JP3578701B2 - エアポンプ最大出力制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエアポンプ最大出力制御装置に関する。さらに詳しくは、電磁石と永久磁石との磁気的相互作用に基づく、前記永久磁石を備えた磁石可動子の電磁振動によって、前記磁石可動子に連結されたダイアフラムを駆動し、流体を吸引、吐出するダイアフラム式リニアエアポンプ（以下、ＭＤＬエアポンプという）の出力を最大制御することができるエアポンプ最大出力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
ＭＤＬエアポンプで最大出力を得るためには、常に同調周波数で駆動することが必要である。しかし、このＭＤＬエアポンプの定負荷における同調周波数は、ダイアフラムの構造および材質で決定されるとともに、経年変化により変化する。またＭＤＬエアポンプの同調周波数は、ＭＤＬエアポンプの負荷条件（圧力や流量）、その電磁石巻線への印加電圧または周囲温度などによっても変化する。
【０００３】
とくに、従来は、商用電源で駆動させているため、駆動電源周波数が固定される結果、ポンプ能力を最大限に発揮することができない。
【０００４】
本発明は、叙上の事情に鑑み、ポンプ出力を可変制御および一定制御するとき、常に同調周波数で駆動しポンプ出力を最大にすることができるエアポンプ最大出力制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により誘起電圧を算出する手段と、該誘起電圧と電磁石電流とのベクトル内積で得られる電気出力が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００６】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗を入力すると、前記電磁石の入力電力、鉄損、および銅損をそれぞれ算出する手段と、前記入力電力から鉄損および銅損の和を差し引いて得られる電気出力が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００７】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により誘起電圧を算出する手段と、該誘起電圧が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００８】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により電磁石電流と同相成分の誘起電圧を出力する手段と、該電磁石電流と同相成分の誘起電圧が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００９】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により電磁石電流と垂直成分の誘起電圧を出力する手段と、該垂直成分の誘起電圧が最小になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１２】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、前記電磁石の入力電力を算出する手段と、該入力電力が最大になるよう駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１３】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、前記両者の位相角が最小になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１４】
さらに本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流との両者の位相角を得る手段と、該手段により２つ以上の異なる周波数において前記印加電圧と入力電流および両者の位相角を測定し、ポンプの等価回路における同調角周波数を計算し、該同調角周波数で制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、ＭＤＬエアポンプを駆動する電磁石の駆動電源周波数を、その同調周波数に一致させて最大出力を得る。同調周波数は、
１）電気出力が最大
２）誘起電圧が最大
３）加速度が最大
４）可動部振幅が最大
５）入力電力が最大
６）電圧と電流の位相角が最小
のいずれかの条件が満たされたときの周波数である。
【００１６】
また２つの異なる周波数における電圧、電流および両者の位相角を測定し、等価回路から同調角周波数を求める。
【００１７】
以下、添付図面に基づいて本発明のエアポンプ最大出力制御装置を説明する。まず図１にＭＤＬエアポンプの等価回路を示す。図１において、端子ａ、ｂの左側は電源および電磁石巻線の等価回路を表わし、右側はポンプ出力を含むダイアフラムの等価回路を表わす。また図１において、Ｅ１やＲ１などの符号はつぎのものを表わしている。
【００１８】
Ｅ１：印加電圧
Ｒ１：電磁石巻線抵抗
Ｒｉ：鉄損等価抵抗
Ｌ１：電磁石巻線インダクタンス
Ｃｄ：ダイアフラム等価容量
Ｉａｅ：ＩａのＥａ同相成分
Ｉｍ：ポンプ出力電流
Ｉ１：入力電流
Ｉｉ：鉄損電流
Ｉａ：電磁石電流（Ｉ１−Ｉｉ（ベクトル演算））
Ｌｄ：ダイアフラム等価インダクタンス
Ｒｄ：ダイアフラム損失等価抵抗
Ｉａｒ：ＩａのＥａ垂直成分
Ｉｄ：ダイアフラム損失電流
Ｅａ：誘起電圧
【００１９】
図２は図１における等価回路の印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１および電磁石電流Ｉａのベクトル図である。図２において、印加電圧Ｅ１と入力電流Ｉ１の位相角をθ１、入力電流Ｉ１と電磁石電流Ｉａの位相角をθ１ｄ、印加電圧Ｅ１と電磁石電流Ｉａの位相角をθａとする。
【００２０】
図３において、（ａ）は駆動角周波数ωが同調角周波数ω０より低い場合（ω＜ω０）、（ｂ）は駆動角周波数ωが同調角周波数ω０に一致する場合（ω＝ω０）、（ｃ）は駆動角周波数ωが同調角周波数ω０より高い場合（ω＞ω０）のベクトル図を示している。
【００２１】
図３（ａ）に示されるように、駆動電源周波数ωが同調角周波数ω０より低い場合、Ｉａｒは誘起電圧Ｅａに対して９０°遅れ、電磁石電流Ｉａは誘起電圧Ｅａに対して遅れ位相になる。また図３（ｂ）に示されるように、駆動電源周波数ωが同調角周波数ω０に一致する場合、Ｉａｒはゼロになり、誘起電圧Ｅａと電磁石電流Ｉａは同相になる。さらに図３（ｃ）に示されるように、駆動電源周波数ωが同調角周波数ω０より高い場合、Ｉａｒは誘起電圧Ｅａに対して９０°進み、電磁石電流Ｉａは誘起電圧Ｅａに対して進み位相になる。
【００２２】
前記電磁石電流Ｉａと位相角θａは図２の関係からつぎの式（１）、（２）で求められる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
θａ＝θ１＋θ１ｄ （２）
図３に示されるように、ベクトル図から、
Ｉａｅ＝Ｉａ ｃｏｓθ２＝ＩａＥａｘ／Ｅａ （３）
Ｉａｒ＝Ｉａ ｓｉｎθ２＝ＩａＥａｙ／Ｅａ （４）
であり、したがって、誘起電圧Ｅａはつぎの式（５）で得られる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
また図３から、つぎの式（６）、（７）が求められる。
Ｅａｙ＝Ｅ１ｓｉｎθａ−ωＬ１Ｉａ （６）
Ｅａｘ＝Ｅ１ｃｏｓθａ−Ｒ１Ｉａ （７）
【００２７】
実施の形態１
実施の形態１を図４に示す。図４において、１は単相のインバータ、２はエアポンプ電磁石巻線、３は電圧検出手段、４は位相角検出手段、５は電流検出手段、６ａは電気出力演算手段および７ａは最大判定・周波数指令手段である。前記インバータ１には、指令電圧Ｖおよび指令周波数ｆが入力される。前記エアポンプ電磁石巻線２に印加される印加電圧Ｅ１は、電圧検出手段３で検出され、その入力電流Ｉ１は、電流検出手段５で検出される。検出された印加電圧Ｅ１および入力電流Ｉ１を位相角検出手段４に入力し、該手段４により両者の位相角θ１が検出される。
【００２８】
電気出力Ｐｅは、誘起電圧Ｅａと電磁石電流Ｉａとのベクトル内積で求められ、図３からつぎの式（８）で表わされる。
Ｐｅ＝ＥａＩａ ｃｏｓθ２＝ＥａｘＩａ （８）
【００２９】
