JPH09126176A - 可変容量圧縮機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】吐出圧を一定に制御する容積形回転式圧縮機に
おいて、微小な圧力変化にも応答すると系が不安定にな
る。特にデジタル制御では量子化誤差により不安定な圧
力変動と、それに伴う回転速度変動が発生しやすい。 【解決手段】目標圧力と吐出圧力の差を入力とする比例
要素に不感帯を設け、微小な残差は無視する制御アルゴ
リズムを持たせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧縮機に係り、特に
被圧縮気体の消費量が増減しても吐出圧力をほぼ一定に
制御する機能を有する可変容量形圧縮機に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮機の基本的な機能は気体を吸入して
圧縮し、吐出することである。圧縮する気体（以下、被
圧縮気体と称する）は空気である場合が多いが、空調冷
凍用圧縮機では冷媒ガス，化学プラント用圧縮機では他
の気体を圧縮することもある。圧縮機は一定能力で運転
することが最も安易であるが、圧縮した気体の消費量は
一定とは限らない。被圧縮気体の消費量が吐出量を上回
ると吐出圧力が低下してしまい、逆に消費量が吐出量よ
り少ないと吐出圧力が過大となってしまい、消費量によ
り吐出圧力が変動してしまう。圧縮気体を使う多くの場
合、吐出圧力は一定であることが望まれるため、消費量
が変化しても吐出圧を一定に保つ容量制御機能が必要と
なる。容量制御機能には、被圧縮気体容器を組合せ圧縮
機の運転停止によるオンオフ制御や、圧縮機本体の吸入
を弁で絞る吸入絞り制御や、スクリュー圧縮機本体の吸
入体積を加減するスライド弁制御など、いくつかの方式
が実用化されている。最近では、周波数変換器の技術向
上と低価格化が進み、電動機の可変速制御が容易になっ
たことから特開昭55−164792号公報などに示される次の
方法が実用化されている。

【０００３】本公知例では消費量が増加すると吐出圧が
低下するなどの現象が現われるので、それを検知してロ
ータ回転速度を加速し、吐出量を増して吐出圧を一定に
保つことが述べられている。逆に被圧縮気体の消費量が
減少し吐出圧が過大となった時はロータ回転速度を減速
し、吐出量を減らし吐出圧の増大を防ぐ。このようにロ
ータ回転速度をインバータにより連続的に変える手法が
述べられている。しかし、吐出圧力が目標圧力に近づ
き、ほぼ安定した時においても、僅かに残った目標圧力
と吐出圧力の差により、回転速度が変動する現象やその
解決方法については言及されていない。

【０００４】容量制御に伴う不安定現象は、解決策の一
例が特開平3−124993 号公報に示されている。この公知
例で述べられている圧縮機の容量制御は吸入絞り弁によ
る吸い込み空気量の制限による方法であり、ロータ回転
速度を加減する本発明の方式とは異なる。不安定現象の
発生は負荷変動に追従する過渡時に限られ本発明で問題
とする定常時に自励的に発生する現象と異なる。解決策
もオリフィスの挿入により応答ゲインを落とし、制御系
はそのまま線形で系の定数を変えて安定化している。し
たがって、本発明で問題とした不安定現象の解決策とし
て参考にならない。

【０００５】目標値の近くに不感帯を設け、小さい変動
や外乱に対して逐一応答せず、頻繁で微小な制御指令を
避ける方法は特開昭61−265382号公報に示されている。
この公知例で述べられている圧縮機の容量制御の方法は
スライド弁により吸い込み容積を制御する方法であり、
回転速度を制御する本発明の方式とは異なる。本発明で
問題とする不安定現象は被圧縮気体使用量によっては量
子化誤差などを要因として自励的に発生するもので、公
知例で問題とする圧縮機外部からの影響による不安定現
象とは発生要因が異なる。したがって、同じ不感帯を利
用した安定化手段ではあるが、現象の発生原因と安定化
手段の作用や効果が異なる。また、発明の目的もスライ
ド弁の長寿命化にあり、本発明が第１に意図した静音化
と違う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】吐出圧力の要求精度は
使用者にもよるが、多くの場合は厳密に目標圧力に一致
する必要はなく、目標圧力を含むある範囲内にあれば十
分である。例えば、圧縮空気を動力用や塗装噴射媒体と
して用いる場合にはゲージ圧で７気圧±０.３ 気圧の圧
力とその精度があれば十分に機能する。この時の±０.
３ 気圧の範囲である６.７気圧から７.３気圧の範囲を
許容圧力、０.６ 気圧が許容圧力幅である。

