ES2550642T3 - Dispositivo de bomba de calor, sistema de bomba de calor y método de control de inversor trifásico - Google Patents

Dispositivo de bomba de calor, sistema de bomba de calor y método de control de inversor trifásico Download PDF

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Takuya Shimomugi
Shinya Matsushita
Naoki Wakuta
Tsutomu Makino
Shinsaku Kusube
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Abstract

Un dispositivo de bomba de calor que comprende: un compresor (1) que tiene un mecanismo de compresión (7) que comprime un refrigerante; un motor (8) que opera el mecanismo de compresión (7) previsto en el compresor (1); un inversor trifásico (9), y una unidad de control de inversor (11) que controla el inversor (9), en donde, la unidad de control de inversor (11) incluye: una unidad de conmutación de fase (19) que conmuta una fase θ1 y una fase θ2 diferente de la fase θ1 sustancialmente en 180 grados, y presenta a la salida la fase, sincrónicamente con una señal de referencia que tiene una frecuencia predeterminada; una unidad de adición (20) que cambia un valor n, que es un número entero igual o mayor que 0, para cada instante predeterminado, y presenta a la salida una fase θ3 obtenida por adición de una fase θplus, la cual es n veces una magnitud de 60 grados, a la salida de fase desde la unidad de conmutación de fase (19), una unidad de generación de tensión (13) que genera un valor de comando de tensión en base a la fase θ3 presentada a la salida por la unidad de adición (20), y presenta a la salida el valor de comando de tensión, y una unidad de generación de señal excitadora (17) que, en base a una salida desde la unidad de generación de tensión (13), genera señales excitadoras correspondientes a elementos de conmutación (18a a 18f) respectivos del inversor (9), presenta a la salida señales excitadoras generadas respectivas para los elementos de conmutación (18a a 18f) correspondientes del inversor (9), y genera una tensión de AC de alta frecuencia en el inversor (9).