電気出力演算手段６ａは、検出された印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１および電磁石巻線抵抗Ｒ１、電磁石巻線インダクタンスＬ１を入力すると、演算により誘起電圧を算出したのち、前記式（８）による電気出力Ｐｅを出力する。電磁石巻線抵抗Ｒ１および電磁石巻線インダクタンスＬ１は予め測定するか、または運転中にそれぞれを検出する手段により求める。演算された電気出力Ｐｅを最大判定・周波数指令手段７ａに入力すると、該手段７ａでは、現在のエアポンプ電磁石の駆動電源周波数ｆｎにおける電気出力Ｐｅｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における電気出力Ｐｅｎ−１とを比較して、
｜Ｐｅｎ−Ｐｅｎ−１｜＞ε （９）
が成立するときは、周波数指令ｆはつぎのように決定する。ここで、εは充分小さい数とする。
【００３０】
１）Ｐｅｎ＞Ｐｅｎ−１、ｆｎ＞ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ＋Δｆとする。
２）Ｐｅｎ＞Ｐｅｎ−１、ｆｎ＜ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ−Δｆとする。
３）Ｐｅｎ＜Ｐｅｎ−１、ｆｎ＞ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ−Δｆとする。
４）Ｐｅｎ＜Ｐｅｎ−１、ｆｎ＜ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ＋Δｆとする。
【００３１】
ここで、Δｆは任意の正数とする。
【００３２】
これを繰り返し行なうことにより、つぎの式（１０）の条件が満足され、電気出力Ｐｅｎは最大に収束する。
｜Ｐｅｎ−Ｐｅｎ−１｜≦ε （１０）
【００３３】
この式（１０）が成立するときの指令周波数ｆを
ｆ＝ｆｎ （１１）
とする。以後、電気出力Ｐｅを最大に維持してポンプを運転することができる。ただし、同調周波数が変化した場合は式（１０）が成り立つ新たな駆動周波数が選択されて、電気出力Ｐｅ最大の条件が保たれる。
【００３４】
図５はＭＤＬエアポンプに一定電圧を印加した場合の、電気出力Ｐｅ、駆動電源周波数およびポンプ出力Ｐｍの特性例を示す。電気出力Ｐｅが最大のとき、ポンプ出力Ｐｍも最大である。
【００３５】
ＭＤＬエアポンプの出力を増加させるときは、インバータの出力電圧を増加させる。また出力を減少させるときは、インバータの出力電圧を小さくすればよい。図６は印加電圧Ｅ１が変化したときの電気出力Ｐｅの特性例を示し、印加電圧Ｅ１の変化に伴い最大出力の駆動電源周波数が変化している。この場合でも前述と同様に、この駆動電源周波数を制御することにより、その電圧における最大出力運転が可能になる。また経年変化や周囲温度の変化によって同調周波数が変化しても、それに追従して常に最大出力制御をすることができる。
【００３６】
図７は電力出力Ｐｅの最大を求めるフローチャートである。スタート時は、前のデータがないので、まず任意の指令周波数ｆを与え、これに対する印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１を検出し、これらを記憶する。つぎに指令周波数をｆｎ＋Δｆまたはｆｎ−Δｆとして、これに対する印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１を検出する。この段階で現在の指令周波数ｆｎ、単位時間前の指令周波数ｆｎ−１、現在の電気出力Ｐｅｎ、単位時間前の電気出力Ｐｅｎ−１の最初の各データが確定する。これ以降はフローチャートにしたがって処理することにより、電気出力Ｐｅの最大およびその駆動電源周波数が確定し、これ以降は常に電気出力Ｐｅを最大にしてポンプを運転することができる。
【００３７】
なお、Δｆおよびεは電気出力Ｐｅの特性に応じて最適な制御ができる値を選定する。たとえば
Δｆ＝０．２， ε＝０．１
とする。
【００３８】
ただしこれらの値は、ポンプの定格や制御精度により異なる。
【００３９】
また簡易的には、予想される同調周波数の範囲内で駆動電源周波数の一定間隔ごとの印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１および両者の位相角θ１のデータを測定し、これらから計算される電気出力Ｐｅの最大時の駆動電源周波数を同調周波数として選定し、これでポンプを運転することもできる。
【００４０】
実施の形態２
本実施の形態２は、図８に示されるように前記実施の形態１に対して電気出力演算手段６ｂにおいて電気出力Ｐｅを求める方法が異なる。電気出力Ｐｅは、入力電力から損失（銅損Ｐｃと鉄損Ｐｉの和）を差し引いたものであるから、つぎの式（１２）で表わすことができる。
Ｐｅ＝Ｅ１Ｉ１ｃｏｓθ１−Ｐｃ−Ｐｉ （１２）
【００４１】
ここで、銅損Ｐｃは
Ｐｃ＝Ｉａ２Ｒ１
で求めることができる。
【００４２】
なお、鉄損Ｐｉは、電圧と周波数の関数であり、予め準備したデータテーブルから演算して求めることができる。
【００４３】
実施の形態３
本実施の形態３では、図９に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４および電流検出手段５が、それぞれ前記実施の形態１と同じである。誘起電圧演算手段６ｃは、印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１、電磁石巻線抵抗Ｒ１およびインダクタンスＬ１が入力されると、誘起電圧Ｅａを前記式（５）で計算する。電気出力Ｐｅが最大のとき、誘起電圧Ｅａは最大になるので、本実施の形態３では、前記誘起電圧演算手段６ｃで得られた誘起電圧Ｅａが、最大判定・周波数指令手段７ａに入力される。最大判定・周波数指令手段７ａでは、現在のエアポンプ電磁石駆動電源周波数ｆｎにおける誘起電圧Ｅａｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における誘起電圧Ｅａｎ−１とを比較して、
｜Ｅａｎ−Ｅａｎ−１｜＞ε （１３）
が成立するときは、表１に示されるように、たとえばＥａｎ＞Ｅａｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときの指令周波数は、前記実施の形態１と同じ考え方により、ｆｎ＋Δｆとなる。Δｆは任意の正数とする。その他の場合も表１のように指令周波数を決定する。これを繰り返すことによりつぎの式（１４）の条件が満足され、誘起電圧Ｅａが最大に収束する。ここで、εは充分に小さい数とする。
【００４４】
｜Ｅａｎ−Ｅａｎ−１｜≦ε （１４）
この式（１４）が成立するときの指令周波数ｆを
ｆ＝ｆｎ
とする。以後、誘起電圧Ｅａを最大に維持してポンプを運転する。誘起電圧Ｅａが最大のとき、電気出力Ｐｅ、ポンプ出力Ｐｍがともに最大になる。
【００４５】
【表１】
【００４６】
実施の形態４
本実施の形態４では、図１０に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相検出手段４および電流検出手段５が、それぞれ前記実施の形態３と同じである。電磁石電流同相成分誘起電圧演算手段６ｄは、印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１、電磁石巻線抵抗Ｒ１および電磁石巻線インダクタンスＬ１が入力されると、前記式（７）で計算された電磁石電流Ｉａと同相成分（以下、Ｉａ同相成分という）誘起電圧Ｅａｘを出力する。このＩａ同相成分誘起電圧Ｅａｘが最大のとき、ＭＤＬエアポンプの出力が最大になるので、本実施の形態４では、前記Ｉａ同相成分誘起電圧演算手段６ｄで得られたＩａ同相成分誘起電圧Ｅａｘが最大判定・周波数指令手段７ａに入力される。最大判定・周波数指令手段７ａでは、現在のエアポンプ電磁石駆動電源周波数ｆｎにおけるＩａ同相成分誘起電圧Ｅａｘｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１におけるＩａ同相成分誘起電圧Ｅａｘｎ−１とを比較して、
｜Ｅａｘｎ−Ｅａｘｎ−１｜＞ε （１５）
