JP4044064B2 - リニア圧縮機及びその制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、リニア圧縮機に関し、さらに詳細には、リニアモータによりピストンが直線往復運動するリニア圧縮機及びその制御装置に関する。
往復動圧縮機などは、モータの回転運動を直線運動に変換してピストンを稼動するので、運動変換過程でエネルギーの損失が発生して効率が落ちる。これに対し、リニア圧縮機は、可動子が直線往復運動するリニアモータを採用し、回転運動を直線運動に変換する過程なしにリニアモータの可動子の直線運動が直接ピストンの直線運動につながるので、エネルギー損失が少なく、往復動圧縮機などに比べて著しく効率がいい。
かかるリニア圧縮機では、リニア圧縮機の共振周波数とリニアモータの駆動電流の周波数が同一である時に最大の効率が得られる。しかし、実際には、ピストンの負荷が変動するなどの理由から共振周波数が変化し、駆動電流の周波数と共振周波数を一致させるのがほぼ不可能であり、それに対する方案が要求されてきていた。
したがって、本発明に係るリニア圧縮機及びその制御装置は、駆動モータに供給されるリニア圧縮機の駆動電流の周波数が負荷変動によって変化する共振周波数をリアルタイムで追従するようにしてリニア圧縮機の最大効率が得られるようにすることにその目的がある。
上記の目的を達成するために、本発明に係るリニア圧縮機は、駆動モータと、この駆動モータにより往復運動するピストンとを含む。制御部は、ピストンの変位波形に対して９０°の位相差を持ち、周波数は同一である基準電流を発生させ、駆動モータに供給される駆動電流を基準電流に同期させることによって駆動電流がピストンの共振周波数を追従するように制御する。
本発明に係るリニア圧縮機の制御装置は、変位/速度検出部、振幅制御部、位相制御部、及び電流制御部を含む。変位/速度検出部は、ピストンの変位波形と速度波形のうちいずれか一つを発生させる。振幅制御部は、ピストンの上死点及び下死点が外部から受信される上死点指令及び下死点指令を満足するように駆動モータを制御する上で必要な駆動電流の最大振幅を設定する。位相制御部は、ピストンの変位波形に対して９０°の位相差を持ち、周波数が同一である条件と、ピストンの速度波形に対して位相と周波数の両方とも同一である条件のうちいずれか一つを満足する基準波形を発生させる。
電流制御部は、振幅制御部と位相制御部からそれぞれ提供される振幅情報と位相及び周波数情報に基づく基準電流を発生させ、駆動モータの駆動電流が基準電流を追従するように制御する。
リニア圧縮機の駆動モータ(リニアモータ)により発生する推力は、駆動モータの逆起電力と駆動電流の積に比例する。したがって、逆起電力と同位相を持つ駆動電流を駆動モータに供給する時に最大の効率で運転ができる。トライアック(TRIAC)のようなスイッチング素子を使用し、位相制御方式を使って商用交流電源と同じ周波数(例えば、６０Hzまたは５０Hz)でリニア圧縮機を駆動する場合、リニア圧縮機の共振周波数と交流電源の周波数が同一なので、駆動モータの逆起電力と同位相の駆動電流がモータに供給される時最大の効率で運転できる。共振周波数でリニア圧縮機を駆動する時、駆動電流はモータの逆起電力(または、速度)と同位相を持ち、ピストンの変位と駆動電流は９０°位相差を持つ。
本発明に係るリニア圧縮機及びその制御装置は、駆動モータに供給される駆動電流の周波数が負荷変動によって変化する共振周波数をリアルタイムで追従するようにしてリニア圧縮機の最大効率が得られるようにする。
以下、本発明を好ましい実施例を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図面中、同一の構成要素には同一の参照番号及び符号を共通使用し、周知技術については適宜説明を省略するものとする。
図１ないし図４は、本発明に係るリニア圧縮機及びその制御装置の第１実施例を示す図であり、変位センサーを用いてピストンの変位と速度を検出し、この検出された変位と速度からリニア圧縮機の機械的共振周波数を獲得する場合を示す。
まず、図１は、本発明の第１実施例によるリニア圧縮機の制御装置を示すブロック図である。図１に示すように、コンバータ１０４は、商用交流電源１０２から供給される商用交流電力を直流に変換する。このコンバータ１０４に直流結合キャパシタ１０８を介して連結されるインバータ１０６は、リニアモータ１１０を駆動する上で必要な可変電圧レベル及び/または可変周波数の交流電源を発生させる。
インバータ１０６の入力端と出力端にはそれぞれ電圧検出部１１８と電流検出部１１２が連結されるが、電圧検出部１１８はインバータに供給される直流電圧のレベルを検出し、電流検出部１１２はリニアモータに流れる駆動電流を検出する。
