JP4236876B2

JP4236876B2 - インバータ駆動圧縮機

Info

Publication number: JP4236876B2
Application number: JP2002191047A
Authority: JP
Inventors: 広宣高安
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: JP2004036411A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮空気を発生させるインバータ駆動圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮空気を発生させる圧縮機には、タンク内に強制的に空気を導入する圧縮機本体と、該圧縮機本体を駆動するモータと、タンク内の圧力値を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段の検出結果に基づいてモータの駆動を制御する制御手段とを有するものがある。
【０００３】
このような圧縮機では、吐出圧力を一定にするために、一般的に、モータを最大制御操作量で駆動しタンク内圧力値が目標値になるとモータをオフして、またタンク内圧力値が目標値を下回るとモータを最大制御操作量で駆動するというオン−オフ制御を採用している。しかし、このオン−オフ制御では、制御操作量の変化が大きすぎ、目標値に対し行き過ぎを繰り返してしまうため、目標値の近くで凹凸を繰り返す制御となってしまうという問題が生じていた。
【０００４】
このような目標値近くでの凹凸の繰り返しを防ぐ制御として、制御操作量を目標値と現在値との差に比例した大きさとする比例制御があるが、比例制御では、目標値に徐々に値を近づけるという微妙な制御を行うことができるものの、目標値に近づくと制御操作量が安定してしまって、目標値に一致しない、いわゆる残留偏差が生じるという問題がある。
【０００５】
そして、このような残留偏差をなくすために、残留偏差を時間的に累積し、ある大きさになったところで制御操作量を増して偏差をなくす積分制御を行うＰＩ制御があるが、このＰＩ制御では、目標値に近づける制御は完璧にできるものの、制御応答性が悪いという問題がある。
【０００６】
このＰＩ制御における制御応答性を改善するために、急激におきる外乱に対し偏差を見て、前回偏差との差が大きいときには、制御操作量を大きくして機敏に反応させ、早く目標値になるように積極的に制御するＰＩＤ制御がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＰＩＤ制御にも次のような問題がある。
すなわち、早く目標値になるように制御するため、最初はかなりオーバードライブ気味に制御することになり、その結果、圧力にオーバーシュートを生じててしまう。このような圧力のオーバーシュートは、安全弁の作動を起こしてしまう恐れがあるとともに、タンク内圧力値が目標値に対し行き過ぎることからこれを見た使用者に違和感を覚えさせてしまう。
【０００８】
本発明は、素早く目標値にすることができるとともにオーバーシュートを防止することができるインバータ駆動圧縮機の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、流体を圧縮する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動するモータと、該圧縮機構により圧縮された流体を貯留するタンクと、該タンク内の圧力値を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段の検出結果に基づいて前記モータの駆動をインバータにより制御する制御手段とからなるインバータ駆動圧縮機において、前記制御手段は、前記モータへの通電後、最大制御操作量で前記モータを駆動し、前記圧力検出手段の検出結果に応じて第１の設定圧力値を設定し、前記タンク内圧力値が、第１の設定圧力値に達した時点で、該時点での前記第１の設定圧力値を固定の目標値として減速制御を行い、その後、前記タンク内圧力値が、予め設定された第２の設定圧力値に達すると、該第２の設定圧力値を目標値として設定圧力一定制御し、設定圧力一定制御で運転中に、前記タンク内圧力値が所定の上限圧力値に上昇した場合は、前記モータを停止し、その後、前記タンク内圧力値が所定の下限圧力値に下降した場合は、前記モータを再起動を行うことを特徴としている。
【００１１】
