DE4015770A1 - Verdichtungsdrucksteuersystem fuer eine elektromagnetische hubkolbenpumpe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckkontrollsystem für eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe und speziell ein Druckkontrollsystem für eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe, welches den vorliegenden Verdichtungsdruck auf einen vorbestimmten Wert halten kann.

Es wurden bisher verschiedene Vorschläge für den Aufbau einer Kompressoreinrichtung gemacht. Es ist üblich, eine drehende Antriebsquelle über eine Kurbelschwinge in die lineare Hubbewegung eines Kompressorkolbens umzusetzen oder eine verdichtete Flüssigkeit durch Verbinden einer sich drehenden Antriebsquelle mit einer Flüssigkeitsverdichtungseinrichtung vom Rotationstyp zu erzeugen. Ersteres wird begleitet durch großen Lärm und Vibration und die Überalles-Struktur wird komplex. Das letztere ist hervorragend in der Lärmentwicklung und Vibration, aber das Abdichten in einer Flüssigkeits­ kompressoreinrichtung vom Rotationstyp ist sehr schwierig.

Auch die Verdichtungsdrucksteuerung für diese Kompressoreinrichtungen ist üblicherweise eine Ein/Aus-Steuerung und es ist schwierig, eine genaue Drucksteuerung mit hoher Präzision durchzuführen.

Im Gegensatz dazu ist in einer elektromagnetischen Hubkolbenpumpe mit einem elektromagnetischen Antriebsmittel als Antriebsquelle ein Mechanismus zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine Linearbewegung oder eine fortschrittliche Abdichtungstechnik, wie in der Flüssigkeitskompressoreinrichtung vom Rotationstyp benötigt, nicht notwendig, weil das elektromagnetische Antriebsmittel selbst eine Linearbewegung durchführt, so daß sie Vorteile wie Vereinfachung des Aufbaus der gesamten Einrichtung und eine gleichmäßige Flüssigkeitsverdichtungsbewegung hat.

Zusätzlich ist es im Unterschied zu den Kompressoreinrichtungen anderer Typen wie oben beschrieben sehr einfach, den Kolbenhub in der elektromagnetischen Hubkolbenpumpe zu verändern. Das heißt, der Kolbenhub der elektromagnetischen Hubkolbenpumpe, der direkt mit dem elektromagnetischen Antriebsmittel verbunden ist, kann in einem Verhältnis von 1:1 verändert werden, indem die Amplitude und/oder Frequenz des Wechselstromes gesteuert wird, der der Erregungswindung des elektromagnetischen Antriebsmittels zugeführt wird, um die Hubbewegung zu verändern. Dies ist ein weiterer Vorteil der elektromagnetischen Hubkolbenpumpe.

Elektromagnetische Antriebsmittel, die für eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe geeignet sind, sind zum Beispiel in Maurice Barthalon′s US-Patent No. 35 42 495 beschrieben.

Wie oben beschrieben hat die elektromagnetische Hubkolbenpumpe viele Vorteile im Vergleich mit anderen Typen von Kompressoreinrichtungen, aber es wurde in der Vergangenheit kein Vorschlag zur Steuerung des Druckes der ausströmenden Flüssigkeit gemacht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Drucksteuersystem für eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe zu schaffen, welches den Verdichtungsdruck auf einem vorbestimmten Wert hält.

Die kennzeichnende Eigenschaft der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Sensor den derzeitigen Verdichtungsdruck der elektromagnetischen Hubkolbenpumpe erfaßt, und der Hub des elektromagnetischen Antriebsmittels mit einer Rückkoppelung geregelt wird, indem die Abweichung des derzeitigen Verdichtungsdrucks, der durch den Drucksensor erfaßt wurde, von dem vorbestimmten Verdichtungsdruck benutzt wird. Gemäß der Steuerung des Kolbenhubs des elektromagnetischen Antriebsmittels ändert sich der Hub des Kompressorkolbens, der an das elektromagnetische Antriebsmittel angeschlossen ist, wobei der Verdichtungsdruck der elektromagnetischen Hubkolben­ pumpe geregelt wird.

