JP3957171B2

JP3957171B2 - スクリュー圧縮機

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Publication number: JP3957171B2
Application number: JP2002156865A
Authority: JP
Inventors: 征和長谷; 洋幸松田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: JP2003343460A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータによりモータの回転数を制御し、吐出圧力を一定に制御するスクリュー圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、スクリュー圧縮機は、例えば空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を制御するインバータと、圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段の検出した吐出圧力と設定圧力との偏差に基づきインバータに演算結果を出力する制御手段とを備えており、この制御手段から入力された演算結果に応じた周波数をインバータがモータに出力してモータの回転数を制御することで、スクリュー圧縮機の吐出圧力はほぼ一定に設定圧力になるようになっている。なおこのとき、インバータによるモータ回転数の可変制御範囲の上限値は、所定の値に固定されている。
【０００３】
ところで、近年、１９９７年１２月に開催された地球温暖化防止京都会議及びそれに伴う省エネ法の改正等により、工場事業所等における省エネ化の要望が急激に高まっている。特に、国内消費電力の５％を占める空気圧縮機の消費電力を削減することが急務となっている。このような気運の下、例えば１段の上記スクリュー圧縮機の場合、設定圧力を０．１ＭＰａ下げて運転することで理論断熱空気動力上の動力を例えば約７〜８％程度低減できることに着眼し、多くの工場事業所等において、空気圧縮機の現状の設定圧力を見直し適正な圧力に下げて運転することで消費電力の削減が図られている。
【０００４】
このように、設定圧力を下げて運転することでその分の動力を低減でき、モータの能力に余裕を作ることができる。しかしながら、何らかの事情で例えば圧縮機の出力側における使用空気量が一時的に定格空気量を上回る場合等においては、上記のスクリュー圧縮機ではモータの回転数は上記上限値により制限されてしまい、定格空気量しか吐出することができないために吐出空気量が不足して、モータの能力には余裕があるにも拘らず吐出圧力が一時的に大きく低下する事態を招いていた。また、これを回避するためには、モータと圧縮機本体との間のギヤ又はプーリの比率を変更し、圧縮機本体の回転数をより増加させる必要があった。
【０００５】
このような背景に基づき、例えば特開平９−２０９９４９号公報に記載のように、圧縮機本体からの吐出空気圧力の基準値を所望の圧力に設定可能な吐出圧力設定装置を設け、その設定圧力（吐出圧力設定値）に応じて制御手段（最高回転数制御装置）によりインバータを介しモータの回転数の可変制御範囲の上限値（最高回転数）を定めるスクリュー圧縮機が既に提唱されている。これによれば、制御手段は、吐出圧力設定装置での設定圧力に略反比例してモータの回転数の可変制御範囲の上限値を決定するようになっている。これにより、上記のように使用空気量が一次的に定格空気量を上回るような場合には、定格圧力設定装置に定格圧力より小さい設定圧力を設定することでモータの回転数を比較的大きい回転数とすることができ、定格空気量以上の吐出空気量を得ることができる。したがって、ギヤ又はプーリの比率の変更を行わなくても吐出圧力の低下を抑制することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、上記従来技術によれば、モータの回転数の可変制御範囲の上限値は予め設定入力された設定圧力に応じて演算により決定されるが、一度設定された設定圧力は運転中は固定であり、運転状態に応じてその都度設定されるものではないため、モータの回転数の可変制御範囲の上限値についても運転中は固定されることになる。
【０００７】
このため、スクリュー圧縮機の圧力過渡状態、例えば起動時の初期充気時においては、吐出圧力が上昇してくるまでの低圧の間はその分モータの回転数を大きく増大させて吐出圧力の上昇促進を図る余地があるにも拘らず、上記従来技術ではモータの回転数が上記上限値に制限されているため、初期充気の遅延化防止の点で改善の余地がある。
【０００８】
また、例えば上記したような圧縮機の出力側における使用空気量が何らかの理由で一時的に定格空気量を上回り吐出圧力が低下する場合のように、運転状態が極端に変動する際、吐出圧力の低下にすばやく追従してモータの回転数を大きく増大させればその分吐出圧力の防止低下を図る余地があるにも拘らず、上記従来技術ではモータの回転数が上記上限値に制限されているため、吐出圧力の低下の抑制あるいは低下後の復帰の迅速化の点でも改善の余地がある。
