JP4031842B2

JP4031842B2 - インバータ駆動回転型圧縮機

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Publication number: JP4031842B2
Application number: JP06248796A
Authority: JP
Inventors: 征和長谷; 洋幸松田; 裕敬亀谷
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JPH09250485A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ駆動スクリュー圧縮機に係わり、特に被圧縮気体の消費量の増減に対し吐出圧力を一定に制御するようにしたインバータ駆動スクリュー圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開昭５５−１６４７９２号公報にはインバータによりスクリュー圧縮機の回転数を制御し容量を可変とする方法が示されている。この従来技術のものは負荷データ検出センサで負荷量を検出し、フィードバック制御に利用するものである。負荷データ検出センサは圧縮機本体の温度，圧力等のデータを読み取り、制御回路にデータを転送することが述べられている。
【０００３】
特開平７−２６９４８６号公報にはインバータ・ＰＩＤ制御による圧縮機の駆動方法が示されている。この従来例にはインバータ・ＰＩＤ制御により駆動モータの回転数を自動制御し、圧縮圧力を設定圧力に近づける制御について述べられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開昭５５−１６４７９２号公報のものには、センサ類の種類や配置あるいは制御装置の具体的な構成（すなわちハードウェア）、圧力制御及び他の制御に対する演算方法（すなわちソフトウェア）については述べられていない。
【０００５】
また、特開平７−２６９４８６号公報のものにも、制御装置の具体的な構成、インバータ・ＰＩＤ制御の応答性や安定性についての演算方法や最適な設定値等については述べられていない。
【０００６】
インバータ駆動スクリュー圧縮機は、吐出圧力をフィードバックし外部から与えられた指示圧力と比較し、その偏差を基にしてその値を０に近付けるようＰＩＤ制御やＰＩ制御することが多い。前記ＰＩＤ制御やＰＩ制御を行う制御装置は演算増幅器を中心に電子回路で構成されたアナログ電子回路を使用することが多い。インバータ駆動スクリュー圧縮機に関するＰＩＤ制御におけるフィードバック制御の基本構成は、前記偏差をそれぞれ比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）の３つの演算を行ない、それぞれの演算結果を加算した後インバータへ電源周波数指令として出力する。この指令を基にインバータからモータへ電源周波数を出力し、圧縮機の吐出空気量を可変させ、吐出圧力を一定にする。
【０００７】
比例、積分、微分の３つの演算（ＰＩＤ制御）を行なうことにより、高度な制御が可能となるが、ＰＩＤ制御はアナログ電子回路による演算方法であったため、演算の各乗数設定も固定されてしまい、また制御全域で同じ演算を行なうため制御特性を全体的に改善することは困難であった。そこで、制御装置をマイコンを使用したデジタル計算方式にすることにより上記不具合を解決することも実施されている。また、デジタル計算を行なうことによって、各々個々の検知データ及び出力を効率良く利用する多機能な制御装置ともなる。しかしその反面、デジタル計算により前記ＰＩＤ制御やＰＩ制御を行う制御装置を使用する場合、該制御装置の入力にＡ／Ｄコンバータ、出力にＤ／Ａコンバータを用いるが、該Ａ／Ｄコンバータ及びＤ／Ａコンバータの精度は一般的に前記アナログ電子回路の入出力よりも悪く、また分解能の高い多ビット入力のＡ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータは非常に高価であり、分解能の高くないＡ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータを使用すると制御特性が悪化する欠点があった。
【０００８】