が成立するときは、表２に示されるように、たとえばＥａｘｎ＞Ｅａｘｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときの指令周波数は、前記実施の形態１と同じ考え方により、ｆｎ＋Δｆとなる。Δｆは任意の正数とする。その他の場合も表２のように指令周波数を決定する。これを繰り返すことによりつぎの式（１６）の条件が満足され、Ｉａ同相成分誘起電圧Ｅａｘが最大に収束する。ここで、εは充分に小さい数とする。
【００４７】
｜Ｅａｘｎ−Ｅａｘｎ−１｜≦ε （１６）
この式（１６）が成立するときの指令周波数ｆを
ｆ＝ｆｎ
とする。以後、Ｉａ同相成分誘起電圧Ｅａｘを最大に維持してポンプを運転する。
【００４８】
【表２】
【００４９】
実施の形態５
本実施の形態５では、図１１に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４および電流検出手段５が、それぞれ前記実施の形態４と同じである。電磁石電流垂直成分誘起電圧演算手段６ｅは、印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１、電磁石巻線抵抗Ｒ１および電磁石巻線インダクタンスＬ１が入力されると、電磁石電流垂直成分（以下、Ｉａ垂直成分という）誘起電圧Ｅａｙを前記式（６）で計算する。該Ｉａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙが最小のとき、ＭＤＬエアポンプの出力が最大になる。現在のエアポンプ電磁石駆動電源周波数ｆｎにおけるＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１におけるＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎ−１とを比較して、
｜Ｅａｙｎ−Ｅａｙｎ−１｜＞ε （１７）
が成立するとき、周波数指令ｆはつぎのようにして決定される。ここで、εは充分に小さい数とする。
【００５０】
１）Ｅａｙｎ＞Ｅａｙｎ−１、ｆｎ＞ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ−Δｆとする。
２）Ｅａｙｎ＞Ｅａｙｎ−１、ｆｎ＜ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ＋Δｆとする。
３）Ｅａｙｎ＜Ｅａｙｎ−１、ｆｎ＞ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ＋Δｆとする。
４）Ｅａｙｎ＜Ｅａｙｎ−１、ｆｎ＜ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ−Δｆとする。
【００５１】
ここで、Δｆは任意の正数とする。
【００５２】
これを繰り返し行なうことによりつぎの式（１８）の条件が満足され、Ｉａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎは最小に収束する。
｜Ｅａｙｎ−Ｅａｙｎ−１｜≦ε （１８）
【００５３】
この式（１８）が成立するときの指令周波数ｆを
ｆ＝ｆｎ （１９）
とする。以後、Ｉａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙを最小に維持してポンプを運転する。
【００５４】
図１２はＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙの最小を求めるフローチャートである。スタート時は、まず任意の指令周波数ｆを与え、それに対する印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、および両者の位相角θ１を検出し、これらを記憶する。つぎに指令周波数をｆｎ＋Δｆまたはｆｎ−Δｆとして、これに対する印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、および両者の位相角θ１を検出する。この段階で現在の指令周波数ｆｎ、単位時間前の指令周波数ｆｎ−１、現在のＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎ、および単位時間前のＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎ−１の最初の各データが確定する。これ以降はフローチャートにしたがって処理することにより、Ｉａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙの最小およびその駆動電源周波数が確定し、それ以降は常にＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙを最小にしてポンプを運転することができる。
【００５５】
また簡易的には、予想される同調周波数の範囲内で駆動電源周波数の一定間隔ごとの印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１および両者の位相角θ１のデータを測定し、これらから計算されるＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙの最小時の駆動電源周波数を同調周波数として選定し、これでポンプを運転することもできる。
【００５６】
実施の形態６
本実施の形態６は、図１３に示されるようにインバータ１に、指令電圧Ｖおよび指令周波数ｆが入力されると、その出力電圧がエアポンプ電磁石巻線２に印加される。ＭＤＬエアポンプの筐体または可動部に加速度センサを取り付けて加速度検出手段８で加速度Ａを検出する。その出力を最大判定・周波数指令手段７ａに入力する。たとえば加速度検出手段８で加速度に比例した検出量が出力されるときは、現在のＭＤＬエアポンプ電磁石に印加電圧の駆動電源周波数ｆｎにおける加速度Ａｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における加速度Ａｎ−１とを比較して、前記実施の形態１と同じ考え方により、表３に示されるように、たとえばＡｎ＞Ａｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときは指令周波数をｆｎ＋Δｆとする。その他の場合も表３のように指令周波数を決定して、これを繰り返すことにより加速度が最大になる駆動電源周波数で運転できる。加速度最大のときの駆動電源周波数がＭＤＬエアポンプの同調周波数に等しくなり、その出力が最大になる。Δｆは任意の値とする。
【００５７】
【表３】
【００５８】
実施の形態７ 本実施の形態７は、図１４に示されるようにインバータ１に指令電圧Ｖおよび指令周波数ｆが入力されると、その出力電圧がエアポンプ電磁石巻線２に印加される。ＭＤＬエアポンプの筐体または可動部に振幅センサを取り付けて振幅検出手段９で振幅Ａｍを検出する。その出力を最大判定・周波数指令手段７ａに入力する。たとえば振幅に比例した検出量が出力されるときは、現在のＭＤＬエアポンプ電磁石に印加電圧の駆動電源周波数ｆｎにおける振幅Ａｍｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における振幅Ａｍｎ−１とを比較して、前記実施の形態１と同じ考え方により、表４に示されるように、たとえばＡｍｎ＞Ａｍｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときは指令周波数をｆｎ＋Δｆとする。その他の場合も表４のように指令周波数を決定して、これを繰り返すことにより振幅が最大になる駆動電源周波数で運転できる。振幅最大のときの駆動電源周波数がＭＤＬエアポンプの同調周波数に等しくなりエアポンプの出力が最大になる。Δｆは任意の値とする。
【００５９】
【表４】
【００６０】
実施の形態８ 本実施の形態８は、図１５に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４、電流検出手段５、入力電力演算手段６ｆおよび最大判定・周波数指令手段７ａで構成されている。
【００６１】
入力電力Ｐ１は前記式（１２）からつぎのように表わされる。
【００６２】
Ｐ１＝Ｅ１Ｉ１ｃｏｓθ１＝Ｐｅ＋Ｐｃ＋Ｐｉ （２０）
印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、および両者の位相角θ１を入力電力演算手段６ｆに入力し、前記式（２０）により演算した結果を最大判定・周波数指令手段７ａへ入力する。