【０００９】
以上説明したように、上記従来技術においては、圧縮機の運転状態によっては、初期充気時間短縮や吐出圧力の低下抑制及び復帰迅速化の観点から、インバータによるモータの回転数の可変制御範囲の上限値の適合性に更なる改善の余地がある。
【００１０】
本発明の目的は、初期充気時間を短縮でき、且つ吐出圧力の低下を抑制することができるスクリュー圧縮機を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）上記課題を解決するために、本発明のスクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体と、この圧縮機本体を駆動するモータと、このモータの回転数を可変に制御するインバータと、前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、設定圧力、最大設定圧力、最小設定圧力、最大周波数及び最小上限演算値が設定入力される設定入力部と、前記設定入力部から入力された設定圧力と前記圧力検出手段からの吐出圧力との偏差により、ＰＩＤ演算し、その演算結果をインバータの上限周波数と下限周波数との可変制御範囲となる演算値として前記インバータに出力するＰＩＤ演算部と、前記圧力検出手段からの吐出圧力が、前記最小設定圧力以下と判断した場合に、前記ＰＩＤ演算部が出力する演算値を可変制御範囲である０から１の範囲における１の値を演算し、この値を上限演算値として前記インバータに出力し、前記圧力検出手段からの吐出圧力が、前記最小設定圧力を超え前記最大設定圧力以下と判断した場合に、前記吐出圧力に応じた上限演算値を演算し、この上限演算値を前記インバータに出力し、前記圧力検出手段からの吐出圧力が、前記設定入力部に設定入力された最大設定圧力を上回った場合に、前記設定入力部に設定入力された最小上限演算値を１００で除した値（上限演算値）を演算し、この値が前記ＰＩＤ演算部での演算値より小さいときに、この上限演算値を前記インバータに出力する上限演算部と、からなる制御手段とを備える。
【００１２】
本発明においては、圧縮機運転中に、例えば圧力検出手段で検出する圧縮空気の吐出圧力が比較的小さくなると、制御手段が自動的にモータの回転数の可変制御範囲の上限値を大きくし、圧力検出手段で検出する圧縮空気の吐出圧力が比較的大きくなると、制御手段が自動的にモータの回転数の可変制御範囲の上限値を小さくする。
【００１３】
これにより、例えば圧縮機起動時の初期充気時においては、最初は吐出圧力が０に近いために制御手段はモータの回転数の可変制御範囲の上限値を大きく増大させ、吐出圧力が上昇してくるにつれ、圧力の上昇過程に合わせてモータの回転数の可変制御範囲の上限値を徐々に小さくする。このようにして、初期充気時におけるモータの回転数を吐出圧力の過渡状態に合わせて最適な値に変更することができるので、初期充気時間を短縮することができる。また、例えば圧縮機の出力側における使用空気量が何らかの理由で一時的に定格空気量を上回り吐出圧力が比較的大きく低下した場合、制御手段が吐出圧力の低下にすばやく追従してモータの回転数の可変制御範囲の上限値を増大させる。このようにして、モータの回転数をすばやく最適な値に変更することができるので、使用空気量が定格空気量を上回る際の吐出圧力の低下を抑制することができる。
【００１６】
（２）上記（１）において、また好ましくは、前記制御手段は、前記モータの電力値が定格電力値以下となる範囲内において、前記インバータを制御する。
【００１７】
（３）上記（１）又は（２）において、また好ましくは、前記制御手段は、前記インバータの出力電流値が許容電流値以下となる範囲内において、前記インバータを制御する。
【００１８】
一般に、インバータの出力電流の許容電流値はモータの定格電力時においてもまだ余裕がある。したがって、インバータの出力電流値が許容電流値以下となる範囲内において、モータの回転数の可変制御範囲の上限値を吐出圧力に応じて変更することで、上記（３）のようにモータの電力値が定格電力値以下の範囲内となるようにインバータを制御する場合と比べて、モータの回転数を一時的により大きく増大させることができる。
【００１９】
（４）上記（１）又は（２）において、また好ましくは、前記モータの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記温度検出手段の検出する前記モータの温度が許容温度以下となる範囲内において、前記インバータを制御する。
【００２０】
一般に、モータの許容温度はモータの定格電力時においてもまだ余裕がある。したがって、温度検出手段の検出するモータの温度が許容温度以下となる範囲内において、モータの回転数の可変制御範囲の上限値を吐出圧力に応じて変更することで、上記（３）のようにモータの電力値が定格電力値以下の範囲内となるようにインバータを制御する場合と比べて、モータの回転数を一時的により大きく増大させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスクリュー圧縮機の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。まず、本発明のスクリュー圧縮機の第１の実施の形態を図１乃至図７を参照しつつ以下に説明する。
