CN1101710A - 压缩机的运转控制方法 - Google Patents

Abstract

在由逆变器方式驱动压缩机的感应电动机时，根 据负载状态来推进感应电动机的运转高效率化。使 用压缩机、冷凝器、减压装置及蒸发器构成冷冻循环， 任意地改变供给作为旋转源装在上述压缩机中的感 应电动机的交流电流频率，判断上述冷冻循环的负载 是否满足预定的条件，在满足预定条件时，把上述交 流电流频率保持为一定，调整由该交流电流在上述感 应电动机中产生的电压。

Description

本发明涉及一种压缩机的运转控制方法，特别是涉及使作为压缩机驱动源装在空调器等中用于冷冻循环的感应电动机以良好效率运转的运转控制方法。

在现有技术中，多数装在空调器中的压缩机把感应电动机作为放置驱动源，以逆变器方式的该运转控制是公知的。在该逆变器方式中，通过改变供给感应电动机的交流电频率F来控制压缩机的转数（能力），而得到配合冷冻循环的负载大小的运转能力。此时，交流电的电压V（使用PWM方式逆变器装置时，在感应电动机定子线圈中产生的模拟电压），虽然其频率F根据负载来调整，但V/F的比通常为一定那样预先设定。

特别是，在PWM方式的逆变器装置中，根据频率F而预先设定开关元件的通/断特性曲线，一般是存储在ROM中的。由于受可以存储在该ROM中的通/断特性曲线的量的限制，电压V的值与频率F一一对应那样设定并存储，就减少了ROM的使用量。

在上述现有压缩机的运转控制方法中，V/F之比通常为一定，但由于是控制频率F的方式，感觉到负载变动而更高地设定V/F值，来防止在向负载增加方向变化时压缩机堵转。因而，自然在负载轻时存在运转效率低的问题。

为了排除该运转效率的低下，求出供给感应电动机的交流电的功率因数，而把电压控制为使该功率因数最高的措施已经公开了（参照特开昭61-20236号公报）。

但是，在求得该交流电功率的控制方法的情况下，一但在供给电动机的交流波形中存在畸变（特别是由高次谐波引起的畸变），功率因数的检测精度就极端低，就不能充分地提高运转效率。

即，把由逆变器电路形成的模拟正弦波（根据PWM理论开关直流电压所得到的交流波形）供给电动机时，由电动机定子线圈的电感使模拟正弦波在一定程度平滑，但由于电流波形中依然还有畸变，就会引起如上所述那样的检测精度低的问题。该不合适，特别是在小输出的电动机（几千瓦以下）中波形的畸变率变得很大，上述的不合适是显著的。

因此，从流过电动机的电流波形检测转差率，该转差率控制成为预定值那样的电动机端电压，这种提高运转效率的措施是公知的（参见特开平4-33584号公报）。而且，转差率越小运转效率就越高。

但是，一旦在这种情况下电流波形中仍存在上述畸变，转差率的检测精度就会产生偏差，端电压的控制就变得不稳定。假定通过提高检测电路的电路能力而在一定程度上抑制检测偏差，但检测电路就会显著变得复杂，该零件的成本大幅度上升。

鉴于这样的现有技术中存在的问题，本发明的主要目的是提供一种能够节能的运转控制方法，把其频率F保持在一定上微调根据空调器的运转状态而供给压缩机的电压V，提高运转效率。

为了实现上述目的，根据本发明的压缩机的运转控制方法的特征是：使用压缩机、冷凝器、减压装置和蒸发器来构成冷冻循环，在任意改变供给作为旋转源装在上述压缩机中的感应电动机的交流电频率的压缩机运转控制方法中，判断上述冷冻循环的负载是否在预定范围内，在负载充满该范围时，不改变上述交流电的频率（F），提高电压（V）。

而且进一步特征在于，上述范围是：上述交流电频率在预定范围内，上述交流电的电流在预定值以下，而且，在通过上述冷冻循环进行预定空间的空调时的空间温度在设定值以下。

根据本发明，根据负载的大小调节交流电的频率，控制压缩机的能力。一方面，在负载较轻时（例如交流电频率在预定范围内，电流在设定值以下，而且进行空调时的室温在设定值以下），仍把频率保持一定，适当地降低电压。由此，调整感应电动机的转差率来降低电流值，而成为高效率运转。