【００６３】
一般に、ＭＤＬエアポンプの同調周波数は、商用電源周波数に近い値である。負荷一定の条件の下ではＭＤＬエアポンプを商用電源近傍で運転した場合、損失（鉄損と銅損）は駆動電源周波数を変化させても変化が小さい。したがって、同調周波数においては電気出力が最大になり、それと全損失との和である入力も最大になる。
【００６４】
最大判定・周波数指令手段７ａでは、現在のエアポンプ電磁石に印加電圧の駆動電源周波数ｆｎにおける入力電力Ｐ１ｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における入力電力Ｐ１ｎ−１とを比較して、前記実施の形態１と同じ考え方により、表５に示されるように、たとえばＰ１ｎ＞Ｐ１ｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときは指令周波数は、ｆｎ＋Δｆとなる。その他の場合も表５のように指令周波数を決定して、これを繰り返すことにより入力電力が最大になる周波数で運転できる。Δｆは任意の値とする。
【００６５】
【表５】
【００６６】
実施の形態９
本実施の形態９は、図１６に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４、電流検出手段５および最大判定・周波数指令手段７ａで構成されている。
【００６７】
負荷一定の条件の下ではＭＤＬエアポンプを商用電源近傍で運転した場合、入力電流Ｉ１は駆動電源周波数を変化させても変化が小さい。したがって、電気出力Ｐｅが最大になる条件は、前記式（１２）から印加電圧Ｅ１と入力電流Ｉ１の位相角θ１が最小になることである。
【００６８】
現在のエアポンプ電磁石に印加電圧の駆動電源周波数ｆｎにおける両者の位相角θ１ｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における両者の位相角θｎ−１とを比較して、前記実施の形態５と同じ考え方により、表６に示されるように、たとえばθ１ｎ＞θ１ｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときは指令周波数は、ｆｎ−Δｆとなる。その他の場合も表６のように指令周波数を決定して、これを繰り返すことにより両者の位相角θ１が最小になる駆動電源周波数で運転できる。Δｆは任意の値とする。
【００６９】
【表６】
【００７０】
実施の形態１０
本実施の形態１０は、図１７に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４、電流検出手段５および同調周波数演算手段６ｇで構成されている。
【００７１】
該同調周波数演算手段６ｇでは、電圧検出手段３、電流検出手段５および位相角検出手段４で検出される印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、および両者の位相角θ１を入力し、同調角周波数ω０を求め、これをインバータ１の周波数指令として出力する。
【００７２】
すなわち図１に示される等価回路において、同調角周波数ω０はつぎの式（２１）で求められる。
【００７３】
【数３】
【００７４】
印加電圧Ｅ１の角周波数ωをω０に等しくすれば、Ｉａｒ＝０になり、Ｉａｅは最大になる。このとき電気出力が最大になる。角周波数ω＝ω１のときのＩａｒ、ＥａをそれぞれＩａｒ１、Ｅａ１とし、同様にω＝ω２のときは、それぞれＩａｒ２、Ｅａ２とすればつぎの式（２２）、（２３）が成り立つ。
【００７５】
【数４】
【００７６】
この式（２２）、（２３）からＣｄ、Ｌｄを求めるとつぎの式（２４）、（２５）が得られる。
【００７７】
【数５】
【００７８】
この式（２４）、（２５）で求められたＣｄ、Ｌｄを前記式（２１）に代入して同調角周波数ω０が得られ、これをインバータの周波数指令にすることによりＭＤＬエアポンプを最大出力で運転することができる。
【００７９】
なお、３つ以上の任意の角周波数における印加電圧、電流、両者の位相角のデータからＣｄ、Ｌｄは複数得られるので、その平均値を周波数指令とすることもできる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、負荷条件、印加電圧、周囲温度、経年変化などの要因でＭＤＬエアポンプの同調周波数が変化しても、それに追随した駆動電源周波数で運転することにより、常に最大出力でポンプを運転することができるとともに、ポンプ能力を最大限に発揮させることができる。また、一定のポンプ出力を必要とする場合には、電圧制御することにより省エネ運転をすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＤＬエアポンプの等価回路である。
【図２】図１における等価回路の印加電圧、入力電流および電磁石電流のベクトル図である。
【図３】駆動電源周波数が同調角周波数より低い場合、一致する場合および高い場合のベクトル図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図５】ＭＤＬエアポンプに一定電圧を印加した場合の、電気出力、駆動電源周波数およびポンプ出力の特性例を示す図である。
【図６】印加電圧が変化したときの電気出力と駆動電源周波数の関係を示す図である。
【図７】電力出力の最大を求めるフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態２にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態３にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態４にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１２】電磁石電流垂直成分誘起電圧の最小を求めるフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態６にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１４】本発明の実施の形態７にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１５】本発明の実施の形態８にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１６】本発明の実施の形態９にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１７】本発明の実施の形態１０にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
１ インバータ
２ エアポンプ電磁石巻線
３ 電圧検出手段
４ 位相角検出手段
５ 電流検出手段
６ａ 電気出力演算手段
６ｂ 電気出力演算手段
６ｃ 誘起電圧演算手段
６ｄ 電磁石電流同相成分誘起電圧演算手段
６ｅ 電磁石電流垂直成分誘起電圧演算手段
６ｆ 入力電力演算手段
６ｇ 同調周波数演算手段
７ａ 最大判定・周波数指令手段
７ｂ 最小判定・周波数指令手段
８ 加速度検出手段
９ 振幅検出手段
【発明の属する技術分野】
本発明はエアポンプ最大出力制御装置に関する。さらに詳しくは、電磁石と永久磁石との磁気的相互作用に基づく、前記永久磁石を備えた磁石可動子の電磁振動によって、前記磁石可動子に連結されたダイアフラムを駆動し、流体を吸引、吐出するダイアフラム式リニアエアポンプ（以下、ＭＤＬエアポンプという）の出力を最大制御することができるエアポンプ最大出力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
ＭＤＬエアポンプで最大出力を得るためには、常に同調周波数で駆動することが必要である。しかし、このＭＤＬエアポンプの定負荷における同調周波数は、ダイアフラムの構造および材質で決定されるとともに、経年変化により変化する。またＭＤＬエアポンプの同調周波数は、ＭＤＬエアポンプの負荷条件（圧力や流量）、その電磁石巻線への印加電圧または周囲温度などによっても変化する。
【０００３】
とくに、従来は、商用電源で駆動させているため、駆動電源周波数が固定される結果、ポンプ能力を最大限に発揮することができない。
【０００４】