【００２２】
図１は、本発明のスクリュー圧縮機の第１の実施の形態の全体構造を表す模式図である。なお、この図１中の黒の太線の矢印は圧縮空気の流れ、黒の細線の矢印はオイルの流れ、白抜きの矢印は冷却風の流れ、破線の矢印は信号の流れを示している。
この図１において、スクリュー圧縮機は、空気を圧縮する圧縮機本体１と、この圧縮機本体１を駆動するモータ２とを備えており、このモータ２により圧縮機本体１を回転駆動することで、大気圧の空気をフィルタ３を介して吸い込み圧縮するようになっている。圧縮機本体１により圧縮された圧縮空気は、オイルと共にオイルケース４内に導入されることで冷却され、オイルセパレータ５においてオイルと分離される。分離された圧縮空気は、アフタークーラ６で冷却された後、エアクーラ７で乾燥されて吐出されるようになっている。
【００２３】
上記のオイルは、オイルケース４内と圧縮機本体１の吸い込み側との差圧によって循環されるようになっている。オイルケース４内で圧縮空気と熱交換したオイルは、上記したようにオイルセパレータ５において圧縮空気と分離され、分離されたオイルはオイルクーラ８で冷却され、オイルフィルタ９を介して圧縮機本体１の吸い込み側に戻されて、再度圧縮空気と熱交換するようになっている。
【００２４】
なお、上記のモータ２、アフタークーラ６、及びオイルクーラ８等は、ファンモータ１０により駆動される冷却ファン１１によって作られる冷却風（その流れを図１中白抜きの矢印で示す）で冷却されるようになっている。
【００２５】
また、スクリュー圧縮機は、オイルセパレータ５の後段側に設けられ圧縮機本体１から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力センサ１２と、この圧力センサ１２の検出した吐出圧力に応じてインバータ１３を介してモータ２の回転数を可変に制御する制御装置１４とをさらに備えている。図２は、この制御装置１４の制御機能を表す機能ブロック図である。
【００２６】
この図２において、制御装置１４は、設定入力部１５と、ＰＩＤ演算部１６と、上限演算部１７とを備えている。すなわち、上記の圧力センサ１２が、圧縮機本体１が吐出する圧縮空気の吐出圧力を検出し吐出圧力Ｐ（図１も参照）として制御装置１４に出力し、制御装置１４は、この入力される吐出圧力Ｐと予め設定入力部１５において設定入力される設定圧力Ｐ_０との偏差に基づきＰＩＤ演算部１６においてＰＩＤ演算を行い、この演算結果を演算値Ｓ（図１も参照）としてインバータ１３に出力し、インバータ１３はこの制御手段１４から入力された演算値Ｓに応じた周波数Ｆ（図１も参照）をモータ２に出力してモータ２の回転数を制御することで、スクリュー圧縮機の吐出圧力は上記設定圧力Ｐ_０にほぼ一定に制御されるようになっている。
【００２７】
上記構成のスクリュー圧縮機において、本実施の形態の特徴は、制御装置１４が、モータ２の回転数の可変制御範囲の上限値が圧力センサ１２で検出する吐出圧力Ｐに応じて運転中に自動的に変更されるように、インバータ１３を制御することである。図３は、この本実施の形態の特徴を示す、制御装置１４、インバータ１３、モータ２における各信号の対応関係を表した図である。
【００２８】
この図３において、制御装置１４が出力する演算値Ｓは０以上１以下の値であり、１は最大演算値ＭａｘＳ、０は最小演算値ＭｉｎＳである。制御装置１４が最大演算値ＭａｘＳである１をインバータ１３に出力すると、インバータ１３はこれに対応して最大周波数ＭａｘＦをモータ２に出力し、モータ２の回転数は最大回転数ＭａｘＴに制御される。一方、制御装置１４が最小演算値ＭｉｎＳである０をインバータ１３に出力すると、インバータ１３はこれに対応して最小周波数ＭｉｎＦをモータ２に出力し、モータ２の回転数は最小回転数ＭｉｎＴに制御されるようになっている。通常、制御装置１４は、圧力センサ１２から入力される吐出圧力Ｐに応じて演算値Ｓを上記０から１の可変制御範囲内において可変させることで、インバータ１３の周波数Ｆを上記最小周波数ＭｉｎＦから最大周波数ＭａｘＦの範囲内において可変させ、これによりモータ２の回転数Ｔを上記最小回転数ＭｉｎＴから最大回転数ＭａｘＴの範囲内において可変制御するようになっている。
【００２９】
このとき、本実施の形態においては、制御装置１４から出力される演算値Ｓの可変制御範囲が吐出圧力Ｐに応じて運転中に自動的に上限演算値ＬｉｍｉｔＳにより制限されることで、インバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆの可変制御範囲が上記上限演算値ＬｉｍｉｔＳに対応した上限周波数ＬｉｍｉｔＦにより制限され、これによりモータ２の回転数の可変制御範囲が運転中に自動的に上記上限周波数ＬｉｍｉｔＦに対応した上限回転数ＬｉｍｉｔＴに制限されるようになっている。以下、この詳細について説明する。
【００３０】
