JP2006017041A

JP2006017041A - 回転式圧縮機

Info

Publication number: JP2006017041A
Application number: JP2004196412A
Authority: JP
Inventors: Hajime Nakamura; 中村　　元
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19
Also published as: CN1715655A; CN100371601C

Abstract

【課題】電動機を大型化することなく、起動時及びその後も駆動部である電動機の過負荷防止しつつ、運転中における吐出圧力を一定に保つことを可能とした回転式圧縮機を提供する。
【解決手段】圧縮機本体１２からの吐出ガスの圧力を検出する圧力検出器１５と、回転数がインバータ１７により制御される電動機１１の駆動軸に作用するトルクを検出するトルク検出器１６と、予め入力された電動機１１の最大駆動トルクよりも小さいトルクの閾値及び所望の圧力設定値と圧力検出器１５からの検出圧力を示す圧力信号及び上記トルク検出器からの検出トルクを示すトルク信号とに基づき、検出トルクが上記閾値がよりも小さい場合には、検出圧力と上記設定圧力との差をなくすように上記回転数を制御し、上記場合以外では、検出トルクが上記閾値よりも小さくなる迄、加速度を減少させるように上記回転数を制御する制御装置１９とが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ等を用いて駆動部の回転数を制御するようにした回転式圧縮機に関するものである。

従来、インバータ等を用いて駆動部の回転数を制御するようにした回転式圧縮機、例えばスクリュ圧縮機は公知である。この駆動部には、近年の省エネルギに対する要求が高まりつつある状況下、高効率の同期電動機の採用が多くなっている。しかし、この同期電動機は、高効率の運転を可能とする反面、負荷トルクの増大により過負荷状態になると、電源の周波数と同期した運転ができなくなるいわゆる脱調（同期外れ）現象を起こし、圧縮機の正常な運転を継続することができなくなるという不具合を招くことがある。特に、この過負荷状態は起動時に生じ易い。

特許文献１には、この起動時における負荷トルクを軽減するようにしたスクリュ圧縮機が開示されている。
特開２００３−３９７６号公報

特許文献１に記載のスクリュ圧縮機の場合、起動時に駆動部のモータに作用する負荷トルクが軽減され、モータが過負荷状態になることは回避できるが、起動時以外では、この過負荷状態は回避できないという問題がある。現実には、圧縮ガスの使用量が一定していないため、吐出圧力が変動し、この変動幅が大きい場合には、モータが過負荷状態になり、圧縮機の正常な運転を継続できない事態が発生することがある。
本発明は、上記従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、電動機を大型化することなく、起動時及びその後も駆動部である電動機の過負荷を防止しつつ、運転中における吐出圧力を一定に保つことを可能とした回転式圧縮機を提供しようとするものである。

上記課題を解決するために第１発明は、回転数が制御される電動機で駆動される圧縮機本体を備えた回転式圧縮機において、上記圧縮機本体からの吐出ガスの圧力を検出する圧力検出器と、上記電動機の駆動軸に作用するトルクを導出するトルク導出手段と、予め入力された上記電動機の最大駆動トルクよりも小さいトルクの閾値及び所望の圧力設定値と、上記圧力検出器からの検出圧力を示す圧力信号及び上記トルク導出手段からの導出トルクを示すトルク信号に基づき、導出トルクが上記閾値以上となった場合には、導出トルクが上記閾値よりも小さくなるまで、加速度を減少させるように上記回転数を制御し、上記場合以外では、検出圧力と上記圧力設定値との差をなくすように上記回転数を制御する制御装置とが設けられた構成とした。

また、第２発明は、回転数が制御される電動機で駆動される圧縮機本体を備えた回転式圧縮機において、上記圧縮機本体からの吐出ガスの圧力を検出する圧力検出器と、上記電動機の駆動軸に作用するトルクを導出するトルク導出手段と、予め入力された上記電動機の最大駆動トルクよりも小さいトルクの閾値、上記閾値よりもさらに小さい第２閾値及び所望の圧力設定値と、上記圧力検出器からの検出圧力を示す圧力信号及び上記トルク導出手段からの導出トルクを示すトルク信号に基づき、導出トルクが上記閾値以上となった場合には、導出トルクが上記第２閾値よりも小さくなるまで、加速度を減少させるように上記回転数を制御し、上記場合以外では、検出圧力と上記圧力設定値との差をなくすように上記回転数を制御する制御装置とが設けられた構成とした。

