JP2010538194A - 圧縮機制御の改良 - Google Patents

Abstract

本発明は圧縮機の改良に関し、特に、変速動圧縮機をチョークの結果としてモータに過負荷が掛かることを回避するために制御する方法の改良に関する。本発明は目標供給圧力（Ｐ_ｔ）で圧縮ガスを供給し、過度のモータ出力の消費を防止するための圧縮機の制御方法であって、圧縮機は、モータ巻線を有する変速モータにより駆動される制御方法からなり、ガス入口温度（Ｔ_ｉｎ）、ガス出口供給圧力（Ｐ_ｄ）、モータ速度（Ｖ_ｍ）およびモータ巻線温度（Ｔ_ｍｗ）が、圧縮機の動作中に連続的に測定される。ガス入口温度（Ｔ_ｉｎ）は、予め決められる最大モータ巻線温度（Ｔ_{ｍｗｍａｘ}）の限度を決定するために使用される。最大モータ巻線温度は、最大モータ速度（Ｖ_{ｍ−ｍａｘ}）の限度を設定するために使用される。最大モータ速度、目標供給圧力（Ｐ_ｔ）、およびガス出口供給圧力（Ｐ_ｄ）は、最大モータ速度の限度以下で実モータ速度を制御するために使用される。

Description

本発明は圧縮機の改良に関し、特に、変速動圧縮機をチョーク(choking)の結果としてモータに過負荷が掛かることを回避するために制御する方法の改良に関する。

遠心圧縮機など、変速動圧縮機は１９６０年代から空気または他の気体を圧縮するために使用されている。遠心圧縮機は、軸に設けられた圧縮機翼の円筒形アッセンブリを備え、多くの理由で幅広い分野で使用されている。それらは一般的にエネルギー効率が良く、ほとんど可動部品を有しないため維持が容易で、大抵は同サイズの往復圧縮機よりも強い気流を与える。

圧縮機の動作特性は、一般的に圧縮比と、体積流量率または質量流量率との間の関係により規定される。しかし、その実用的な動作範囲はサージ電流、チョークおよび最大許容圧縮機速度により制限される。

所定の供給圧力で動作する変速動圧縮機では、圧縮機を貫通する空気流量は、圧縮機の速度を増すことにより増加することができる。チョーク状態は大流量で、圧縮機速度の上昇により流量の増加が減少したときに発生する。圧縮機内の任意の点での流量がチョーク状態に達すると、更に流量が増加することは不可能である。この状態は、圧力比の関数として最大圧縮機体積流量を示す。圧縮機の設計者は、圧縮機の効率を極限まで高めるため、圧縮機の動作中にチョークすることを防止する方法を見つけようと試みている。

空気（または他の圧縮される気体）の入口温度は、所定体積の冷たく密度が高い空気を圧縮するには、暖かく密度の低い空気を圧縮するよりもより大きな出力を必要とするので、空気を所定の圧力比まで圧縮するのにどれくらいの出力が必要とされるかを決定する。このように圧縮機を駆動する出力は、その速度およびトルクの関数であり、このトルクは圧縮機の供給圧力および入口温度の関数である。

圧縮機を駆動するモータ速度の増加は、モータ出力の増加を必要とし、この結果、モータ巻線温度が上昇する。圧縮機をチョークから保護し、および過度にモータ巻線温度が上昇するのを回避するように試みる際に生じる１つの問題は、出力を直接的に測定する困難性である。ある従来技術による提案はそれゆえ、一定の速度および出力の限度内で圧縮機を駆動することである。これらの限度外での事象では介入が必要であり、前記限度に達したときには、機械を止めることにより最終的な保護を行う。しかし、このことは明らかに、通常の市販される圧縮機の動作として容認されない。

従って、本発明の目的は、モータに過負荷が掛かることを回避することでチョークを防止する手段として、測定された他のパラメータを使用し出力を制御する方法を提供することである。

本発明は、目標供給圧力で圧縮ガスを供給し、過度のモータ出力の消費を防止するための圧縮機の制御方法であって、前記圧縮機は、モータ巻線を有する変速モータにより駆動される制御方法において、
ガス入口温度、ガス出口供給圧力、モータ速度およびモータ巻線温度が、前記圧縮機の動作中に連続的に測定され、
前記ガス入口温度は、予め定められる最大モータ巻線温度の限度を決定するために使用され、
前記最大モータ巻線温度は、最大モータ速度の限度を設定するために使用され、
前記最大モータ速度、目標供給圧力およびガス出口供給圧力は、前記最大モータ速度の限度以下で前記モータの実速度を制御するために使用されることを特徴とする圧縮機の制御方法を提供する。

