CN112400276B - 旋转机控制装置、制冷剂压缩装置、制冷环路装置以及空调机 - Google Patents

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Abstract

控制装置(100)具备：连接切换装置(20)，在同步电动机(1)的旋转动作中对同步电动机(1)的绕组的连接状态进行切换；电流检测部(5)，检测流过同步电动机(1)的旋转机电流；位置速度推定部(6)，推定转子的磁极位置及速度；电压施加部(3)，对同步电动机(1)施加电压；以及控制部(70)，基于磁极位置及速度来生成提供给电压施加部(3)的电压指令，并且对连接切换装置(20)输出进行连接状态的切换的切换动作指令，控制部(70)在对绕组的连接状态进行切换之前，以使旋转机电流接近于零的方式生成电压指令，在切换了绕组的连接状态之后，向位置速度推定部(6)输出基于切换前的同步电动机(1)的推定速度而求出的恢复初始速度，位置速度推定部(6)在收到恢复初始速度时，用恢复初始速度来替换推定出的速度。

Description

旋转机控制装置、制冷剂压缩装置、制冷环路装置以及空调机
技术领域
本发明涉及在旋转动作中对旋转机的绕组的连接状态进行切换的旋转机控制装置、制冷剂压缩装置、制冷环路装置以及空调机。
背景技术
以往已知在旋转动作中对定子绕组的连接状态进行切换的旋转机。以下也将定子绕组简称为“绕组”。专利文献1中公开了如下技术：当切换绕组时，将逆变器的输出断开以切换绕组的连接状态，在切换了绕组的连接状态之后，根据电阻值或感应电压来确认绕组的连接状态已改变。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-148490号公报
发明内容
发明所要解决的技术课题
在专利文献1所公开的发明中，根据流过马达的电流来推定相位。在专利文献1所公开的发明中，在切换马达的绕组的接线状态时，将逆变器的输出断开，在切换了绕组的连接状态之后，通过以将马达电流保持为零的方式重新开始逆变器的输出来推定马达的相位及速度，之后进行重启。但是，由于在专利文献1所公开的发明中，在将逆变器的输出断开的期间不能推定相位，因此从切换绕组的连接状态之后到重新开始逆变器的输出而推定相位为止会耗费时间。由于当使马达电流为零时，负载大的装置会急速减速，因此在推定相位期间，马达可能停止，或者无法正确进行推定而失步。
本发明为鉴于上述问题而做出的，目的在于得到即使是负载大的装置也能够在旋转动作中迅速且稳定地切换绕组的接线状态并持续运行的旋转机控制装置。
用于解决技术课题的技术方案
为了解决上述的技术课题并达到目的，本发明具备：连接切换装置，具有切换器，通过在旋转机的旋转动作中进行切换器的切换动作来对旋转机的绕组的连接状态进行切换；电流检测部，检测流过旋转机的旋转机电流；位置速度推定部，基于旋转机电流来推定旋转机的转子的磁极位置及速度；电压施加部，对旋转机施加电压；以及控制部，基于位置速度推定部推定出的磁极位置及速度来生成提供给电压施加部的电压指令，并且对连接切换装置输出进行连接状态的切换的切换动作指令。控制部在对旋转机的绕组的连接状态进行切换之前，以使旋转机电流接近于零的方式生成电压指令，在切换了旋转机的绕组的连接状态之后，向位置速度推定部输出基于切换前的旋转机的推定速度而求出的恢复初始速度。位置速度推定部在收到恢复初始速度时，用所述恢复初始速度来替换推定出的速度。
发明效果
根据本发明，取得得到如下旋转机控制装置的效果：即使是负载大的装置，也能够在旋转动作中迅速且稳定地切换绕组的接线状态并持续运行。
附图说明
图1为示出本发明的实施方式1的旋转机控制装置的结构的图。
图2为示出了实施方式1的控制装置切换绕组的接线状态的基本序列的流程图。
图3为示出实施方式1的控制装置以无需进行弱磁控制(flux weakeningcontrol)的程度的速度来驱动同步电动机时的零电流控制的结果的图。
图4为示出实施方式1的控制装置以需要弱磁控制的速度来驱动同步电动机时的零电流控制的结果的图。
图5为示出了实施方式1的控制装置进行弱磁控制以驱动同步电动机时的切换绕组的接线状态的序列的流程图。
图6为示出本发明的实施方式3的旋转机控制装置的结构的图。
图7为示出了实施方式3的控制装置切换绕组的接线状态的序列的流程图。
图8为示出本发明的实施方式4的制冷剂压缩装置的结构的图。
图9为示出本发明的实施方式5的空调机的结构的图。
图10为示出用硬件来实现实施方式1、实施方式2或实施方式3的控制装置的控制部及位置速度推定部的功能的结构的图。
图11为示出用软件来实现实施方式1、实施方式2或实施方式3的控制装置的控制部及位置速度推定部的功能的结构的图。
附图标记
1、1a：同步电动机；3：电压施加部；4：直流电压源；5：电流检测部；6：位置速度推定部；20：连接切换装置；21、22、23：切换器；29：处理电路；29a：逻辑电路；29b：程序；70：控制部；71：速度控制部；72：电流控制部；73：切换控制部；100：控制装置；200：电力变换器驱动装置；291：处理器；292：随机存取存储器；293：存储装置；300：制冷剂压缩装置；301：压缩机；400：制冷环路装置；401：冷凝器；402：膨胀阀；403：蒸发器；500：空调机；501：送风机。
具体实施方式
以下基于附图，详细说明本发明的实施方式的旋转机控制装置、制冷剂压缩装置、制冷环路装置及空调机。此外，该发明不限于该实施方式。此外，在以下的说明中，附加有相同附图标记的结构要素具有相同或同样的功能。
实施方式1.