本発明の目的は、制御装置によるデジタル制御の多機能性を保ちつつ、信頼性の高い、高性能なインバータ駆動スクリュー圧縮機を得ることにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、吐出量の急激な増減変化時、及び増減の少ない安定時のいづれに対しても、吐出圧力の変化を一定以内にすることができ、高い制御特性を維持することのできるインバータ駆動スクリュー圧縮機を得ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、圧縮機と、該圧縮機から吐出された気体の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、この検出された吐出圧力に応じて前記圧縮機を駆動する電動機の回転速度をインバータにより可変速制御する制御装置とを備えたインバータ駆動回転型圧縮機において、前記制御装置は、デジタル計算制御を行うものであって、前記吐出圧力を一定に制御するためのＰＩＤ演算及びＰＩＤ演算に対する比例不感帯処理、積分不感帯処理、微分不感帯処理、積分演算範囲限定処理の各演算機能と、Ｉ（積分）演算とＰ（比例）演算の増減が逆の場合にデジタル演算の周期毎の比例演算値の変化を分割して比例演算処理を行う比例演算分割処理機能とを備え、各不感帯の幅はそれぞれに設定されて記憶され、前記制御装置はこの記憶された不感帯の幅で前記各処理を行うことで、不感帯の範囲内の吐出圧力の変化では電源周波数が維持されることにある。
【００１３】
また、前記圧縮機はスクリュ−圧縮機であって、前記制御装置における演算は８ビットマイコンで行い、かつＰＩＤ演算における比例演算倍率は２０〜４０倍であることがコスト及び性能の面で良い。
【００１４】
さらに、前記吐出圧力と目標圧力との偏差の変化量が同じ場合であっても、前記吐出圧力が目標圧力から離れるときには、吐出圧力の変化に対する電源周波数指令を、前記吐出圧力が前記目標圧力に近づくときにおける電源周波数指令よりも大きく変化させると良い。
【００１７】
本発明の他の特徴は、スクリューロータを電動機により回転させ気体を圧縮するスクリュー圧縮機と、圧縮された前記気体の吐出圧力を検出する圧力検出器と、前記検出された吐出圧力に応じて前記電動機の回転速度をインバータにより可変速制御する制御装置とを備えたインバータ駆動回転型圧縮機において、前記制御装置は、デジタル計算制御により前記吐出圧力を一定に制御するようにＰＩＤ演算を行なうものであって、吐出圧力が目標圧力付近で安定している場合でかつ吐出圧力が目標圧力から離れる時に電源周波数が変化しないようにＰ（比例），Ｉ（積分），Ｄ（微分）の各演算にそれぞれ不感帯を設け、かつ、ＰＩＤ演算に対する比例不感帯処理、積分不感帯処理、微分不感帯処理、積分演算範囲限定処理の各演算機能と、Ｉ（積分）演算とＰ（比例）演算の増減が逆の場合にデジタル演算の周期毎の比例演算値の変化を分割して比例演算処理を行う比例演算分割処理機能とを備え、各不感帯の幅はそれぞれに設定されて記憶され、前記制御装置はこの記憶された不感帯の幅で前記各処理を行うことで、不感帯の範囲内の吐出圧力の変化では電源周波数が維持されることにある。
【００１８】
この発明において、デジタル計算制御における入力値の最少変化量に対する比例演算値の最少変化量が、積分、微分の各演算値の最少変化量よりも大きい場合、比例演算不感帯の幅より積分、微分演算不感帯の幅を狭めると良い。
【００２０】
上記の発明において、前記積分演算に対してはさらに、実際に使用される空気の使用率の範囲に対し、積分値の割合の幅を、前記使用空気率と同等の幅に設定すると良い。
【００２４】
なお、制御装置は、ＰＩＤ制御を含む吐出圧力の変化を一定以内にする制御、及び危険を避けるための温度や圧力等の監視制御を主として行い、安全優先のために前記監視制御の演算時間を低速にせず、前記吐出圧力の制御演算時間が低速になる場合でも、ＰＩＤを含む前記複数の演算を行なうことにより、またインバータに電源周波数指令に対する電源周波数出力のための加減速時間機能を有していることにより、高度な制御が可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
