CN1880888B

CN1880888B - 制冷循环装置

Info

Publication number: CN1880888B
Application number: CN2006100842310A
Authority: CN
Inventors: 伊藤诚; 吉川富夫; 小原木春雄; 菊地聪
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2026-05-29
Also published as: JP4069328B2; CN101893359B; CN101893359A; CN1880888A; JP2006352982A

Abstract

在使用嵌入磁铁同步电动机的制冷循环装置中，准确地判断负荷的大小，消除失步、减磁导致的制冷循环的不稳定，提高可靠性。制冷循环装置具有依次连接压缩机(130)、冷凝器(140)、冷凝器用送风机(145)、蒸发器(150)、膨胀阀(160)的制冷循环；其中：具有电动机和运行电流检测单元(180)；该电动机驱动压缩机(130)，在转子的外周形成鼠笼形绕组(110)，在其内侧嵌设磁化成多极的永久磁铁；该运行电流检测单元(180)检测上述电动机的运行电流；求出与运行电流的畸变相关的值，在该值小于等于设定值的场合，断开电动机的通电。

Description

制冷循环装置

技术领域

本发明涉及一种具有由在转子中设有永久磁铁的电动机驱动的压缩机的制冷循环装置(空调机、冷冻装置等)，特别是适合在转子的铁心设置了作为感应电动机起作用的鼠笼形导体和作为同步电动机起作用地磁化的永久磁铁的场合。

背景技术

作为在使用了蒸气压缩制冷循环的制冷循环装置中使用的制冷剂压缩机，存在转速大体一定地受到驱动的恒速型压缩机、转速受到控制的变频器型压缩机，出于可容易地由商用频率的交流电压驱动等原因，采用设置了鼠笼形导体(绕组)的感应电动机的场合较多。然而，最近，从高效率化的观点出发，作为可按高效率进行商用电源驱动的电动机，提出有嵌入磁铁同步电动机。

在制冷循环起动时，当压缩机的排出侧与吸入侧的压差大时，不能起动，如在稳定运行时即同步状态的运行时产生过负荷，则嵌入磁铁同步电动机的转子产生较大程度的失速，存在装置的可靠性显著受到损害的危险，所以，例如记载于专利文献1中的那样，当在制冷循环的运行过程中压缩机的排出压力大于等于设定压力值时，旁通压缩机的排出侧与吸入侧。

另外，由于压缩机的负荷不一样，所以，在产生过大负荷的场合，在电动机的绕组中流过过大电流，由此产生的磁场使得在转子中使用的磁铁减磁，所以，为了防止这一问题，例如记载于专利文献2中的那样，检测压缩机的电流值，在产生设定电流的场合，断开电源，另外，使温度低时的断开电流值比温度高时小。

[专利文献1]日本特开2001-227778号公报

[专利文献2]日本特开平7-67390号公报

在上述已有技术中，记载于专利文献1的技术有利于由压缩机的排出侧与吸入侧的差压确实地起动，防止稳定运行中的失速，但由于不是直接检测电动机的同步、非同步(失步)，所以，可靠性低，存在失步引起减磁的危险。

另外，在记载于专利文献2的构成中，当对于某些电流的大小变得过大时，仅断开电流，所以，对于某些电流断开所需要的时间，不能避免减磁现象，需要进一步提高可靠性。另外，仅由电流值不能防止由电动机的失速、齿槽效应导致的振动等对制冷循环的影响，在制冷循环稳定运行时，即同步状态的运行时，产生过负荷，嵌入磁铁同步电动机的转子产生较大的失速，电动机的绕组温度上升，最坏的情况，绕组的绝缘材料劣化，或绕组的绝缘产生破坏，会显著损害装置的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述已有技术的问题，更准确地判断负荷的大小，消除失步、减磁导致的制冷循环的不稳定，提供一种高可靠性的使用嵌入磁铁同步电动机的制冷循环装置。

本发明的制冷循环装置，具有依次连接压缩机、冷凝器、冷凝器用送风机、蒸发器、膨胀阀的制冷循环；其特征在于：具有电动机和运行电流检测单元；该电动机驱动上述压缩机，在转子的外周形成鼠笼形绕组，在其内侧嵌设磁化成多极的永久磁铁；该运行电流检测单元检测上述电动机的运行电流；求出上述运行电流的畸变系数、畸变成分、或者波形畸变中的至少一个的值，在该值小于等于设定值的场合，断开向上述电动机的通电。