図２に戻り、制御装置１４の設定入力部１５においては、設定圧力Ｐ_０の他に、最大設定圧力ＭａｘＰ_０、最小設定圧力ＭｉｎＰ_０、最大周波数ＭａｘＦ、及び最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳが設定入力されるようになっている。上記最大周波数ＭａｘＦは、上述したようにインバータ１３からモータ２に出力される周波数Ｆの最大値を設定するものであり、これによりインバータ１３から出力される周波数Ｆの最大値を任意に変更することができるようになっている。本実施の形態においては、この最大周波数ＭａｘＦは、モータ２において構造的に定まる機械保護用の上限回転数に設定されている。これにより、例えば吐出圧力Ｐが極めて低い状態のとき等に制御装置１４がインバータ１３に出力する演算値Ｓを最大演算値ＭａｘＳである１まで増大させても、モータ２の最大回転数ＭａｘＴをモータ２が安全に稼動可能な範囲内にとどめ、モータ２が破損・故障等を起こすことを防止することができるようになっている。
【００３１】
また、最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳは、ＰＩＤ演算部１６からインバータ１３に出力される演算値Ｓの可変制御範囲を制限する上限演算値ＬｉｍｉｔＳの最小値を設定するものであり、０以上１００以下の数値で設定するようになっている。これにより、この最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳを例えばインバータ１３が省電力効果を得ることができる範囲の最小周波数に対応する値に設定することで、例えば吐出圧力Ｐが比較的高い状態のときに制御装置１４が上限演算値ＬｉｍｉｔＳを大きく減少させても、インバータ１３の上限周波数ＬｉｍｉｔＦを省電力効果が得られる周波数範囲内にとどめ、周波数Ｆが過小となることで省電力効果が得られなくなることを防止できるようになっている。
【００３２】
上記上限演算部１７では、設定入力部１５において設定入力される設定圧力Ｐ_０、最大設定圧力ＭａｘＰ_０、最小設定圧力ＭｉｎＰ_０、最大周波数ＭａｘＦ、及び最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳのうち、最大設定圧力ＭａｘＰ_０、最小設定圧力ＭｉｎＰ_０、及び最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳを用いてＰＩＤ演算部１６が出力する演算値Ｓの可変制御範囲を制限する上限演算値ＬｉｍｉｔＳの演算を行うようになっている。
【００３３】
図４は、制御装置１４の制御機能のうち、上記上限演算値ＬｉｍｉｔＳによる演算値Ｓの制限機能に係わる制御内容を表すフローチャートである。
この図４において、まずステップ１０では、設定入力部１５に最大設定圧力ＭａｘＰ_０、最小設定圧力ＭｉｎＰ_０、及び最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳを入力し、次のステップ２０に移る。
【００３４】
ステップ２０では、圧力センサ１２から出力される圧縮空気の吐出圧力Ｐを上限演算部１７に入力し、次のステップ３０に移る。
【００３５】
ステップ３０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した最小設定圧力ＭｉｎＰ_０を上限演算部１７に読み出し、上記ステップ２０で入力した吐出圧力Ｐが最小設定圧力ＭｉｎＰ_０以上であるかどうかを判定する。吐出圧力Ｐが最小設定圧力ＭｉｎＰ_０以上であれば判定が満たされ、次のステップ４０に移る。
【００３６】
ステップ４０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した最大設定圧力ＭａｘＰ_０を上限演算部１７に読み出し、吐出圧力Ｐが最大設定圧力ＭａｘＰ_０以下であるかどうかを判定する。吐出圧力Ｐが最大設定圧力ＭａｘＰ_０以下であれば判定が満たされ、次のステップ５０に移る。
【００３７】
ステップ５０では、上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳを上限演算部１７に読み出し、次式（１）にしたがって上限演算値ＬｉｍｉｔＳを演算し、次のステップ８０に移る。
【数１】

【００３８】
なお、上記ステップ３０において、吐出圧力Ｐが最小設定圧力ＭｉｎＰ_０より小さければ判定は満たされず、ステップ６０で上限演算値ＬｉｍｉｔＳを１として次のステップ８０に移る。
また、上記ステップ４０において、吐出圧力Ｐが最大設定圧力ＭａｘＰ_０より大きければ判定は満たされず、ステップ７０で上記ステップ１０で設定入力部１５に入力した最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳを上限演算部１７に読み出し、上限演算値ＬｉｍｉｔＳを最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳ／１００として次のステップ８０に移る。
【００３９】
ステップ８０では、ＰＩＤ演算部１６において設定圧力Ｐ_０と圧力センサ１２から入力される吐出圧力Ｐとの偏差に基づき、ＰＩＤ演算を行う。なお、このＰＩＤ演算の演算結果である演算値Ｓは、上述したように０以上１以下の値である。