下面根据附图说明本发明的一实施例。该实施例是把使用压缩机的冷冻循环装在空调机中的情况。

图1是本实施例涉及的空调机的示意图。图中，标号5表示密闭型压缩机。该压缩机5由压缩冷却媒质的压缩机本件6和旋转驱动该压缩机本件6的三相交流感应电动机1组成。标号23是四通切换阀，24是热源侧热交换器，25-27是减压装置（例如毛细管），28是过滤器，29是利用侧热交换器，以及30是蓄热器。这些部件通过冷却媒质管线而连接，构成冷冻循环。

在四通切换阀23处于图1所示切换位置时，从压缩机5排出的压缩冷却媒质按实线箭头方向流动，热源侧热交换器24作为冷凝器的功能，而且，利用侧热交换器29作为蒸发器的功能，因此，使用利用侧热交换器29就能进行利用侧的如室内的冷却房间运行。一但四通切换阀23切换到虚线处，从压缩机5排出的压缩冷却媒质按虚线箭头方向流动，这时，利用侧热交换器29作为冷凝器的功能，而且，热源侧热交换器24作为蒸发器的功能，因此由利用侧热交换器29就能进行室内的温暖房间运转。

图中标号31、32是消音器，33是用于向热源侧热交换器24送风的螺旋桨式风扇，由电动机30驱动。35是向室内供给由利用侧热交在29进行热交换（加热/冷却）的调节空气的横流扇，由电动机36驱动。

标号370表示室内单元，在该室内单元370中安装利用侧热交换器29，横流扇35、电动机36、室内侧控制部37等。除此之外的机器安装在室外单元371中。在室外单元371和室内单元370之间由冷却媒质管线和信号线连接。

室内单元370包括控制供给压缩机5的电动机1的交流电频率F的信号，把运转控制配置在室外单元371中的机器的信号输出给室外单元371。来自室内单元370的信号，在室外单元371中，首先通过接口38而输入，提供给作为控制部的微处理器39。

微处理器39根据输入信号控制室外单元371的运转，同时，形成用于按照PWM理论得到模拟正弦波的开关信号。对于该开关信号的形成将在后边描述。由微处理器39形成的开关信号通过用于开关的放大器41来提供给逆变器电路40。

逆变器电路40，如图2所示，具有把6个功率开关元件X、X、Y、Y，Z连接成三相桥形的电路结构，在图中的P端提供直流电。可以使用功率晶体管，功率FET、IWGT等作为6个功率开关元件。该6个开关元件响应开关信号来通/断，供给电动机1三相模拟正弦波。

供给逆变器电路40的直流电是从交流电源42得到的。即，把交流电源42的单相交流进行倍压整流而产生直流电。倍压整流是由整流元件43和平滑电容器44、45来进行的。图1中，标号46是倍压整流后的平滑电容器，47是扼流圈，48、49是消音器、50，51是电流熔断器，及52是非线性电阻。

图3是表示由微处理器39进行开关信号生成的原理图，是表示由图2所示的开关元件X、X得到通/断信号（开关信号）时的例子。开关元件X的通/断信号是将开关元件X的通/断信号反向。

在图3的上段，一种波形CO表示载波（如三角波，阶梯状三角波、限位波），另一种波形MO表示调制波MO的振幅大小决定通/断信号SO，在调制波MO＞载波CO时，为通/断信号SO＝ON。载波CO、调制波MO的频率及频率比并不是仅限于图示那样，图3是作为在说明时容易理解的频率。

开关元件Y和通/断信号，超前图3的调制波MO的相位角120度，由调制波MO和载波CO的振幅比较而生成。开关元件Y的开关信号是把开关元件Y的反向而得到。开关元件Z的通/断信号，滞后图3的调制波MO相位角120度，由调制波MO和载波CO的振幅比较而生成。开关元件Z的通/断信号是把开关元件Z的反向而得到。

一但把该通/断信号（开关信号）供给逆变器电路40，由开关元件X、X、Y、Y、Z、Z以与该通/断信号的占空比相同的特性曲线使直流电通/断，而生成模拟正弦波。由于调制波MO的周期对应于模拟正弦波的频率下，通过改变调制波MO的周期就能改变模拟正弦波的频率F。经过减小载波CO的周期，由于在模拟正弦波1个周期中增加了通/断次数，提高了模拟正弦波的分辨率。在图3中，表示了增大用于说明的载波频率。

图4表示在改变调制波振幅时的通/断信号的变化。一但加大调制波振幅从MO到M1，模拟正弦波从SO变为S1状态，模拟电压（在模拟正弦波的电流流过感应电动机时在励磁线圈两端上表示的计算上的端电压）变高。最大导通时间与最小导通时间之差变大，该模拟电压变高。一但调制波振幅变小而从MO到M2，模拟正弦波成为S2的状态，模拟电压变低。