これにより、制御手段は、モータを最大制御操作量で駆動することで、素早く最終的な目標値に近づけるとともに、第１の設定圧力値を、圧力検出手段の検出結果に応じて適切な値に設定することができ、この第１の設定圧力値を固定の目標値としてモータの減速を開始させる。そして、その後、圧力検出手段で検出されるタンク内圧力値が、予め設定された第２の設定圧力値に達すると、最終的な目標値であるこの第２の設定圧力値を目標値として設定圧力一定制御を行うことでタンク内圧力値を最終的な目標値に一致させながら、前記設定圧力一定制御で運転中に、前記タンク内圧力値が所定の上限圧力値に上昇した場合は、前記モータを停止し、その後、前記タンク内圧力値が所定の下限圧力値に下降した場合は、前記モータを再起動することができる。
また、前記圧力検出手段の検出結果は、前記圧力検出手段で検出されるタンク内圧力値の上昇率であって、該上昇率に応じ都度変更される値であることが好ましい。
また、前記第１の設定圧力値は、予め設定された第２の設定圧力値から、前記モータの減速中に上昇するタンク内圧力値の推定値を減算した値とすることが好ましい。
また、前記設定圧力一定制御は、前記第２の設定圧力値の所定の両側所定圧力範囲内に前記タンク内圧力値を維持するように自動制御し、前記両側所定圧力範囲を越えたときには、前記モータを減速制御し、その後、前記モータが所定回転数以下となった場合は、前記モータを停止させることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態のインバータ駆動圧縮機を図面を参照して以下に説明する。
本実施形態のインバータ駆動圧縮機１０は、図示は略すがクランク軸を回転させることでこのクランク軸にコンロッドを介して連結されたピストンを往復動させて空気を強制的に圧送する往復動式の圧縮機本体１１と、この圧縮機本体１１のクランク軸を回転駆動するモータ１２と、圧縮機本体１１から導入される空気を圧縮状態で貯留させるタンク１３とを有しており、このタンク１３に接続されたノズル１４を開閉させることでノズル１４からタンク１３内の圧縮空気を吐出させるものである。
【００１３】
インバータ駆動圧縮機１０は、タンク１３内の圧力値を検出する圧力センサ（圧力検出手段）１６と、この圧力センサ１６の検出結果に基づいてモータ１２の駆動を制御するインバータを含む制御装置（制御手段）１７とを有している。
【００１４】
次に、制御装置１７の制御内容を図２および図３に示すフローチャートを参照しつつ説明するとともに、これに併せて制御に伴うインバータ駆動圧縮機の作動について図４および図５を参照して説明する。
【００１５】
まず、ステップＳ１において電源スイッチがオンされると、制御装置１７は、ステップＳ２においてモータ１２への通電を開始させ、ステップＳ３においてモータ１２の制御操作量を最大である１００％、すなわちモータ１２の制御電流の周波数を最大の６０Ｈｚまで上げる。
【００１６】
次に、制御装置１７は、ステップＳ４において圧力センサ１６でタンク１３のタンク内圧力値Ｐ１を検出し、これに対し所定時間遅れて実行されるステップＳ５において圧力センサ１６でタンク内圧力値Ｐ２を検出する。
【００１７】
次いで、制御装置１７は、ステップＳ６において、上記したタンク内圧力値Ｐ１とタンク内圧力値Ｐ２とから、現時点でのオフセット圧力値（第１の設定圧力値）Ｐｏｆｓを最終目標圧力値（第２の設定圧力値）Ｐｓｅｔと予め設定された常数Ｇとから以下の式に基づいて算出する。
Ｐｏｆｓ＝Ｐｓｅｔ−Ｐ２／Ｐ１＊Ｇ
【００１８】
ここで、オフセット圧力値Ｐｏｆｓは、モータ１２を１００％の操作量で可能な限り駆動した後に減速させて、モータ１２をオーバーシュートさせずに最終目標圧力値Ｐｓｅｔに近づけるように駆動した場合に、モータ１２を１００％の操作量で駆動可能な限界の圧力値である。すなわち、Ｐ２／Ｐ１＊Ｇは、上記作動におけるモータの減速中に上昇するタンク内圧力値であり、タンク内圧力値の上昇率ΔＰ＝Ｐ２／Ｐ１に応じて変化するものである。つまり、図６にＸ１で示すように、タンク内圧力値の上昇率ΔＰ１が大きければ、減速中に上昇するタンク内圧力値も大きくなるため、減速開始点ＰＴ１のタンク内圧力値が低くなり、図６にＸ２で示すように、タンク内圧力値の上昇率ΔＰ２が小さければ、減速中に上昇するタンク内圧力値も小さくてすむため、減速開始点ＰＴ２のタンク内圧力値が高くなり、図６にＸ３で示すように、タンク内圧力値の上昇率ΔＰ３がこれらの中間にあれば、減速開始点ＰＴ３のタンク内圧力値も中間となる。この特性から、タンク内圧力値の上昇率ΔＰに予め実験から求められた常数Ｇを乗算することで、上昇率ΔＰに応じて変化する、減速中に上昇するタンク内圧力値の推定値Ｐ２／Ｐ１＊Ｇを算出し、これを最終目標圧力値Ｐｓｅｔから減算してオフセット圧力値Ｐｏｆｓとする。なお、最終目標圧力値Ｐｓｅｔは、タンク１３内で維持する圧力として最も好ましい圧力の値である。