さらに、第３発明は、第１または第２発明の構成に加えて、上記トルク導出手段が、電動機の駆動軸に設けられたトルク検出器であって、上記トルク導出手段からの導出トルクが上記トルク検出器からの検出トルクである構成とした。

さらに、第４発明は、第１または第２発明の構成に加えて、電動機の回転数を制御するインバータを備え、上記インバータが上記電動機に通電される電流に相当する電流値信号を出力するものであって、上記電流値信号が上記制御装置に入力されるように構成され、上記制御装置が上記トルク導出手段を兼ね、上記電流値信号に基いて導出トルクを導出するものである構成とした。

本発明に係る回転式圧縮機によれば、例えばリフト弁、スライド弁、或いはピストン弁等を用いて容量調節する必要がなく、これらを設けることによる構造の複雑化はなく、かつ電動機を大型化することなく、起動時及びその後も駆動部である電動機の過負荷防止しつつ、運転中における吐出圧力を一定に保つことが可能になるという効果を奏する。

次に、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、本発明に係る回転式圧縮機１Ａを示し、この回転式圧縮機１Ａは電動機１１により回転駆動される図示しないロータを内蔵した圧縮機本体１２を有している。圧縮機本体１２の一方には吸込流路１３、他方には吐出流路１４のそれぞれが接続し、吐出流路１４には、吐出圧力を検出する圧力検出器１５が設けられている。さらに、圧縮機本体１２と電動機１１との間の駆動軸にはトルク検出器１６が設けられ、電動機１１はインバータ１７を介して交流電源１８に接続している。圧力検出器１５からは吐出圧力についての検出圧力を示す圧力信号が、また、トルク検出器１６からは検出トルクを示すトルク信号が制御装置１９に入力され、これらの信号に基づき、以下に述べるように吐出圧力が所望の設定圧力になるように制御装置１９及びインバータ１７を介して電動機１１の回転数制御が行われる。

圧縮機本体１２内のロータの回転数制御の説明にあたり、まず圧縮機本体１２の出力及びそれに関係するトルクとの関係について考察する。
圧縮機本体１２の出力Ｐ（ｋＷ）は次式で表せる。

一方、電動機１１により圧縮機本体１２内の上記ロータを駆動するときに必要な全負荷トルクＴcは、次式で表すように、一定回転数下での定常運転時に上記ロータから上記駆動軸に作用する定常的負荷トルクＴc_dに、上記ロータの回転を加速するための過渡的負荷トルクＴc_aを加えた値となる。

定常的負荷トルクＴc_d及び過渡的負荷トルクＴc_aのそれぞれは次式のように表すことができる。

電動機１１により駆動される圧縮機本体１２の安定した運転のためには、次式が成立していなければならない。

換言すれば、式（５）が成立するように電動機１１は選定されている。
また、制御装置１９には、予め最大駆動トルクＴmよりも小さいトルクの閾値Ｔsetと所望の圧力設定値Ｐsetが入力されている。

そして、圧縮機本体１２の起動とともに、電動機１１は予め設定された一定の加速度が回転数を上昇させてゆく一方、トルク検出器１６から検出トルク、即ち全負荷トルクＴcを示すトルク信号、また圧力検出器１５から検出された吐出圧力Ｐdを示す圧力信号のそれぞれが制御装置１９に入力される。
制御装置１９では、Ｔc＜Ｔsetか否かが判断され、ＹＥＳの場合、即ち電動機１１が過負荷状態でない場合には、（吐出圧力Ｐd−圧力設定値Ｐset）の値をゼロにする電動機１１の回転数がＰＩＤ演算等に算出され、電動機１１をこの回転数にするようにインバータ１７に対して制御信号が出力される。