本発明は、叙上の事情に鑑み、ポンプ出力を可変制御および一定制御するとき、常に同調周波数で駆動しポンプ出力を最大にすることができるエアポンプ最大出力制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により誘起電圧を算出する手段と、該誘起電圧と電磁石電流とのベクトル内積で得られる電気出力が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００６】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗を入力すると、前記電磁石の入力電力、鉄損、および銅損をそれぞれ算出する手段と、前記入力電力から鉄損および銅損の和を差し引いて得られる電気出力が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００７】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により誘起電圧を算出する手段と、該誘起電圧が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００８】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により電磁石電流と同相成分の誘起電圧を出力する手段と、該電磁石電流と同相成分の誘起電圧が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００９】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により電磁石電流と垂直成分の誘起電圧を出力する手段と、該垂直成分の誘起電圧が最小になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１２】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、前記電磁石の入力電力を算出する手段と、該入力電力が最大になるよう駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１３】
また本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、前記両者の位相角が最小になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１４】
さらに本発明のエアポンプ最大出力制御装置は、磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流との両者の位相角を得る手段と、該手段により２つ以上の異なる周波数において前記印加電圧と入力電流および両者の位相角を測定し、ポンプの等価回路における同調角周波数を計算し、該同調角周波数で制御する手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、ＭＤＬエアポンプを駆動する電磁石の駆動電源周波数を、その同調周波数に一致させて最大出力を得る。同調周波数は、
１）電気出力が最大
２）誘起電圧が最大
３）加速度が最大
４）可動部振幅が最大
５）入力電力が最大
６）電圧と電流の位相角が最小
のいずれかの条件が満たされたときの周波数である。
【００１６】
また２つの異なる周波数における電圧、電流および両者の位相角を測定し、等価回路から同調角周波数を求める。
【００１７】
以下、添付図面に基づいて本発明のエアポンプ最大出力制御装置を説明する。まず図１にＭＤＬエアポンプの等価回路を示す。図１において、端子ａ、ｂの左側は電源および電磁石巻線の等価回路を表わし、右側はポンプ出力を含むダイアフラムの等価回路を表わす。また図１において、Ｅ１やＲ１などの符号はつぎのものを表わしている。
【００１８】
Ｅ１：印加電圧
Ｒ１：電磁石巻線抵抗
Ｒｉ：鉄損等価抵抗
Ｌ１：電磁石巻線インダクタンス
Ｃｄ：ダイアフラム等価容量
Ｉａｅ：ＩａのＥａ同相成分
Ｉｍ：ポンプ出力電流
Ｉ１：入力電流
Ｉｉ：鉄損電流
Ｉａ：電磁石電流（Ｉ１−Ｉｉ（ベクトル演算））
Ｌｄ：ダイアフラム等価インダクタンス
Ｒｄ：ダイアフラム損失等価抵抗
Ｉａｒ：ＩａのＥａ垂直成分
Ｉｄ：ダイアフラム損失電流
Ｅａ：誘起電圧
【００１９】
図２は図１における等価回路の印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１および電磁石電流Ｉａのベクトル図である。図２において、印加電圧Ｅ１と入力電流Ｉ１の位相角をθ１、入力電流Ｉ１と電磁石電流Ｉａの位相角をθ１ｄ、印加電圧Ｅ１と電磁石電流Ｉａの位相角をθａとする。
【００２０】
図３において、（ａ）は駆動角周波数ωが同調角周波数ω０より低い場合（ω＜ω０）、（ｂ）は駆動角周波数ωが同調角周波数ω０に一致する場合（ω＝ω０）、（ｃ）は駆動角周波数ωが同調角周波数ω０より高い場合（ω＞ω０）のベクトル図を示している。
【００２１】
図３（ａ）に示されるように、駆動電源周波数ωが同調角周波数ω０より低い場合、Ｉａｒは誘起電圧Ｅａに対して９０°遅れ、電磁石電流Ｉａは誘起電圧Ｅａに対して遅れ位相になる。また図３（ｂ）に示されるように、駆動電源周波数ωが同調角周波数ω０に一致する場合、Ｉａｒはゼロになり、誘起電圧Ｅａと電磁石電流Ｉａは同相になる。さらに図３（ｃ）に示されるように、駆動電源周波数ωが同調角周波数ω０より高い場合、Ｉａｒは誘起電圧Ｅａに対して９０°進み、電磁石電流Ｉａは誘起電圧Ｅａに対して進み位相になる。
【００２２】
前記電磁石電流Ｉａと位相角θａは図２の関係からつぎの式（１）、（２）で求められる。
【００２３】
【数１】
θａ＝θ１＋θ１ｄ （２）
図３に示されるように、ベクトル図から、
Ｉａｅ＝Ｉａ ｃｏｓθ２＝ＩａＥａｘ／Ｅａ （３）
Ｉａｒ＝Ｉａ ｓｉｎθ２＝ＩａＥａｙ／Ｅａ （４）
であり、したがって、誘起電圧Ｅａはつぎの式（５）で得られる。
【００２５】
【数２】
また図３から、つぎの式（６）、（７）が求められる。
Ｅａｙ＝Ｅ１ｓｉｎθａ−ωＬ１Ｉａ （６）
Ｅａｘ＝Ｅ１ｃｏｓθａ−Ｒ１Ｉａ （７）
【００２７】
実施の形態１
実施の形態１を図４に示す。図４において、１は単相のインバータ、２はエアポンプ電磁石巻線、３は電圧検出手段、４は位相角検出手段、５は電流検出手段、６ａは電気出力演算手段および７ａは最大判定・周波数指令手段である。前記インバータ１には、指令電圧Ｖおよび指令周波数ｆが入力される。前記エアポンプ電磁石巻線２に印加される印加電圧Ｅ１は、電圧検出手段３で検出され、その入力電流Ｉ１は、電流検出手段５で検出される。検出された印加電圧Ｅ１および入力電流Ｉ１を位相角検出手段４に入力し、該手段４により両者の位相角θ１が検出される。
【００２８】
電気出力Ｐｅは、誘起電圧Ｅａと電磁石電流Ｉａとのベクトル内積で求められ、図３からつぎの式（８）で表わされる。
Ｐｅ＝ＥａＩａ ｃｏｓθ２＝ＥａｘＩａ （８）
【００２９】
電気出力演算手段６ａは、検出された印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１および電磁石巻線抵抗Ｒ１、電磁石巻線インダクタンスＬ１を入力すると、演算により誘起電圧を算出したのち、前記式（８）による電気出力Ｐｅを出力する。電磁石巻線抵抗Ｒ１および電磁石巻線インダクタンスＬ１は予め測定するか、または運転中にそれぞれを検出する手段により求める。演算された電気出力Ｐｅを最大判定・周波数指令手段７ａに入力すると、該手段７ａでは、現在のエアポンプ電磁石の駆動電源周波数ｆｎにおける電気出力Ｐｅｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における電気出力Ｐｅｎ−１とを比較して、
｜Ｐｅｎ−Ｐｅｎ−１｜＞ε （９）
が成立するときは、周波数指令ｆはつぎのように決定する。ここで、εは充分小さい数とする。
【００３０】
１）Ｐｅｎ＞Ｐｅｎ−１、ｆｎ＞ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ＋Δｆとする。
２）Ｐｅｎ＞Ｐｅｎ−１、ｆｎ＜ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ−Δｆとする。
３）Ｐｅｎ＜Ｐｅｎ−１、ｆｎ＞ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ−Δｆとする。
