JP4602676B2 - 往復動式圧縮機の運転制御装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、往復動式圧縮機に係るもので、詳しくは、負荷の状態に対応する機械的共振周波数を演算し、これに対応する周波数の可変制御を行うことで、圧縮機の運転効率を向上し得る往復動式圧縮機の運転制御装置及びその方法に関するものである。

現在、多様な形態の圧縮機が使用されているが、最も普遍的な圧縮機は、ピストンがシリンダーの内部で線状に往復運動をして、冷媒ガスを吸入、圧縮及び吐出する往復動式圧縮機(Reciprocating Compressor)である。
前記往復動式圧縮機は、ピストンの駆動方式によって、レシプロ(Recipro)方式とリニア(Linear)方式とに大別される。

そして、前記レシプロ方式は、モータの回転運動を直線状運動に変換して圧縮する方式で、回転運動を直線状運動に変換するためには、スクリュー、チェーン、ギヤーシステム及びタイミングベルトなどの機械的な変換装置を必要とし、よって、エネルギー変換損失が大きくて機器の構造が複雑になるため、最近は、モータ自体が直線状運動をするリニア方式の往復動式圧縮機を使用している。

このようなリニア方式の往復動式圧縮機は、モータ自体が直線状駆動力を直接発生するため、機械的な変換装置を必要とせずに構造が簡便で、エネルギーの変換による損失が減少され、且つ、摩擦及び摩耗が発生する連結部位もないので、騷音が大きく減少し得るという長所がある。

前記リニア方式による往復動式圧縮機を冷蔵庫やエアコンに利用する場合は、前記圧縮機に印加されるストローク電圧を可変させることで、圧縮比(compression ratio)を可変するため、可変冷力(Freezing Capacity)の制御にも使用し得るという長所がある。

図６は従来往復動式圧縮機の運転制御装置を示したブロック図で、図示されたように、従来往復動式圧縮機の運転制御装置は、ストローク電圧によりピストンの往復運動でストローク（ピストンの上死点と下死点間の距離）を可変させて冷力（又は冷凍能力(refrigerating capacity)）を調節する往復動式圧縮機３と、該往復動式圧縮機３に発生する電圧を検出する電圧検出部５と、往復動式圧縮機３に印加される電流を検出する電流検出部６と、該検出された電流、電圧及びモータパラメータによりストロークを推定するストローク計算部４と、前記ストローク推定値とストローク指令値とを比較し、それによる差信号を出力する比較器１と、前記差信号によって、モータに印加される電圧を可変してストロークを制御する制御器２と、を含んで構成されている。

以下、このように構成された従来リニア圧縮機の制御動作を説明する。
まず、往復動式圧縮機３は、使用者から所定ストローク指令値の入力を受けてストローク電圧を出力すると、シリンダー内部のピストンの上下運動によりストロークが可変され、シリンダー内部の冷却ガスが吐出バルブを通して凝縮機に送出されることで冷力を調節する。

このとき、ストローク電圧によりストロークが可変されることで、往復動式圧縮機３から発生する電圧及び電流を検出し、これをストローク計算部４に出力する。よって、ストローク計算部４は、前記電流、電圧及びモータパラメータを下記式に適用して、ピストンの速度（式１）及びストローク推定値（式２）を演算した後、そのストローク推定値を比較器１に出力する。

式中、αはストロークを計算するためのモータ常数として、電気的な力を機械的な力に転換するための常数、Ｒは銅損又は鉄損のような抵抗による損失値、Ｌはインダクタンス、Ｖ_Mはモータ両方端間の電圧をそれぞれ示したものである。

その後、比較器１は、前記ストローク推定値と前記ストローク指令値とを比較し、それによる差信号を制御器２に印加する。よって、制御器２は、往復動式圧縮機３のモータに印加される電圧を可変してストロークを制御する。