Description

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DESCRIPCIÓN
Dispositivo de bomba de calor, sistema de bomba de calor y método de control de inversor trifásico
La presente invención se refiere a un método de calentamiento de un compresor usado para un dispositivo de bomba de calor.
Antecedentes
La Literatura de Patente 1 describe que cuando una cantidad de refrigerante líquido acumulada en un compresor llega a ser una cantidad predeterminada o mayor, se provoca que circule una corriente débil de fase abierta de alta frecuencia hasta un devanado de un motor para calentar el devanado del motor. Con ello, se impide que la compresión del líquido debido al arranque en un estado en que el refrigerante líquido que está acumulado en el compresor, dañe el compresor.
La Literatura de Patente 2 describe que la dirección de una corriente que fluye hasta un devanado del estator de un motor se invierte cíclicamente controlando un ciclo de conducción/corte de un elemento de conmutación. En consecuencia, no solo se produce la generación de calor a causa de una pérdida óhmica sino también la generación de calor por una pérdida de histéresis, de modo que se puede realizar un precalentamiento suficiente con un menor consumo de corriente, mejorando con ello la eficiencia energética.
Lista de citaciones
Literatura de Patentes
Literatura de Patente 1: Solicitud de Patente japonesa abierta al público núm. 8-226714;
Literatura de Patente 2: Solicitud de Patente japonesa abierta al público núm. 11-159467.
Sumario
Problema técnico
En la técnica descrita en la Literatura de Patente 1, debido a que se provoca que circule la corriente de fase abierta, la corriente no fluye hasta todos los devanados, y por tanto el compresor no puede ser calentado de manera uniforme. Además, cuando se provoca que circule la corriente de fase abierta, usando un inversor, hasta un motor síncrono de imán permanente que tiene una relación de relevancia, la inductancia de un devanado depende de la posición del rotor. Por lo tanto, la corriente puede fluir por todas la fases según la posición del rotor, haciendo con ello que sea difícil que circule corriente de fase abierta.
En la técnica descrita en la Literatura de Patente 2, uno cualquiera de los elementos de conmutación con un extremo conectado a un lado de fuente de potencia se lleva repetidamente a conducción y a corte durante un número predeterminado de veces en un período de tiempo predeterminado. Simultáneamente con todo esto, dos cualesquiera de los elementos de conmutación con un extremo conectado a un lado de tierra, se llevan a conducción durante el período predeterminado de tiempo, y después se invierte la corriente que circula por la bobina del estator. Por lo tanto, la frecuencia de la corriente que se provoca que circule hasta el devanado no puede ser de frecuencia alta, y por lo tanto existe una limitación sobre la generación de pérdidas en el hierro con el uso de la alta frecuencia y no se puede mejorar la eficiencia. Además, se puede generar ruido.
Un objeto de la presente invención consiste en calentar un refrigerante acumulado en un compresor eficazmente.
Solución al problema
Un dispositivo de bomba de calor según la presente invención incluye: un compresor que tiene un mecanismo de compresión que comprime un refrigerante; un motor que opera el mecanismo de compresión proporcionado en el compresor; un inversor trifásico que aplica una tensión predeterminada al motor y que está configurado por circuitos de conexión, conectados en serie, de dos elementos de conmutación en paralelo para las tres fases; y una unidad de control de inversor que controla el inversor trifásico, en donde la unidad de control de inversor incluye una unidad de conmutación de fase que conmuta una fase θ1 y una fase θ2 diferente de la fase θ1 sustancialmente en 180 grados y proporciona la salida la fase, sincrónicamente con una señal de referencia que tiene una frecuencia predeterminada, una unidad de adición que cambia un valor n, el cual es un número entero igual o mayor que 0, para cada tiempo predeterminado, y presenta a la salida una fase θ3 obtenida por adición de una fase θplus, la cual es n veces la magnitud de 60 grados, a la salida de fase procedente de la unidad de conmutación de fase, una unidad de generación de tensión que genera valores de comando Vu*, Vv*, y Vw* de tensión trifásica en base a la salida de fase θ3 mediante la unidad de adición y presenta a la salida estos valores de comando de tensión, y una unidad de generación de señal de excitación que compara los valores de comando de tensión trifásica Vu*, Vv* y Vw* de salida desde la unidad de generación de tensión con la señal de referencia para generar seis señales excitadoras correspondientes a elementos de conmutación respectivos del inversor trifásico, y presenta a la salida señales excitadoras generadas respectivas para los elementos de conmutación correspondientes del inversor 2 5
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trifásico, generando con ello una tensión de AC de alta frecuencia en el inversor trifásico.
Efectos ventajosos de la invención