另外，在上述构成中，最好上述永久磁铁磁化成2极。

另外，在上述构成中，最好相应于与上述运行电流的畸变相关的值控制上述冷凝器用送风机的风量。

另外，在上述构成中，最好相应于与上述运行电流的畸变相关的值控制上述膨胀阀的开度。

另外，在上述构成中，最好设置检测上述压缩机表面温度的温度传感器，当上述表面温度变高时，减小上述设定值。

另外，在上述构成中，最好上述永久磁铁被磁化成2极，上述压缩机为涡旋压缩机。

另外，在上述构成中，最好根据与上述运行电流的畸变相关的值和上述压缩机的温度控制上述冷凝器用送风机的风量。

另外，在上述构成中，最好根据与上述运行电流的畸变相关的值和上述压缩机的温度控制上述膨胀阀的开度。

另外，在上述构成中，最好上述永久磁铁被磁化成2极，上述压缩机为涡旋压缩机，上述电动机由用功率晶体管构成的变频装置驱动，上述电动机的通电控制通过使上述功率晶体管截止而进行。

另外，本发明的制冷循环装置具有依次连接压缩机、冷凝器、冷凝器用送风机、蒸发器、膨胀阀的制冷循环；其中：具有电动机和运行电流检测单元；该电动机驱动上述压缩机，在转子的外周形成鼠笼形绕组，在其内侧嵌设磁化成多极的永久磁铁；该运行电流检测单元检测上述电动机的运行电流；使上述运行电流的畸变系数与至少上述冷凝器用送风机的风量和上述膨胀阀的开度中的任一个相关地控制。

按照本发明，按电动机的运行电流的畸变成分判断负荷，所以，相对使用嵌入磁铁同步电动机的压缩机，可更准确地判断负荷的大小，消除失步、减磁导致的制冷循环的不稳定，获得高可靠性。

附图说明

图1为示出本发明一实施形式的框图。

图2为说明温度与减磁电流的关系的曲线图。

图3为示出按照一实施形式的额定负荷下的运行电流波形和其频率分析结果的曲线图。

图4为示出按照一实施形式的过负荷下的运行电流波形和其频率分析结果的曲线图。

图5为示出相对额定电压(200V)处于低电压(180V)时的运行电流波形和频率分析图的曲线图。

图6为示出相对额定电压处于高电压(220V)时的运行电流波形和频率分析图的曲线图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明实施形式。

图1示出使用制冷循环的装置，例如空调机。为了提高使用蒸气压缩制冷循环的空调机的效率，提高在构成制冷循环的部件中消耗电力最大的、用于制冷剂压缩机的电动机的效率较有效，作为效率高的电动机，已知在转子铁心内嵌设了永久磁铁的同步电动机。同步电动机利用嵌设于电动机转子的永久磁铁与从定子产生的旋转磁场的互拉而回转，所以，不发生在感应电动机中发生的、流到电动机转子的2次电流，没有由此产生的能量损失，所以效率提高。然而，在作为用于制冷剂压缩机的电动机使用同步电动机的场合，其转子与制冷剂压缩机的回转部件一体化，所以，惯性力大。为此，在起动时，转子不能追踪从定子发生的旋转磁场的回转速度，制冷循环不能起动。

因此，在使用嵌入磁铁同步电动机的制冷循环中，内装当用于该压缩机的电动机的转子铁心小于等于同步速度时作为感应电动机起作用的鼠笼形绕组110，另外，在转子铁心内还嵌设有磁化为2极的永久磁铁100。

在图1所示空调机中，构成依次连接压缩机130、冷凝器140、冷凝器用送风机145、蒸发器150、膨胀阀160的制冷循环。用于压缩机130的电动机在转子的外周附近沿周向形成鼠笼形绕组(导体)110，而且在转子中嵌设永久磁铁100，从而在转子的转速达到同步速度之前作为感应电动机起作用，当转子的转速达到同步速度时，作为同步电动机起作用。为此，即使不使用变频器，也可起动，并且，在按同步速度运行时，即按由商用电源的电源频率(50/60Hz)和极数决定的转速(3000r/min，3600r/min)进行稳定运行时，在电动机的转子中不产生2次电流，所以，可提高效率。

即，同步电动机由于不发生感应电动机中存在的定子与转子间的转差，所以，与感应电动机相比，转子的转速的负荷变动小，如为相同负荷，则压缩机130的转速快，所以，由压缩机130的制冷剂压缩机构部压缩的制冷剂量也增加，压缩机130的制冷剂排出量增加，在制冷循环的通常的负荷范围可提高其能力。

特别是在制冷循环成为过负荷的运行时，在同步状态下转差为0，电流不流到鼠笼形绕组110，所以，与感应电动机在过负荷时转差大的情形相比，能力提高的效果非常大。另外，如压缩机130为涡旋压缩机，则压缩转矩的变动小，所以，相对电动机的负荷变动小，因而可进一步提高效率。