図７は従来往復動式圧縮機のストローク推定値による運転制御方法を示した動作フローチャートで、図示されたように、往復動式圧縮機に印加される電圧及び電流の入力を受けて、ストローク計算部４で現在のストローク推定値の演算を行う（ＳＰ１）。

その後、制御器２は、現在のストローク推定値がストローク指令値より大きいと、モータに印加する電圧を減少するか（ＳＰ２、ＳＰ４）、又は、現在のストローク推定値がストローク指令値より小さいと、モータに印加する電圧を増加する（ＳＰ２、ＳＰ３）。

然るに、このような従来往復動式圧縮機及び運転制御方法においては、負荷（冷蔵庫の外気温度や凝縮機の温度など）の可変に従って、機械的共振周波数が可変される場合も、運転周波数の可変なしに、常に所定周波数でストロークを制御するため、圧縮機の運転効率が低下するという不都合な点があった。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、負荷の可変時毎に運転周波数を機械的共振周波数に一致させることで、機械的共振周波数をストロークと電流との乗算値の一周期平均値として検出し、その平均値が０（零）に近接する運転周波数を運転周波数指令値として検出するため、圧縮機の運転効率を向上し得る往復動式圧縮機の運転制御装置及びその方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る往復動式圧縮機の運転制御装置は、圧縮機に印加される電流及びストロークを利用して機械的共振周波数を演算する機械的共振周波数演算部と、該演算された機械的共振周波数の所定範囲内で運転周波数指令値を決定する運転周波数指令値決定部と、該決定された運転周波数指令値と現在の運転周波数とを比較した後、それに対応する前記圧縮機の運転周波数を可変制御する制御器と、を含んで構成され、機械的共振周波数演算部は、前記圧縮機の負荷状態によるストロークと電流とを乗算し、その乗算値を一周期の間平均した値が０になる周波数を運転周波数として演算することを特徴とする。

本発明に係る往復動式圧縮機の運転制御方法は、所定周期間隔に圧縮機に印加される電流及びストロークを検出する段階と、該検出された電流及びストロークを利用して機械的共振周波数を演算する段階と、該演算された機械的共振周波数の所定範囲内になるように、現在の運転周波数を加減して運転周波数指令値を決定した後、その運転周波数指令値で圧縮機を駆動する段階と、を行い、機械的共振周波数を演算する段階は、前記圧縮機の負荷状態によるストロークと電流とを乗算し、その乗算値を一周期の間平均した値が０になる周波数を機械的共振周波数として演算することを特徴とする。

本発明に係る往復動式圧縮機の運転制御装置及びその方法においては、負荷可変時毎に機械的共振周波数をストロークと電流との乗算値の一周期平均値として検出し、その平均値が０（零）に近接する運転周波数を運転周波数指令値として検出するため、より正確なストロークフィードバック制御、又はＴＤＣフィードバック制御を行うことで、圧縮機の運転効率を向上し得るという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る往復動式圧縮機の運転制御装置を示したブロック図で、図示されたように、本発明に係る往復動式圧縮機の運転制御装置は、圧縮機３０に印加される電流を検出する電流検出部８０と、圧縮機３０から発生するストロークを検出するストローク検出部６０と、電流検出部８０から出力される電流及びストローク検出部６０から出力されるストロークを利用して機械的共振周波数（Ｐ_avg）を演算する機械的共振周波数演算部７０と、該演算された機械的共振周波数の所定範囲（０±δ）内で運転周波数指令値を決定する運転周波数指令値決定部４０と、前記運転周波数指令値と現在の運転周波数とを比較し、それによる差値を出力する第１比較器１０と、ストローク検出部６０から出力されるストロークとストローク指令値とを比較し、それによる差値を出力する第２比較器５０と、第１比較器１０から出力される差値によって圧縮機の運転周波数を可変し、且つ、第２比較器５０から出力される差値によって圧縮機に印加される電圧を可変してストロークを制御する制御器２０と、を含んで構成されている。

図２は、図１における機械的共振周波数と圧縮機効率との関係を示したグラフで、図３は、図１における機械的共振周波数の大きさによる運転周波数の大きさの加減を示したグラフである。