图1为示出本发明的实施方式1的旋转机控制装置的结构的图。旋转机大致分为感应机和同步机，同步机分为在转子上设置有永磁体的永磁场式同步机、在转子上缠绕有励磁绕组的绕组磁场式同步机和利用转子的凸极性来得到旋转转矩的磁阻式同步机。对实施方式1的旋转机控制装置即控制装置100连接有这些同步机的类别中的三相的永磁场式的同步电动机1。
控制装置100具备对同步电动机1的绕组的连接状态进行切换的连接切换装置20、对同步电动机1供给电力的电压施加部3、检测流过同步电动机1的旋转机电流的电流检测部5和位置速度推定部6。另外，控制装置100具备控制部70，该控制部70对电压施加部3输出电压指令，使连接切换装置20执行对绕组的连接状态的切换。此外，在实施方式1中，绕组的连接状态的意思是绕组的接线状态。作为绕组的接线状态，可以列举Y接线及Δ接线。Y接线也被称为星形接线，Δ接线也被称为三角形接线。另外，切换的绕组的连接状态可以为两种，也可以为3种以上。
连接切换装置20具有作为开关电路的切换器21、22、23，通过在同步电动机1的旋转动作中进行切换器21、22、23的切换动作来对同步电动机1的绕组的连接状态进行切换。切换器21、22、23可以由机械继电器构成，也可以由半导体开关构成。在实施方式1中，通过切换器21、22、23而将同步电动机1在Y接线与Δ接线之间切换。
电压施加部3将从直流电压源4供给的直流电力变换为交流电力并向同步电动机1输出。在实施方式1中，作为电压施加部3，使用电压型逆变器。电压型逆变器为对从直流电压源4供给的直流电压进行开关而将其变换为交流电压的装置。此外，电压施加部3只要为能够输出用于驱动同步电动机1的交流电力的装置即可，不限于电压型逆变器，也可以为如电流型逆变器、将交流电力变换为振幅及频率不同的交流电力的矩阵转换器、将多个变换器的输出串联或并联地连接而成的多电平变换器的电路。
电流检测部5检测从电压施加部3流到同步电动机1的相电流，输出表示检测出的相电流的值的电流信息。
电流检测部5可以为使用了也被称为电流互感器(Current Transformer)的仪表用变流器的电流线传感器，也可以为使用了分流电阻的电流传感器。在实施方式1的控制装置100中，通过电流检测部5来检测电流。图1所示的控制装置100直接检测流过同步电动机1的相电流，但电流检测方式只要是能够利用基尔霍夫电流定律来运算流过同步电动机1的相电流即可，不限于直接检测的结构。例如，可以利用使用了在电压施加部3的负侧直流母线设置的分流电阻的单分流电流检测方式、使用了与电压施加部3的下支路串联连接的分流电阻的下支路分流电流检测方式等来检测流过同步电动机1的相电流。此外，在三相的电压施加部3的情况下，下支路分流电流检测方式由于使用与三个下支路的各个下支路串联连接的分流电阻，因此也被称为三分流电流检测方式。另外，在三相的同步电动机1的情况下，如果在连接于同步电动机1的三相布线中的任意两相布线设置电流传感器，则能够用基尔霍夫电流定律来计算剩余一相的电流，因此不需要对三相布线的全部设置电流传感器。另外，关于电流检测部5的结构及配置，可以考虑各种方式，不限于特定方式。
电流信息从电流检测部5被输入至位置速度推定部6。另外，电压指令从电流控制部72被输入至位置速度推定部6。位置速度推定部6使用由电流检测部5检测的电流、即流过同步电动机1的相电流和从电流控制部72输出的电压指令，输出同步电动机1的转子的磁极位置的推定值即推定相位和同步电动机1的转子的速度的推定值即推定速度。
作为磁极位置及转子的速度的推定方法，存在各种方法，实施方式1的同步电动机1在转子的转速的整个范围中的中高速下，利用表示同步电动机1的速度电动势的信息来求出电极位置。速度电动势为由于转子旋转而在同步电动机1的内部产生的感应电力，与在同步电动机1具备的转子与定子之间产生的磁场和转子的转速成比例。作为磁极位置的推定方法，能够例示反正切法及自适应磁通观测器，但不限于特定方法。实施方式1的控制装置100使用自适应磁通观测器来推定磁极位置。自适应磁通观测器对交链磁通数量的波动具有鲁棒性，不产生稳态的速度推定误差，因此被认为是高性能的速度推定方法。
控制部70具有速度控制部71、电流控制部72和切换控制部73。电流控制部72为矢量控制器，该矢量控制器为了控制流过同步电动机1的电流，将同步电动机1具备的转子的永磁体带来的磁通的方向设为d轴，将与d轴正交的轴设为q轴，利用矢量控制对由电流检测部5检测出的电流进行坐标变换而变换为dq坐标系的电流指令值。在通常的矢量控制器中，进行在以转子的磁极为基准的dq坐标上的电流控制。这是因为，当将相电流变换为dq坐标上的值时，交流量变为直流量，控制变得容易。在同步电动机1中，由于q轴电流与同步电动机1的磁转矩成比例，因此q轴被称为转矩轴，q轴电流被称为转矩电流。由于与q轴电流相对，d轴电流引起定子中产生的磁通的改变，使同步电动机1的输出电压的振幅改变，因此d轴被称为磁通轴，d轴电流被称为磁通电流或励磁电流。在永磁体嵌入型电动机中，由于由d轴电流产生磁阻转矩，因此并非仅q轴电流对转矩有作用，但通常将q轴电流称为转矩电流。
由位置速度推定部6运算的推定相位被用于坐标变换。此外，在电流控制部72中，除了矢量控制中的dq坐标系以外，还可以使用αβ定子坐标系、γδ坐标系等极坐标系。另外，在电流控制部72中，也可以采用直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)而不是矢量控制。但在采用DTC的情况下，需要将电流指令换算为磁通指令及转矩指令。