这样，通过改变调制波振幅就能改变供给感应电动机1的三相交流电压，通过改变调制波的频率就能改变三相交流频率。

图5是用于生成通/断信号（开关信号）的微处理器39主要部分方框电路图。图中，标号60是16bit和UP/DOMN计数器。该计数器60与时钟同步来进行计数值的加法运算，一但计数值达到FFFFH就与时钟同步来进行计数值的减去法运算，一但计数值达到OH再次变到计数值的加法运算，以后重复加法运算和减法运算。这样，该计数器60的输出（计数值）以三角波（载波）状变化。

标号61是正弦波控制部，输入命令频率F的频率指令值f，命令电压V（模拟电压）的电压指令值，在存储区内由O-FFFFH的数据变化形成该正弦波。该正弦波的形成是按照图6所示流程图来进行的。首先，在步骤S11来进行f、V的预置（f＝0、V＝0.80）。而且，例如，为了说明的f是：f＝0和10≤f≤150Hz，0.50≤V≤1.00，但并不是仅限于此。

一但在步骤S12判断了频率指令值f或电压指令值V的变更，处理就进行步骤S13，改写存储区域内的正弦波数据。此时，把正弦波数据来预定V值来修正正弦波数据。图7的正弦波84-86表示存储区域内的正弦波数据。正弦波84是f＝10，V＝1.00的基波，地址CO-C10之间的值如图示那样变化并被存储。正弦波85是f＝10，V＝0.66时的正弦波数据，正弦波86是f＝20，V＝1.00时的正弦波数据。C10，C20的值由所使用的时钟频率决定。例如，在使用100KHz的时钟时，为C10＝10000，C20＝5000。

正弦波（1/2周期）80，82，83代表存储在存储部62中的正弦波数据的值（OH-FFFFH）。在该存储部62内以0.1Hz的节距存储正弦波数据。f10、f15、f20分别表示正弦波数据的起始。这些正弦波数据的振幅随着频率变高而变大。即，对于预定的负载V/f设定为一定。

例如，正弦波84的值＝FFFFH/2±（正弦波80的值）/2，正弦波85的值＝FFFFH/2±0.66X（正弦波80的值）/2。同样可以求出其他正弦波。即，如果得到频率指令值f和电压指令值V，就能在图6的步骤S13中改定存储区域内的正弦波数据。

而且，在图6中为了使说明容易而把正弦波80，82，83表示为1/2周期，但不用说，为了减少存储部的占用率成为1/4周期也是很好的。

图5的标号63表示正弦波值的分配器，生成每120度相位的偏差值。例如，在f＝10，V＝1.00（图7所示的正弦波84）时，1个周期的长度是：0-C10（10000）。120度相位的偏移位置0、C10/3＝3333、C10×2/3＝6666的步进位置。

这样，一但使基本计数减成为C（由时钟驱动），就有CX＝C（在0≤C≤C10＝10000，C＝C10+1时，C＝0），CY＝CX+C10/3（在CY＞C10＝10000时，CY＝CX+C10/3-C10＝CX+3333-10000），CZ＝CX+C10×2/3（在CZ＞C10＝10000时，CZ＝CX+C10×2/3-C10＝CX+6666-10000）。

对应于该计数值CX、CY、CZ的正弦波值对应于图7所示的正弦波84的值。由此，改变计数C的值时的正弦波的值的变化成为图5所示的波形64、65、66。该波形64-66在相位上移开120度。

为了容易说明起见图7的正弦波84-86表示为1周期，但为了减少存储部的占用率也可以减为1/4周期。

这样，如果提供了频率指令值f和电压指令值V，就能得到由频率F，电压V相互相位偏移120度的三相正弦波的值。

在图5中，标号67-69表示比较数值大小的比较器。该比较67-69比较由UP/DOMN计数器60所供给的三角波（载波）的值和由波形64-66所示的正弦波（调制波）的值的大小，在调制波的值大于载波的值时输出为通（H电平电压）。该比较器67-69的输出提供分别作为图2所示的开关元件X、Y、Z的开关信号（通/断信号）。

图5的70-72是倒相电路，把来自比较器67-69的通/断输出倒相而成为开关元件X、Y、Z的开关信号（通/断信号）。

在成为开关元件X-Z，X-Z的通/断（特别是通→断）的延迟时间较大的情况下，开关元件插入提供通/断信号的电路内的延迟电路（在信号变为断→通时，使该变化以预定时间延迟的电路）。