Die kennzeichnende Eigenschaft besteht auch darin, daß die Steuerung des Bereiches oder Hubs der Hubbewegung des elektromagnetischen Antriebsmittels durch Einstellung des Mittelwertes des Halbwellenwechselstromes erreicht wird, welcher dem elektromagnetischen Antriebsmittel zugeführt wird. Damit kann die Steuerung des Hubs der Hubbewegung des elektromagnetischen Antriebsmittels mit einer relativ einfachen Konstruktion ausgeführt werden. Die Steuerung der mittleren Größe des Wechselstroms kann einfach ausgeführt werden, indem der Zündwinkel und/oder die Amplitude des Halbwellenwechselstroms moduliert wird.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Blockbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Spannungswellenform, die durch eine Leistungssteuerung vorgesehen ist; und

Fig. 3 einen Graph, der die Beziehung zwischen dem Fehlersignal als Ausgang des ersten Addierers und dem Zündwinkel des Halbwellenwechselstromes zeigt.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1, welche ein Blockbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, im Detail beschrieben.

In der gleichen Figur legt ein Druckbedarfsgenerator 1 den Druck der Flüssigkeit fest, die von einer elektromagnetischen Hubkolbenpumpe 13 ausgegeben werden soll. Ein erster Addierer 2 addiert ein Druckbefehlssignal Ps, ausgegeben vom Druckbefehlsgenerator 1, und ein Flüssigkeitsdrucksignal Pi, ausgegeben von einem Drucksensor 11, ein zweiter Addierer 3 ist eine Art von Phasensteuerung, welche ein Summensignal, ausgegeben vom ersten Addierer 2, nämlich ein Fehlersignal E, und ein Signal einer vorbestimmten Frequenz, ausgegeben von einem Frequenzsignalgenerator 12, addiert, wobei die Phase des Signals der vorbestimmten Frequenz gemäß dem Fehlersignal E verändert wird. Im folgenden wird das phasengesteuerte Frequenzsignal Synchronsignal genannt.

Ein Pulssignalgenerator 4 erzeugt einen mit dem Synchronsignal synchronen Impuls. Eine Leistungssteuerung 5 weist einen gesteuerten Gleichrichter, wie einen Thyristor, auf und empfängt das Wechselstromsignal, das von der Wechselstromleistungsquelle 6 ausgegeben wird, und zündet den gesteuerten Gleichrichter auf das Impulssignal hin, das von dem Pulssignalgenerator 4 ausgegeben wird, um eine Arbeitsleistung an ein elektromagnetisches Antriebsmittel 7 abzugeben. Das bedeutet, daß der Ausgang der Leistungssteuerung 5 eine Wechselspannung ist, deren Zündwinkel gemäß dem Fehlersignal E gesteuert wird, mit anderen Worten eine phasengesteuerte Wechselspannung. Der Wechselstromausgang der Leistungssteuerung 5 wird später unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben.

Das elektromagnetische Antriebsmittel 7 kann ein ähnliches sein, wie das in der oben erwähnten US-Patentschrift beschriebene.

Die phasengesteuerte Wechselspannung ausgegeben von der Leistungssteuerung 5 wird auf eine Erregungswicklung 7 L gegeben, die auf den Statorkern 7 S des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 gewickelt ist. Ein Erregungsstrom Im entsprechend der angelegten Spannung und dem Zündwinkel fließt in die Erregungswicklung 7 L, und ein magnetischer Fluß Φ entsprechend dem Erregungsstrom Im wird in dem Statorkern 7 S induziert. Das bedeutet, daß der magnetische Fluß Φ, der in dem Statorkern 7 S des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 erscheint, gemäß dem effektiven Ausgangsstrom der Leistungssteuerung 6 geändert wird. Ein beweglicher Kern 7 M wird durch den magnetischen Fluß Φ von dem Statorkern 7 S angezogen und bewegt sich in dessen Richtung. Daraufhin bewegt sich der Kolben 8 B eines Kompressors 8, der mit dem beweglichen Kern 7 M des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 verbunden ist, ebenfalls um die Wegstrecke des beweglichen Kerns 7 M. Der bewegliche Abschnitt des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 einschließlich des Kolbens 8 B bewegt sich in einer Richtung, in der eine Feder 9 zusammengedrückt wird, bis zu einer Stellung, in der die elektromagnetische Anziehungskraft Fm, die zwischen dem Statorkern 7 S und dem beweglichen 7M wirkt, und die Rückstellkraft Fs der Feder 9 ausgeglichen sind. Zu diesem Zeitpunkt saugt der Kompressor 8 die Flüssigkeit in seine Flüssigkeitskammer 8 C über eine geeignete Einlaßröhre (nicht dargestellt) .