此外，如果不用dq坐标系而用以从定子产生的磁通为基准的坐标系进行控制，则能够更严密地计算转矩电流和磁通电流。该坐标系被称为f-t坐标系、n-t坐标系等，但由于是公知的所以省略说明。在实施方式1中，将q轴电流称为转矩电流，将d轴电流称为磁通电流，但使用dq坐标系以外的坐标系进行控制的情况、使用原则上不产生磁转矩的磁阻同步电动机的情况不在此限。
此外，电流控制部72以使dq坐标上的电流与电流指令的值一致的方式控制流过同步电动机1的电流。电流控制部72的具体实现方法不限于特定方法，但通常电流控制部72包括比例积分控制器及解耦控制器。电流指令可以通过速度控制来计算，也可以从上级的控制器输入。在实施方式1中，速度控制部71输出的值为电流指令。
速度控制部71以使同步电动机1的角速度与输入的速度指令的值一致的方式生成电流指令。速度控制部71的具体实现方法不限于特定方法，但通常作为速度控制部71，使用比例积分控制器。此外，速度控制部71可以利用前馈根据速度指令生成电流指令，也可以合用比例积分控制器和前馈控制器。
切换控制部73基于速度指令或推定速度，或者基于从外部输入的指令，决定同步电动机1的绕组的连接状态。在切换绕组的连接状态时，切换控制部73向连接切换装置20输出用于对切换器21、22、23的触点进行切换的切换动作指令。进一步地，在切换了绕组的连接状态之后，为了能够稳定地重启同步电动机1，切换控制部73向位置速度推定部6输出恢复初始速度，将运算切换信号输出至速度控制部71、电流控制部72和位置速度推定部6。恢复初始速度及运算切换信号的详情将在后说明。
在图1所示的控制装置100中，生成电压指令的电压指令生成部由速度控制部71及电流控制部72构成，但是电压指令生成部的结构不限于图1的例子。电压指令生成部也可以由基于从外部输入的电流指令来生成电压指令的电流控制部构成。
对切换同步电动机1的绕组的Y接线与Δ接线的优点进行说明。将Y接线状态的线间电压设为VY，将流入至绕组的电流设为IY。另外，将Δ接线状态的线间电压设为VΔ，将流入至绕组的电流设为IΔ。当假设施加于各相的绕组的电压彼此相等时，下述式(1)及式(2)成立。
当Y接线状态的电压VY及电流IY与Δ接线状态的电压VΔ及电流IΔ具有式(1)及式(2)的关系时，在Y接线状态和Δ接线状态下供给至同步电动机1的电力彼此相等。也就是说，当供给至同步电动机1的电力彼此相等时，Δ接线状态下流入至绕组的电流较大，驱动所需的电压较低。
可以考虑利用以上性质来与负载条件相配合地选择绕组的接线状态。例如，可以考虑在低负载时在Y接线状态下进行低速运行，在高负载时在Δ接线状态下进行高速运行。由此，能够提高低负载时的效率，使高负载时的输出变高。
以用同步电动机1驱动空调机的压缩机的情况为例，对这一点进一步详细说明。作为空调机的压缩机驱动用的同步电动机1，为了响应节约能源的要求，广泛使用永磁场式同步电动机。另外，在近年来的空调机中，设为当室温与设定温度之差大时，通过使同步电动机1高速地旋转的高速运行来使室温尽快接近设定温度，当室温接近设定温度时，通过使同步电动机1低速地旋转的低速运行来维持室温。在以这种方式进行控制的情况下，在总运行时间中，低速运行时间所占的占比大于高速运行时间所占的占比。
在同步电动机1中，当转数上升时速度电动势增加，驱动所需的电压值增加。如上所述，Y接线状态的速度电动势高于Δ接线状态。为了抑制高速下的速度电动势，可以考虑减小永磁体的磁力，或者减少绕组的匝数。但是由于当这样做时，用于得到相同输出转矩的电流增加，因此流过同步电动机1及电压施加部3的电流增加，效率降低。另外，在由于速度电动势增加而同步电动机1的驱动所需的电压值变得高于直流电压源4的电压的情况下，通常使用弱磁控制来供应同步电动机1的驱动所需的电压。但是当使用弱磁控制时，由于在同步电动机1及电压施加部3流过对转矩的产生没有帮助的无效电流，因此效率降低。
于是，可以考虑与转数相配合地切换同步电动机1的绕组的接线状态。例如，在需要以高速运行的情况下，将同步电动机1的绕组设为Δ接线状态。通过将绕组设为Δ接线状态，能够使驱动所需的电压相比于Y接线状态为倍。因此，不用减小永磁体的磁力或者减少绕组的匝数，而能够减小驱动所需的电压。另外，也不需要使用弱磁控制。
另一方面，在低速旋转下，通过将绕组设为Y接线状态，能够使电流值相比于Δ接线状态为倍。进一步地，通过在绕组为Y接线状态时以适应低速下的驱动的方式设计同步电动机1，从而与在整个速度范围中绕组在Y接线状态下使用的情况相比，能够降低电流值。其结果是能够降低电压施加部3的损耗，能够提高效率。
如以上说明的，与负载条件相配合地切换绕组的接线状态是有意义的。实施方式1的控制装置100设置有对绕组的接线状态进行切换的连接切换装置20。例如，当室温与设定温度之差大时，切换控制部73将同步电动机1的绕组设为Δ接线状态，进行高速运行直到室温接近设定温度。当室温接近设定温度时，切换控制部73将同步电动机1的绕组切换为Y接线状态，进行低速运行。
然而，在同步电动机1驱动空调机的压缩机的情况下，当为了切换绕组的接线状态而使同步电动机1的旋转动作暂时停止时，重启所需的转矩增加，启动可能失败。因此，在使同步电动机1的旋转动作暂时停止来切换绕组的情况下，需要在经过几分钟直至制冷剂的状态稳定之后进行重启。但是当制冷剂的状态稳定之后进行重启时，无法对制冷剂进行加压，由于制冷或制热能力降低，室温有可能无法保持恒定。因此，优选为切换控制部73在同步电动机1的旋转动作中切换绕组的接线状态。