４）Ｐｅｎ＜Ｐｅｎ−１、ｆｎ＜ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ＋Δｆとする。
【００３１】
ここで、Δｆは任意の正数とする。
【００３２】
これを繰り返し行なうことにより、つぎの式（１０）の条件が満足され、電気出力Ｐｅｎは最大に収束する。
｜Ｐｅｎ−Ｐｅｎ−１｜≦ε （１０）
【００３３】
この式（１０）が成立するときの指令周波数ｆを
ｆ＝ｆｎ （１１）
とする。以後、電気出力Ｐｅを最大に維持してポンプを運転することができる。ただし、同調周波数が変化した場合は式（１０）が成り立つ新たな駆動周波数が選択されて、電気出力Ｐｅ最大の条件が保たれる。
【００３４】
図５はＭＤＬエアポンプに一定電圧を印加した場合の、電気出力Ｐｅ、駆動電源周波数およびポンプ出力Ｐｍの特性例を示す。電気出力Ｐｅが最大のとき、ポンプ出力Ｐｍも最大である。
【００３５】
ＭＤＬエアポンプの出力を増加させるときは、インバータの出力電圧を増加させる。また出力を減少させるときは、インバータの出力電圧を小さくすればよい。図６は印加電圧Ｅ１が変化したときの電気出力Ｐｅの特性例を示し、印加電圧Ｅ１の変化に伴い最大出力の駆動電源周波数が変化している。この場合でも前述と同様に、この駆動電源周波数を制御することにより、その電圧における最大出力運転が可能になる。また経年変化や周囲温度の変化によって同調周波数が変化しても、それに追従して常に最大出力制御をすることができる。
【００３６】
図７は電力出力Ｐｅの最大を求めるフローチャートである。スタート時は、前のデータがないので、まず任意の指令周波数ｆを与え、これに対する印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１を検出し、これらを記憶する。つぎに指令周波数をｆｎ＋Δｆまたはｆｎ−Δｆとして、これに対する印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１を検出する。この段階で現在の指令周波数ｆｎ、単位時間前の指令周波数ｆｎ−１、現在の電気出力Ｐｅｎ、単位時間前の電気出力Ｐｅｎ−１の最初の各データが確定する。これ以降はフローチャートにしたがって処理することにより、電気出力Ｐｅの最大およびその駆動電源周波数が確定し、これ以降は常に電気出力Ｐｅを最大にしてポンプを運転することができる。
【００３７】
なお、Δｆおよびεは電気出力Ｐｅの特性に応じて最適な制御ができる値を選定する。たとえば
Δｆ＝０．２， ε＝０．１
とする。
【００３８】
ただしこれらの値は、ポンプの定格や制御精度により異なる。
【００３９】
また簡易的には、予想される同調周波数の範囲内で駆動電源周波数の一定間隔ごとの印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１および両者の位相角θ１のデータを測定し、これらから計算される電気出力Ｐｅの最大時の駆動電源周波数を同調周波数として選定し、これでポンプを運転することもできる。
【００４０】
実施の形態２
本実施の形態２は、図８に示されるように前記実施の形態１に対して電気出力演算手段６ｂにおいて電気出力Ｐｅを求める方法が異なる。電気出力Ｐｅは、入力電力から損失（銅損Ｐｃと鉄損Ｐｉの和）を差し引いたものであるから、つぎの式（１２）で表わすことができる。
Ｐｅ＝Ｅ１Ｉ１ｃｏｓθ１−Ｐｃ−Ｐｉ （１２）
【００４１】
ここで、銅損Ｐｃは
Ｐｃ＝Ｉａ２Ｒ１
で求めることができる。
【００４２】
なお、鉄損Ｐｉは、電圧と周波数の関数であり、予め準備したデータテーブルから演算して求めることができる。
【００４３】
実施の形態３
本実施の形態３では、図９に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４および電流検出手段５が、それぞれ前記実施の形態１と同じである。誘起電圧演算手段６ｃは、印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１、電磁石巻線抵抗Ｒ１およびインダクタンスＬ１が入力されると、誘起電圧Ｅａを前記式（５）で計算する。電気出力Ｐｅが最大のとき、誘起電圧Ｅａは最大になるので、本実施の形態３では、前記誘起電圧演算手段６ｃで得られた誘起電圧Ｅａが、最大判定・周波数指令手段７ａに入力される。最大判定・周波数指令手段７ａでは、現在のエアポンプ電磁石駆動電源周波数ｆｎにおける誘起電圧Ｅａｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における誘起電圧Ｅａｎ−１とを比較して、
｜Ｅａｎ−Ｅａｎ−１｜＞ε （１３）
が成立するときは、表１に示されるように、たとえばＥａｎ＞Ｅａｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときの指令周波数は、前記実施の形態１と同じ考え方により、ｆｎ＋Δｆとなる。Δｆは任意の正数とする。その他の場合も表１のように指令周波数を決定する。これを繰り返すことによりつぎの式（１４）の条件が満足され、誘起電圧Ｅａが最大に収束する。ここで、εは充分に小さい数とする。
【００４４】
｜Ｅａｎ−Ｅａｎ−１｜≦ε （１４）
この式（１４）が成立するときの指令周波数ｆを
ｆ＝ｆｎ
とする。以後、誘起電圧Ｅａを最大に維持してポンプを運転する。誘起電圧Ｅａが最大のとき、電気出力Ｐｅ、ポンプ出力Ｐｍがともに最大になる。
【００４５】
【表１】
実施の形態４
本実施の形態４では、図１０に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相検出手段４および電流検出手段５が、それぞれ前記実施の形態３と同じである。電磁石電流同相成分誘起電圧演算手段６ｄは、印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１、電磁石巻線抵抗Ｒ１および電磁石巻線インダクタンスＬ１が入力されると、前記式（７）で計算された電磁石電流Ｉａと同相成分（以下、Ｉａ同相成分という）誘起電圧Ｅａｘを出力する。このＩａ同相成分誘起電圧Ｅａｘが最大のとき、ＭＤＬエアポンプの出力が最大になるので、本実施の形態４では、前記Ｉａ同相成分誘起電圧演算手段６ｄで得られたＩａ同相成分誘起電圧Ｅａｘが最大判定・周波数指令手段７ａに入力される。最大判定・周波数指令手段７ａでは、現在のエアポンプ電磁石駆動電源周波数ｆｎにおけるＩａ同相成分誘起電圧Ｅａｘｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１におけるＩａ同相成分誘起電圧Ｅａｘｎ−１とを比較して、
｜Ｅａｘｎ−Ｅａｘｎ−１｜＞ε （１５）
が成立するときは、表２に示されるように、たとえばＥａｘｎ＞Ｅａｘｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときの指令周波数は、前記実施の形態１と同じ考え方により、ｆｎ＋Δｆとなる。Δｆは任意の正数とする。その他の場合も表２のように指令周波数を決定する。これを繰り返すことによりつぎの式（１６）の条件が満足され、Ｉａ同相成分誘起電圧Ｅａｘが最大に収束する。ここで、εは充分に小さい数とする。
【００４７】
｜Ｅａｘｎ−Ｅａｘｎ−１｜≦ε （１６）
この式（１６）が成立するときの指令周波数ｆを
ｆ＝ｆｎ
とする。以後、Ｉａ同相成分誘起電圧Ｅａｘを最大に維持してポンプを運転する。
【００４８】
【表２】
実施の形態５
本実施の形態５では、図１１に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４および電流検出手段５が、それぞれ前記実施の形態４と同じである。電磁石電流垂直成分誘起電圧演算手段６ｅは、印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、両者の位相角θ１、電磁石巻線抵抗Ｒ１および電磁石巻線インダクタンスＬ１が入力されると、電磁石電流垂直成分（以下、Ｉａ垂直成分という）誘起電圧Ｅａｙを前記式（６）で計算する。該Ｉａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙが最小のとき、ＭＤＬエアポンプの出力が最大になる。現在のエアポンプ電磁石駆動電源周波数ｆｎにおけるＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１におけるＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎ−１とを比較して、