インバータ駆動スクリュー圧縮機の一般的なものを図６に示す。図において、圧縮機からの吐出圧力ｐはフィードバックされ外部から与えられた指示圧力ｐｉと比較されて、その偏差Δｐを基にしてその値を０に近付けるようＰＩＤ制御やＰＩ制御される。前記ＰＩＤ制御やＰＩ制御を行う制御装置は、演算増幅器を中心に電子回路で構成されたアナログ電子回路を使用することが多い。インバータ駆動スクリュー圧縮機に関するＰＩＤ制御におけるフィードバック制御の基本構成はこの図６に示すように、前記偏差Δｐをそれぞれ比例、積分、微分の３つの演算を行ない、それぞれの演算結果を加算した後インバータへ電源周波数指令として出力する。この指令を基にインバータからモータへ電源周波数を出力し、圧縮機の吐出空気量を可変させ、吐出圧力ｐが一定になるように制御される。
【００２６】
図７（ａ）はＰＩＤ演算を行なわないで制御をした場合を示すもので、吐出圧力ｐが指示圧力ｐｉに近づくにつれて偏差は比例して少なくなり、限りなく０に近づくため、吐出圧力ｐを指示圧力ｐｉに近づけるためには非常に時間がかかってしまう。これに対し、（ｂ）図に示すように、Ｐ（比例）演算をすることにより偏差Δｐを比例倍するため、吐出圧力ｐが指示圧力ｐｉにある程度近づくまでは大きな出力が残るので、指示圧力ｐｉ付近まで吐出圧力ｐを速く上昇させることができる。また、偏差Δｐに対して比例倍しているため指示圧力ｐｉから吐出圧力ｐが離れようとしても指示圧力ｐｉに速く戻すことができる。空気使用量が０％の場合にのみ吐出圧力ｐは指示圧力ｐｉに限りなく近づく。少しでも空気の使用があった場合には吐出圧力も下がる方向にあるため、偏差Δｐを比例倍するだけでは出力が不足してしまい、吐出圧力ｐは指示圧力ｐｉには到達しない。例えばモータの電源周波数が６０Hzで、3.7ｍ³/min, 7.0 kgf/ｃｍ²gの圧縮空気を吐出する圧縮機では、空気使用量が100%までは吐出圧力は 7.0 kgf/ｃｍ²gに維持できる。しかし、インバータ駆動の圧縮機で比例演算のみで制御した場合、吐出圧力が指示圧力 7.0 kgf/ｃｍ²gになると電源周波数は０になってしまう。空気使用量が０％なら電源周波数が０になっても吐出圧力は 7.0 kgf/ｃｍ²gになるが、空気使用量が少しでもあった場合、その分吐出圧力は指示圧力 7.0 kgf/ｃｍ²gより低くなり、支持圧力に到達しない。このような欠点があるため、積分演算を追加（ＰＩ制御）することにより、偏差Δｐが０になったとしても、偏差Δｐが０になった時点の積分演算値が保持されるため、比例演算だけでは到達しなかった指示圧力ｐｉまで吐出圧力ｐを到達させることができる。すなわち、「積分演算値の比率＝空気使用量の比率」とも言える。しかし、比例演算と積分演算だけでは、特に積分演算は積分時間がかかるため、空気使用量の変化に対して電源周波数の変化が遅れてしまい、（Ｃ）図に示すように、吐出圧力ｐは指示圧力ｐｉ付近で昇降（オーバーシュート）してしまい、安定性に欠けてしまう。この欠点に対して、微分演算を追加（ＰＩＤ制御）することにより、前記オーバーシュートを抑えることができ、オーバーシュートの速さに対して微分演算の比率も変化するため、比例，積分，微分の３つの演算（ＰＩＤ制御）を行なうことにより高度な制御が可能となる。しかし、上記のＰＩＤ制御はアナログ電子回路による演算方法であり、演算の各乗数設定も固定されてしまい、また制御全域で同じ演算を行なうため制御特性を全体的に改善することは非常に難しい。
【００２７】
図８は制御装置Ａ及び制御装置Ｂを備えたインバータ駆動スクリュー圧縮機の例を示すもので、この圧縮機では次のように制御される。◆
アフタークーラ９の入口圧力ｐは圧力センサ１３で検知され、目標圧力（指示圧力）ｐｉとの偏差Δｐが生じると、制御装置Ｂがインバータ３に加速あるいは減速を指示し、インバータ３は電力の周波数を変えて電動機４の回転数を変化させる。電動機４により駆動される圧縮機７はその吐出量が変化し、吐出圧力が目標に近づく。吸込フィルタ５から吸入された気体は吸込絞り弁６を通過し圧縮機７で圧縮されてオイルセパレータ８に入り、その後アフタークーラ９で冷却され圧縮機ユニットから吐出される。この気体の流れに対し、吐出温度センサ１０，１１により圧縮機７の吐出温度とオイルセパレータ８における吐出温度を検知し、圧力スイッチ１２によりアフタークーラ９の入口圧力を、圧力スイッチ１７により吸込絞り弁での吸込圧力を検知し、制御装置Ａに入力される。また、インバータ３の運転状況等も制御装置Ａに入力される。
【００２８】