【００４０】
次のステップ９０では、上記ステップ８０で演算した演算値Ｓが上限演算値ＬｉｍｉｔＳ以下であるかどうかを判定する。演算値Ｓが上限演算値ＬｉｍｉｔＳ以下であれば判定が満たされ、ステップ１００において演算値Ｓをインバータ１３に出力する。演算値Ｓが上限演算値ＬｉｍｉｔＳより大きければ判定は満たされず、ステップ１１０において上限演算値ＬｉｍｉｔＳをインバータ１３に出力する。
【００４１】
このとき、上限演算部１７は、インバータ１３からモータ２の電力値を電力値Ｖとして入力されるようになっており、特に図示しないが、この電力値Ｖが定格電力値Ｖ_０以下となるように、上述した上限演算値ＬｉｍｉｔＳによる演算値Ｓの制限を行うようになっている。すなわち、例えばモータ２の電力値Ｖが定格電力値Ｖ_０に近い状態で吐出圧力Ｐが設定圧力Ｐ_０に対し一定となるように制御されているときに、使用空気量が増加すると、吐出圧力Ｐは設定圧力Ｐ_０より低下する。このとき、制御装置１４は、モータ２の電力値Ｖが定格電力値Ｖ_０以下の場合にはインバータ１３の周波数Ｆを増大させる。一方、モータ２の電力値Ｖが定格電力値Ｖ_０を上回ろうとした場合には、吐出圧力Ｐに拘らずインバータ１３の周波数Ｆを減少させるようになっている。なお、定格電力値Ｖ_０は、制御装置１４に予め記憶された（又は適宜の端末等により設定入力部１５に入力された）数値である。
【００４２】
このようにして、制御装置１４が出力する演算値Ｓ又は上限演算値ＬｉｍｉｔＳに応じて、インバータ１３は周波数Ｆをモータ２に出力する。なお、このときの周波数Ｆと演算値Ｓ又は上限演算値ＬｉｍｉｔＳとの関係は次式（２）のようになっている。
Ｆ＝ＭｉｎＦ＋（ＭａｘＦ−ＭｉｎＦ）×ＳｏｒＬｉｍｉｔＳ…（２）
以上において、圧力センサ１２は、特許請求の範囲各項記載の圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段を構成し、制御装置１４は、モータの回転数の可変制御範囲の上限値が圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更されるようにインバータを制御する制御手段を構成する。また、最大周波数ＭａｘＦは、モータの回転数の可変制御範囲の上限値を変更可能な最大限界値に相当する。
【００４３】
次に、上記構成の本発明のスクリュー圧縮機の第１の実施の形態の動作を以下に説明する。
例えば制御装置１４に接続された端末等から、この制御装置１４の設定入力部１５に設定圧力Ｐ_０、最大設定圧力ＭａｘＰ_０、最小設定圧力ＭｉｎＰ_０、最大周波数ＭａｘＦ、及び最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳを入力する。
【００４４】
次に制御装置１４は、図４中ステップ２０において圧力センサ１２から出力される圧縮機本体１の吐出圧力Ｐを入力し、次のステップ３０でこの入力された吐出圧力Ｐが上記設定入力部１５に設定入力された最小設定圧力ＭｉｎＰ_０以上であるかどうかを判定する。例えば圧縮機起動直後の場合には、吐出圧力Ｐが０に等しいため判定が満たされず、制御装置１４は次のステップ６０において上限演算値ＬｉｍｉｔＳを１とする。
【００４５】
次のステップ８０において、制御装置１４は、吐出圧力Ｐと設定入力部１５に設定入力された設定圧力Ｐ_０との偏差に基づきＰＩＤ演算部１６においてＰＩＤ演算を行う。次にステップ９０で、上記ＰＩＤ演算の演算結果である演算値Ｓが上記上限演算値ＬｉｍｉｔＳ（この場合１）以下であるかどうかを判定する。上限演算値ＬｉｍｉｔＳが最大値の１であるため判定が満たされ、ステップ１００において演算値Ｓは上限演算値ＬｉｍｉｔＳに制限されずにそのままインバータ１３に出力される。
【００４６】
このとき、上記したように吐出圧力Ｐは０に等しいことから演算値Ｓは最大値１とほぼ同等であるため、インバータ１３は最大周波数ＭａｘＦをモータ２に出力する。これにより、モータ２の回転数は定格電力値内において最大回転数ＭａｘＴに制御される。
【００４７】
このようにして、吐出圧力Ｐが徐々に上昇して最小設定圧力ＭｉｎＰ_０以上になると、図４中ステップ３０及びステップ４０の判定が満たされ、ステップ５０において現状の吐出圧力Ｐに応じた最適の上限演算値ＬｉｍｉｔＳが前記の式（１）にしたがって演算される。この演算された上限演算値ＬｉｍｉｔＳがＰＩＤ演算値Ｓより小さくなると、ステップ９０において判定が満たされずにステップ１１０に移り、制御装置１４はインバータ１３に上限演算値ＬｉｍｉｔＳを出力する。すなわち、演算値Ｓの可変制御範囲は上限演算値ＬｉｍｉｔＳにより制限される。このようにして、吐出圧力Ｐの上昇過程に合わせてモータ２の回転数を徐々に小さくし、定格電力範囲内において最大の回転数となるようにモータ２を制御することができる。
【００４８】