｜Ｅａｙｎ−Ｅａｙｎ−１｜＞ε （１７）
が成立するとき、周波数指令ｆはつぎのようにして決定される。ここで、εは充分に小さい数とする。
【００５０】
１）Ｅａｙｎ＞Ｅａｙｎ−１、ｆｎ＞ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ−Δｆとする。
２）Ｅａｙｎ＞Ｅａｙｎ−１、ｆｎ＜ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ＋Δｆとする。
３）Ｅａｙｎ＜Ｅａｙｎ−１、ｆｎ＞ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ＋Δｆとする。
４）Ｅａｙｎ＜Ｅａｙｎ−１、ｆｎ＜ｆｎ−１の場合、指令周波数ｆは、ｆｎ−Δｆとする。
【００５１】
ここで、Δｆは任意の正数とする。
【００５２】
これを繰り返し行なうことによりつぎの式（１８）の条件が満足され、Ｉａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎは最小に収束する。
｜Ｅａｙｎ−Ｅａｙｎ−１｜≦ε （１８）
【００５３】
この式（１８）が成立するときの指令周波数ｆを
ｆ＝ｆｎ （１９）
とする。以後、Ｉａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙを最小に維持してポンプを運転する。
【００５４】
図１２はＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙの最小を求めるフローチャートである。スタート時は、まず任意の指令周波数ｆを与え、それに対する印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、および両者の位相角θ１を検出し、これらを記憶する。つぎに指令周波数をｆｎ＋Δｆまたはｆｎ−Δｆとして、これに対する印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、および両者の位相角θ１を検出する。この段階で現在の指令周波数ｆｎ、単位時間前の指令周波数ｆｎ−１、現在のＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎ、および単位時間前のＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙｎ−１の最初の各データが確定する。これ以降はフローチャートにしたがって処理することにより、Ｉａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙの最小およびその駆動電源周波数が確定し、それ以降は常にＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙを最小にしてポンプを運転することができる。
【００５５】
また簡易的には、予想される同調周波数の範囲内で駆動電源周波数の一定間隔ごとの印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１および両者の位相角θ１のデータを測定し、これらから計算されるＩａ垂直成分誘起電圧Ｅａｙの最小時の駆動電源周波数を同調周波数として選定し、これでポンプを運転することもできる。
【００５６】
実施の形態６
本実施の形態６は、図１３に示されるようにインバータ１に、指令電圧Ｖおよび指令周波数ｆが入力されると、その出力電圧がエアポンプ電磁石巻線２に印加される。ＭＤＬエアポンプの筐体または可動部に加速度センサを取り付けて加速度検出手段８で加速度Ａを検出する。その出力を最大判定・周波数指令手段７ａに入力する。たとえば加速度検出手段８で加速度に比例した検出量が出力されるときは、現在のＭＤＬエアポンプ電磁石に印加電圧の駆動電源周波数ｆｎにおける加速度Ａｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における加速度Ａｎ−１とを比較して、前記実施の形態１と同じ考え方により、表３に示されるように、たとえばＡｎ＞Ａｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときは指令周波数をｆｎ＋Δｆとする。その他の場合も表３のように指令周波数を決定して、これを繰り返すことにより加速度が最大になる駆動電源周波数で運転できる。加速度最大のときの駆動電源周波数がＭＤＬエアポンプの同調周波数に等しくなり、その出力が最大になる。Δｆは任意の値とする。
【００５７】
【表３】
実施の形態７ 本実施の形態７は、図１４に示されるようにインバータ１に指令電圧Ｖおよび指令周波数ｆが入力されると、その出力電圧がエアポンプ電磁石巻線２に印加される。ＭＤＬエアポンプの筐体または可動部に振幅センサを取り付けて振幅検出手段９で振幅Ａｍを検出する。その出力を最大判定・周波数指令手段７ａに入力する。たとえば振幅に比例した検出量が出力されるときは、現在のＭＤＬエアポンプ電磁石に印加電圧の駆動電源周波数ｆｎにおける振幅Ａｍｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における振幅Ａｍｎ−１とを比較して、前記実施の形態１と同じ考え方により、表４に示されるように、たとえばＡｍｎ＞Ａｍｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときは指令周波数をｆｎ＋Δｆとする。その他の場合も表４のように指令周波数を決定して、これを繰り返すことにより振幅が最大になる駆動電源周波数で運転できる。振幅最大のときの駆動電源周波数がＭＤＬエアポンプの同調周波数に等しくなりエアポンプの出力が最大になる。Δｆは任意の値とする。
【００５９】
【表４】
実施の形態８ 本実施の形態８は、図１５に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４、電流検出手段５、入力電力演算手段６ｆおよび最大判定・周波数指令手段７ａで構成されている。
【００６１】
入力電力Ｐ１は前記式（１２）からつぎのように表わされる。
【００６２】
Ｐ１＝Ｅ１Ｉ１ｃｏｓθ１＝Ｐｅ＋Ｐｃ＋Ｐｉ （２０）
印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、および両者の位相角θ１を入力電力演算手段６ｆに入力し、前記式（２０）により演算した結果を最大判定・周波数指令手段７ａへ入力する。
【００６３】
一般に、ＭＤＬエアポンプの同調周波数は、商用電源周波数に近い値である。負荷一定の条件の下ではＭＤＬエアポンプを商用電源近傍で運転した場合、損失（鉄損と銅損）は駆動電源周波数を変化させても変化が小さい。したがって、同調周波数においては電気出力が最大になり、それと全損失との和である入力も最大になる。
【００６４】
最大判定・周波数指令手段７ａでは、現在のエアポンプ電磁石に印加電圧の駆動電源周波数ｆｎにおける入力電力Ｐ１ｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における入力電力Ｐ１ｎ−１とを比較して、前記実施の形態１と同じ考え方により、表５に示されるように、たとえばＰ１ｎ＞Ｐ１ｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときは指令周波数は、ｆｎ＋Δｆとなる。その他の場合も表５のように指令周波数を決定して、これを繰り返すことにより入力電力が最大になる周波数で運転できる。Δｆは任意の値とする。
【００６５】
【表５】
実施の形態９
本実施の形態９は、図１６に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４、電流検出手段５および最大判定・周波数指令手段７ａで構成されている。
【００６７】
負荷一定の条件の下ではＭＤＬエアポンプを商用電源近傍で運転した場合、入力電流Ｉ１は駆動電源周波数を変化させても変化が小さい。したがって、電気出力Ｐｅが最大になる条件は、前記式（１２）から印加電圧Ｅ１と入力電流Ｉ１の位相角θ１が最小になることである。
【００６８】