【０００７】しかし、吐出圧力をフィードバックし、ロ
ータ回転速度を変えて吐出圧力を一定制御する可変容量
圧縮機では、吐出圧を目標圧に近付ける働きがあるため
に次のような問題を発生する。吐出圧が目標圧に近く、
許容圧力範囲に入っていても、吐出圧と目標圧に差があ
るかぎり、微小な差であっても制御装置が反応し、加速
あるいは減速の指示が出る。そのため、被圧縮気体使用
量に変動がなくとも、吐出圧力が静定するまでに時間が
かかる。時には完全に整定することなく、微小な吐出圧
力のふらつきが残留してしまう。また、僅かな被圧縮気
体の使用量の変動や電磁気的外乱などがあると、回転速
度を変える指示が出され、その度に吐出圧が変動する。
従来技術により、これら変動を防止しようとすると、吐
出圧の目標圧からの差に乗じる倍率を下げ、応答を鈍く
する方法があるが、応答性が犠牲になってしまうため得
策ではない。

【０００８】特に制御手段である制御手段としてデジタ
ル電子回路によって構成されたマイクロコンピュータ
（通称マイコン）を用いた時には回転速度変動が次のよ
うに顕著である。圧力検出手段である圧力センサはアナ
ログ量である吐出圧力を検出し、制御装置ではデジタル
量として取扱うために、途中のアナログ／デジタル変換
器（通称Ａ／Ｄコンバータ、以下略称のＡＤＣを用い
る）で変換する。この時、連続量であるアナログ値を段
階的なデジタル量に変換する都合から量子化誤差が発生
する。例えば、アナログ量でごく僅かな圧力上昇しか発
生しなくても、境界値付近ではデジタルで１段階（１ビ
ット）上がってしまうことがある。この結果、制御装置
は１段階（１ビット）に相当する反応で圧縮機本体の減
速を指示し、減速量が過剰となってしまう。逆に、境界
値を越えなければ１段階に僅かに足りない圧力上昇があ
っても検出されない現象もあるが、問題にはなりにく
い。

【０００９】前記した動作により制御装置が１段階の減
速を指示し、それが過剰な減速であるために、吐出圧力
は次第に下降し、目標圧力以下となっても下降を続け
る。通常の使用条件では、吐出圧力が低下すると、流量
が減るので非圧縮空気の使用量も減少し、目標圧力以下
であるが次第に一定となる。しかし、目標圧力との差が
ＡＤＣの１段階分を下回ると、制御装置が加速を指示
し、吐出圧は再び増加に転じる。以上の動作が繰り返す
ために、吐出圧とロータ回転速度は安定せず、増減を繰
り返す。この現象は特に音に顕著に現われ、不安定な騒
音として使用者に不安感を与える。また、頻繁な加速や
減速は定常回転に比較して、各部に及ぼす負担が増すた
めに圧縮機の信頼性や寿命に悪影響を及ぼすことがあ
る。

【００１０】以上の回転変動は吐出圧力が目標圧力と離
れている時には十分な加速あるいは減速の指示量に対し
て、誤差程度で無視できるが、被圧縮気体の使用量がほ
ぼ一定で安定している時に特に問題となる。

【００１１】１段階の出力上昇は他の原因、例えば、動
力線などから発生する電磁的ノイズが制御装置に侵入す
ることによっても発生することがある。そのレベルは通
常は無視できるほど小さいが、吐出圧力値が１段階上が
るか否かの境界値付近にある時には、影響を受ける。

【００１２】本発明の目的は付加に応じてロータ回転速
度が変化する圧縮機において、安定した定常回転時に発
生する微小な入力や外乱に対しては応答せず、安定した
運転が可能な可変容量形圧縮機を実現することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１
の手段として可変容量圧縮機を次のように構成する。

