vertikalen Bewegung des Kolbens; eine Spannungsermittlungseinheit 300 zur Ermittlung einer Spannung, die im Kolbenverdichter (VERD) erzeugt wird, wenn der Hub verändert wird; eine Stromermittlungseinheit 200 zur Ermittlung eines Stroms, der dem Kolbenverdichter (VERD) zugeführt wird, wenn der Hub verändert wird; einen Mikrocomputer 400 zum Errechnen eines Hubs unter Verwendung der Spannung und des Stroms, die jeweils von der Spannungsermittlungseinheit 300 und der Stromermittlungseinheit 200 ermittelt werden, Vergleichen des errechneten Hubwerts mit dem Hubbezugswert und Ausgabe eines entsprechenden Betriebsfrequenzsteuersignals durch Vergleichen einer Ladung und Leistung des Kolbenverdichters (VERD) mit einer Bezugsladung und einer Bezugsleistung, und Ausgeben eines entsprechenden Betriebsfrequenzsteuersignals durch Errechnen und Vergleichen eines Zeitraums und einer Wellenform des Stroms, der dem Kolbenverdichter zugeführt wird; und ein elektrisches Stromkreisgerät 100 zur Steuerung eines Umkehrungszeitpunkts einer Flussrichtung eines zugeführten Wechselstroms gemäß einem Steuersignal und dem Betriebsfrequenzsteuersignal, das vom Mikrocomputer 400 ausgegeben wird.
Der Motor des Kolbenverdichters wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 detailliert beschrieben.
Fig. 5 zeigt eine Bauweise eines Motors des Kolbenverdichters von Fig. 4.
Wie in Fig. 5 gezeigt, beinhaltet der Motor: Spulen 121 und 125, die gleichmäßig in einem bestimmten Spulenwicklungsverhältnis gewickelt sind; einen äußeren Kern und einen inneren Kern zur Erzeugung eines Magnetflusses, wenn den Spulen 121 und 125 Strom zugeführt wird; ein Befestigungsteil, das Dauermagneten 122 und 124 beinhaltet; und ein bewegliches Teil 123, das aufgrund des Magnetflusses, der erzeugt wird, wenn die Magneten 122 und 124 horizontal bewegt werden, vertikal bewegt wird.
Da das Befestigungsteil unter dem Einfluss eines zugeführten Stroms vibriert, wird die Vibration im Überladungsfall gesteigert und die Resonanzfrequenz ist verändert.
Daher wird die Resonanzfrequenz mehr als die Betriebsfrequenz gesteigert, so dass, wenn ein hoher Strom zugeführt wird, die Hinzufügung des Stroms des Motors und des Magnetflusses durch den Magneten lediglich die Sättigung aufgrund des Magnetflusses schwerwiegender macht. Das heißt, eine Phasendifferenz zwischen dem Eingangsstrom und der Verschiebung des Magneten ist 0°.
Daher wird bei der vorliegenden Erfindung im Überladungsfall der Betriebsfrequenzwert auf einen bestimmten Wert erhöht, so dass die Phasendifferenz zwischen dem Strom und der Verschiebung 180° sein kann. Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 der Betrieb der Betriebssteuerungsvorrichtung des Kolbenverdichters, der wie oben beschrieben gebaut ist, erläutert.
Fig. 6 ist ein Flussdiagramm eines Betriebssteuerungsverfahrens eines Kolbenverdichters gemäß der vorliegenden Erfindung und Fig. 7 zeigt Wellenformen, die eine Beziehung zwischen einem Eingangsstrom und einer Verschiebung im Falle einer Überladung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Zunächst ist der Kolbenverdichter durch Einstellen einer Nennfrequenz von 60 Hz und einer Bezugsladung gestaltet (Schritt ST1).
Wenn dem so gestalteten Kolbenverdichter Strom zugeführt wird, arbeitet der Kolbenverdichter (VERD) auf einer Betriebsfrequenz gemäß der Nennladung (ST2), misst eine Position des Motors, eine Drehzahl und eine Stromladung (ST3) und gibt dies in den Mikrocomputer 400 ein.