Weil die an die Leistungssteuerung 5 angelegte Wechselspannung für jeden Halbzyklus zwischen einem positiven und einem negativen Zustand umkehrt, stoppt das gesteuerte Gleichrichterelement wie ein Thyristor der Leistungssteuerung 5 seine Arbeit, wenn die Polarität der Spannung an seiner Anode vom Positiven zum Negativen wechselt. Das bedeutet, daß ein Halbwellenwechselstrom an das elektromagnetische Antriebsmittel 7 angelegt wird. Weil die elektromagnetische Kraft Fm, die zwischen dem Statorkern 7 S und dem beweglichen Kern 7 M des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 wirkt, während der negativen Halbwelle des Wechselstromes verschwindet, unterliegt der bewegliche Abschnitt des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 nur der rückstellenden Kraft der Rückkehrfeder 9. Wenn die Ausgangsspannung der Leistungssteuerung 5 Null ist, wird daher der bewegliche Abschnitt des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 dazu gebracht, zu der statischen Position durch die rückstellende Kraft Fs der Rückkehrfeder 9 zurückzukehren. Zu diesem Zeitpunkt wird die Flüssigkeit, die durch den Kompressor 8 gesaugt wurde, als der bewegliche Kern 7 M des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 zu dem Statorkern 7 S gezogen wurde, verdichtet und über eine Auslaßröhre (nicht gezeigt) in einen Drucktank 10 ausgegeben.

Die verdichtete Flüssigkeit wird durch die Hubbewegung des beweglichen Abschnittes des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 wie oben erwähnt in dem Drucktank 10 gesammelt.

Die Flüssigkeit mit einem vorbestimmten Druck, welche in dem Drucktank 10 gespeichert ist, wird durch ein Ausströmmengenreglermittel 14 nach außen abgegeben.

Der Drucksensor 11 ist in dem Drucktank 10 vorgesehen. Der Drucksensor 11 erfaßt den Flüssigkeitsdruck im Drucktank 10 und gibt ein elektrisches Signal (Flüssigkeitsdrucksignal Pi) proportional zum Druck der Flüssigkeit aus. Das Flüssigkeitsdrucksignal Pi wird auf den ersten Addierer 2 gegeben, wo es mit dem Druckbefehlssignal Ps addiert wird, und das Summensignal wird als Fehler (Abweichungssignal E) ausgegeben. In dieser Ausführungsform ist es festgelegt, daß das Druckbefehlssignal Ps einen positiven Wert und das Flüssigkeitsdrucksignal Pi einen negativen Wert annimmt.

Fig. 2 ist ein Wellenformdiagramm der Ausgangsspannung der Leistungssteuerung. Die Ausgangsspannung V der Leistungssteuerung 5 ist der Abschnitt der ausgezogenen Linie von Vm sin ω t, welche mit dem Symbol "a" gekennzeichnet ist, und der Abschnitt der gestrichelten Linie bezeichnet mit dem Symbol "b" den Abschnitt, an dem der Ausgang von der Leistungssteuerung 5 verhindert wird.