最好采用：把提供给比较器67-69的值进行D/A变换而作为模拟电压电平，在比较器中比较模拟电压的大小。

这样，一但把频率指令值f和电压指令值V（1.00-0.50的范围）指令给微处理器39的正弦波控制部61，就能得到与指令值f、V相对应的所希望频率F和振幅（电压）V的交流电。

图8表示根据负载状态微调指标FO（其中，表示电压V与频率F之比[V/F]）的控制，是由微处理器39进行处理。通过室内单元370的室内侧控制部37根据负载求出频率指令值，传送给微处理器39。

首先，在步骤S21中进行微处理器39的初始化，同时，把电压指令值V初始设定为指标FO＝V/F＝60。在该指标FO＝V/F＝60的以额定负载（不变化的一定负载）驱动压缩机时，压缩机的运转效率是为最好的设定值。

然后过渡到步骤S22，输入来自室内单元370的频率指令值f和各种温度T（外部空气温度、热交换器温度等）。

然后在步骤S23中，根据在步骤S22中所输入的信号等进行其他机器的控制。例如，进行四道阀23的切换控制、电动机34的运转，室外侧热交换器24的除霜控制等。

然后，在步骤S24中，输入C、T53检测的交流电流值Ⅰ，而且在步骤S25中，在冷却房间时输入外部空气温度，在加热房间时输入室内热交换器温度T。而且，省略了温度传感器的图示。

此后，顺序进行步骤S26-S28的判断。最初在步骤S26中判断频率指令值f是否进入频率F的预定范围内。在作为该频率范围的本实施例中，如图9所示，设定为F＝15-80Hz。由此，在频率指令值f没进入该范围时为NO的判断，而在进入时为YES的判断，然后进到步骤S27。上述频率范围并不是仅限于F＝15-80Hz。限定这样频率的原因是为了得到设计上的能力变化范围而加大压缩机的排除容积的情况。压缩机的运转能力由该排除容积与频率的积所决定。如果该排除容积较小，为了得到所需的最大能力就必须提高频率。但是，一般排除容积大的压缩机就有不能提高其构造上频率的问题。

在步骤S27中，判断在步骤S24中读入的电流值Ⅰ是否在设定值以下。根据图9所示的频率F来决定电流设定值，具体是，由15Hz≤F≤50Hz的低频侧和50Hz≤F≤80Hz的高频侧的2段斜率的不同直线所决定。例如，由F＝15Hz则电流设定值＝I15，由F＝50Hz则电流设定值＝I50、由F＝80Hz则电流设定值＝I80。在他们中间，是由各直线所决定的值。之所以这样设定电流设定值，是为了判断频率即对于其能力的负载高或低，该电流值是在其频率时的适应性负载的情况下所流通的计算上的电流值。之所以把该设定值分成频率的低频侧、高频侧、是因为在全部区域中不能使该适应性负载时的电流为一直线化。相当于图9所示的折线曲线图的频率一电流值数据存储在作为检查数据的微处理器39中。

由该步骤S27的判断，一但现在所供给的电流I在其设定值以下，就成为YES判断，过渡到步骤28。

在步骤S28中，判断在步骤S25中所计读入的温度T是否在设定值以下。若采用例如制冷时36℃（外部气温）、加热时46℃（室内热交换器温度）作为该设定温度，就不用限定必须为该数值。之所以这样限定温度是因为：外部气温高时负载变大，就必须提高电压，而室内热交换器温度变低时，负载大。

在上述步骤S26-S28是NO判断的情况下，就不必后述的FO（＝V/F）的微调控制，回到步骤S22。

一方面，由微处理器39供给正弦波控制部61对应于由图8的处理在此时所设定的FO（＝V/F）的频率指令值f及电压指令值V。

由此，在步骤S26-S28的NO判断的情况下，对应于初始设定的FO（＝V/F）＝60的频率指令值f和电压指令值V被提供给微处理器39内的正弦波控制部61。由此，在正弦波控制部61中，生成了用于得到响应指令值f、V的所需频率、电压的三相交流的通/断信号。由该通/断信号通、断驱动逆变器电路40的开关元件，把根据该模拟正弦波的三相交流电供给感应电动机1。该三相交流电的频率F减为由指令值f所指令的值，感应电动机1的端民压V成为由指令值V所指令的值。由此，空气调节机进行以指令值f、V所指令的制冷或加热运转。