現在のエアポンプ電磁石に印加電圧の駆動電源周波数ｆｎにおける両者の位相角θ１ｎと単位時間前の駆動電源周波数ｆｎ−１における両者の位相角θｎ−１とを比較して、前記実施の形態５と同じ考え方により、表６に示されるように、たとえばθ１ｎ＞θ１ｎ−１およびｆｎ＞ｆｎ−１のときは指令周波数は、ｆｎ−Δｆとなる。その他の場合も表６のように指令周波数を決定して、これを繰り返すことにより両者の位相角θ１が最小になる駆動電源周波数で運転できる。Δｆは任意の値とする。
【００６９】
【表６】
実施の形態１０
本実施の形態１０は、図１７に示されるようにインバータ１、エアポンプ電磁石巻線２、電圧検出手段３、位相角検出手段４、電流検出手段５および同調周波数演算手段６ｇで構成されている。
【００７１】
該同調周波数演算手段６ｇでは、電圧検出手段３、電流検出手段５および位相角検出手段４で検出される印加電圧Ｅ１、入力電流Ｉ１、および両者の位相角θ１を入力し、同調角周波数ω０を求め、これをインバータ１の周波数指令として出力する。
【００７２】
すなわち図１に示される等価回路において、同調角周波数ω０はつぎの式（２１）で求められる。
【００７３】
【数３】
印加電圧Ｅ１の角周波数ωをω０に等しくすれば、Ｉａｒ＝０になり、Ｉａｅは最大になる。このとき電気出力が最大になる。角周波数ω＝ω１のときのＩａｒ、ＥａをそれぞれＩａｒ１、Ｅａ１とし、同様にω＝ω２のときは、それぞれＩａｒ２、Ｅａ２とすればつぎの式（２２）、（２３）が成り立つ。
【００７５】
【数４】
この式（２２）、（２３）からＣｄ、Ｌｄを求めるとつぎの式（２４）、（２５）が得られる。
【００７７】
【数５】
この式（２４）、（２５）で求められたＣｄ、Ｌｄを前記式（２１）に代入して同調角周波数ω０が得られ、これをインバータの周波数指令にすることによりＭＤＬエアポンプを最大出力で運転することができる。
【００７９】
なお、３つ以上の任意の角周波数における印加電圧、電流、両者の位相角のデータからＣｄ、Ｌｄは複数得られるので、その平均値を周波数指令とすることもできる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、負荷条件、印加電圧、周囲温度、経年変化などの要因でＭＤＬエアポンプの同調周波数が変化しても、それに追随した駆動電源周波数で運転することにより、常に最大出力でポンプを運転することができるとともに、ポンプ能力を最大限に発揮させることができる。また、一定のポンプ出力を必要とする場合には、電圧制御することにより省エネ運転をすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＤＬエアポンプの等価回路である。
【図２】図１における等価回路の印加電圧、入力電流および電磁石電流のベクトル図である。
【図３】駆動電源周波数が同調角周波数より低い場合、一致する場合および高い場合のベクトル図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図５】ＭＤＬエアポンプに一定電圧を印加した場合の、電気出力、駆動電源周波数およびポンプ出力の特性例を示す図である。
【図６】印加電圧が変化したときの電気出力と駆動電源周波数の関係を示す図である。
【図７】電力出力の最大を求めるフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態２にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態３にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態４にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１２】電磁石電流垂直成分誘起電圧の最小を求めるフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態６にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１４】本発明の実施の形態７にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１５】本発明の実施の形態８にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１６】本発明の実施の形態９にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【図１７】本発明の実施の形態１０にかかわるエアポンプ最大出力制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
１ インバータ
２ エアポンプ電磁石巻線
３ 電圧検出手段
４ 位相角検出手段
５ 電流検出手段
６ａ 電気出力演算手段
６ｂ 電気出力演算手段
６ｃ 誘起電圧演算手段
６ｄ 電磁石電流同相成分誘起電圧演算手段
６ｅ 電磁石電流垂直成分誘起電圧演算手段
６ｆ 入力電力演算手段
６ｇ 同調周波数演算手段
７ａ 最大判定・周波数指令手段
７ｂ 最小判定・周波数指令手段
８ 加速度検出手段
９ 振幅検出手段
Claims (8)
- 磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により誘起電圧を算出する手段と、該誘起電圧と電磁石電流とのベクトル内積で得られる電気出力が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなるエアポンプ最大出力制御装置。
- 磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗を入力すると、前記電磁石の入力電力、鉄損、および銅損をそれぞれ算出する手段と、前記入力電力から鉄損および銅損の和を差し引いて得られる電気出力が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなるエアポンプ最大出力制御装置。
- 磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により誘起電圧を算出する手段と、該誘起電圧が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなるエアポンプ最大出力制御装置。
- 磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により電磁石電流と同相成分の誘起電圧を出力する手段と、該電磁石電流と同相成分の誘起電圧が最大になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなるエアポンプ最大出力制御装置。
- 磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、電磁石巻線の抵抗およびインダクタンスを入力すると、演算により電磁石電流と垂直成分の誘起電圧を出力する手段と、該垂直成分の誘起電圧が最小になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなるエアポンプ最大出力制御装置。
- 磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、前記電磁石の入力電力を算出する手段と、該入力電力が最大になるよう駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなるエアポンプ最大出力制御装置。
- 磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流の両者の位相角をそれぞれ算出する手段と、前記両者の位相角が最小になるように駆動電源周波数を制御する手段とを備えてなるエアポンプ最大出力制御装置。
- 磁石可動子を有するダイアフラム式リニアエアポンプを駆動する電磁石の印加電圧、その入力電流、および前記印加電圧と入力電流との両者の位相角を得る手段と、該手段により２つ以上の異なる周波数において前記印加電圧と入力電流および両者の位相角を測定し、ポンプの等価回路における同調角周波数を計算し、該同調角周波数で制御する手段とを備えてなるエアポンプ最大出力制御装置。
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