吸込絞り弁６は、運転時に制御装置Ａにより放気電磁弁１４を作動し、停止時に放気電磁弁１４を停止する。検知したデータを制御装置Ａで演算し、各機器に対して指令を行う。制御装置Ａは、保護器１６を介して電源を取り入れ、この保護器１６を介し、または制御装置Ａから直接にインバータ３へ電源及び信号を送り、故障時にはインバータ３を停止させるようになっている。
【００２９】
上記制御装置は、制御装置Ａと制御装置Ｂの２つ分かれていて、各々個々に制御していたために制御系が複雑となり、制御装置Ａと制御装置Ｂとのデータの交換が困難で多機能にすることができなかった。
【００３０】
この２つの制御装置をデジタル計算方式にし、さらに１つの制御装置にすることにより上記不具合を解決することができる。しかし、１つの制御装置にし、デジタル計算を行なうことによって、各々個々の検知データ及び出力を効率良く利用する多機能な制御装置とはなるが、その反面次の欠点がある。即ち、デジタル計算により前記ＰＩＤ制御やＰＩ制御を行う制御装置を使用する場合、該制御装置の入力にＡ／Ｄコンバータ、出力にＤ／Ａコンバータを用いるが、該Ａ／Ｄコンバータ及びＤ／Ａコンバータの精度は一般的に前記アナログ電子回路の入出力よりも悪く、また分解能の高い多ビット入力のＡ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータは非常に高価であるため一般には仕使用できず、分解能の高くないＡ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータを使用することになるため、制御特性は悪化する。
【００３１】
上記のことに鑑み本発明では、スクリュー圧縮機本体の下流側に、吐出気体の圧力検出手段１２，１３、吐出気体の温度検出手段１０、オイルセパレータ内に充てんされた気体の温度検出手段１１を備え、圧縮機上流側に設けた吸込フィルタの２次側（下流側）には吸入気体の圧力（負圧）を検知する圧力検出手段１７を備える。各圧力検出手段及び温度検出手段は感知した圧力値や温度値を電気信号などの形で出力する機能を有し、出力は通信配線などの伝達手段により制御装置の入力端子へ接続される。
【００３２】
制御装置には、前記圧力検出手段による実際の吐出圧力の値ｐ、外部から与えられる目標吐出圧力の指示値ｐｉ、温度検出手段による実際の吐出温度ｔ１及びｔ２の少なくとも４種のデ−タが入力される。制御装置内部は圧力指示値ｐｉと吐出圧力ｐの差である偏差Δｐを求める演算ソフトウェアを有する。さらに偏差Δｐに複数の演算方式を用いてインバータに指示する周波数として出力する機能を備える。また、制御装置には必要に応じて、各々個々の入力されたデータを目的に応じてそれぞれ演算し、出力するようなソフトウェアも有する。
【００３３】
このように構成し、１個の制御装置によりデジタル計算を行うことにより、制御系がまとまり、より複雑な処理を行える様になり、情報入力も多くできることから、製品全体の詳細な情報管理も容易に行なうことができる。
【００３４】
また、ＰＩＤ制御やＰＩ制御を複数の演算処理で補助することにより、高い制御特性を得ることができる。
【００３５】
さらに、デジタル計算による制御装置の入出力精度はアナログ回路の入出力精度と比べ一般的に劣るが、複数の演算処理で修正を行うことにより、安定した出力を制御装置から出力することができ、圧縮機の吐出圧力の変化を一定値以内にすることができる。
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を具体的実施例に基づき説明する。◆
（実施例１）◆
図１は本発明の実施例のインバータ駆動スクリュー圧縮機の制御系を示すブロック図、図２は図１の制御フロー図、図３は図１の制御装置のブロック図、図４は図２の回転速度制御の制御ブロック図、図５は図４の制御フローチャート、図６はインバータ駆動スクリュー圧縮機に関するＰＩＤ制御におけるフィードバック制御の基本構成図である。
【００３７】
以下、これらの図を用いて本発明の具体的実施例を説明する。◆
この実施例で示す圧縮機は空気圧縮用のインバータ駆動スクリュー圧縮機である。図１において、Ａは制御装置、３はインバータ、４は電動機、５は吸込フィルタ、６は吸込絞り弁、７は圧縮機、８はオイルセパレータ、９はアフタークーラ、１０は吐出温度センサ、１１は吐出温度センサ、１２は圧力スイッチ、１３は圧力センサ、１４は放気電磁弁、１５は始動盤、１６は保護器、１７は圧力スイッチである。また、実線の矢印は電気信号、破線は空気の流れを示す。