本発明の好適な実施形態を、一例として添付図面を参照しながら説明する。

圧縮機の動作を制御する本発明に係る制御ユニットにより使用される２重ＰＩＤ回路の図表である。 種々の入口空気温度に対するモータの巻線温度/出力を示すグラフである。 モータの巻線温度/空気入口温度を示すグラフである。

本発明において、遠心圧縮機など動圧縮機は変速モータにより駆動され、その動作は制御ユニットにより制御されている。ヒューマン・マシン・インターフェース（ＨＭＩ）が、所定のパラメータを予め設定することができるように設けられている。

圧縮機の目的は、空気の需要に一致する割合で、空気（または他の気体）を所定の供給圧力Ｐ_ｄで供給することである。これを達成するため、圧縮機の速度、すなわちその出力流量を変化させる。圧縮機を保護するため、駆動モータの巻線温度、出力および速度について所定の最大限度が設けられている。最大速度Ｖ_ｍｍａｘにより圧縮機の動作を予め設定された限度内に維持し、最低速度Ｖ_ｍｍｉｎは圧縮機がサージ点に到達する際に使用され、圧縮機は無負荷にして供給圧力Ｐ_ｄを低減する。これらの値は、ある特定の圧縮機およびモータの組合せに関する実施例として与えられていることに留意すべきである。これらはもちろん、圧縮機により、またモータにより異なる。

本発明において、制御ユニットは図１に示すように２重の比例・積分・微分（ＰＩＤ）回路を使用するようにプログラムが作成され、これらの個々の回路は後述する。

圧力制御
第１ＰＩＤ回路は、制御入力として測定供給圧力Ｐ_ｄと制御出力として測定モータ速度Ｖ_ｍを使用する。このＰＩＤ回路は、図１の下部に示されている。Ｐ時間およびＩ時間（Ｄ時間は実際には必要とされない）はＨＭＩに設定され、測定供給圧力Ｐ_ｄは、目標（望まれる）圧力Ｐ_ｔ（同様にＨＭＩに設定されている）と比較されるプロセス変数である。供給圧力Ｐ_ｄが目標圧力Ｐ_ｔを上回ると、モータ速度Ｖ_ｍはＰＩＤ方程式に従って低下する。供給圧力Ｐ_ｄが目標圧力Ｐ_ｔを下回ると、モータ速度Ｖ_ｍは最大モータ速度Ｖ_ｍｍａｘまで増加する。

最大速度制御
測定モータ巻線温度Ｔ_ｍｗは、第２ＰＩＤ回路の制御入力（プロセス変数）として使用され、モータの最大速度限度Ｖ_ｍｍａｘ（制御出力）を調整し、これにより予め設定された範囲内にモータ巻線温度Ｔ_ｍｗを維持する。この第２回路は、図１の上部に示されている。Ｐ,ＩおよびＤ時間はまた、ＨＭＩで設定され、測定モータ巻線温度Ｔ_ｍｗは最大モータ巻線温度Ｔ_{ｍｗｍａｘ}と比較されるプロセス変数である。これにより、最大可能モータ速度Ｖ_ｍｍａｘを必要供給圧力Ｐ_ｄに維持することができる。

最大出力制御
前述したように、特定の需要状況に合わせるため必要とされるモータ出力Ｗ_ｍは、入口温度Ｔ_ｉｎに依存する。最大モータ巻線温度Ｔ_{ｍｗｍａｘ}は、入口温度Ｔ_ｉｎの関数であるため、モータ出力Ｗ_ｍはモータ巻線温度Ｔ_ｍｗを用いて制御することができる。

本発明では、任意の入口温度Ｔ_ｉｎに対応する最大モータ巻線温度Ｔ_{ｍｗｍａｘ}は、概念実証ユニット（ＰＯＣ）から導かれ、種々の圧力および温度状況における安定した状態での測定結果を用いることで、図２のグラフを描くために使用される。所定の入口温度Ｔ_ｉｎに対して、このグラフはモータ出力Ｗ_ｍとモータ巻線温度Ｔ_ｍｗとの間に直線関係があることを示している。更に、必要モータ出力Ｗ_ｍは、入口温度Ｔ_ｉｎに対して直線状に減少する。

図２にはまた、２つの一定の限度が示されている。これらは機構の物理的な設計により規定されており、設計最大モータ巻線温度Ｔ_{ｍｗｄｅｓ}および設計最大モータ出力Ｗ_ｍｄｅｓである。