在此，对在旋转动作中切换绕组的接线状态的序列进行说明。图2为示出了实施方式1的控制装置切换绕组的接线状态的基本序列的流程图。如果在切换绕组的接线状态时同步电动机1保持稳定运行的状态，则从电压施加部3对同步电动机1供给电力，因此在绕组的接线状态转变时，在切换器21、22、23的触点之间产生电弧放电，从而可能产生如触点熔焊的故障。
为了避免如触点熔焊的故障，控制装置100在切换绕组的接线状态时，在步骤S1中，进行使流过同步电动机1的绕组的电流、即流过切换器21、22、23的电流的值尽量接近于零的控制。以下将使流过同步电动机1的绕组的电流尽量接近于零的控制称为“零电流控制”。即，在步骤S1中，开始零电流控制。在零电流控制的期间中，从电压施加部3输出要抵消同步电动机1的速度电动势的电压，也就是说，输出大小及相位与速度电动势一致的电压。通过这种方式，能够使流过切换器21、22、23的电流接近于零到能够实质上视为零的程度。
在零电流控制的期间中，同步电动机1由于无法得到转矩而逐渐失速。也就是说当零电流控制的期间长时，难以在同步电动机1的旋转动作中切换绕组的接线状态并重启。因此，优选为将电流控制部72的响应提高至不会变得不稳定的程度，尽可能迅速地使流过切换器21、22、23的电流接近于零，并转移至下一阶段。
如果开始了零电流控制，则在步骤S2中控制装置100使连接切换装置20工作。在使连接切换装置20工作时，切换控制部73向连接切换装置20输出用于对切换器21、22、23的触点进行切换的切换动作指令。连接切换装置20在接收切换动作指令时，使切换器21、22、23工作以切换绕组的接线状态。
如果绕组的接线状态转变，则在步骤S3中控制装置100输出切换信号。为了能够稳定地重启同步电动机1，切换控制部73向位置速度推定部6输出恢复初始速度，对速度控制部71、电流控制部72和位置速度推定部6输出运算切换信号。在输出了恢复初始速度和运算切换信号之后，前进至步骤S4，结束零电流控制。
为了防止如切换器21、22、23的触点熔焊的故障，需要在切换器21、22、23可靠地完成动作的定时结束零电流控制。预先掌握从向连接切换装置20输出切换动作指令到切换器21、22、23全部完成动作为止的时间，将零电流控制期间Tzero设为长于该时间的期间。在由通常的机械继电器构成切换器21、22、23的情况下，零电流控制期间Tzero为毫秒的量级，在由通常的半导体开关构成的情况下，零电流控制期间Tzero为百微秒的量级。
然而需要注意的是，在同步电动机1在像是使用弱磁控制来驱动那样地高速旋转的情况下，即在同步电动机1的速度电动势大于直流电压源4的情况下，通过该方法无法使流过切换器21、22、23的电流的值为零。也就是说，需要注意的是，在进行弱磁控制期间通过在d轴方向上流过无效电流来供应驱动所需的电压，但是所谓使流过同步电动机1的绕组的电流为零是指不能流过无效电流。图3为示出实施方式1的控制装置以无需进行弱磁控制的程度的速度来驱动同步电动机时的零电流控制的结果的图。图4为示出实施方式1的控制装置以需要弱磁控制的速度来驱动同步电动机时的零电流控制的结果的图。在控制装置100以无需进行弱磁控制的程度的速度来驱动同步电动机1的情况下，由于零电流控制而流过切换器21、22、23的电流的值几乎接近于零，与此相对，在控制装置100以需要弱磁控制的速度来驱动同步电动机1的情况下，即使进行零电流控制，流过切换器21、22、23的电流的值也无法按照指令值来控制而不为零。在控制装置100以需要弱磁控制的速度来驱动同步电动机1的状态下，当使连接切换装置20工作以进行绕组的接线状态的切换时，在切换器21、22、23的触点之间产生电弧放电，有可能产生如触点熔焊的故障。
图5为示出了实施方式1的控制装置在进行弱磁控制以驱动同步电动机时的切换绕组的接线状态的序列的流程图。在步骤S1之前设置有步骤S5及步骤S6，这方面与图2所示的流程图不同。即，在步骤S5中，预先确认同步电动机1的推定速度是否小于阈值ωA。在同步电动机1的推定速度小于阈值ωA的情况下，在步骤S5中为是，前进至步骤S1。在同步电动机1的推定速度为阈值ωA以上时，在步骤S5中为否，在步骤S6中使同步电动机1减速以使速度小于ωA，返回至步骤S5。
用于开始零电流控制的阈值ωA能够以如下方式计算。在dq轴电流几乎为零时，速度电动势E仅取决于永磁体的电枢交链磁通，其大小用以下的下述式(3)来表示。在式(3)中，ω表示同步电动机1的速度，Φ表示在dq坐标上的永磁体带来的电枢交链磁通的有效值。
E＝ω×Φ……(3)
当将直流电压源4输出的电压的大小设为V时，只要满足下述式(4)的关系即可。
E<V……(4)
根据式(3)及(4)，以下述式(5)来决定ωA。
ωA＝V/Φ……(5)
速度控制部71在接收到运算切换信号时，将用于比例积分控制的同步电动机1的常数及积分控制的初始值变更为与切换后的绕组的接线状态相配合的值。即，速度控制部71变更比例积分控制的控制增益，以使旋转机电流跟随电流指令。例如，在将绕组从Δ接线状态切换为Y接线状态的情况下，在Y接线状态下，相比于Δ接线状态，同步电动机1的在dq坐标上的磁通交链数为倍。于是，速度控制部71将用于比例积分控制的磁通交链数变更为/>倍。进一步地，在Y接线状态下，相比于Δ接线状态，为了产生相同的转矩所需的在dq坐标上的电流为/>倍。于是，速度控制部71进行1次使积分控制的初始值为/>倍的计算。通过不仅变更同步电动机1的常数，还变更积分控制的初始值，从而对速度指令值的跟随变快，切换动作稳定。