ピストンの変位/速度は、変位センサー１２０と変位/速度検出部１１６により求められるが、変位センサー１２０は、リニアモータの可動子(または、ピストン)の移動変位を検出する。変位/速度検出部１１６は、変位センサー１２０の検出結果から往復運動するピストンの移動変位波形と移動速度波形を検出する。
制御部１１４は、電流検出部１１２と電圧検出部１１８、変位/速度検出部１１６の検出結果に基づいてリニアモータ１１０の駆動電流がリニア圧縮機の共振周波数を追従するようにインバータ１０６のスイッチング動作を制御する。
図２は、図１に示したリニア圧縮機における制御装置において制御部１１４を示すブロック図である。図２に示すように、制御部１１４は、位相制御部２０２、振幅制御部２０６、電流指令発生部２０４、及び電流制御部２０８からなる。制御部１１４は、ピストンの共振周波数と同じ周波数と位相を持ち、ピストンの上死点及び下死点が目標値に到達できるようにする基準電流を発生させ、リニアモータ１１０の駆動電流がこの基準電流を追従するようにインバータ１０６を制御する。
図２において、位相制御部２０２は、変位/速度検出部１１６から発生するピストンの移動速度波形と同位相であり、変位波形とは９０゜の位相差を持つ正弦波信号を発生させる。振幅制御部２０６はそれぞれ、変位/速度検出部１１６により検出されたピストンの実際上死点及び下死点と外部から受信される上死点指令及び下死点指令間の第１差及び第２差を求め、これらの差を補償できる大きさにリニアモータ１１０の駆動電流の最大振幅(ピーク値)を設定する。電流指令発生部２０４は、位相制御部２０２から出力される正弦波信号の周波数情報と振幅制御部２０６から出力される最大振幅の情報を持つ電流指令信号(すなわち、基準電流)を発生させる。電流制御部２０８は、電流検出部１１２により検出される現在のリニアモータ１１０の駆動電流を監視しながら、リニアモータ１１０の駆動電流が電流指令発生部２０４で生成される電流指令信号の周波数と位相、最大振幅を追従するようにインバータ１０６を制御するためのインバータ制御信号を発生させる。
図３は、図２に示した制御部１１４の振幅制御部２０６を示すブロック図である。図３に示すように、上死点設定部３０２と下死点設定部３０４には、上死点指令と下死点指令がそれぞれ設定される。第１加算器３０６は、上死点設定部３０２に設定されている上死点指令と変位/速度検出部１１６により検出されたピストンの実際上死点との差を求める。第２加算器３０８は、下死点設定部３０４に設定されている下死点指令と変位/速度検出部１１６により検出されたピストンの実際下死点との差を求める。振幅設定部３１０は、第１及び第２加算器３０６、３０８を通じて求めた上死点指令及び下死点指令と実際の上死点及び下死点間のそれぞれの差を補償できるような正弦波の最大振幅を設定する。この振幅設定部３１０により設定される最大振幅は、電流指令発生部２０４に提供され、後でリニアモータ１１０の駆動電流を制御する電流指令信号の最大振幅情報として利用される。
図４は、図２に示した制御部１１４の位相制御部２０２を示すブロック図である。図４に示すように、位相比較部４０２は、変位/速度検出部１１６と電圧制御発振部４０４からそれぞれ出力される信号の位相を比較し、その差に比例する大きさの電圧信号を発生させる。電圧制御発振部４０４は、位相比較部４０２から出力される電圧信号の大きさに比例してその周波数が変化する正弦波信号を出力する。位相差発生部４０６は、電圧制御発振部４０４から出力される正弦波信号の位相を９０°だけ移動させる。駆動電流の位相はピストンの変位波形の位相に対して９０°の差を有するか、ピストンの速度波形と同位相を有する必要がある。したがって、変位センサー１２０により検出したピストンの変位波形を位相差発生部４０６で９０°だけ移動させて速度波形と同位相にする。位相制御部２０２から発生した正弦波信号は電流指令発生部２０４に提供されて電流指令信号の周波数と位相情報として利用される。
つまり、制御部１１４の電流指令発生部２０４は、上記の位相制御部２０２と振幅制御部２０６から位相と最大振幅の情報を得て電流指令信号の周波数と位相、最大振幅を決定して電流指令信号を発生させ、電流制御部２０８は、リニアモータ１１０の駆動電流が電流指令発生部２０４から発生する電流指令信号の位相と周波数、最大振幅を追従するようにインバータ１０６のスイチン動作を制御するためのインバータ制御信号を発生させる。
図５及び図６は、本発明の第２実施例によるリニア圧縮機の制御装置を示す図であり、変位センサーを使用しない代わりに、駆動モータ(リニアモータ)の電気的特性値からリニアモータの可動子の変位と速度を間接的に検出し、この検出された変位と速度からリニア圧縮機の機械的共振周波数を獲得する場合を示す。