【００３８】
圧縮機７から吐出された圧縮空気の圧力は圧力センサ１３により検出され、始動盤１５内の制御装置Ａに入力される。制御装置Ａ内に記憶しているＰ（比例）、Ｉ（積分）、Ｄ（微分）等の制御動作のための各係数及び目標圧力値を演算式の変数として読み取り、入力された空気圧力値と目標圧力値との偏差から制御量をＰＩＤ及び複数の演算をする。この複数の演算については後で詳述する。
【００３９】
制御装置Ａは故障検出手段である吐出温度センサ１０，１１、または始動盤１５内の保護器１６やインバータ３などから入力された故障情報を故障か否か判断し、故障と判断した場合には圧縮機の運転を停止させる。また、制御装置Ａはスイッチ類の押／離情報を入力し、それに対する処理を行なう。
【００４０】
図３に示すように、制御装置Ａは、操作部と表示部を備えた装置ａと、実際に制御を行なう制御処理装置ｂの２つから構成され、制御処理装置ｂは、演算増幅器を中心に抵抗やコンデンサなどの素子で構成したアナログ回路と、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどのＩＣで構成したデジタル回路を兼ねた制御装置で、制御装置Ａの入出力信号は全てアナログ信号として扱われ、制御装置内の演算処理はデジタル信号として扱われる。
【００４１】
ＰＩＤ及び前記複数の演算に係わる圧力検出からインバータ３への電源周波数指令出力までの過程は、圧縮機７の運転中に制御装置Ａが常に一定なインターバルで演算処理することにより高い応答性が得られる。
【００４２】
制御装置Ａは、回転速度制御に係わる吐出圧力検出、ＰＩＤ及びＰＩＤ等の制御動作のための前記複数の各係数の読み取り、目標圧力値の読み取り、ＰＩＤ及び前記複数の演算、インバータへの指令値出力までの過程をデジタル演算処理を行ない、また故障検知，警報検知，スイッチ類の押／離確認，運転状況把握等の情報入力も行なう。
【００４３】
インバータ駆動圧縮機に関するＰＩＤ制御におけるフィードバック制御の基本構成は図６に示す通りで、図中の制御装置内のＰＩＤ演算を基本とし図２に示すように、吐出圧力検出は電圧信号等のアナログ値で制御装置に入力され、制御装置内でＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換を行なってデジタル値で演算処理を行ない、さらにＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換を行なって電圧信号等のアナログ値をインバータへ電源周波数指令出力を行なう。
【００４４】
また、制御装置Ａはデジタル値をデジタル信号として直接出力する機能も有し、制御装置Ａからインバータ３への電源周波数指令出力をデジタル値で出力し、インバータ側のデジタル演算制御回路に直接入力も可能な構造となっている。
【００４５】
以下、図４及び図５を用いて前述した複数の演算について詳細に説明する。◆
アナログＰＩＤ制御によるインバータ駆動スクリュー圧縮機の制御は、抵抗やコンデンサなどの素子で構成したアナログ回路で行なうため、主にＰ・Ｉ・Ｄの各回路とその合成回路でしか演算できず、目標圧力値と空気圧力値との偏差Δｐから演算した制御量がインバータで必要とする電源周波数指令の上限・下限値を大きく超えてしまう状況があり、この範囲内に指令値が戻るとき、指令値の行き過ぎによる戻りの遅れが出てしまい、応答性に限界があった。
【００４６】
インバータ駆動スクリュー圧縮機で吐出空気圧力Ｐを一定以内に制御できる使用空気率Ａが、定格の３０〜１００％で、これに対するインバータの電動機への出力電源周波数割合Ｂが、定格の３０〜１００％以内の場合、出力電源周波数割合が３０〜１００％外になるような指令をしてしまう演算結果が出てしまうとき、演算を中止し３０〜１００％以内に戻るまでそれまでに演算した値を保持することにより、制御の応答性を最大限に速くすることができ、吐出空気圧力の変動幅を最小限にすることができる機能を備えている。Ｐ（比例）演算は偏差Δｐに対し比例倍するだけであるため応答性への影響はあまり無いが、Ｉ（積分）演算は偏差Δｐの値を積分しその値を蓄えてしまう。吐出圧力Ｐが目標圧力値に限り無く近づいて安定した場合偏差Δｐは０になる。この場合、Ｐ（比例）、Ｄ（微分）の値は０になり、Ｉ（積分）の値だけが残る。このＩ（積分）の値の範囲が出力電源周波数割合Ｂと一致する場合、使用空気率Ａが積分の値の割合と同等になる。吐出圧力が目標圧力値から急激に離れ使用空気率Ａが変化した後安定した時、積分値が必要以上になり使用空気率Ａと同等の割合まで戻るまで時間がかかってしまい、目標圧力値に対しての吐出圧力のオーバーシュートが大きくなってしまう。積分時間を必要以上に短くすると応答性は良くなる反面安定性が悪くなってしまう。積分時間を短くしなくても積分値の範囲を使用空気率Ａ以内にすることにより、応答性、安定性を共に向上することができる。この機能は図４中の積分演算範囲限定▲１▼でおこなう（詳細説明は後述）。