电流控制部72在接收到运算切换信号时，将根据用于比例积分控制及解耦控制的同步电动机1的常数来确定的控制增益变更为与切换后的绕组的接线状态相配合的值。即，电流控制部72变更比例积分控制的控制增益，以使旋转机电流跟随电流指令。例如，在从Δ接线状态切换为Y接线状态的情况下，在Y接线状态下，相比于Δ接线状态，在控制上使用的Y接线状态换算的同步电动机1的阻抗为3倍，在dq坐标上的磁通交链数为倍。于是，电流控制部72将用于比例积分控制及解耦控制的同步电动机1的阻抗变更为3倍，将磁通交链数变更为/>倍。
位置速度推定部6在接收到运算切换信号时，将用于推定的同步电动机1的常数、推定出的同步电动机1的磁极位置、推定出的同步电动机1的速度和推定出的磁通交链数变更为与切换后的绕组的接线状态相配合的值。例如，在从Δ接线状态切换为Y接线状态的情况下，在Y接线状态下，相比于Δ接线状态，在控制上使用的Y接线状态换算的同步电动机1的阻抗为3倍。于是，位置速度推定部6使用于推定的同步电动机1的阻抗为3倍。另外，在Y接线状态下，相比于Δ接线状态，电流相位提前30度。于是，位置速度推定部6进行1次使推定相位提前30度的计算。另外，在Y接线状态下，相比于Δ接线状态，在dq坐标上的磁通交链数为倍。于是，位置速度推定部6进行1次使推定出的磁通交链数为/>倍的计算。在此由于在Y接线状态与Δ接线状态之间进行切换，电流相位的改变为30°，但是如果在电压施加部3对同步电动机1施加三相交流的情况下进行除了Y接线状态与Δ接线状态之间的切换以外的接线状态的切换，则从电流控制部72输出的电压指令在同步电动机1的绕组的连接状态的切换前后使相位在0°至120°的范围改变即可。
进一步地，位置速度推定部6在接收到恢复初始速度时，实施使同步电动机1的推定速度的值迅速收敛至实际速度的值的推定速度收敛处理。
对上述的推定速度收敛处理的必要性进行说明。在零电流控制期间，同步电动机1由于无法得到转矩而失速。在不具有直接检测同步电动机1的相位的单元的实施方式1的控制装置100中，在切换绕组的接线状态之后，当在将流过同步电动机1的电流保持在零附近的状态下推定相位及速度并重启时，在负载大的情况下，当进行零电流控制时同步电动机1急速减速，在相位及速度的推定值稳定之前，同步电动机1有可能停止。或者由于推定响应跟不上减速，因此推定误差变大并有可能失步。
例如，在同步电动机1驱动空调机的压缩机的情况下，当在旋转动作中进行零电流控制时，由于在被施加有N·m量级的大的制冷剂负载的状态下失去转矩，因此在不足百毫秒的短时间同步电动机1停止。因此，在切换了同步电动机1的绕组的接线状态后，无法等到位置速度推定部6的推定收敛之后而重启。
于是，需要如下的推定速度收敛处理：即使在同步电动机1急速减速的情况下，也用比根据流过同步电动机1的电流和提供给电压施加部3的电压指令来推定的方式更简单的计算，使位置速度推定部6的输出即推定速度迅速收敛至真实值。
上述的推定速度收敛处理以如下方式实现。失速率Δω根据负载的大小TL和同步电动机1的惯性力矩的大小J，按照下述式(6)来决定。
Δω＝－TL/J……(6)
其中，作为负载的大小TL，可以使用通过转矩计等测量仪测定得到的值，也可以使用流过同步电动机1的相电流和从电流控制部72输出的电压指令来推定。作为惯性力矩的大小J，通常使用在同步电动机1的设计阶段决定的值，但是当在设计阶段决定的惯性力矩的值未知的情况下，也能够进行测定。作为惯性力矩的大小J的测定方法，可以使用惯性力矩的测量仪，也可以使同步电动机1在无负载状态下旋转而根据那时的加速度来简易地测定。由于简易的测定方法是公知的，因此省略详情。
因而，即将结束零电流控制之前的同步电动机1的速度的推定值ωe能够根据零电流控制开始之前的同步电动机1的推定速度ω＾s、零电流控制期间Tzero、负载的大小TL和同步电动机1的惯性力矩J通过下述式(7)来计算。
ω＾e＝ω＾s－(TL/J)×Tzero……(7)
切换控制部73向位置速度推定部6提供用式(7)计算的恢复初始速度ω＾e。位置速度推定部6进行1次将运算出的推定速度替换为恢复初始速度的处理。在零电流控制中，由于同步电动机1不产生转矩，同步电动机1失速，因此关于恢复初始速度，通过将低于旋转机的推定速度的恢复初始速度ω＾e提供给位置速度推定部6，从而能够缩短推定值收敛至实际速度所需的时间。
由此，能够减小在零电流控制结束后重启时位置速度推定部6的推定误差。其结果是，到位置速度推定部6的输出即推定相位及推定速度接近于同步电动机1的真实的相位及速度的值为止的时间变短，切换动作稳定。由于推定速度的切换中使用的式(7)非常简单，运算负担小，因此在廉价的微控制器中也能够实施。
通过按照以上说明的序列切换绕组的接线状态，从而能够在电流未流过切换器21、22、23的状态下进行切换器21、22、23的切换动作，使得在切换器21、22、23的触点之间不会产生电弧放电。因此，在使用机械继电器作为切换器21、22、23的情况下，防止触点熔焊，能够实现可靠性高的电动机的驱动装置。换言之，实施方式1的控制装置100即使在以廉价的部件构成连接切换装置20的情况下，也能够实现降低故障发生率以及延长装置寿命，因此能够使产品成本降低。
另外，实施方式1的控制装置100当在零电流控制期间Tzero中进行切换器21、22、23的切换动作时，使在切换绕组的接线状态时供给至同步电动机1的绕组的电流不产生大的改变。因此，能够在抑制同步电动机1的噪声及振动的同时切换绕组的接线状态，能够提供高质量的产品。
进一步地，在结束零电流控制时，向速度控制部71、电流控制部72和位置速度推定部6输出切换信号，从而即使在对同步电动机1进行无位置传感器控制的情况以及施加于同步电动机1的负载大的情况下，也能够稳定地重启同步电动机1，可靠性提高。
实施方式2.