これに対して、上記判断の結果、ＮＯの場合、即ち電動機１１が過負荷状態にあるかその状態になるおそれがある場合には、電動機１１が過負荷状態になるのを未然に防ぐ必要がある故、電動機１１の回転数を低下させるようにインバータ１７に対して制御信号が出力される。具体的には、式（４）の時間ｔにおけるロータ（電動機１１の駆動軸）の回転数の変化量Δｎを、ＰＩＤ演算等により（吐出圧力Ｐd−設定圧力Ｐset）の値をゼロにするように算出した値よりも一定量だけ減少させる。なお、回転数の変化量Δｎに対応する時間の変化量Δｔがいわゆる単位時間であれば、回転数の変化量Δｎは加速度である。即ち、回転数の変化量Δｎを一定量だけ減少させることは、加速度を所定の量だけ減少させることと同義である。これにより、過渡的負荷トルクＴc_aが低下し、電動機１１に作用する負荷を軽減することができる。
以後、圧縮機本体１２の作動中、以上の演算処理、制御信号の出力が繰り返される。

また、上記トルクの閾値Ｔsetよりもさらに小さい第２閾値Ｔset_lowを予め入力しておき、上記判断の結果がＮＯの場合、即ち電動機１１が過負荷状態にあるか、その状態になるおそれがある場合に、トルクの値Ｔｃをその第２閾値Ｔset_lowよりも小さくなるまで下げるような回転数にて電動機１１を回転させるようにしてもよい。具体的には、上記判断の結果がＮＯ（トルクの値Ｔｃ≧Ｔset）の場合、上述のように、電動機１１の加速度を所定の量だけ減少させ、Ｔｃ＜Ｔsetとなり、さらにＴｃ＜Ｔset_lowとなるまで、それを係属すればよい。なるべく、吐出圧力を所望の設定圧力としたいのであれば、加速度を減少させた状態をＴｃ＜Ｔsetとなった時点で終えるのがよいが、電動機１１に作用する負荷をなるべく減減させたいのであれば、このように加速度を減少させた状態をＴｃ＜Ｔset_lowとなるまで継続するのが好ましい。

図２は、本発明に係る別の回転式圧縮機１Ｂを示し、図２において上述した回転式圧縮機１Ａと互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
この回転式圧縮機１Ｂでは、回転式圧縮機１Ａに設けられているトルク検出器１６を省き、それに代えて、図２にて一点鎖線２０で示すように、インバータ１７が電動機１１に通電される電流に相当する電流値信号を制御装置１９に対して出力するように構成されている。ところで、この電動機１１に通電される電流に関して、次式が成立する。

制御装置１９のインバータ１７に対する直接的な制御パラメータは、（６）式中のＥ，ｆとなる。従って、制御装置１９側ではＥ，ｆは当然に認識し得る数値であり、加えて、上述のとおり、一点鎖線２０で示す上記電流値信号が制御装置１９に入力されるように構成されているので、制御装置１９側では負荷トルクＴｃを導出するのに必要なパラメータを全て認識できるようになっている。回転式圧縮機１Ｂは、回転式圧縮機１Ａのようにトルク検出器１６にて直接トルクを検出する代わりに、インバータ１７が電動機１１に通電される電流に相当する上記電流値信号に基づきトルクを導出するように構成されている。なお、その他の演算処理・制御信号の出力等については、回転式圧縮機１Ａの場合と同様である。このような構成の回転式圧縮機１Ｂによって、トルク検出器１６を配置しなくても、電動機１１に作用する負荷の軽減が実現できる。なお、インバータによっては、電圧Ｅ，周波数ｆが制御装置１９の制御パラメータどおりに出力されているかどうかを確認するために、それらのモニタリング信号を出力可能に構成されている場合がある。インバータ１７がそのような種類のものであり、また制御装置１９に電流値信号とともに、電圧Ｅ、周波数ｆのモニタリング信号が入力されるように構成されていれば、それらのモニタリング信号をトルク導出のために利用してもよい。