Der Ausgangsimpuls des Pulssignalgenerators 4 wird synchron zum Synchronsignal erzeugt, welches in der Phase gemäß dem Fehlersignal E wie oben beschrieben gesteuert ist, und in der Leistungssteuerung 5 wird der Zündwinkel des gesteuerten Gleichrichters gemäß dem Synchronsignal gesteuert. Wenn zum Beispiel das Fehler­ signal E 4, E 3, E 2, E 1 oder 0 (E 4<E 3<E 2<E 1<0) ist, beträgt der Zündwinkel jeweils R 4, R 3, R 2, R 1 oder π. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Periode der Ausgangsspannung der Leistungssteuerung 5 von R4 bis π, von R 3 bis π, von R 2 bis π, von R 1 bis π, oder 0, in dem Zeitraum der Periode eines Zyklus der Spannungswellenform, falls das Fehlersignal jeweils E 4, E 3, E 2, E 1 oder 0 ist. Falls das Fehlersignal negativ wird, erzeugt die Leistungssteuerung 5 keinen Ausgang.

Unter der Annahme, daß die Induktivität und der Widerstand der Erregungs 7 L des elektromagnetischen Antriebsmittels 7L und R sind, und der in die Erregungswicklung fließende Strom Im ist, gilt die folgende Gleichung (1).

L (dIm/dt) + R · Im = V (1)

(wobei R m ≦ ω t ≦ π)

Wenn, wie oben beschrieben, das Fehlersignal E sich verändert, verändert sich die Phasenlage des Synchronsignals, um den Zündwinkel R und die Periode der Ausgangsspannung der Leistungssteuerung 5 zu ändern. Durch diese Veränderung ändert sich der Strom Im in der Erregungswicklung 7 L. Das bedeutet, daß die elektromagnetische Kraft Fm, die auf den beweglichen Abschnitt des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 wirkt, sich gemäß dem Fehlersignal E ändert, wodurch der Hub des beweglichen Abschnittes des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 bewirkt wird, wobei die Menge der Flüssigkeit, die verdichtet in den Drucktank 10 gegeben wird, verändert wird. Mit anderen Worten, die Menge der Flüssigkeit, die verdichtet durch den Kompressor 8 in den Drucktank 10 gegeben wird, wird gemäß dem Flüssigkeitsdrucksignal Pi, welches von dem Drucksensor 11 ausgegeben wird, rückgekoppelt geregelt.

Angenommen, daß die Federkonstante der Rückkehrfeder 9, die durch den beweglichen Abschnitt des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 zusammengedrückt wird, k ist und der Kompressionsbetrag der Rückkehrfeder 9x ist, wird die Rückstellkraft Fs, hervorgerufen durch die Kompression der Rückkehrfeder 9, durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt.

Fs = kx (2)

Falls die Rückstellkraft Fs der elektromagnetischen Anziehungskraft Fm gleicht, bleibt der bewegliche Abschnitt des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 stehen. Weil der Betrag x der Kompression der Rückkehrfeder 9 zu diesem Zeitpunkt der Hub des Kolbens 8 B des Kompressors 8 ist, ist das Produkt Sx des Betrages x der Kompression nahe dem Kolbenquerschnitt S das eingeschlossene Volumen U der Flüssigkeit.

Wenn der Strom Im in der Erregungswicklung 0 wird, schiebt die Rückkehrfeder 9 den beweglichen Abschnitt des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 und den Kolben 8 B des Kompressors 8 zurück, um die in den Kompressor 8 gesaugte Flüssigkeit zu verdichten und die Flüssigkeit in den Drucktank 10 auszugeben.

Es wurde oben beschrieben, daß der Hub des elektromagnetischen Antriebsmittels 7 durch Phasensteuerung der Spannung geändert wird, welche dem elektromagnetischen Antriebsmittel 7 durch die Leistungssteuerung 5 gemäß dem Fehlersignal E zugeführt wird, wodurch die Menge der Flüssigkeit, die verdichtet von dem Kompressor 8 zum Drucktank 10 geschickt wird, gesteuert wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht speziell nur auf das begrenzt, und es kann erlaubt sein, daß durch Steuerung der Amplitude Vm der Ausgangsspannung der Leistungssteuerung 5 gemäß dem Fehlersignal E den Hub des beweglichen Abschnittes des elektromagnetischen Antriebsmittels zu ändern, so daß das Fehlersignal E 0 wird, wodurch die Menge der Flüssigkeit, die verdichtet zu dem Drucktank 10 durch den Kompressor 8 geschickt wird, gesteuert wird.