另外，检测压缩机130的运行电流的运行电流检测单元180、检测压缩机130表面温度的温度传感器190、波形畸变判定单元200搭载于空调机170的控制装置171，电动机通过由电阻等构成的运行电流检测单元180、电源开关205连接于电源。

通过在压缩机130的鼠笼形绕组110中流过比压缩机正常运行时流动的电流大的电流，从而生成磁场，对永久磁铁100进行磁化。另外，一度磁化后，当在鼠笼形绕组110中流动过大的电流时，发生永久磁铁100的磁力丧失的减磁现象。此时的电流值为磁化的电流也少的值，另外，如永久磁铁100的温度高，则达到减磁的电流值减小。即，内装由永久磁铁100和鼠笼形绕组110构成的转子120的压缩机130的电动机作为同步电动机运行，所以，在负荷显著增大的场合，过大的电流流动，存在发生永久磁铁100的减磁现象的可能性。

内装了由永久磁铁100和鼠笼形绕组110构成的转子120的压缩机130在起动时作为鼠笼形绕组的感应电动机起动，在同步速度附近作为由永久磁铁的转子形成的同步电动机驱动，鼠笼形绕组110的运行电流波形作为感应电动机为正弦波，在作为同步电动机动作的场合，发生由永久磁铁100产生的电枢反作用，对磁场主磁通产生影响，所以，对于正弦波，成为产生畸变的形状。

因此，在流过主绕组的运行电流的大部分用作感应电动机的磁场电流的场合，运行电流波形的畸变少，在用作同步电动机的磁场电流的场合，畸变增大。另外，压缩机130在小于等于额定负荷时，运行电流产生畸变，随着负荷增加、转矩变得不足，供给鼠笼形绕组励磁电流，电流增加，畸变减小。

图3的上图为额定负荷下的运行电流波形(横轴：时间，纵轴：电流)，下图示出其频率分析图(横轴：次数，纵轴：设1次为100时的比例)。同样，图4的上图为过负荷下的运行电流波形，下图为其频率分析图。如图所示那样，压缩机的运行电流小于等于额定输出时，4次～10次的高次谐波电流成分比1次成分多，畸变系数为10.7％，增大负荷的场合，10次的高次谐波电流成分减少，整体的畸变系数为7.7％。

另外，图5、6为在相同负荷条件下改变电压的图，相对额定电压200V，图5和图6分别为180V和220V时的运行电流波形(上图)、频率分析图(下图)。在额定电压200V下，畸变系数为6％，但在220V时，成为6.9％，在180V时，成为5％。这是因为，低电压时磁场电流的减少使得在使用永久磁铁100的同步电动机中发生输出不足，电流增加，励磁电流流到鼠笼形绕组110，作为感应电动机动作。

因此，由模数转换器将由运行电流检测单元180检测出的电流转换成数字数据，在进行运算的波形畸变判定单元200中，当畸变系数小于等于设定值、例如6～11％(最好小于等于7％)时，或10次高次谐波的含有率小于等于4～7％(最好小于等于5％)时，断开压缩机用电源开关205。从而防止从转矩不足产生失步，成为过电流，鼠笼形绕组110减磁，以及成为非同步状态，制冷循环变得不稳定。

虽然由波形畸变判定单元200运算畸变系数，但只要求出与运行电流的畸变相关的值即可，在该值小于等于设定值的场合，断开电动机的通电即可。另外，作为检测与畸变系数或畸变成分、畸变相关的值的方法，生成与运行电流变化的有无相应的脉冲信号，例如当对电流进行模数转换时，每次模数转换时对转换的值进行比较，当变化大于等于一定值时，输出高电平的信号，而变化没有达到一定值时，输出低电平的信号。然后，设该脉冲信号的占空比的大小为与畸变系数或畸变成分、畸变相关的值即可。另外，如对脉冲信号进行计数，积分而计算出平均值，通过由电阻和电容构成的积分电路，使输出的脉冲信号为按其电压电平与运行电流的畸变相关的值，则使运算更简单。

另外，为了计算出各高次谐波次数，一般的方法是对检测出的电流波形进行付里叶解析，展开成高次谐波，但这需要高速的运算元件，作为内装制冷循环的设备的内设元件不适合。

因此，在图3中，作为测定电流的畸变的方法，也可为以下的方法。即，不检测电流波形的畸变系数或构成的频率成分，而是仅着眼于如8～11次那样必要的频率成分。因为8～11次的波形容易作为整体的电流波形的畸变而显现，从而根据波形的形状进行估计。例如，根据由运行电流检测单元检测出的电动机的运行电流波形的频率和峰值电流计算出理想的正弦波形。计算出其理想的波形和运行电流的差量，如在1周期以内其差量取正和负双方的值，则判定发生了畸变。