对此，在步骤S28中为YES判断时，频率范围，电流和温度全部是满足预定条件的情况，一但该状态被确认，微处理器39进行步骤S29以下的FO（＝V/F）微调处理。

在步骤S29中，根据C.T.53的检测信号输入现在的电流值I_now。然后在步骤S30中，朝廷步提高FO（＝F/V）（对于电压V来说降低）那样的改变电压指令值V的设定。其中，对应于降低电压V方向而提高FO（＝V/F）的步宽并不限于2步。

一但在降低电压V的方向上微调FO，供给正弦波控制部61的电压指令值V下降（频率指令值f不变），这种情况下，供给逆变器电路40的开关信号占空比稍微发生变化。由此，供给感应电动机的模拟电压下降，由于转差率被微小地微调，在对应轻载状态不变频率而能高效率运转附近进行控制。

然后在步骤S31中，为了确认2步提高FO后的电流状态进行10秒待机。该待机时间并不仅限于10秒。该待机后，在步骤S32中再次从C、T、53的检测信号读入此时的电流值Inext.

在步骤S33中，进行Inow-Inext≥0的是否判断。在由该判断成为YES时，通过2步提高FO（降低电压V）而降低电流值，向着节能运转，返回步骤S22，重复进行上述处理。

但是，虽然2步提高FO（降低电压V），在成为NO判断时，应该知道：由过渡到重载等的原因而稍微减小电压V的控制是无效的。此时，在步骤S34中进行3步降低FO（＝V/F）（对电压V来说是升高）这样的改变电压指令值V的设定。该降低步宽不限于3步。

通过该步骤降低（对电压来说是提高）的调整，与前边提高FO相比，FO成为1步下降（对电压V来说是提高），向着对应于负载增加的值调整FO。此后，在步骤S35中为了再次确认负载的动向而进行10秒待机，返回步骤S22。

通过以上那样的处理，在满足所谓的运转频率在设定范围内、压缩机电流在设定值以下且外部气温在设定值以下预定条件时，指标FO（＝V/F）内的频率F保持为一定，微调电压V。由此，改变压缩机的感应电动机转差率，保持相同转数，由于能够进行节能运转，就减少了电能消耗，就能提高运转效率，在进行该微调控制时，不需要特别的硬件结构，由于能够利用现有电路，提高了通用性。

在图10中，表示进行上述电压微调控制的情况同未进行上述控制的情况相比较的数据（但在制冷运转时）。象该图所示那样，把进行微调控制的情况（由圆圈所示的那样）与没有进行上述控制的情况（由黑点所示）相比较，可以看到在频率15-80Hz的范围内运转电流显著降低了。

象上述那样，根据本发明涉及的压缩机运转控制方法，在满足负载比较轻时的预定条件时（交流电流频率在预定范围内，上述交流电流在设定值以下，而且，由上述冷冻循环进行空调时室温在设定值以下），保持频率为一定，适当地降低在感应电动机中产生的电压，调整感应电动机的转差率，降低电流值，而成为高效率的运转。

图1是本发明一个实施例涉及的空气调节机的方框图;

图2是表示逆变器电路的示意电路图;

图3是说明开关信号生成原理的图;

图4是说明使调制波振幅变化的开关信号的变化的图;

图5是表示微处理器内的开关信号生成电路的方框图;

图6是表示频率指令值f，电压指令值V的变更设定的流程图;

图7是表示存储区域内的正弦波数据的图;

图8是微处理器进行电压微调处理的流程图;

图9是表示频率设定范围和电流设定值的关系的曲线图;

图10是表示本发明电压微调控制时与未进行上述控制时的运转电流差别的曲线图。

图中，1是感应电协机;

5是压缩机;

6是压缩机本件;

24是热源侧热交换器;

25-27是毛细管;

29是利用侧热交换器;

39是微处理器;

40是逆变器电路。

Claims (2)

1、一种压缩机的运转控制方法，该方法利用压缩机、冷凝器、减压装置和蒸发器构成冷冻循环，任意改变供给作为旋转源装在上述压缩机中的感应电动机的交流电频率，其特征在于：

判断上述冷冻循环的负载是否在预定范围内，在负载充满该范围时，不改变上述交流电频率(F)而提高电压(V)。

2、根据权利要求1的压缩机的运转控制方法，其特征在于，上述范围是：

上述交流电的频率在设定范围内，上述交流电的电流在设定值以下，而且，由上述冷冻循环进行预定空间的空调时的空间温度在设定值以下。

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