図３は、本発明に係るさらに別の回転式圧縮機１Ｃを示し、図３において上述した回転式圧縮機１Ａと互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
この回転式圧縮機１Ｃでは、回転式圧縮機１Ａの構成に加えて、圧縮機本体１２の吸込流路１３に流量計２１と圧力検出器２２とが設けられている。そして、流量計２１からは吸込みガス量を示す流量信号が、圧力検出器２２からは吸込圧力についての検出圧力を示す圧力信号が制御装置１９に入力されている。制御装置１９は、吸込圧力、吐出圧力、吸込みガス量と（１）式〜（４）式に基いて、現時点でのトルクの値Ｔｃと回転数ｎから第２閾値Ｔset_lowに相当する回転数ｎset_lowを算出し、その回転数ｎset_lowで電動機１１を回転させ、Ｔｃ≦Ｔset_lowとなるまで、それを継続するように構成されている。ＰＩＤ演算等により算出した回転数の変化量Δｎ（ひいては加速度）を一定量だけ減少させるものではないが、それと同様に過渡的負荷トルクＴｃ_ａが変化し、電動機１１に作用する負荷を軽減させることができる。

上述したように、圧縮機本体１２の起動時だけでなく、その運転中にもその電動機１１に過大な負荷トルクが作用し得る状況が発生することがあるが、回転式圧縮機１の場合、電動機１１を大型化することなく、駆動部である電動機１１の過負荷を防止しつつ、運転中における吐出圧力が回転数制御のみにより一定に保たれる。しかも、回転式圧縮機１の場合、例えば、例えばリフト弁、スライド弁、或いはピストン弁等を用いて容量調節する必要がなく、これらの弁を採用した場合のように構造が複雑になることもない。

本発明は、例えばスクリュ圧縮機、スクロール圧縮機に好適である。

本発明に係る回転式圧縮機の全体構成を示すブロック図である。本発明に係る別の回転式圧縮機の全体構成を示すブロック図である。本発明に係るさらに別の回転式圧縮機の全体構成を示すブロック図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ回転式圧縮機
１１電動機
１２圧縮機本体
１３吸込流路
１４吐出流路
１５圧力検出器
１６トルク検出器
１７インバータ
１８交流電源
１９制御装置
２０電流値信号
２１流量計
２２圧力検出器

Claims

回転数が制御される電動機で駆動される圧縮機本体を備えた回転式圧縮機において、
上記圧縮機本体からの吐出ガスの圧力を検出する圧力検出器と、
上記電動機の駆動軸に作用するトルクを導出するトルク導出手段と、
予め入力された上記電動機の最大駆動トルクよりも小さいトルクの閾値及び所望の圧力設定値と、上記圧力検出器からの検出圧力を示す圧力信号及び上記トルク導出手段からの導出トルクを示すトルク信号に基づき、導出トルクが上記閾値以上となった場合には、導出トルクが上記閾値よりも小さくなるまで、加速度を減少させるように上記回転数を制御し、上記場合以外では、検出圧力と上記圧力設定値との差をなくすように上記回転数を制御する制御装置とが
設けられたことを特徴とする回転式圧縮機。
回転数が制御される電動機で駆動される圧縮機本体を備えた回転式圧縮機において、
上記圧縮機本体からの吐出ガスの圧力を検出する圧力検出器と、
上記電動機の駆動軸に作用するトルクを導出するトルク導出手段と、
予め入力された上記電動機の最大駆動トルクよりも小さいトルクの閾値、上記閾値よりもさらに小さい第２閾値及び所望の圧力設定値と、上記圧力検出器からの検出圧力を示す圧力信号及び上記トルク導出手段からの導出トルクを示すトルク信号に基づき、導出トルクが上記閾値以上となった場合には、導出トルクが上記第２閾値よりも小さくなるまで、加速度を減少させるように上記回転数を制御し、上記場合以外では、検出圧力と上記圧力設定値との差をなくすように上記回転数を制御する制御装置とが
設けられたことを特徴とする回転式圧縮機。
上記トルク導出手段が、電動機の駆動軸に設けられたトルク検出器であって、上記トルク導出手段からの導出トルクが上記トルク検出器からの検出トルクであることを特徴とする請求項１または２に記載の回転式圧縮機。
電動機の回転数を制御するインバータを備え、上記インバータが上記電動機に通電される電流に相当する電流値信号を出力するものであって、上記電流値信号が上記制御装置に入力されるように構成され、上記制御装置が上記トルク導出手段を兼ね、上記電流値信号に基いて導出トルクを導出するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の回転式圧縮機。