【００１４】制御手段である制御装置は予め与えられた
目標圧力と圧力検出手段である圧力センサから受けた吐
出圧力を比較する。比較は差を計算したり、必要に応じ
て吐出圧力の経過記録を参照し、差の時間微分値や時間
積分値を算出する。それらの値から適切な係数を乗じた
上で総和を求め、吐出圧力を目標圧力に近付けるべく回
転速度を決定する。その値を可変速手段へ伝達する手段
が具備され、可変速手段により圧縮機本体の回転速度が
前記決定値へ導かれる。回転慣性があるため瞬時に回転
速度が決定値に一致しないが、短時間のうちに決定した
回転速度に近づく。回転速度の変化で単位時間当たりの
被圧縮気体の吐出量が変わり、吐出圧力が目標圧力に近
づく。

【００１５】通常は目標圧力には許容圧力範囲が定めら
れており、厳密に吐出圧力を目標圧力に一致させる必要
はなく、許容圧力範囲にあれば良い。目標圧力を中にお
き、この許容圧力範囲よりも狭い不感帯を設定する。そ
して吐出圧力が不感帯にある場合には、誤差が零でなく
とも回転速度を現状維持する判断基準を制御装置に持た
せる。

【００１６】上記課題を解決する第２の手段として上記
可変容量圧縮機にさらに次のような構成を加える。

【００１７】圧縮機本体の駆動手段は誘導形の電動機と
し、可変速手段は前記電動機に電力を供給する周波数変
換機（別称インバータ）とする。制御手段はデジタル制
御を行うマイクロプロセッサを中心に構成した予め制御
アルゴリズムがプログラミングされたデジタル電子回路
（通称マイコン）とする。アナログ量である吐出圧力を
デジタルの制御装置に入力するため、情報伝達経路の途
中にアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を挿入する。

【００１８】前記した不感帯の幅は圧力センサ出力をデ
ジタル値に変換する時の１単位（１ビット）に相当する
圧力の２倍よりも広くしておく。したがって、目標圧力
から１ビット分の圧力変動では制御装置が応答せず、加
速も減速も指示しない。

【００１９】上記課題を解決する第３の手段として上記
可変容量圧縮機の制御手段に具備するアルゴリズムを下
記のように構成してもよい。

【００２０】第１あるいは２の手段における不感帯に代
えて、許容範囲に包含される狭い範囲の鈍感帯を設定す
る。吐出圧力がその鈍感帯にある場合には、その範囲外
にある場合の回転速度決定方法に比較して、加速あるい
は減速指示の度合いを緩和し、回転速度を現状維持する
傾向を強める。したがって、不感帯では全く加減速の指
示が出ないのに対して、本手段による鈍感帯では少しの
加減速指示は出る。また、狭い不感帯の外側に鈍感帯を
設け、圧力誤差に対する反応が次第に大きくなる判断基
準としてもよい。

【００２１】第２の手段を具体化するにあたり、第４の
手段を用いると実現が容易となる。

【００２２】制御アルゴリズムは目標圧力から吐出圧力
を差し引き、その算出値に対して、過去からの算出値の
経過記録やロータ回転速度など圧縮機の運転状況を勘案
し、加速あるいは減速の指示を算出する。算出値の最新
値に関して、まず、不感帯の上限を越えた分あるいは下
限を下回った分を求める。もし、吐出圧が目標圧に近く
不感帯の中にあれば、算出値に関しては加減速なしとす
る。上限を越えた分あるいは下限を下回った分に比例し
た値を、減速あるいは加速すべき量とする。この値に必
要に応じて、過去からの算出値の経過記録やロータ回転
速度など圧縮機の運転状況による補正を施し、加速ある
いは減速の指示として、変速装置に指令する。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図１と図２を用いて、特許
請求項１に基づく本発明の第１の発明の実施の形態を説
明する。被圧縮気体として、本発明を実施するにあたり
最も可能性の高い空気を対象とするが、他の気体であっ
ても同様の作用や効果がある。