【００１９】
そして、制御装置１７は、ステップＳ７において、タンク内圧力値Ｐ’が直前のステップＳ６で算出されたオフセット圧力値Ｐｏｆｓ以上となったか否かを判定する。タンク内圧力値Ｐ’がオフセット圧力値Ｐｏｆｓ以上でなければ、ステップＳ３に戻る。
【００２０】
ここで、図４のｔ１に示すように、タンク内圧力値が０の状態から、上記ステップＳ１〜Ｓ７にしたがってモータ１２の運転を開始すると、モータ１２の制御電流の周波数は一気に最大周波数の６０Ｈｚまで立ち上がって、最大周波数で駆動される。その結果、タンク内圧力値も図４のｔ１〜ｔ３に示すように急上昇する。
【００２１】
一方、タンク内圧力値が低い状態では、モータ１２への負荷も低くタンク内圧力値の上昇率ΔＰが高いため、オフセット圧力値Ｐｏｆｓは低く、タンク内圧力値が徐々に高まるとモータ１２への負荷も高くなるため、タンク内圧力値の上昇率ΔＰが低くなって図５にｔ２〜ｔ３で示すように、破線で示すオフセット圧力値Ｐｏｆｓが高くなる。そして、図５にｔ３で示すように、実線で示すタンク内圧力値がその時点でのオフセット圧力値Ｐｏｆｓ以上となる点をステップＳ７において見つけるのである。
【００２２】
そして、制御装置１７は、ステップＳ７においてタンク内圧力値Ｐ’がオフセット圧力値Ｐｏｆｓ以上になると、タンク内圧力値の上昇率ΔＰから推定される、最終目標圧力値Ｐｓｅｔに近づけるために最適なモータ１２の減速開始時点になったと判定して、ステップＳ８において、この時点でのオフセット圧力値Ｐｏｆｓを固定し、このオフセット圧力値Ｐｏｆｓを目標値としたＰＩ制御を行う。これにより、モータ１２は減速制御されタンク内圧力値も図５にｔ３〜ｔ４で示すように減速する。
【００２３】
次に、制御装置１７は、ステップＳ９において、その時点でのタンク内圧力値Ｐ’が、予め設定された最終目標圧力値Ｐｓｅｔ以上となったか否かを判定する。タンク内圧力値Ｐ’が最終目標圧力値Ｐｓｅｔ以上でなければ、ステップＳ８に戻る。
【００２４】
そして、図５のｔ４時点に示すように、ステップＳ９においてタンク内圧力値Ｐ’が最終目標圧力値Ｐｓｅｔ以上になると、ステップＳ１０においてこの最終目標圧力値Ｐｓｅｔを目標値とし、この目標値の両側所定範囲±α（例えば±０．０３ＭＰａ）内にタンク内圧力値を維持するようなＰＩ制御を行う（これを設定圧力一定運転と以下称す）。これにより、タンク内圧力値が大幅に変動しない状態では、図５のｔ４以降および図４のｔ４〜ｔ５に示すように、タンク内圧力値が最終目標圧力値Ｐｓｅｔ±αに維持される。
【００２５】
次に、制御装置１７は、設定圧力一定運転中に、ステップＳ１１においてタンク内圧力値が最終目標圧力値Ｐｓｅｔに対し所定の範囲±αを超えて圧力上昇側に圧力変動したか、所定の範囲±αを超えて圧力下降側に圧力変動したか、予め所定の範囲±αを超える圧力変動はしていないかを判定する。予め所定の範囲を超える圧力変動をしていなければ、ステップＳ１０に戻る。
【００２６】
そして、図４のｔ５〜ｔ６に示すように、ステップＳ１１において、タンク１３内の圧縮空気の発生と使用とのバランスによりタンク内圧力値が最終目標圧力値Ｐｓｅｔに対し所定の範囲±αを超えて圧力上昇側に圧力変動した場合には、ステップＳ１２において、設定圧力一定運転を解除するとともにモータ１２の制御操作量を予め設定された傾斜で減らし減速させる。すなわちモータ１２の制御電流の周波数を予め設定された傾斜で小さくする。
【００２７】
次に、ステップＳ１３において、モータ１２の制御操作量が所定の最小値であるか、すなわちモータ１２の制御電流の周波数が下限の例えば３０Ｈｚであるか否かを判定する。モータ１２の制御電流の周波数が３０ＨｚでなければステップＳ１０に戻り、モータ１２の制御電流の周波数が３０Ｈｚである場合には、ステップＳ１４において、モータ１２の制御電流の周波数を３０Ｈｚの一定とした状態で、ステップＳ１５においてタンク内圧力値が上限圧力値になるまで運転する。
【００２８】
そして、ステップＳ１５において、タンク内圧力値が上限圧力値になると、ステップＳ１６においてモータ１２の回転を停止させ、ステップＳ１７においてタンク内圧力値が下限圧力値（再起動圧力）になるまで停止状態を維持する。
次に、ステップＳ１７において、タンク内圧力値が下限圧力値になると、ステップＳ１８においてモータ１７を再起動してステップＳ１０に戻る。