另外，使检测电动机运行电流的运行电流检测单元的输出，在对运行电流基本频率的大于等于11次进行衰减的低通滤波器和对小于等于7次进行衰减的高通滤波器中通过，当通过后的运行电流中8～11次的电流的含有率相对整体的有效值电流小于等于10％时，判定已发生畸变即可。

另外，决定压缩机130负荷的是制冷循环负荷，当负荷增大时，运行电流波形的畸变增大，所以，由波形畸变判定单元200运算畸变系数，关于畸变系数，例如在畸变系数达到预定值的场合，由负荷减轻单元210增大冷凝器用送风机145的风量，增大膨胀阀160的开度，降低压缩机130的排出压力，减轻负荷。这样，可防止压缩机130的异常停止，同时可防止减磁现象。

另外，对永久磁铁进行减磁的绕组电流的值如图2所示那样，在永久磁铁的温度高时变小。因此，设置检测压缩机130表面温度的温度传感器190，将该信号传递到波形畸变判定单元200，与表面温度相关，例如在表面温度高达预定值的场合，减小断开电源开关205的运行电流判定值。这样，可进一步提高与温度相关的压缩机130的可靠性。

另外，在由变频装置驱动压缩机130的电动机的场合，电流变得过大时的电流断开由变频装置的功率晶体管进行，所以，可在电流开始上升后数微秒间断开，即使本来电流开始增加，也可在达到减磁之前断开电流。然而，即使在该场合，也运算运行电流波形的畸变，与畸变系数相关，例如在畸变系数达到预定值的场合，如同时由变频装置的功率晶体管断开电流，则可靠性更高。另外，如与畸变系数相关地控制冷凝器用送风机145，控制膨胀阀160的开度，则可进一步提高可靠性。

另外，在使用波形畸变判定单元200的场合，由于开闭需要数毫秒的时间，所以，在该状态下不能避免减磁现象，相对减磁现象在事前按运行电流波形的畸变判定负荷的大小有效。

另外，如压缩机130为涡旋压缩机，则由于压缩转矩的变动小，所以，相对电动机的负荷变动小，所以，与畸变系数相关，例如在畸变系数成为预定值的场合，由变频装置的功率晶体管进行电流的断开，控制冷凝器140的风量，控制膨胀阀160的开度，则可获得更高的可靠性。

Claims

1.一种制冷循环装置，具有依次连接压缩机、冷凝器、冷凝器用送风机、蒸发器、膨胀阀的制冷循环；其特征在于：具有电动机和运行电流检测单元；

该电动机驱动上述压缩机，在转子的外周形成鼠笼形绕组，在其内侧嵌设磁化成多极的永久磁铁；

该运行电流检测单元检测上述电动机的运行电流；

求出上述运行电流的畸变系数、畸变成分、或者波形畸变中的至少一个的值，在该值小于等于设定值的场合，断开向上述电动机的通电。

2.根据权利要求1所述的制冷循环装置，其特征在于：上述永久磁铁磁化成2极。

3.根据权利要求1所述的制冷循环装置，其特征在于：相应于上述运行电流的畸变系数、畸变成分、或者波形畸变中的至少一个的值控制上述冷凝器用送风机的风量。

4.根据权利要求1所述的制冷循环装置，其特征在于：相应于上述运行电流的畸变系数、畸变成分、或者波形畸变中的至少一个的值控制上述膨胀阀的开度。

5.根据权利要求1所述的制冷循环装置，其特征在于：设置检测上述压缩机表面温度的温度传感器，当上述表面温度变高时，减小上述设定值。

6.根据权利要求1所述的制冷循环装置，其特征在于：上述永久磁铁被磁化成2极，上述压缩机为涡旋压缩机。

7.根据权利要求1所述的制冷循环装置，其特征在于：根据上述运行电流的畸变系数、畸变成分、或者波形畸变中的至少一个的值和上述压缩机的温度控制上述冷凝器用送风机的风量。

8.根据权利要求1所述的制冷循环装置，其特征在于：根据上述运行电流的畸变系数、畸变成分、或者波形畸变中的至少一个的值和上述压缩机的温度控制上述膨胀阀的开度。

9.根据权利要求1所述的制冷循环装置，其特征在于：上述永久磁铁被磁化成2极，上述压缩机为涡旋压缩机，上述电动机由用功率晶体管构成的变频装置驱动，上述电动机的通电控制通过使上述功率晶体管截止而进行。

10.一种制冷循环装置，具有依次连接压缩机、冷凝器、冷凝器用送风机、蒸发器、膨胀阀的制冷循环；其特征在于：具有电动机和运行电流检测单元；

该运行电流检测单元检测上述电动机的运行电流；

使上述运行电流的畸变系数与至少上述冷凝器用送风机的风量和上述膨胀阀的开度中的任一个相关地控制。