一方、吐出圧力Ｐがなんらかの原因により上記設定入力部１５に設定入力された最大設定圧力ＭａｘＰ_０を上回った場合、図４中ステップ４０の判定が満たされずにステップ７０に移り、制御装置１４は上限演算値ＬｉｍｉｔＳを上記設定入力部１５に設定入力された最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔＳを１００で除した値とする。このとき、この上限演算値ＬｉｍｉｔＳ（＝最小上限演算値ＭｉｎＬｉｍｉｔ／１００）がＰＩＤ演算値Ｓより小さければ、ステップ１１０において上限演算値ＬｉｍｉｔＳを出力する。このようにして、吐出圧力Ｐが極端に上昇した場合、定格電力を超えない範囲内において最大の回転数となるようにモータ２を制御することができる。
【００４９】
以上のように動作する本実施の形態のスクリュー圧縮機の作用を、前述した従来技術を比較例として用いて説明する。図５は、この従来構造のスクリュー圧縮機の特徴を示す、制御装置、インバータ、モータにおける各信号の対応関係を表した図であり、本実施の形態における図３に相当する図である。
【００５０】
この図５において、従来構造のスクリュー圧縮機においては、制御装置がインバータに出力する演算値Ｓの可変制御範囲は予め設定入力された設定圧力Ｐ_０に応じて上限演算値ＬｉｍｉｔＳにより制限され、これによりモータの回転数の可変制御範囲は上限回転数ＬｉｍｉｔＴにより制限されるようになっている。しかしながらこの場合、一度設定された設定圧力Ｐ_０は運転中は固定であり運転状態に応じてその都度設定されるものではないため、上限演算値ＬｉｍｉｔＳも運転中は固定されてしまう。このため、例えばスクリュー圧縮機の起動時の初期充気時においては、吐出圧力Ｐが上昇してくるまでの低圧の間はその分モータの回転数を大きく増大させて吐出圧力Ｐの上昇促進を図る余地があるにも拘らず、上記従来技術ではモータの回転数が上限回転数ＬｉｍｉｔＴに制限されてしまう。
【００５１】
図６は、この初期充気時における従来構造のスクリュー圧縮機のインバータが出力する周波数Ｆと吐出圧力Ｐの変化を示すタイムチャートである。この図６に示すように、吐出圧力Ｐが設定圧力Ｐ_０に上昇するまでの間、インバータの出力する周波数Ｆは上限周波数ＬｉｍｉｔＦにより制限されて最大周波数ＭａｘＦに対し図６中矢印アの分だけ小さくなり、最大周波数ＭａｘＦの略２／３となっている。
【００５２】
これに対し、本実施の形態においては、制御装置１４から出力される演算値Ｓの可変制御範囲を制限する上限演算値ＬｉｍｉｔＳが吐出圧力Ｐに応じて運転中に自動的に最適な値に変更されることで、モータ２の回転数が運転状態に合わせて最適な回転数に制御される。すなわち、上記スクリュー圧縮機の起動時の初期充気時においては、最初はモータ２の回転数は上限回転数ＬｉｍｉｔＴにより制限されずに最大回転数ＭａｘＴとなる。その後、吐出圧力Ｐが上昇してくるにつれ、吐出圧力Ｐの上昇過程に合わせてモータ２の回転数の可変制御範囲を制限する上限回転数ＬｉｍｉｔＴが徐々に小さくなる。
【００５３】
図７は、この初期充気時における本実施の形態のスクリュー圧縮機のインバータが出力する周波数Ｆと吐出圧力Ｐの変化を示すタイムチャートである。この図７において、吐出圧力Ｐが最小設定圧力ＭｉｎＰ_０となるまではインバータ１３の出力する周波数Ｆは制限されずに最大周波数ＭａｘＦとなり（図７中▲１▼の状態）、吐出圧力Ｐが最小設定圧力ＭｉｎＰ_０以上になると上限演算値ＬｉｍｉｔＳが吐出圧力Ｐに応じて最適な値に変更されることで周波数Ｆが吐出圧力Ｐの上昇に合わせて減少する（図７中▲２▼の状態）。これにより、図７に示すように、吐出圧力Ｐが設定圧力Ｐ_０に上昇するまでの時間Ｔ２は、上記図６に示す従来構造のスクリュー圧縮機における時間Ｔ１の略２／３に短縮可能である。
【００５４】
このようにして、本実施の形態によれば、初期充気時におけるモータ２の回転数を吐出圧力の過渡状態に合わせて最適な値に変更することができるので、定格電力を超えない範囲で最大限の空気量を吐出することができ、したがって初期充気時間を短縮することができる。
【００５５】
また、例えば圧縮機の出力側における使用空気量が何らかの理由で一時的に定格空気量を上回り吐出圧力Ｐが低下する場合のように、運転状態が極端に変動する際においても、上記従来構造のスクリュー圧縮機においては、制御装置１４が吐出圧力Ｐの低下にすばやく追従してモータ２の回転数を大きく増大させればその分吐出圧力Ｐの防止低下を図る余地があるにも拘らず、上記起動時と同様にモータの回転数が上限回転数ＬｉｍｉｔＴに制限されてしまう。
【００５６】
これに対し、本実施の形態によれば、制御装置１４が吐出圧力Ｐの低下にすばやく追従して上限演算値ＬｉｍｉｔＳを最適な数値に変更し、モータ２の回転数の可変制御範囲を制限する上限回転数ＬｉｍｉｔＴを増大させる。このようにして、モータ２の回転数をすばやく最適な値に変更することができるので、使用空気量が定格空気量を上回る際の吐出圧力Ｐの低下を抑制することができる。
【００５７】
次に、本発明のスクリュー圧縮機の第２の実施の形態を図８を参照しつつ以下に説明する。本実施の形態は、インバータ１３の出力電流値が許容電流値以下となる範囲内において、制御装置１４が、モータ２の回転数の可変制御範囲の上限値を吐出圧力Ｐに応じて変更することである。
【００５８】