Der Mikrocomputer 400 vergleicht dann die gemessene Ladung mit der Bezugsladung, und wenn die gemessene Ladung kleiner oder gleich der Bezugsladung ist (ST4), gibt der Mikrocomputer 400 weiterhin eine Betriebsfrequenz für einen Ladungsbetrieb gemäß der Nennladung, d. h. ein Nennfrequenzsteuersignal, an das elektrische Stromkreisgerät 100 aus.
Der interne Wechselrichter (INT 2) des elektrischen Stromkreisgeräts 100 steuert einen Umkehrungszeitpunkt einer Flussrichtung eines zugeführten Sinuswellen- Wechselstroms gemäß dem zugeleiteten Betriebsfrequenzsteuersignal, um den Zeitraum des Sinuswellen-Wechselstroms zu steuern, um so die Stärke der Leistung zu steuern, die dem Motor zugeführt wird.
Der Motor führt weiterhin den Ladungsbetrieb gemäß der Nennladung gemäß dem ausgegebenen Betriebsfrequenzsteuersignal durch (ST2).
Die Bezugsladung ist vorher als eine Ladung mit einem Stromwert eingerichtet, der um eine bestimmte Höhe über dem Stromwert zum Zeitpunkt der Nennladung liegt. Gemäß einem Versuch ist die Bezugsladung als eine Ladung mit einem Stromwert eingerichtet, der um das 1,3-fache höher als der Stromwert zum Zeitpunkt der Nennladung ist.
Wenn die gemessene Ladung beim Vergleich größer als die Bezugsladung ist (ST4), bestimmt sie der Mikrocomputer 400 als eine Überladung und leitet dem Motor ein Betriebsfrequenzsteuersignal zum Erhöhen der laufenden Betriebsfrequenz um eine bestimmte Höhe zu (ST5).
Der Motor wird gemäß dem zugeleiteten Antriebsfrequenzsteuersignal überladen (ST6).
Beispielsweise erhöht der Mikrocomputer 400 im Falle einer Betriebsfrequenz mit einer natürlichen Frequenz von 60 Hz, wenn sich die Resonanzfrequenz aufgrund einer Überladung von 60 Hz auf 62 Hz ändert, die Betriebsfrequenz bis auf 67 Hz, 5 Hz höher als die erhöhte Resonanzfrequenz, und überlädt den Motor.
Dabei weist die Verschiebung, gegen die Motorkraft, eine Phasendifferenz von etwa 180° auf, was durch Gleichung (1) und (2) unter Anwendung einer Newton'schen Bewegungsgleichung folgendermaßen ausgedrückt werden kann:

wobei F(jω) eine auf den Motor ausgeübte Kraft, X(jω) eine Verschiebung 'M' eine bewegliche Masse 'c' eine Dämpfungskonstante 'k' eine Federkonstante, ω eine Antriebsfrequenz (rad/s), can eine Resonanzfrequenz und 'j' eine imaginäre Zahl ist.
In dieser Beziehung werden F(jω) und X(jω) durch Darstellen der Newton'schen Bewegungsgleichung als Frequenzbereich und anschließende Fourier'sche Umformung erhalten. Die Resonanzfrequenz (ω_n) wird proportional zu dem Erhöhungswert der Federkonstante (k) erhöht.
Im Überladungsfall wird, wenn die Betriebsfrequenz etwa 5 Hz über die Resonanzfrequenz erhöht wird, der Wert der Federkonstanten (k) erhöht, und die Antriebsfrequenz (o) wird ebenfalls erhöht. In dieser Beziehung wird jedoch, da die Antriebsfrequenz (ω) mehr als die Federkonstante (k) erhöht wird, der Wert Nω² von Gleichung (2) größer als der Wert 'k'.
Dementsprechend sind, vorausgesetzt, dass der Dämpfungskoeffizient (C) kleiner als Nω² ist, die Kraft und Verschiebung des Kolbenverdichters etwa umgekehrt proportional zum Wert -Mω².