図５は、本発明の第２実施例によるリニア圧縮機の制御装置を示すブロック図である。図５に示すように、変位/速度検出部５０２は、電流検出部１１２により検出される駆動電流と、電圧検出部１１８により検出され、インバータ１０６に供給される直流電圧と、リニアモータ１１０の電気的特性値からピストンの変位/速度波形を発生させる。制御部５１４は、上にも説明したように、変位/速度検出部５０２により検出されるピストンの変位/速度波形を利用してリニアモータ１１０の駆動電流を制御する。
変位センサーを利用しない代わりにリニアモータ１１０の電気的特性値を利用してピストンの速度波形を発生させることから、制御部５１４を構成する位相制御部６１０の構成が第１実施例の位相制御部２０２と多少異なってくるが、これを図６に示した。図６は、図５に示したリニア圧縮機の制御装置に備えられる位相制御部６１０を示すブロック図である。図６に示すように、リニアモータ１１０の電気的特性値からピストンの速度波形を直接検出するため、本発明の第１実施例とは違い、位相差発生部４０６が必要とされない。
本発明の第１実施例に係るリニア圧縮機の制御装置を示すブロック図である。 図１に示したリニア圧縮機において制御装置の制御部を示すブロック図である。 図２に示した制御部の振幅制御部を示すブロック図である。 図２に示した制御部の位相制御部を示すブロック図である。 本発明の第２実施例に係るリニア圧縮機における制御装置を示すブロック図である。 図５に示したリニア圧縮機の制御装置に備えられる位相制御部を示すブロック図である。
符号の説明
１０２ 商用交流電源
１０４ コンバータ
１０６ インバータ
１０８ キャパシタ
１１０ リニアモータ
１１２ 電流検出部
１１４ 制御部
１１６ 変位/速度検出部
１１８ 電圧検出部
１２０ 変位センサー

Claims (1)

  1. 駆動モータと、前記駆動モータにより往復運動するピストンを備えるリニア圧縮機の制御装置において、
    商用交流電源を直流電源に変換するコンバータと、
    前記駆動モータを駆動する上で必要な可変電圧及び可変周波数の交流電源を発生させるインバータと、
    前記駆動モータの駆動電流を検出する電流検出部と、
    前記駆動モータの供給電圧を検出する電圧検出部と、
    前記ピストンの変位を検出する変位センサーと、
    前記変位センサーにより検出された前記ピストンの変位から前記ピストンの変位波形と速度波形のうちいずれか一つを発生させる変位/速度検出部と、
    前記ピストンの目標値として設定される上死点指令及び下死点指令を満足するように前記駆動モータを制御する上で必要な駆動電流の最大振幅を設定する振幅制御部と、
    前記ピストンの変位波形に対して９０°の位相差を持ち、周波数が同一である条件と、前記ピストンの速度波形に対して位相と周波数の両方とも同一である条件のうちいずれか一つを満足する基準波形を発生させる位相制御部と、
    前記振幅制御部で提供された最大振幅情報と、前記位相制御部で発生した前記基準波形の周波数及び位相情報に基づいて、基準電流を発生させる電流指令発生部と、
    前記電流検出部により検出される現在の駆動モータの駆動電流を監視しながら前記駆動電流が前記基準電流を追従するように前記インバータのスイッチング動作を制御する電流制御部とを含み、
    前記振幅制御部が、
    前記上死点指令と現在の前記ピストンの上死点変位の差を求める第１加算器と、
    前記下死点指令と現在の前記ピストンの下死点変位の差を求める第２加算器と、
    前記第１及び第２加算器により求められた上死点指令及び下死点指令と実際の上死点変位及び下死点変位のそれぞれの差を補償できる大きさに前記駆動モータの駆動電流の最大振幅を設定する振幅設定部とを含み、
    前記位相制御部が、
    電圧制御発振部と、
    前記変位/速度検出部と電圧制御発振部からそれぞれ出力される信号の位相を比較し、その差に比例する大きさの電圧信号を発生させ、この出力される電圧信号の大きさに比例して前記電圧制御発振部がその周波数が変化する正弦波信号を出力する位相比較部と、
    前記駆動電流の位相がピストンの変位波形の位相に対して９０°の差を有するか、ピストンの速度波形と同位相を有するように前記電圧制御発振部から出力される正弦波信号の位相を９０°だけ移動させる位相差発生部とを含むことを特徴とするリニア圧縮機。
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