【００２４】図１は本実施の形態による可変容量空気圧
縮機の系統図である。圧縮機１は圧縮機本体２といくつ
かの補機から構成される。圧縮機本体２はスクリュー式
もしくはスクロール式などの容積形回転式圧縮機で、回
転速度に比例して吐出量が増減する性質を持つ。圧縮機
本体２は回転動力を誘導電動機３によって供給されて動
作し、空気を吸入口８から吸い込み、圧縮した後に吐出
口９から吐き出す。電動機３はインバータ４から三相交
流を供給されて回転する。インバータ４は圧縮機１内部
の制御装置５から回転速度指令値を受けて、外部から供
給される商用交流電力６を指令された周波数と電圧に変
換して出力する能力を有する。

【００２５】吐出口９から配管が空気槽１０まで続き、
空気槽１０には内圧を検出する圧力センサ１１が設けら
れる。圧力センサ１１の出力情報は電気信号として制御
装置５に送られるよう配線する。空気槽１０から空気配
管１２が圧縮機１の外部に導かれ、圧縮空気を送り出
す。

【００２６】圧力センサ１１の出力はＡ／Ｄコンバータ
１３によりアナログ量をデジタル量に変換し、制御装置
５に入力される。圧縮機使用者による目標圧力入力手段
であるスイッチ１４の出力も制御装置５に入力される。

【００２７】次に制御装置５の制御アルゴリズムを図２
を用いて説明する。図２はデータの流れをブロック線図
で示したが、実際はプログラミングされたソフトウェア
である。場合によっては専用のロジック回路によって構
成された電子回路であってもよい。

【００２８】吐出圧力２１の値は目標圧力２２の値から
減算３１され残差２３が算出される。残差２３の値が正
であれば吐出圧力が不足し、負であれば過剰であること
を意味する。従来は残差２３に比例要素３２はある定数
Ｋ_p を乗じ、積分要素は時間積分した値にある定数Ｋ_i
を乗じ、微分要素は時間微分した値にある定数Ｋ_d を乗
じて、加算機３５により総和する。その計算結果が回転
速度指令２５の値となる。以上の関係は数１に示され
る。

【００２９】

【数１】

【００３０】この時の比例要素３２の入出力関係は図４
に示すように単純な直線関係をなす。本発明では、図２
に示す制御アルゴリズムに変更点はないが、図５に示す
ように比例要素３２の入出力関係に不感帯を設ける。不
感帯の幅は圧縮機の性能としての吐出圧力の許容範囲よ
りも狭くしておく。

【００３１】本実施の形態による空気圧縮機は以下のよ
うに動作する。図３は圧力センサ１１のアナログ出力と
Ａ／Ｄコンバータ１３の変換後のデジタル量の時間グラ
フである。

【００３２】本圧縮機は基本的に次のような動作を行
う。商用交流電力６はインバータ５で電圧並びに周波数
変換され、電動機３を駆動する。電動機３によって動力
を入力され回転する圧縮機本体２は空気を吸入口８から
吸込み、圧縮して吐出口９から吐き出す。吐出口９から
出た圧縮空気は吐出管１０から外部へ出される。その時
の吐出圧力は圧力センサ１１によって常に監視され、得
られた吐出圧データは制御装置５へ送られる。

【００３３】吐出圧力を一定に保つための制御系は以下
のように作用する。圧縮空気の消費量が増加して、空気
槽１０内部の圧力が低下すると、圧力センサ１１が感知
し、制御装置５はロータ回転速度の加速を指令する。そ
れを受けてインバータ４は出力周波数を上昇させ、電動
機３を加速し圧縮機本体２のロータが加速される。容積
型圧縮機なので回転速度を増した分だけ吐出量が増加
し、吐出圧力は規定の値に回復する。圧縮空気の使用量
が減少した時には、逆に働き、ロータ回転速度を減速し
て対応するので、一旦、上昇した吐出圧力が低下し設定
値に近づく。このように吐出圧力は圧縮空気の消費量に
よらず一定となる。

【００３４】空気消費量の変動が激しく、圧縮機回転速
度もそれに追従して変動している時には従来技術でも問
題ない（図３の範囲Ａ）。しかし、空気消費量がほぼ一
定となり、回転速度もほぼ一定で推移しつつある時には
次に述べる問題がある。