Dies kann durch Gleichung (3) ausgedrückt werden:
Wie in Gleichung (3) gezeigt, kommt es zwischen dem Eingangsstrom und der Verschiebung zu einer Phasendifferenz von etwa 180°.
Wie in Fig. 7 durch 'e' gezeigt, wird, wenn der Spule 120 des Motors gegen den Uhrzeigersinn Strom zugeführt wird (Anodenstrom), der Magnet 220 in derselben Richtung wie der Pol des Magnetflusses bewegt, der an der Spule 120 des Motors erzeugt wird, d. h. in der Richtung, in der die Magnetflüsse gegenseitig ausgeglichen werden.
Dementsprechend wird, wie in Fig. 7 durch 'f' gezeigt, wenn der Eingangsstrom '0' wird, d. h. zu dem Zeitpunkt, wenn die Flussrichtung des Stroms geändert wird, der Magnet in Richtung des Zentrums der Spule 120 des Motors bewegt. Wenn also die Größe des Magnetflusses durch den Strom minimiert wird, wird auch die Größe des Magnetflusses durch den Magneten 122 minimiert.
Wenn der Strom der Spule 120 des Motors im Uhrzeigersinn zugeführt wird (Kathodenstrom), wird der Magnet 122 in derselben Richtung wie der Pol des Magnetflusses bewegt, der an der Spule 120 des Motors erzeugt wird, in der entgegen gesetzten Richtung, in der der Magnet 122 vorher bewegt wurde. Die Magnetflüsse sind also gegenseitig ausgeglichen (wie in Fig. 7 durch 'g' gezeigt).
Anders gesagt wird der Magnet 122 in der Richtung bewegt, in der der Magnetfluss, der durch den Strom erzeugt wird, und der Magnetfluss, der durch die Verschiebung des Magneten erzeugt wird, zum selben Pol und gegenseitig ausgeglichen werden. Dementsprechend beträgt die Phasendifferenz zwischen dem Magnetfluss durch den Eingangsstrom und der Magnetfluss durch den Magnete n 180°.
Wenn der Magnetfluss durch den Eingangsstrom und der Magnetfluss durch den Magneten gegenseitig ausgeglichen sind, kommt keine Stromsättigungserscheinung gemäß dem Magnetfluss durch den Strom und den Magnetfluss durch den Magneten vor, so dass der Kolbenverdichter ohne Sättigung im Motor sogar im Überladungsfall stabil arbeiten kann.
Dabei ist im Motorüberladungsfall der Erhöhungswert der Betriebsfrequenz ein Versuchswert gemäß den Bedingungen jeden Motors, für den ein Wert zum Erbringen der Phasendifferenz zwischen dem Strom und dem Magnetfluss von etwa 180° vorher eingerichtet ist, der um das 1,3- fache (30%) größer als ein jeweiliger Nennstrom bei der Gestaltung eines Motors ist.
Im Falle des Überladungsbetriebs des Kolbenverdichters kann jedoch, wenn die Betriebsfrequenz erhöht wird, ein Hub, der auf den Kolbenverdichter angewendet wird, gemäß der Erhöhung der Betriebsfrequenz ein wenig reduziert sein.
Um dies auszugleichen, erhöht der Mikrocomputer 400, wenn die Betriebsfrequenz um einen bestimmten Wert erhöht wird, die Spannung, die dem Motor zugeführt wird, um eine bestimmte Höhe (ST7).
Anders gesagt wird bei dem Kolbenverdichter, der von einem Wechselrichter angetrieben wird, gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn eine Überladung des Motors ermittelt wird, die laufende Betriebsfrequenz für einen Überladungsbetrieb um einen vorgegebenen Wert erhöht, so dass die Magnetflüsse durch den Eingangsstrom und den Magneten gegenseitig ausgeglichen werden können.