In Fig. 3 ist die Beziehung des Fehlersignals E und des Zündwinkels R als eine lineare Funktion gesetzt, wobei der Winkel R π wird, wenn das Fehlersignal E gleich 0 ist, falls aber das elektromagnetische Antriebsmittel eine tote Zone aufweist, kann sie so gesetzt sein, daß der Winkel R den oberen Grenzwert (einen Wert kleiner als π) der toten Zone annimmt, wenn das Fehlersignal E 0 wird.

Obwohl es beschrieben wurde, daß der Zündwinkel R gemäß dem Fehlersignal E wie in Fig. 3 gezeigt geändert wird, kann es weiterhin erlaubt sein, daß der Zündwinkel R nur auf einen vorbestimmten festen Wert gesetzt wird, wenn das Fehlersignal E positiv ist und das R auf π gesetzt wird, wenn E 0 oder negativ ist.

Wie von der obigen Beschreibung offensichtlich ist, werden die folgenden technischen Vorteile durch die vorliegende Erfindung erreicht.

• 1) Durch Rückkopplungssteuerung des Hubs des elektromagnetischen Antriebsmittels auf der Basis eines Fehlersignals, welches eine Funktion des momentanen Verdichtungsdrucks und des vorbestimmten Verdichtungsdrucks einer elektromagnetischen Hubkolbenpumpe ist, so daß das Fehlersignal 0 wird, wodurch der Hub des Kompressors, der mit dem elektromagnetischen Antriebsmittel verbunden ist, reguliert wird, kann der momentane Verdichtungsdruck der elektromagnetischen Hubkolbenpumpe jederzeit auf dem vorbestimmten Verdichtungsdruck gehalten werden.
• 2) Weil die Hubsteuerung des beweglichen Abschnitts des elektromagnetischen Antriebsmittels durch Einstellen des Zündwinkels oder der Amplitude des Halbwellenwechselstroms durchgeführt wird, welcher dem elektromagnetischen Antriebsmittel zugeführt wird, wodurch dessen Erregungswicklungsstrom gesteuert wird, kann die Hubsteuerung des beweglichen Abschnitts des elektromagnetischen Antriebsmittels genau mit einer relativ einfachen Anordnung ausgeführt werden.

Claims (4)

1. Verdichtungsdrucksteuersystem für eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe (13), bestehend aus einem elektromagnetischen Antriebsmittel (7) und einem Kompressor (8), der durch das elektro­ magnetische Antriebsmittel angetrieben wird, gekennzeichnet durch einen Druckbefehlsgenerator (1) zum Festsetzen eines Verdichtungsdrucks, einen Drucksensor (11) zum Feststellen des momentanen Verdichtungsdrucks des Kompressors (8), und Steuermittel, die auf ein Fehlersignal E reagieren, welches eine Funktion der Ausgangssignale Ps, Pi des Druckbefehlsgenerators (1) und des Drucksensors 11 ist, um den Hub des elektromagnetischen Antriebsmittels (7) zu steuern, so daß das Fehlersignal Null wird.

2. Verdichtungsdrucksteuersystem für eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Antriebsmittel (7) einen Statorkern (7 S) enthält, eine Erregungswicklung (7 L) zur magnetischen Erregung des Statorkerns und einen beweglichen Kern (7 M), der mechanisch mit einem Kolben (7 B) des Kompressors (8) verbunden ist, und die Steuermittel (4, 5) die mittlere Größe des Wechselstromes, der auf die Erregungswicklung (7 L) gegeben wird, steuern.

3. Verdichtungsdrucksteuersystem für eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel den Zündwinkel der Wechselspannung steuert, die auf die Erregungswicklung gegeben wird.

4. Verdichtungsdrucksteuersystem für eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (4, 5) die Amplitude der Wechselspannung steuert, die auf die Erregungswicklung (7 L) gegeben wird.