図２のグラフは、最大設計出力Ｗ_ｍｄｅｓでのＴ_ｉｎに対するｍＴを示すことにより、図３の折れ線を描くために使用される。最大設計温度および出力の交点上の入口温度では、最大モータ巻線温度ｍＴは最大設計温度Ｔ_{ｍｗｄｅｓ}により制限され、入口温度Ｔ_ｉｎはいかなる影響も受けない。このように、最大巻線温度Ｔ_{ｍｗｍａｘ}の値は下記の式から、Ｋ_ｔ以下のＴ_ｉｎにより計算される。
Ｔ_{ｍｗｍａｘ}＝ｍ・Ｔ_ｉｎ＋ｃ
ここで、ｍは折れ線の傾斜であり入口温度Ｔ_ｉｎに依存し、ｃは図２における最大設計温度と入口温度Ｋ_ｔの交点に依存する定数である。
ｍ＝（Ｔ_{ｍｗｄｅｓ}−Ｔ_ｍｗ０℃）／Ｋ_ｔ
＝（１５０−１３０）／１３＝１．５４８（本例によれば）
ｃ＝Ｔ_ｍｗ０℃
＝１３０（本例によれば）

図３から、予め設定された限度内に維持するため、Ｋ_ｔ（１３℃）よりも上では巻線温度Ｔ_ｍｗが限度パラメータであり、一方でＫ_ｔ（１３℃）以下では、出力Ｗ_ｍが限度パラメータであることに留意すべきである。しかし、折れ線の略直線性を考慮し、および温度Ｋ_ｔ（１３℃）を超えて交差しているＴ_ｍｗ／Ｗ_ｍを考慮すると、低温での最大モータ巻線温度Ｔ_{ｍｗｍａｘ}は入口温度Ｔ_ｉｎに比例して低下する一方で、他の温度で絶対的な最大値を維持していることを理解すべきである。すなわち、
もし、Ｔ_ｉｎ＜Ｋ_ｔであれば、Ｔ_{ｍｗｍａｘ}＝ｍ・Ｔ_ｉｎ＋Ｔ_ｍｗ０℃
さもなければ、Ｔ_{ｍｗｍａｘ}＝Ｔ_{ｓｅｔｍａｘ}

本発明はこのように、最大巻線温度Ｔ_{ｍｗｍａｘ}の低下が最大速度Ｖ_ｍｍａｘを低下させ、この結果、モータの実速度Ｖ_ｍを低下させるという原理に基づいており、このため実巻線温度Ｔ_ｍｗを制御し、これにより出力Ｗ_ｍを制御する効果を有する。従って、ＰＩＤ制御回路は、図１に示すように組み合わせて、モータ出力Ｗ_ｍの統括コントロールを提供し、これによりオペレータはチョークを防止することができる。第１回路は、第２回路で計算された最大速度限度Ｖ_ｍａｘ以下で、モータおよびこれによる圧縮機の速度Ｖ_ｍを制御する。測定モータ巻線温度Ｔ_ｍｗは第２回路に入力され、この第２回路は前記温度を、測定入口温度Ｔ_ｉｎに基づく計算最大モータ巻線温度Ｔ_{ｍｗｍａｘ}と比較し、最大動作速度Ｖ_ｍａｘを提供し第１回路にフィードバックする。

本発明の方法は、安定した状態の測定結果に基づいており、上昇状態(run up condition)には適用できない。しかし、出力限度が主にモータの巻線温度またはチョーク状況を制御するのであれば、これは問題とならない。可変周波数駆動（ＶＦＤ）電流限度ではカバーされない加速による他の限度があるのであれば、立上げ時間(run up time)を可変周波数駆動で調整する必要がある。

Claims (5)

1. 目標供給圧力で圧縮ガスを供給し、過度のモータ出力の消費を防止するための圧縮機の制御方法であって、前記圧縮機は、モータ巻線を有する変速モータにより駆動される制御方法において、
   ガス入口温度、ガス出口供給圧力、モータ速度およびモータ巻線温度が、前記圧縮機の動作中に連続的に測定され、
   前記ガス入口温度は、予め定められる最大モータ巻線温度の限度を決定するために使用され、
   前記最大モータ巻線温度は、最大モータ速度の限度を設定するために使用され、
   前記最大モータ速度、目標供給圧力およびガス出口供給圧力は、前記最大モータ速度の限度以下で実モータ速度を制御するために使用されることを特徴とする圧縮機の制御方法。
2. ２つのＰＩＤ回路が、前記最大モータ速度の限度を決定するために使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ガス出口供給圧力は、制御入力として前記２つのＰＩＤ回路の第１回路に供給され、前記第１回路の制御出力はモータ速度であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 測定された前記モータ巻線温度は、前記２つのＰＩＤ回路の第２回路に制御入力として供給され、前記第２回路の制御出力は前記最大モータ速度であることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 添付図面を参照しながら、および前記添付図面に示されるように、明細書に実質的に説明された方法。

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