図８は、上記本発明のスクリュー圧縮機の第２の実施の形態を構成する制御装置１４′の制御機能を表す機能ブロック図である。この図８において、上記第１の実施の形態における図２と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
この図８において、インバータ１３は上限演算部１７′に出力電流値Ａを出力する。この上限演算部１７′は、前述の第１の実施の形態においては電力値Ｖが定格電力値Ｖ_０以下となるように上限演算値ＬｉｍｉｔＳによる演算値Ｓの可変制御範囲の制限が行われるのに対し、上記入力された出力電流値Ａがインバータ１３の許容電流値Ａ_０以下となるように、上限演算値ＬｉｍｉｔＳにより演算値Ｓの可変制御範囲を制限する機能を備えている。なお、上記許容電流値Ａ_０は、インバータ１３において構造的に定まる機械保護用の許容値であり、制御装置１４′に予め記憶された（又は適宜の端末等により設定入力部１５に入力された）数値である。
【００５９】
以上において、制御装置１４′は、モータの回転数の可変制御範囲の上限値が圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更されるようにインバータを制御する制御手段を構成する。
【００６０】
上記構成の本発明のスクリュー圧縮機の第２の実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
本実施の形態のスクリュー圧縮機が、例えばモータ２の電力値Ｖが定格電力値Ｖ_０に近い状態で吐出圧力Ｐが設定圧力Ｐ_０に対し一定となるように制御されているときに、使用空気量が増加すると、吐出圧力Ｐは設定圧力Ｐ_０より低下する。このとき、制御装置１４′は、インバータ１３の出力電流値Ａが許容電流値Ａ_０以下の場合には、一時的にインバータ１３の周波数Ｆを増大させる。一方、インバータ１３の出力電流値Ａが許容電流値Ａ_０を上回ろうとした場合には、インバータ１３の周波数Ｆを減少させる。このようにして、インバータ１３の出力電流値Ａが許容電流値Ａ_０以下となる範囲内において、モータ２の回転数の可変制御範囲を制限する上限回転数ＬｉｍｉｔＴを吐出圧力Ｐに応じて変更することで、一般にインバータの許容電流値はモータの定格電力時においてもまだ余裕があることから、前述の第１の実施の形態のようにモータ２の電力値Ｖが定格電力値Ｖ_０以下の範囲内となるようにインバータ１３を制御する場合と比べて、モータ２の回転数を一時的により大きく増大させることができる。
【００６１】
次に、本発明のスクリュー圧縮機の第３の実施の形態を図９を参照しつつ以下に説明する。本実施の形態は、モータ２の温度が許容温度以下となる範囲内において、制御装置１４が、モータ２の回転数の可変制御範囲の上限値を吐出圧力Ｐに応じて変更することである。
【００６２】
図９は、上記本発明のスクリュー圧縮機の第３の実施の形態を構成する制御装置１４″の制御機能を表す機能ブロック図である。この図９において、温度センサ１８は、モータ２の巻線及び軸受の温度を推定可能なケーシングの温度を検出し、このケーシングの温度を温度Ｔｈとして制御装置１４″の上限演算部１７″に出力するようになっている。この上限演算部１７″は、前述の第１の実施の形態においては電力値Ｖが定格電力値Ｖ_０以下となるように上限演算値ＬｉｍｉｔＳによる演算値Ｓの可変制御範囲の制限が行われるのに対し、上記入力された温度Ｔｈがモータ２の許容温度Ｔｈ_０以下となるように、上限演算値ＬｉｍｉｔＳにより演算値Ｓの可変制御範囲を制限する機能を備えている。なお、上記許容温度Ｔｈ_０は、モータ２において構造的に定まる機械保護用の許容値であり、制御装置１４″に予め記憶された（又は適宜の端末等により設定入力部１５に入力された）数値である。
【００６３】
以上において、制御装置１４″は、特許請求の範囲各項記載のモータの回転数の可変制御範囲の上限値が圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更されるようにインバータを制御する制御手段を構成し、温度センサ１８は、モータの温度を検出する温度検出手段を構成する。
【００６４】
上記構成の本発明のスクリュー圧縮機の第３の実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
本実施の形態のスクリュー圧縮機が、例えばモータ２の電力値が定格電力値に近い状態で吐出圧力Ｐが設定圧力Ｐ_０に対し一定となるように制御されているときに、使用空気量が増加すると、吐出圧力Ｐは設定圧力Ｐ_０より低下する。このとき、制御装置１４″は、温度センサ１８が検出するモータ２のケーシング温度Ｔｈが許容温度Ｔｈ_０以下の場合には、一時的にインバータ１３の周波数Ｆを増大させる。一方、モータ２のケーシング温度Ｔｈが許容温度Ｔｈ_０を上回ろうとした場合には、インバータ１３の周波数Ｆを減少させる。このようにして、モータ２のケーシング温度Ｔｈが許容温度Ｔｈ_０以下となる範囲内において、モータ２の回転数の可変制御範囲を制限する上限回転数ＬｉｍｉｔＴを吐出圧力Ｐに応じて変更することで、一般にモータの許容温度はモータの定格電力時においてもまだ余裕があることから、前述の第１の実施の形態のようにモータ２の電力値が定格電力値以下の範囲内となるようにインバータ１３を制御する場合と比べて、モータ２の回転数を一時的により大きく増大させることができる。