Dabei kann der Hub gemäß der Erhöhung der Frequenz um einen willkürlichen Wert ein wenig reduziert werden. Um dies auszugleichen, wird eine Spannung ein wenig erhöht zugeführt.
Außerdem überprüft der Mikrocomputer 400 eine Stromwellenform, die dem Kolbenverdichter zugeführt wird, und wenn die Wellenform des Stroms keine Sinuswelle ist und schwerwiegend verzerrt wurde, bestimmt der Mikrocomputer 400, dass sie überladen ist (ST4).
Wenn der Mikrocomputer 400 Überladung feststellt, erhöht er die Betriebsfrequenz um eine bestimmte Höhe, die über der Oszillationsfrequenz liegt, und führt sie dem Motor zu (ST5), zur Durchführung eines Überladungsbetriebs (ST6).
Außerdem vergleicht der Mikrocomputer 400 weiterhin die Leistung, die dem Motor zugeführt wird, mit einer vorgegebenen Leistung, sowie die Ladung, die dem Motor zugeführt wird, mit der Stromwellenform.
Wenn die gemessene Leistung beim Vergleich größer als die Bezugsleistung ist (ST4), wird sie als eine Überladung bestimmt, so dass der Mikrocomputer 400 die Betriebsfrequenz um eine bestimmte Höhe erhöht (ST5) und den Motor mit Überladung betreibt (ST6).
Insoweit beschrieben weist das Betriebssteuerungsverfahren eines Kolbenverdichters der vorliegenden Erfindung zahlreiche Vorzüge auf.
Es wird zum Beispiel erstens ein Überladungsbetrieb eines Kolbenverdichters bestimmt, und in diesem Fall wird die Betriebsfrequenz erhöht, um die Magnetflüsse des Magneten und des Eingangsstroms auszugleichen. Daher kann verhindert werden, dass er im Überladungsfall Schaden nimmt.
Zweitens wird, da die Magnetflüsse des Magneten und des Eingangsstroms gegenseitig ausgeglichen werden und die Sättigungserscheinung gemäß dem Strom abklingt, kein Überstrom zugeführt, und ein Energieverbrauch kann daher reduziert werden.
Schließlich kommt es zwischen dem Eingangsstrom und der Verschiebung zu einer Phasendifferenz von 180°, um eine Sättigung zu verhindern, und im Falle der Steuerung des Kolbenverdichters durch Durchführung einer geberlosen Verschiebungsschätzung des Hubs oder dergleichen kann eine Erscheinung, bei der die Motorkonstante aufgrund der Sättigung steil abfällt, zurückgehalten werden.
Dementsprechend läuft der Motor störungsfrei und seine Wirkung ist daher maximierbar.
Da die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen ausgeführt sein kann, ohne von ihrem Geist oder wesentlichen ihrer Merkmale abzuweichen, sollte es sich außerdem verstehen, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen, wenn nicht anders angegeben, durch keine der Details der vorausgehenden Beschreibung begrenzt sind, sondern eher allgemein innerhalb ihres Geists und Anwendungsgebiets wie in den beigefügten Ansprüchen definiert aufgefasst werden sollen, und daher sollen alle Änderungen und Modifikationen innerhalb der Abgrenzungen der Ansprüche, oder Äquivalenten dieser Abgrenzungen, durch die beigefügten Ansprüche umfasst sein.