【００４７】
吐出圧力値ｐを制御装置Ａに入力する場合、またインバータ３への電源周波数指令を制御装置Ａから出力する場合、制御装置でそれぞれＡ／Ｄ変換及びＤ／Ａ変換を行なうが、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータの入力ビット数は多くない。圧縮機７の回転速度制御をＰＩＤ制御で行なう場合、安定性、応答性共に良くないと吐出圧力ｐが目標圧力ｐｉから大きく離れたり、ハンチングを繰返したりしてしまうため、積分，微分よりも比例の割合が非常に高くなるように設定されている。Ａ／Ｄコンバータの入力ビット数が８ビットの場合、分解能1/256以下で入力が変化した場合には、吐出圧力入力0〜10kgf/ｃｍ²Gに対して約0.039kgf/ｃｍ²変化したことになり、この値を制御装置内で比例演算のみで30倍演算すると、Ｄ／Ａコンバータの入力ビット数が８ビットの場合、分解能1/256×３０倍でインバータへ出力すると、電源周波数指令18〜60Hzに対して約4.9Hz変化してしまう。比例演算の３０倍は、インバータ駆動スクリュー圧縮機で使用するＰＩＤ制御のＰ（比例演算倍率）の最適値であり、圧縮機を駆動するためのモータの定格出力の違いにより若干差はあるものの、２０〜４０倍が最適な修正幅である。
【００４８】
吐出圧力ｐが目標圧力（指示圧力）ｐｉから離れるときはインバータ３の電源周波数を急激に変化させた方が応答性は良くなるため、微妙な吐出圧力の変化に対しても電源周波数指令を大きく変化させる。
【００４９】
しかし、吐出圧力ｐが目標圧力ｐｉに近づく場合は、積分演算値と比例演算値の増減が逆になり、積分，微分演算値の最小変化量と比例演算値の最小変化量の差が大きいため電源周波数指令が歯形の様な出力波形になり、圧縮機や電動機等から異音が発生し、操作員に不安感を与え、インバータトリップ（過電流保護）による停止も起こりやすくなる。また、吐出圧力が目標圧力付近で安定している場合でも、吐出圧力の僅かな変化に対して電源周波数指令が大きく変化してしまうため、吐出圧力及びインバータ電源周波数が脈動してしまう。そこで、本実施例では積分演算と比例演算の増減が逆の場合のみ比例演算を分割して出力し、比例演算と積分演算に不感帯を設けて吐出圧力の目標圧力付近での微妙な変化を無視させることにより、上記の問題を解決している。
【００５０】
ＰＩＤ及び複数の回転速度制御のためのデジタル演算は一定周期（例えば０.１秒周期）で演算するため、積分演算と比例演算の増減が逆の時、比例演算値の変化ΔＫを分割する。１０分割すると、１分割につき0.1sec.必要とするため、ΔＫ／10を1.0sec.にわたり10回カウントすることにより、制御装置の出力精度は一時的に１０倍になり、積分，微分演算値の最小変化量と比例演算値の最小変化量の差が大きい場合の問題は解消される。この１０分割は、圧縮機から末端の配管までの間の空気が使用される空気配管容量の場合の吐出圧力変化に対する最適値であり、前記空気配管容量が極端に少ない場合は０分割、極端に多い場合は９９分割まで設定変更できるように設計されている。また、制御装置Ａはこの分割回数を設定し記憶する機能を持ち、吐出圧力の変動状況に応じて最適な設定を行なうことができる。
【００５１】
前述した比例演算値の分割処理は、比例，積分演算値の増減が逆で吐出圧力が目標圧力に近づく場合に効果的である。吐出圧力が目標圧力付近で安定している場合でさらに吐出圧力が目標圧力から微妙に離れる時には、比例演算値分割処理は行なわれず、僅かな吐出圧力の変化では電源周波数を変化させないようにして安定性を持たせるている。このため、図４に示すように比例，積分各演算にそれぞれ前記の不感帯±ｐｆ、±ｉｆ、及び微分演算に不感帯±ｄｆを設けている。また、制御装置Ａは比例，積分，微分各演算の不感帯の幅を設定し記憶する機能を持つ。この各設定値は同等の値に固定されていても良いが、吐出圧力の変化量により最適な設定値を設定できるようにするとなおよい。