【００２９】
これにより、設定圧力一定運転中に、タンク１３内の圧縮空気の発生と使用とのバランスにより例えば使用量が減ることによってタンク内圧力値が最終目標圧力値Ｐｓｅｔに対し所定の範囲±αを超えて圧力上昇側に圧力変動した場合に、図４にｔ５〜ｔ６示すようにモータ１７の制御操作量すなわち制御電流の周波数を小さくして、図４にｔ６〜ｔ７で示すようにモータ１７の制御電流の周波数が下限の３０Ｈｚになると、この状態を維持する。そして、図４にｔ７で示すように、タンク内圧力値が上限圧力値になると、モータ１７を停止させる。
【００３０】
そして、図４にｔ７〜ｔ８で示すように、モータ１７の停止によりタンク内圧力値が下がって、図４にｔ８で示すように下限圧力値になると、図４にｔ８〜ｔ９で示すように、モータ１７を再起動させて設定圧力一定運転に戻る。
【００３１】
一方、設定圧力一定運転中に、ステップＳ１１において、タンク１３内の圧縮空気の発生と使用とのバランスによりタンク内圧力値が最終目標圧力値Ｐｓｅｔに対し所定の範囲±αを超えて圧力下降側に圧力変動した場合には、ステップＳ１９において、設定圧力一定運転を解除し、モータ１７の制御操作量を予め設定された傾斜で増やし増速させる。すなわちモータ１７の制御電流の周波数を予め設定された傾斜で大きくする。
【００３２】
次に、ステップＳ２０において、モータ１７の制御操作量が最大であるか、すなわちモータ１７の制御電流の周波数が上限の６０Ｈｚであるか否かを判定する。モータ１７の制御電流の周波数が上限の６０ＨｚでなければステップＳ１０に戻り、モータ１７の制御電流の周波数が６０Ｈｚである場合には、ステップＳ２１において、モータ１７の制御電流の周波数を上限の６０Ｈｚの一定とした状態で運転する。
【００３３】
そして、ステップＳ２２において、タンク内圧力値が最終目標圧力値Ｐｓｅｔに対し所定の範囲±α内に入るまで上昇すると、ステップＳ１０に戻って設定圧力一定運転を行う。
【００３４】
これにより、設定圧力一定運転中に、タンク１３内の圧縮空気の発生と使用とのバランスにより例えば使用量が増えることによってタンク内圧力値が最終目標圧力値Ｐｓｅｔに対し所定の範囲±αを超えて圧力下降側に圧力変動した場合に、図４にｔ１０〜ｔ１１で示すようにモータ１２の制御操作量すなわち制御電流の周波数を大きくして、図４にｔ１１で示すようにモータ１２の制御電流の周波数が６０Ｈｚになると、図４にｔ１１〜ｔ１２で示すように、この状態を維持するとともに、図４にｔ１２で示すように、タンク内圧力値が最終目標圧力値Ｐｓｅｔに対し所定の範囲±α内に入るまで上昇すると、設定圧力一定運転を行う。
【００３５】
以上に述べた本実施形態によれば、制御装置１７は、モータ１２を最大制御操作量で駆動することで、素早く最終的な目標値に近づけるとともに、圧力センサ１６で検出されるタンク内圧力値が、圧力センサ１６の検出結果から割り出される時系列的な圧力上昇率ΔＰに応じて設定されるオフセット圧力値Ｐｏｆｓに達すると、この時点でのオフセット圧力値Ｐｏｆｓを固定の目標値としてＰＩ制御を行うことで、モータ１２を減速させてオーバーシュートを防止する。すなわち圧力上昇率ΔＰに応じてオーバーシュートを生じさせずに済む減速開始点を推定し、この減速開始点の圧力値をオフセット圧力値Ｐｏｆｓとして設定してモータ１２の減速を開始させることでオーバーシュートを防止する。そして、その後、圧力センサ１６で検出されるタンク内圧力値が、予め設定された最終目標圧力値Ｐｓｅｔに達すると、この最終目標圧力値Ｐｓｅｔを目標値としてＰＩ制御を行うことでタンク内圧力値を最終目標圧力値Ｐｓｅｔに一致させる。したがって、素早く最終目標圧力値にすることができるとともにオーバーシュートを防止することができる。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、制御手段は、モータを最大制御操作量で駆動することで、素早く最終的な目標値に近づけるとともに、第１の設定圧力値は、タンク内の圧力検出手段の検出結果に応じて設定することで、第１の設定圧力値をタンク内の圧力上昇率等に応じて適切な値に設定することができ、第１の設定圧力値を固定の目標値としてモータの減速を開始させることで素早く目標値にすることができる。そして、その後、圧力検出手段で検出されるタンク内圧力値が、予め設定された第２の設定圧力値に達すると、最終的な目標値であるこの第２の設定圧力値を目標値として設定圧力一定制御を行うことで、タンク内圧力値を最終的な目標値に一致させて、さらに、設定圧力一定制御で運転中に、前記タンク内圧力値が所定の上限圧力値に上昇した場合は、前記モータを停止し、その後、前記タンク内圧力値が所定の下限圧力値に下降した場合は、前記モータを再起動することができるで、タンク内の圧縮空気の消費量にあわせた制御を可能とする。