【００６５】
なお、上記第３の実施の形態では、温度センサ１８を用いてモータ２のケーシングの温度を検出するようにしたが、これに限らない。すなわち、予め制御装置１４″の適宜の部分にインバータ１３の出力する周波数Ｆと出力時間によるモータ２の温度上昇量を記憶しておき、温度センサ１８を用いずに、周波数Ｆと出力時間からモータ２の温度を推定するようにしてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば、モータの可変制御範囲の上限値を、圧力検出手段で検出した吐出圧力に応じて運転中に自動的に変更する。これにより、初期充気時におけるモータの回転数を吐出圧力の過渡状態に合わせて最適な値に変更することができ、したがって初期充気時間を短縮することができる。また、使用空気量が定格空気量を上回り吐出圧力が大きく低下するときにおいて、制御手段が吐出圧力の低下にすばやく追従してモータの回転数をすばやく最適な値に変更することができる。したがって、吐出圧力の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスクリュー圧縮機の第１の実施の形態の全体構造を表す模式図である。
【図２】本発明のスクリュー圧縮機の第１の実施の形態を構成する制御装置の制御機能を表す機能ブロック図である。
【図３】本発明のスクリュー圧縮機の第１の実施の形態を構成する制御装置、インバータ、モータにおける各信号の対応関係を表す図である。
【図４】本発明のスクリュー圧縮機の第１の実施の形態を構成する制御装置の制御機能のうち、上限演算値による演算値の制限機能に係わる制御内容を表すフローチャートである。
【図５】従来構造のスクリュー圧縮機を構成する制御装置、インバータ、モータにおける各信号の対応関係を表す図である。
【図６】初期充気時における従来構造のスクリュー圧縮機のインバータが出力する周波数と吐出圧力の変化を示すタイムチャートである。
【図７】初期充気時における本発明のスクリュー圧縮機の第１の実施の形態のインバータが出力する周波数と吐出圧力の変化を示すタイムチャートである。
【図８】本発明のスクリュー圧縮機の第２の実施の形態を構成する制御装置の制御機能を表す機能ブロック図である。
【図９】本発明のスクリュー圧縮機の第３の実施の形態を構成する制御装置の制御機能を表す機能ブロック図である。
【符号の説明】
１圧縮機本体
２モータ
１２圧力センサ（圧力検出手段）
１３インバータ
１４制御装置（制御手段）
１４′ 制御装置（制御手段）
１４″ 制御装置（制御手段）
１８温度センサ（温度検出手段）

Claims

空気を圧縮する圧縮機本体と、
この圧縮機本体を駆動するモータと、
このモータの回転数を可変に制御するインバータと、
前記圧縮機本体から吐出される圧縮空気の吐出圧力を検出する圧力検出手段と、
設定圧力、最大設定圧力、最小設定圧力、最大周波数及び最小上限演算値が設定入力される設定入力部と、
前記設定入力部から入力された設定圧力と前記圧力検出手段からの吐出圧力との偏差により、ＰＩＤ演算し、その演算結果をインバータの上限周波数と下限周波数との可変制御範囲となる演算値として前記インバータに出力するＰＩＤ演算部と、
前記圧力検出手段からの吐出圧力が、前記最小設定圧力以下と判断した場合に、前記ＰＩＤ演算部が出力する演算値を可変制御範囲である０から１の範囲における１の値を演算し、この値を上限演算値として前記インバータに出力し、前記圧力検出手段からの吐出圧力が、前記最小設定圧力を超え前記最大設定圧力以下と判断した場合に、前記吐出圧力に応じた上限演算値を演算し、この上限演算値を前記インバータに出力し、前記圧力検出手段からの吐出圧力が、前記設定入力部に設定入力された最大設定圧力を上回った場合に、前記設定入力部に設定入力された最小上限演算値を１００で除した値（上限演算値）を演算し、この値が前記ＰＩＤ演算部での演算値より小さいときに、この上限演算値を前記インバータに出力する上限演算部と、からなる制御手段と
を備えることを特徴とするスクリュー圧縮機。
請求項１記載のスクリュー圧縮機において、前記制御手段は、前記モータの電力値が定格電力値以下となる範囲内において、前記インバータを制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
請求項１又は２記載のスクリュー圧縮機において、前記制御手段は、前記インバータの出力電流値が許容電流値以下となる範囲内において、前記インバータを制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。
請求項１又は２記載のスクリュー圧縮機において、前記モータの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記温度検出手段の検出する前記モータの温度が許容温度以下となる範囲内において、前記インバータを制御することを特徴とするスクリュー圧縮機。