【００５２】
比例演算値の最小変化量が積分，微分演算値の最小変化量よりも多い場合、比例演算不感帯の幅よりも積分，微分演算不感帯の幅を狭めることにより、吐出圧力が目標圧力付近で微妙な変化をした時に比例演算値を０のまま積分，微分演算のみで目標圧力に対する吐出圧力の補正を行なうことができるので、安定性のよい制御が可能となる。
【００５３】
また、制御装置Ａ内の積分演算にはもう一つの不感帯処理（図４中の積分演算範囲限定▲２▼）を設け、積分演算値がある値以上（上限値）かある値以下（下限値）になったとき、積分演算を行なわずに積分演算値を保持するようにし、この上限，下限値を設定し記憶する。これは積分時間が短い場合、積分演算を行なう範囲を限定することにより、積分演算値の過大または過少による戻りの遅れを最小限に抑えることができる。
【００５４】
また、上述したように制御装置Ａ内には積分演算にもう一つの不感帯処理（図４中の積分演算範囲限定▲１▼）が設けられている。これは上述した使用空気率Ａが積分の値の割合と同等になると述べたが、実際に使用される空気の使用率が限られる場合、その使用空気率と同等の積分値の割合の幅を設定することにより、前記積分演算範囲限定▲２▼と同等の効果を持つ。この２つの積分不感帯処理を行なうことにより、より細かな積分不感帯処理を可能とする。
【００５５】
（実施例２）◆
次に、本発明の実施例２を説明する。実施例２において実施例１と共通する部分については説明を省略する。◆
制御装置のＰＩＤ演算及び回転速度制御のための複数のデジタル演算の周期時間を、温度検知等の他の制御を行なうために高速にできない場合、１周期での偏差の変化量が増加し、インバータへの電源周波数指令値の変化量の増加による回転速度制御の乱れが生じる。これに対し本実施例では比例演算値の分割処理を行ない、インバータへの電源周波数指令値の変化量を分割して指令することができようにし、これにより指令値の必要以上の増加を最小限にすることができる。
【００５６】
また、インバータ内に、電源周波数指令に対する電源周波数出力への加減速時間を設定できるようにし、制御装置Ａからインバータへの電源周波数指令値変化量が多い場合でも、その変化量に対し加減速（積分）を行なうことにより滑らかな電源周波数出力にできるため、安定性の高い回転速度制御が可能となる。
【００５７】
上記の構成とすることにより、制御装置の演算処理時間を短くできない場合でも高度な回転速度制御が行なえる効果がある。
【００５８】
（実施例３）◆
次に、本発明の実施例３を説明する。実施例３において実施例１，２と共通する部分については説明を省略する。◆
ＰＩＤ及び複数の演算式の各設定値は、吐出圧力や、吐出圧力の変化量と変化時間等の違いにより最適値が決定する。しかし、圧縮機の最大空気吐出量（製品の定格出力）や空気槽の容量等で設定値が変わるため、これらの環境条件に応じて設定値を変えなければならない。
【００５９】
そこで本実施例においては、制御装置Ａにおいて、インバータ駆動スクリュー圧縮機を一度運転し、その時の吐出圧力や、吐出圧力の変化量と変化時間等を演算し、この演算結果に基づき最適設定値を求めて記憶しておくことにより、どのような環境条件の変化に対しても最適設定値に自動的に設定することが可能となる。
【００６０】
また、制御装置Ａは、常に吐出圧力や、吐出圧力の変化量と変化時間等を演算するようにし、最適設定値を継続して求めるようにすることにより、被圧縮気体の使用量の変動割合が変わるような場合でも常に最適な制御を行なえるようにできる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、制御装置によるデジタル制御の多機能性を保ちつつ、信頼性の高い、高性能なインバータ駆動スクリュー圧縮機を得ることができる。
【００６２】
また、吐出量の急激な増減変化時や、増減の少ない安定時のいづれに対しても、吐出圧力の変化を一定以内に安定化させることができ、高い制御特性を維持することができる。
【００６３】