請求項２に記載の発明によれば、タンク内の圧力上昇率に応じて第１の設定圧力値を設定したので、圧力上昇率が大きいときには第１の設定圧力値を低く設定し、逆に圧力上昇率が小さいときには、第１の設定圧力値を高く設定することで、モータの減速開始点を適切に調整し、素早く目標値にすることができる。
請求項３に記載の発明によれば、第１の設定圧力値は、前記モータの減速中に上昇するタンク内圧力値の推定値を減算した値とするので、タンク内圧力値の上昇度合いに見合うように、第１の設定圧力値を設定することができ、素早く目標値にすることができる。
請求項４に記載の発明によれば、設定圧力一定制御は、前記第２の設定圧力値の所定の両側所定圧力範囲内に前記タンク内圧力値を維持するように自動制御し、前記両側所定圧力範囲を越えたときには、前記モータを減速制御し、前記モータが所定回転数以下となった場合は、前記モータを停止させることができ、タンク内の圧縮空気の消費量にあわせた制御を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のインバータ駆動圧縮機の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態のインバータ駆動圧縮機における制御内容の一部を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態のインバータ駆動圧縮機における制御内容の残りの一部を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態のインバータ駆動圧縮機の作動を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の一実施形態のインバータ駆動圧縮機の要部作動を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の一実施形態のインバータ駆動圧縮機のタンク内圧力値の上昇率ΔＰ等を示す特性線図である。
【符号の説明】
１０インバータ駆動圧縮機
１１圧縮機本体
１２モータ
１３タンク
１６圧力センサ（圧力検出手段）
１７制御装置（制御手段）

Claims

流体を圧縮する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動するモータと、該圧縮機構により圧縮された流体を貯留するタンクと、該タンク内の圧力値を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段の検出結果に基づいて前記モータの駆動をインバータにより制御する制御手段とからなるインバータ駆動圧縮機において、
前記制御手段は、前記モータへの通電後、最大制御操作量で前記モータを駆動し、前記圧力検出手段の検出結果に応じて第１の設定圧力値を設定し、前記タンク内圧力値が、第１の設定圧力値に達した時点で、減速制御を行い、その後、前記タンク内圧力値が、予め設定された第２の設定圧力値に達すると、該第２の設定圧力値を目標値として設定圧力一定制御し、該設定圧力一定制御で運転中に、前記タンク内圧力値が所定の上限圧力値に上昇した場合は、前記モータを停止し、その後、前記タンク内圧力値が所定の下限圧力値に下降した場合は、前記モータを再起動することを特徴とするインバータ駆動圧縮機。
前記圧力検出手段の検出結果は、前記圧力検出手段で検出されるタンク内圧力値の上昇率であって、該上昇率に応じ都度変更される値であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ駆動圧縮機。
前記第１の設定圧力値は、予め設定された第２の設定圧力値から、前記モータの減速中に上昇するタンク内圧力値の推定値を減算した値とすることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ駆動圧縮機。
前記設定圧力一定制御は、前記第２の設定圧力値の所定の両側所定圧力範囲内に前記タンク内圧力値を維持するように自動制御し、前記両側所定圧力範囲を越えたときには、前記モータを減速制御し、前記モータが所定回転数以下となった場合は、前記モータを停止させることを特徴とする請求項１、２、３の何れか一項に記載のインバータ駆動圧縮機。