本发明的实施方式2的控制装置100的结构与实施方式1的控制装置100是同样的。但是，在实施方式2的控制装置100中，在零电流控制时电压施加部3停止输出。因此，实施方式2的控制装置100与从电压施加部3输出大小及相位与速度电动势一致的电压的实施方式1的控制装置100相比，能够在短时间且准确地使流过同步电动机1的电流为零。进一步地，实施方式2的控制装置100即使在同步电动机1的速度电动势大于直流电压源4的情况下，也能够使流过同步电动机1的电流为零。因此，实施方式2的控制装置100即使在同步电动机1高速旋转的情况下，也能够按照图2的流程图所示的序列切换绕组的接线状态。
在实施方式2的控制装置100中，如果开始了零电流控制，则流过同步电动机1的电流立即变为零，因此之后立即向连接切换装置20输出用于对切换器21、22、23的触点进行切换的切换动作指令。连接切换装置20在接收到切换动作指令时，使切换器21、22、23工作而切换绕组的接线状态。
实施方式3.
图6为示出本发明的实施方式3的旋转机控制装置的结构的图。图7为示出了实施方式3的控制装置切换绕组的接线状态的序列的流程图。在步骤S2与步骤S3之间设置有步骤S7，这一点与图2所示的序列不同。在实施方式3的控制装置100中，将零电流控制期间Tzero设为从开始零电流控制到检测出切换器21、22、23全部完成动作为止的期间。在对切换器21、22、23全部完成动作的检测中，使用提供给电压施加部3的电压指令和由电流检测部5检测出的流过同步电动机1的相电流的大小的值。
实施方式3的控制装置100通过观察同步电动机1的相间的电阻值或逆电动势的大小的改变来检测切换器21、22、23全部完成动作。
在实施方式3的控制装置100中，切换控制部73在步骤S7中判断切换器21、22、23是否全部完成动作。只要切换器21、22、23中的至少一个没有完成动作，则步骤S7为否，重复步骤S7中的判断。如果切换器21、22、23全部完成动作，则步骤S7为是，前进至步骤S3。即，如果检测出切换器21、22、23全部完成动作，则切换控制部73以使得能够稳定地重启同步电动机1的方式向位置速度推定部6输出恢复初始速度，对速度控制部71、电流控制部72和位置速度推定部6输出运算切换信号，在输出了恢复初始速度及运算切换信号后，结束零电流控制。
通过进行以上的动作，使得零电流控制期间Tzero既不过长也不过短，能够以适当的期间进行零电流控制。当零电流控制期间Tzero过长时，同步电动机1大幅度减速而有可能停止。反之，当零电流控制期间Tzero过短时，在切换器21、22、23的切换动作全部结束之前电流流过切换器21、22、23，使得在切换器21、22、23的触点之间产生电弧放电，有可能导致故障。因而，以适当的期间进行零电流控制对于在同步电动机1的旋转动作中切换绕组的接线状态很重要。
实施方式4.