【００３５】図３の範囲Ｂにある時には僅かな吐出圧力
の変動があり、圧力センサ出力に微小な変化があったと
しても、Ａ／Ｄコンバータ１３は出力を変えず、回転速
度は一定のままである。一方、範囲Ｃではごく僅かな圧
力変動でもＡ／Ｄコンバータ１３出力が１段階上昇し、
それにみあった回転速度の減速を指示してしまう。これ
は過剰反応であり、系の不安定化を招きやすい。同時に
空気使用量に変化がないにもかかわらず、回転速度が少
量だが変化すると、回転音が変化し使用者に不安感をい
だかせる。また、頻繁に加減速が起こると機器類に負担
をかけてしまい、エネルギ効率の低下や寿命短縮の心配
もある。

【００３６】本発明では不感帯を設けており、１段階の
変動は無視する。そのため、無用な回転変動は発生せ
ず、上記した問題が発生しない。電磁気的なノイズなど
制御系に予期せぬ外乱があった時にも、同様に無視でき
るので過剰な応答による不安定現象に拡大することがな
い。

【００３７】なお、本実施例で、本論に直接関係しない
圧縮空気に噴射混入した潤滑油の分離装置や圧縮により
温度上昇した空気を冷す熱交換器などの補機類は省略し
て説明した。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、被圧縮気体の使用量が
ほぼ一定で回転速度が安定している時に、僅かな吐出圧
力の変動や電磁気的ノイズが発生しても無視し、安定し
た運転を続けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の系統図。

【図２】本発明の第１の実施の形態の制御回路の制御の
説明図。

【図３】吐出圧力を示す信号の一例の説明図。

【図４】従来の比例要素の入出力関係を示すグラフ。

【図５】本発明の第１の実施の形態による比例要素の入
出力関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…圧縮機本体、３…電動機、４…インバ
ータ、５…制御回路、６…商用交流電力、８…吸入口、
９…吐出口、１０…空気槽、１１…圧力センサ、１２…
圧縮空気管、１３…Ａ／Ｄコンバータ、１４…スイッ
チ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スクリュー式あるいはスクロール式に代表
   される容積形回転式圧縮機である圧縮機本体とその駆動
   手段と変速手段を備え、前記変速手段へ回転速度を指示
   する機能を有する制御手段、並びに前記圧縮機本体から
   吐出した被圧縮気体の吐出圧力を検出する圧力検出手段
   を備え、前記圧力検出手段は前記制御手段に圧力情報を
   伝達する機能を備えた圧縮機において、 前記制御手段は与えられた目標圧力と前記圧力検出手段
   から受けた吐出圧力を比較し、必要に応じて吐出圧力の
   経過記録や現時点での回転速度を参照し、吐出圧力を目
   標圧力に近付けるべく新規の回転速度を決定し、その値
   を前記変速手段へ指示し、前記変速手段により圧縮機本
   体の回転速度が前記決定値へ導かれ、単位時間当たりの
   被圧縮気体の吐出量を可変する、以上の一連の動作が継
   続することにより、吐出圧力を前記目標圧力を含む限ら
   れた範囲である許容圧力範囲の中に保つ機能を持ちなが
   ら、前記許容圧力範囲内に、より狭い範囲に限られ前記
   目標圧力を含む不感帯が設定され、吐出圧力が前記不感
   帯の中にある場合には、吐出圧力が前記目標圧力に一致
   せずとも回転速度を現状維持する判断基準が、前記制御
   手段に具備されていることを特徴とする可変容量圧縮
   機。
2. 【請求項２】請求項１において、前記圧縮機本体の駆動
   手段は誘導形交流電動機であり、変速手段は前記電動機
   に電力を供給する周波数変換機であり、制御手段はデジ
   タル制御を行うマイクロプロセッサを中心とし、予め制
   御アルゴリズムがプログラミングされたデジタル電子回
   路であり、圧力検出手段は検出圧力に比例した電圧出力
   を持つ圧力センサであり、 前記回転速度を現状維持する不感帯は、アナログ量であ
   る前記圧力センサの出力をデジタル値に変換する時の１
   単位に相当する圧力の２倍よりも広い範囲である可変容
   量圧縮機。