Claims

1. Betriebssteuerungsverfahren eines Kolbenverdichters, der durch einen Wechselrichter angetrieben ist, umfassend die Schritte des:
Messens einer Resonanzfrequenz, die einem Motor zugeführt wird, während der Kolbenmotor auf einer Nennfrequenz betrieben wird;
Vergleichens der gemessenen Resonanzfrequenz mit einer vorgegebenen Bezugsresonanzfrequenz;
Beibehaltens des Betreibens des Kolbenverdichters auf der Nennfrequenz, wenn die gemessene Resonanzfrequenz kleiner oder gleich der Bezugsresonanzfrequenz ist; und
Bestimmens einer Überladung, wenn die gemessene Resonanzfrequenz größer als die Bezugsresonanzfrequenz ist, und Erhöhens der laufenden Betriebsfrequenz um eine bestimmte Höhe für einen Überladungsbetrieb.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bezugsresonanzfrequenz genauso wie die Nennfrequenz im Falle der Nennladung eingerichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Überladung ein Wert ist, der durch einen Versuch eingerichtet wird, für den ein Antriebsstromwert um über das 1,3-fache (30%) größer als der Stromwert bei der Nennladung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Überladungsfall die Betriebsfrequenz um einen bestimmten Wert, der über der Resonanzfrequenz liegt, für den Überladungsbetrieb erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei, wie bei der Betriebsfrequenz im Überladungsfall, ein Strom um das 1,3-fache (30%) größer als der Nennstrom eingerichtet wird, so dass eine Phasendifferenz zwischen einem Magnetfluss, der vom Eingangsstrom erzeugt wird, und einem Magnetfluss, der vom Magneten erzeugt wird, 180° beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei, wenn im Überladungsfall die Betriebsfrequenz um einen bestimmten Wert erhöht wird, sie in derselben Richtung wie der Pol bewegt wird, der in der Spule des Motors erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei, wenn die Betriebsfrequenz um einen bestimmten Wert erhöht wird, der Strom, der dem Motor zugeführt wird, und der Magnetfluss des Magneten in eine Richtung bewegt werden, so dass sie gegenseitig ausgeglichen sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Falle des Überladungsbetriebs eine Spannung des Motors um eine bestimmte Höhe erhöht wird, um eine Hubreduzierung gemäß der Erhöhung der Betriebsfrequenz auszugleichen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens mit Überladung umfasst:
Vergleichen der Wellenform des Eingangsstroms, der dem Motor zugeführt wird, mit einer Bezugssinuswellenform; und
Bestimmen einer Überladung, wenn bei der Wellenform eine Verzerrung vorkommt, und Erhöhen der laufenden Betriebsfrequenz um eine bestimmte Höhe für einen Überladungsbetrieb.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens mit Überladung umfasst:
Vergleichen einer Leistung, die dem Motor zugeführt wird, mit einer Bezugsleistung; und
Bestimmen einer Überladung, wenn die zugeführte Leistung höher als die Bezugsleistung ist, und Erhöhen der laufenden Betriebsfrequenz um eine bestimmte Höhe für einen Überladungsbetrieb.

11. Kolbenverdichter, der einen Wechselrichter verwendet, umfassend die Schritte des:
Messens einer Stromladung des Motors beim Betrieb auf einer Nennfrequenz;
Vergleichens der gemessenen Ladung mit einer vorgegebenen Bezugsladung;
Bestimmens einer Überladung, wenn die gemessene Ladung größer als die Bezugsladung ist, Erhöhens einer Betriebsfrequenz um einen bestimmten Wert, der über einer Oszillationsfrequenz liegt, und Durchführens eines Überladungsbetriebs; und
Erhöhens einer Spannung, die dem Motor zugeführt wird, um eine bestimmte Höhe gemäß der erhöhten Betriebsfrequenz und Durchführens eines Überladungsbetriebs, um eine Hubreduzierung auszugleichen, die erzeugt wird, wenn die Betriebsfrequenz auf den bestimmten Wert erhöht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Bezugsladung durch einen Versuch eingerichtet wird und aus einem Stromwert entsteht, der um das 1,3-fache (30%) höher als der Stromwert der Nennladung ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei, wie bei der Betriebsfrequenz im Überladungsfall, der Eingangsstrom um das 1,3-fache (30%) größer als die Nennfrequenz eingerichtet wird, so dass eine Phasendifferenz zwischen dem Magnetfluss des Eingangsstroms und dem Magnetfluss des Magneten 180° beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Vergleichens umfasst:
Betreiben auf der Betriebsfrequenz gemäß der Nennladung, wenn die gemessene Ladung kleiner oder gleich der Bezugsladung ist.