图8为示出本发明的实施方式4的制冷剂压缩装置的结构的图。图8所示的同步电动机1a是为了在压缩机301中将制冷剂气体压缩为高压气体而由控制装置100进行可变速控制的电动机，与用于切换该绕组的接线状态的连接切换装置20连接。控制装置100与实施方式1的控制装置100是同样的。此外，制冷剂压缩装置300也可以具备与实施方式2或实施方式3同样的控制装置100来替代与实施方式1同样的控制装置100。
图8所示的制冷剂压缩装置300具备实施方式1的控制装置100，控制装置100具备电压施加部3及电力变换器驱动装置200。电力变换器驱动装置200具备控制部70及位置速度推定部6的功能。
如实施方式1中所说明的，只要能够向同步电动机1a供给任意的交流电力，基本上电压施加部3为任何电路结构都可以。由电流检测部5检测出的信息被发送给位置速度推定部6。
压缩机301对制冷剂气体进行压缩，因此在驱动中对同步电动机1a施加大的负载。另外，由于压缩机301处于高温高压下，因此担心可靠性降低以及成本增加而不安装检测同步电动机1a的磁极位置的传感器。因此，在为了变更同步电动机1a的绕组的接线状态而在同步电动机1a中未流过电流的期间，同步电动机1a急速减速。在作为通常的磁极位置推定方法的自适应磁通观测器或反正切法中，推定响应慢于减速率，有可能无法正确地进行推定。
通过将实施方式1、实施方式2及实施方式3中说明的切换绕组的接线状态的序列用于图8所示的制冷剂压缩装置300的控制装置100，从而即使在施加有大的负载的状态下，也能够在短时间使推定速度的值收敛至实际的同步电动机1a的速度的值，因此能够稳定地重启。另外，为了使推定速度迅速收敛而使用的运算式非常简单，运算负担小，因此在廉价的微控制器中也能够实施。
另外，能够在电流未流过切换器21、22、23的状态下进行切换器21、22、23的切换动作，使得在切换器21、22、23的触点之间不会产生电弧放电。因此，在使用机械继电器作为切换器21、22、23的情况下，防止触点熔焊，能够实现可靠性高的电动机的驱动装置。换言之，实施方式4的控制装置100即使在以廉价的部件构成连接切换装置20的情况下，也能够实现降低故障发生率以及延长装置寿命，因此能够使产品成本降低。
进一步地，能够改写在切换电动机的绕组时暂时停止的已有的制冷剂压缩装置的软件来实现实施方式4的制冷剂压缩装置300。由此，能够得到在抑制成本增加的同时在旋转动作中切换绕组的接线状态并持续运行的制冷剂压缩装置300。
实施方式5.
图9为示出本发明的实施方式5的空调机的结构的图。空调机500具备制冷环路装置400。实施方式5的制冷环路装置400具备制冷剂压缩装置300、冷凝器401、膨胀阀402以及蒸发器403。压缩机301与冷凝器401之间通过管道而连接。同样地，冷凝器401与膨胀阀402之间通过管道而连接，膨胀阀402与蒸发器403之间通过管道而连接，蒸发器403与压缩机301之间通过管道而连接。据此，压缩机301、冷凝器401、膨胀阀402及蒸发器403构成制冷剂回路而制冷剂在其中循环。此外，虽然在图9中省略了图示，但是控制装置100具备图1所示的电流检测部5、位置速度推定部6以及控制部70。
在制冷环路装置400中，重复进行如制冷剂的蒸发、压缩、冷凝以及膨胀的工序。制冷剂从液体变为气体，再从气体变为液体，由此在制冷剂与机外空气之间进行热交换。因此，能够通过将制冷环路装置400和使机外空气循环的送风机501组合来构成空调机500。
蒸发器403在低压状态下使制冷剂液体蒸发，从蒸发器403周围的空气带走热量，从而发挥冷却作用。压缩机301为了使制冷剂冷凝而将通过蒸发器403被气化的制冷剂气体压缩为高压气体。冷凝器401将通过压缩机301而变为高温的制冷剂气体的热量排出，从而使高压的制冷剂气体冷凝而变换为制冷剂液体。膨胀阀402使制冷剂液体节流膨胀而将制冷剂液体变换为低压液体，使制冷剂成为能够通过蒸发器403蒸发的状态。
另外，空调机500不仅要求舒适性，随着节能法规逐年强化，还要求高效率化。因此，对于制冷环路装置400，使同步电动机1a在从低速到高速的大的速度范围高效运行很重要，因此当基于转数对同步电动机1a的绕组的接线状态进行切换时，能够降低电压施加部3的损耗，是有意义的。
例如，当室温与设定温度之差大时，决定将同步电动机1a设为Δ接线，进行高速运行直至室温接近于设定温度。当室温变得接近于设定温度，则将同步电动机1a切换为Y接线，进行低速运行。然而在如实施方式5那样同步电动机1a驱动制冷环路装置400的压缩机301的情况下，当为了切换绕组而使同步电动机1a的旋转动作暂时停止时，重启所需的转矩增加，有可能启动失败。因此，需要在经过几分钟直至制冷剂的状态足够稳定之后进行重启。这样的话，在使压缩机301停止的几分钟期间无法对制冷剂加压，由于制冷或制热能力降低，室温有可能无法保持恒定。因此优选为在旋转动作中切换绕组。
实施方式5的制冷环路装置400利用实施方式1至实施方式4中说明的控制装置100，因此即使在施加有大的负载的情况下，绕组的接线状态的切换动作也不会变得不稳定，而是能在运行中进行切换。因此，能够在保持舒适性的状态下在大的速度范围进行高效运行。另外，本发明的为了使推定速度迅速收敛而使用的运算式非常简单，运算负担小，因此在廉价的微控制器中也能够实施。进而，即使使用廉价的机械继电器作为对同步电动机1a的绕组的接线状态进行切换的切换器21、22、23，也能够防止触点熔焊，因此能够在总体上降低产品成本。
此外，实施方式1至3的控制装置100没有位置传感器，即使是大的负载的装置也能够稳定地驱动旋转机，因此也能够应用于制冷剂压缩装置300及制冷环路装置400以外的所有设备，对工业发展有用。
上述的实施方式1、实施方式2或实施方式3的控制装置100的控制部70及位置速度推定部6的功能通过处理电路来实现。处理电路可以为专用硬件，也可以为执行保存于存储装置的程序的处理装置。
在处理电路为专用硬件的情况下，处理电路相当于单一电路、复合电路、编程处理器、并行编程处理器、特定用途集成电路、现场可编程门阵列或它们的组合。图10为示出用硬件来实现实施方式1、实施方式2或实施方式3的控制装置的控制部及位置速度推定部的功能的结构的图。在处理电路29中嵌入有实现控制部70及位置速度推定部6的功能的逻辑电路29a。
在处理电路29为处理装置的情况下，控制部70及位置速度推定部6的功能通过软件、固件或软件与固件的组合来实现。