さらに、被圧縮気体の使用量が変動し回転速度が不安定な時でも応答性の良い運転を続け、使用量がほぼ一定で回転速度が安定している時には安定性の良い運転を続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインバータ駆動スクリュー圧縮機の制御系の実施例のを示すブロック図である。
【図２】図１の制御フロー図である。
【図３】図１の制御装置のブロック図である。
【図４】図２に示す制御装置の制御ブロック図である。
【図５】図４の制御ブロック図の制御フローチャートである。
【図６】インバータ駆動スクリュー圧縮機に関するＰＩＤ制御におけるフィードバック制御の基本構成図である。
【図７】インバータ駆動スクリュー圧縮機に関するＰＩＤ制御の各Ｐ，Ｉ，Ｄ演算の説明図である。
【図８】インバータ駆動スクリュー圧縮機の制御系を示すブロック図である。
【符号の説明】
Ａ…制御装置、Ｂ…制御装置、３…インバータ、４…電動機、５…吸込フィルタ、６…吸込絞り弁、７…圧縮機、８…オイルセパレータ、９…アフタークーラ、１０…吐出温度センサ、１１…吐出温度センサ、１２…圧力スイッチ、１３…圧力センサ、１４…放気電磁弁、１５…始動盤、１６…保護器、１７…圧力スイッチ。

Claims

圧縮機と、該圧縮機から吐出された気体の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、この検出された吐出圧力に応じて前記圧縮機を駆動する電動機の回転速度をインバータにより可変速制御する制御装置とを備えたインバータ駆動回転型圧縮機において、
前記制御装置は、デジタル計算制御を行うものであって、前記吐出圧力を一定に制御するためのＰＩＤ演算及びＰＩＤ演算に対する比例不感帯処理、積分不感帯処理、微分不感帯処理、積分演算範囲限定処理の各演算機能と、Ｉ（積分）演算とＰ（比例）演算の増減が逆の場合にデジタル演算の周期毎の比例演算値の変化を分割して比例演算処理を行う比例演算分割処理機能とを備え、
各不感帯の幅はそれぞれに設定されて記憶され、前記制御装置はこの記憶された不感帯の幅で前記各処理を行うことで、不感帯の範囲内の吐出圧力の変化では電源周波数が維持されることを特徴とするインバータ駆動回転型圧縮機。
請求項１において、前記圧縮機はスクリュ−圧縮機であって、前記制御装置における演算は８ビットマイコンで行い、かつＰＩＤ演算における比例演算倍率は２０〜４０倍であることを特徴とするインバータ駆動回転型圧縮機。
請求項１において、前記吐出圧力と目標圧力との偏差の変化量が同じ場合であっても、前記吐出圧力が目標圧力から離れるときには、吐出圧力の変化に対する電源周波数指令を、前記吐出圧力が前記目標圧力に近づくときにおける電源周波数指令よりも大きく変化させることを特徴とするインバータ駆動回転型圧縮機。
スクリューロータを電動機により回転させ気体を圧縮するスクリュー圧縮機と、圧縮された前記気体の吐出圧力を検出する圧力検出器と、前記検出された吐出圧力に応じて前記電動機の回転速度をインバータにより可変速制御する制御装置とを備えたインバータ駆動回転型圧縮機において、
前記制御装置は、デジタル計算制御により前記吐出圧力を一定に制御するようにＰＩＤ演算を行なうものであって、吐出圧力が目標圧力付近で安定している場合でかつ吐出圧力が目標圧力から離れる時に電源周波数が変化しないようにＰ（比例），Ｉ（積分），Ｄ（微分）の各演算にそれぞれ不感帯を設け、かつ、ＰＩＤ演算に対する比例不感帯処理、積分不感帯処理、微分不感帯処理、積分演算範囲限定処理の各演算機能と、Ｉ（積分）演算とＰ（比例）演算の増減が逆の場合にデジタル演算の周期毎の比例演算値の変化を分割して比例演算処理を行う比例演算分割処理機能とを備え、
各不感帯の幅はそれぞれに設定されて記憶され、前記制御装置はこの記憶された不感帯の幅で前記各処理を行うことで、不感帯の範囲内の吐出圧力の変化では電源周波数が維持されることを特徴とするインバータ駆動回転型圧縮機。
請求項１又は４において、デジタル計算制御における入力値の最少変化量に対する比例演算値の最少変化量が、積分、微分の各演算値の最少変化量よりも大きい場合、比例演算不感帯の幅より積分、微分演算不感帯の幅を狭めることを特徴とするインバータ駆動回転型圧縮機。
請求項１又は４において、前記積分演算に対してはさらに、定格の最大吐出空気量に対して実際に使用される空気の使用率の範囲に対し、前記空気の使用率の範囲外の演算結果が出た場合には演算を中止することを特徴とするインバータ駆動回転型圧縮機。