以下、このように構成された往復動式圧縮機の運転制御装置の動作を図２及び図３に基づいて説明する。
まず、電流検出部８０では圧縮機３０に印加される電流を検出し、ストローク検出部６０では圧縮機３０から発生するストロークを検出する。このとき、圧縮機３０は、リニア方式を適用する往復動式圧縮機であることが好ましく、前記ストロークは、センサレス方式により演算されて検出される。

次いで、電流検出部８０から出力される電流及びストローク検出部６０から出力されるストロークを利用して、機械的共振周波数（Ｐ_avg）を演算する。該機械的共振周波数（Ｐ_avg）は、電流とストロークとを乗算した後、その乗算値を一周期の間平均した値であって、図２に示したように、機械的共振周波数が０に近接する時、圧縮機は最大の運転効率を有するようになる。

その結果、図３に示したように、運転周波数指令値決定部４０は、機械的共振周波数演算部７０から出力される機械的共振周波数に近接して動作するように、運転周波数指令値を決定して出力する。

次いで、第１比較器１０は、前記運転周波数指令値と現在の運転周波数とを比較し、それに対応する差値を出力する。よって、制御器２０は、第１比較器１０から出力される差値に対応して圧縮機に印加される運転周波数を可変する。

一方、第２比較器５０は、ストローク指令値とストローク検出部６０から出力されるストロークとを比較し、それによる差値を出力する。よって、制御器２０は、第２比較器５０の出力値に対応して圧縮機に印加される電圧を可変してストロークを制御する。

図４は本発明に係る往復動式圧縮機の運転制御方法を示した動作フローチャートで、図示されたように、本発明に係る往復動式圧縮機の運転制御方法は、所定周期間隔に圧縮機に印加される電流及びストロークを検出する（ＳＰ１１、ＳＰ１２）。
次いで、前記検出された電流及びストロークを利用して機械的共振周波数（Ｐ_avg）を演算するが（ＳＰ１３）、このとき、前記機械的共振周波数は、下記式３により表示される。

上式中、Ｘ_pはストロークピーク値(Peak)、Ｉ_pは電流ピーク値(Peak)、θ₁はストロークと電流との位相差をそれぞれ示したものである。

上式によると、ストローク及び電流に基本派成分のみが存在する場合、ストロークと電流との位相差が９０度の時、常にストロークと電流との乗算値の一周期平均値は０になる。このとき、ＤＣオフセット(offset)又は高調波成分が含まれていても、その値はそれほど大きくない。

次いで、運転周波数指令値決定部４０で前記機械的共振周波数の所定範囲内になるように、現在の運転周波数を加減して運転周波数指令値を決定した後、第１比較器１０で前記運転周波数指令値と現在の運転周波数とを比較し、それによる差値を出力する。次いで、制御器２０は、第１比較器１０から出力される差値によって圧縮機の運転周波数を可変させる（ＳＰ１４〜ＳＰ１７）。

即ち、前記機械的共振周波数の所定範囲は、図３に示したように、周波数非可変領域の上下限の制限値を意味する。よって、現在の運転周波数が機械的共振周波数（Ｐ_avg）の所定範囲（０±δ）内の値であると、周波数の可変なしに、現在の運転周波数を運転周波数指令値と決定し、前記機械的共振周波数の所定範囲（０＋δ）より大きいと、現在の運転周波数を所定レベルだけ増加させ、該増加された運転周波数を運転周波数指令値と決定し、前記機械的共振周波数の所定範囲（０−δ）より小さいと、現在の運転周波数を所定レベルだけ減少させ、該減少された運転周波数を運転周波数指令値に決定する。