图11为示出用软件来实现实施方式1、实施方式2或实施方式3的控制装置的控制部及位置速度推定部的功能的结构的图。处理电路29具有执行程序29b的处理器291、处理器291用作工作区的随机存取存储器292和存储程序29b的存储装置293。处理器291将存储于存储装置293的程序29b在随机存取存储器292上展开并执行，由此实现控制部70及位置速度推定部6的功能。软件或固件以编程语言来描述，被保存于存储装置293。作为处理器291，能够例示中央处理装置，但不限于此。作为存储装置293，能够应用如RAM(RandomAccess Memory，随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory，只读存储器)、闪存、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory，可擦除可编程只读存储器)或EEPROM(注册商标)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，电可擦除可编程只读存储器)的半导体存储器。半导体存储器可以为非易失性存储器也可以为易失性存储器。另外，作为存储装置293，除了能够应用半导体存储器以外，还能够应用磁盘、软盘、光盘、压缩盘、迷你盘或DVD(Digital Versatile Disc，数字多功能光盘)。此外，处理器291可以将如运算结果的数据输出至存储装置293或存储于存储装置293，也可以经由随机存取存储器292将该数据存储于未图示的辅助存储装置。
处理电路29通过读取并执行存储于存储装置293的程序29b来实现控制部70及位置速度推定部6的功能。也可以说程序29b使计算机执行实现控制部70及位置速度推定部6的功能的流程及方法。
此外，处理电路29可以部分通过专用硬件来实现，部分通过软件或固件来实现。
像这样，处理电路29能够通过硬件、软件、固件或它们的组合来实现上述的各个功能。
以上的实施方式中示出的结构为示出了本发明的内容的一例，能够与其它公知技术结合，在不脱离本发明主旨的范围内，还能够对结构的一部分进行省略、变更。

Claims (17)

1.一种旋转机控制装置，其特征在于，具备：
连接切换装置，具有切换器，通过在旋转机的旋转动作中进行所述切换器的切换动作来对所述旋转机的绕组的连接状态进行切换；
电流检测部，检测流过所述旋转机的旋转机电流；
位置速度推定部，基于所述旋转机电流来推定所述旋转机的转子的磁极位置及速度；
电压施加部，对所述旋转机施加电压；以及
控制部，基于所述位置速度推定部推定出的磁极位置及速度来生成提供给所述电压施加部的电压指令，并且对所述连接切换装置输出进行所述连接状态的切换的切换动作指令，
所述控制部在对所述旋转机的绕组的连接状态进行切换之前，以使所述旋转机电流接近于零的方式生成所述电压指令，在切换了所述旋转机的绕组的连接状态之后，向所述位置速度推定部输出基于切换前的所述旋转机的推定速度而求出的恢复初始速度，
所述位置速度推定部在收到所述恢复初始速度时，用所述恢复初始速度来替换推定出的速度。
2.根据权利要求1所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述控制部基于使所述旋转机电流接近于零时的加速度，计算对所述位置速度推定部输出的所述恢复初始速度。
3.根据权利要求1所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述控制部在切换了所述旋转机的绕组的连接状态之后，对所述位置速度推定部输出运算切换信号，该运算切换信号使推定中使用的所述旋转机的常数、相位及磁通交链数基于切换后的所述旋转机的绕组的连接状态而变更，
所述恢复初始速度低于所述旋转机的推定速度。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述连接状态的切换为Y接线状态与Δ接线状态之间的切换。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述控制部具有电压指令生成部，该电压指令生成部以使所述旋转机电流与所述旋转机电流的目标值即电流指令一致的方式生成所述电压指令，
在切换了所述旋转机的绕组的连接状态之后，所述控制部变更所述电压指令生成部的控制增益，以使所述旋转机电流跟随所述电流指令。
6.根据权利要求5所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述电压指令生成部具有生成所述电流指令的速度控制部和基于所述电流指令来生成所述电压指令的电流控制部。
7.根据权利要求5所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述电压指令生成部具有基于从外部提供的所述电流指令来生成所述电压指令的电流控制部。
8.根据权利要求5所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述连接状态的切换为Y接线状态与Δ接线状态之间的切换。
9.根据权利要求6或7所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述连接状态的切换为Y接线状态与Δ接线状态之间的切换。
10.根据权利要求8所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述电压指令生成部通过比例积分控制来生成所述电压指令，并且在所述旋转机的绕组的连接状态切换之后，使所述电压指令生成部的积分控制的初始值相比于切换之前为倍或/>倍。
11.根据权利要求9所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述电压指令生成部通过比例积分控制来生成所述电压指令，并且在所述旋转机的绕组的连接状态切换之后，使所述电压指令生成部的积分控制的初始值相比于切换之前为倍或/>倍。
12.根据权利要求5所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述电压指令生成部在所述旋转机的绕组的连接状态的切换之后，使所述电压指令的相位相比于切换之前在0°至120°的范围改变。
13.根据权利要求6～8、10、11中的任意一项所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述电压指令生成部在所述旋转机的绕组的连接状态的切换之后，使所述电压指令的相位相比于切换之前在0°至120°的范围改变。
14.根据权利要求9所述的旋转机控制装置，其特征在于，
所述电压指令生成部在所述旋转机的绕组的连接状态的切换之后，使所述电压指令的相位相比于切换之前在0°至120°的范围改变。
15.一种制冷剂压缩装置，其特征在于，具备：
压缩机，通过所述旋转机的旋转来对制冷剂进行压缩；以及
权利要求1至14中的任意一项所述的旋转机控制装置。
16.一种制冷环路装置，其特征在于，
具备权利要求15所述的制冷剂压缩装置。
17.一种空调机，其特征在于，
具有权利要求16所述的制冷环路装置。
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