図５は、図３における機械的共振周波数の所定範囲のストロークと電流との関係を示したグラフで、前記機械的共振周波数の所定範囲（０±δ）は、図５（ａ）〜（ｂ）に示したように、ストロークの大きさ又は電流の大きさに比例するように設定するか、図５（ｃ）に示したように、ストロークピーク値と電流ピーク値との乗算値の大きさ、若しくはストローク実効値（Ｘ_rms）と電流実効値（Ｉ_rms）との乗算値の大きさに比例するように設定するか、その他、図５（ｄ）に示したように、ストロークと電流とを乗算し、その乗算値を一周期の間平均した値（Ｐ_avg）を、ストローク実効値（Ｘ_rms）と電流実効値（Ｉ_rms）との乗算値で分けた値の大きさに比例するように設定する。

一方、本発明に係る機械的共振周波数を利用した往復動式圧縮機の他の実施形態として、シリンダー内部のピストン運動の上限点又はシリンダーの容積が最小になる位置を検出するためのＴＤＣ検出部を包含して構成し、ピストンのＴＤＣ(Top dead center)が０（零）の地点で制御するとき、負荷変動とは関係なしに、定性的な制御（圧縮機の特性を利用した制御）を行うことができる。

即ち、本発明に係る機械的共振周波数を利用した往復動式圧縮機は、制御部で現在のＴＤＣとＴＤＣ指令値とを比較した後、これに対応する電圧を圧縮機に印加することで、ピストンのＴＤＣフィードバック制御を行う。よって、負荷の可変に従って正確なＴＤＣ制御を行い得るため、ＴＤＣが変化してピストンの摩耗及び衝突が発生する現象、及び圧縮機運転時の冷力の不足現象を防止するため、圧縮機の運転効率を向上することができる。

本発明に係る往復動式圧縮機の運転制御装置を示したブロック図である。 図１における運転周波数可変常数と圧縮機効率との関係を示したグラフである。 図１における運転周波数可変常数の大きさによる運転周波数の大きさの加減を示したグラフである。 本発明に係る往復動式圧縮機の運転制御方法を示した動作フローチャートである。 （ａ）〜（ｄ）は、図３における機械的共振周波数の所定範囲のストロークと電流との関係をそれぞれ示したグラフである。 従来往復動式圧縮機の運転制御装置を示したブロック図である。 従来往復動式圧縮機のストローク推定値による運転制御方法を示した動作フローチャートである。

符号の説明

１…比較器
２…制御器
３…往復動式圧縮機
４…ストローク計算部
５…電圧検出部
６…電流検出部
１０…比較器
２０…制御器
３０…往復動式圧縮機
４０…運転周波数指令値決定部
５０…比較器
６０…ストローク検出部
７０…機械的共振周波数演算部
８０…電流検出部

Claims (13)

1. 圧縮機に印加される電流及びストロークを利用して機械的共振周波数を演算する機械的共振周波数演算部と、
   該演算された機械的共振周波数の所定範囲内で運転周波数指令値を決定する運転周波数指令値決定部と、
   該決定された運転周波数指令値と現在の運転周波数とを比較した後、それに対応する前記圧縮機の運転周波数を可変制御する制御器と、を含んで構成され、
   前記機械的共振周波数演算部は、前記圧縮機の負荷状態によるストロークと電流とを乗算し、その乗算値を一周期の間平均した値が０になる周波数を運転周波数として演算することを特徴とする往復動式圧縮機の運転制御装置。
2. 圧縮機に印加される電流を検出する電流検出部と、
   前記圧縮機から発生するストロークを検出するストローク検出部と、
   前記運転周波数指令値と現在の運転周波数とを比較し、前記運転周波数指令値と現在の運転周波数との差値を出力する第１比較器と、を更に含み、
   前記制御器は、出力される前記差値に対応して前記圧縮機の運転周波数を可変することを特徴とする請求項１記載の往復動式圧縮機の運転制御装置。
3. 前記ストローク検出部から出力されるストロークとストローク指令値とを比較し、前記出力されるストロークとストローク指令値との差値を出力する第２比較器を更に含み、
   前記制御器は、出力される前記差値に対応して前記圧縮機に印加される電圧を可変してストロークを制御することを特徴とする請求項２記載の往復動式圧縮機の運転制御装置。
4. 前記圧縮機は、リニア方式の往復動式圧縮機であることを特徴とする請求項１記載の往復動式圧縮機の運転制御装置。
5. 前記圧縮機のシリンダー内部のピストン運動の上限点、又はシリンダーの容積が最小になる位置を検出するＴＤＣ(Top dead center)検出部を更に含み、
   前記制御器は、前記ＴＤＣ検出部から出力される現在のＴＤＣとＴＤＣ指令値とを比較した後、これに対応する電圧を前記圧縮機に印加することで、前記ピストンのＴＤＣフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１記載の往復動式圧縮機の運転制御装置。
6. 前記運転周波数指令値決定部は、前記運転周波数の大きさが前記機械的共振周波数の所定範囲内の値であると、周波数の可変なしに現在の運転周波数を運転周波数指令値に決定することを特徴とする請求項１記載の往復動式圧縮機の運転制御装置。
7. 前記機械的共振周波数の所定範囲は、ストロークの大きさ、電流の大きさ、ストロークピーク値と電流ピーク値との乗算値の大きさ、ストローク実効値（Ｘ_rms）と電流実効値（Ｉ_rms）との乗算値の大きさ、又は、ストロークと電流とを乗算した後、その乗算値を一周期の間平均した値（Ｐ_avg）をストローク実効値（Ｘ_rms）と電流実効値（Ｉ_rms）との乗算値で分けた値の大きさに比例するように設定されることを特徴とする請求項１記載の往復動式圧縮機の運転制御装置。
8. 所定周期間隔に圧縮機に印加される電流及びストロークを検出する段階と、
   該検出された電流及びストロークを利用して機械的共振周波数を演算する段階と、
   該演算された機械的共振周波数の所定範囲内になるように、現在の運転周波数を加減して運転周波数指令値を決定した後、その運転周波数指令値で圧縮機を駆動する段階と、を行い、
   前記機械的共振周波数を演算する段階は、前記圧縮機の負荷状態によるストロークと電流とを乗算し、その乗算値を一周期の間平均した値が０になる周波数を機械的共振周波数として演算することを特徴とする往復動式圧縮機の運転制御方法。
9. 前記検出されたストロークとストローク指令値とを比較し、それに対応して圧縮機に印加される電圧を可変してストロークフィードバック制御を行うか、又は、前記圧縮機から検出された現在のＴＤＣとＴＤＣ指令値とを比較し、それに対応して圧縮機に印加される電圧を可変してピストンのＴＤＣフィードバック制御を行う段階を更に行うことを特徴とする請求項８記載の往復動式圧縮機の運転制御方法。
10. 前記機械的共振周波数は、下式により表示されることを特徴とする請求項８記載の往復動式圧縮機の運転制御方法。
    

    

    上式中、Ｐ_avgは機械的共振周波数、Ｘ_pはストロークピーク値(Peak)、Ｉ_pは電流ピーク値(Peak)及びθ₁はストロークと電流との位相差をそれぞれ示したものである。
11. 前記機械的共振周波数の所定範囲は、ストロークの大きさ又は電流の大きさに比例するように設定されることを特徴とする請求項８記載の往復動式圧縮機の運転制御方法。
12. 前記機械的共振周波数の所定範囲は、ストロークピーク値(Stroke peak)と電流ピーク値(Current peak)との乗算値の大きさ、又はストローク実効値(Storke rms)と電流実効値(Current rms)との乗算値の大きさに比例するように設定されることを特徴とする請求項８記載の往復動式圧縮機の運転制御方法。
13. 前記機械的共振周波数の所定範囲は、ストロークと電流とを乗算した後、その乗算値を一周期の間平均した値を、ストローク実効値と電流実効値との乗算値で分けた値の大きさに比例するように設定されることを特徴とする請求項８記載の往復動式圧縮機の運転制御方法。

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