El dispositivo de bomba de calor según la presente invención genera señales excitadoras basadas en la fase θ1 y en la fase θ2 conmutadas y presentadas en la salida en sincronía con una señal de portadora. Por consiguiente, se puede generar una tensión de alta frecuencia que tiene una alta precisión de forma de onda de salida, y el refrigerante acumulado en el compresor puede ser calentado eficazmente, mientras que se suprime la generación de ruido.
Además, el dispositivo de bomba de calor según la presente invención genera señales excitadoras en base a la fase θ3 obtenida por adición de la fase θplus cambiada durante cada tiempo predeterminado a la fase θ1 o la fase θ2. Por consiguiente, incluso en el caso de un motor de MPI, el refrigerante acumulado en el compresor puede ser calentado apropiadamente, con independencia de la posición de parada del rotor.
En particular, puesto que la fase θplus es un múltiplo entero de 60 grados, el ruido del motor, las vibraciones del eje del motor, y similares, causados por una distorsión o similar de una forma de onda de la corriente, pueden ser suprimidos.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 representa una configuración de un dispositivo de bomba de calor 100 según un primer ejemplo; La Figura 2 representa una forma de onda de entrada/salida de una unidad de generación de señal de PWM 17; La Figura 3 es un diagrama de flujo de la operación de una unidad de control de inversor 11; La Figura 4 representa una configuración del dispositivo de bomba de calor 100 según un segundo ejemplo; La Figura 5 es un diagrama de tiempo cuando una unidad de conmutación de fase 19 conmuta las fases θ1 y θ2
alternativamente en instantes de niveles superiores y niveles inferiores de una señal de portadora; La Figura 6 es un diagrama explicativo de un cambio en un vector de tensión mostrado en la Figura 5; La Figura 7 es un diagrama de tiempo cuando la unidad de conmutación de fase 19 conmuta las fases θ1 y θ2
alternativamente en instantes de los niveles inferiores de la señal de portadora;
La Figura 8 es un diagrama explicativo de la posición de un rotor (una posición de parada del rotor) de un motor de MPI; La Figura 9 representa un cambio de corriente debido a la posición del rotor; La Figura 10 representa una configuración del dispositivo de bomba de calor 100 según una primera realización de
la invención; La Figura 11 representa una tensión aplicada cuando θplus se cambia con el transcurso del tiempo; La Figura 12 es un diagrama explicativo de una tensión intermedia; La Figura 13 es un diagrama de tiempo en el momento en que θplus es de 45 grados, cuando la unidad de
conmutación de fase 19 conmuta las fases θ1 y θ2 alternativamente en los instantes de niveles superiores y niveles
inferiores de la señal de portadora; La Figura 14 representa un flujo de corriente a fases UVW respectivas de un motor, cuando θplus es 0 grados, 30 grados y 60 grados;
La Figura 15 representa una forma de onda de la corriente cuando se conmuta una fase de energización;
La Figura 16 representa una relación entre la θplus y una amplitud de salida A por medio de una unidad de amplitud de salida 16; La Figura 17 representa un estado en que la forma de onda de la corriente se mejora cambiando la amplitud A
conforme a la conmutación de la θplus;
La Figura 18 representa un circuito excitador 21 que excita elementos de conmutación 18 respectivos de un inversor 9, tras la recepción de señales PWM desde la unidad de generación de señal de PWM 17; La Figura 19 representa una relación entre la θplus y la generación de un pulso de carga; La Figura 20 es un diagrama de configuración de circuito del dispositivo de bomba de calor 100 según una
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realización;
La Figura 21 es un diagrama de Mollier de un estado refrigerante en el dispositivo de bomba de calor 100 mostrado en la Figura 20.
Descripción de realizaciones
Primer ejemplo
En un primer ejemplo, se explica una configuración básica y las operaciones de un dispositivo de bomba de calor
100.
La Figura 1 representa una configuración del dispositivo de bomba de calor 100 según el primer ejemplo.
El dispositivo de bomba de calor 100 incluye un ciclo de refrigeración en el que un compresor 1, una válvula 2 de cuatro vías, un intercambiador de calor 3, un mecanismo de expansión 4, y un intercambiador de calor 5 están conectados secuencialmente por medio de un conducto de refrigerante 6. Un mecanismo de compresión 7 que comprime un refrigerante, y un motor 8 que acciona el mecanismo de compresión 7, han sido previstos en el interior del compresor 1.
Un inversor 9 que aplica una tensión al motor 8 para accionar el motor 8, está conectado eléctricamente al motor 8 e incluye una unidad de detección de tensión de barra colectora 10 que detecta una tensión de barra colectora, la cual es una tensión de la fuente de potencia del inversor 9. Un terminal de entrada de control del inversor 9 está conectado a una unidad de control de inversor 11. La unidad de control de inversor 11 incluye una unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 (unidad de detección), una unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13, un integrador 14, una unidad de salida de comando del número de rotaciones 15, una unidad de salida de amplitud 16 y una unidad de generación de señal de PWM 17 (unidad de generación de señal de excitación).
El inversor 9 es un inversor trifásico en el que circuitos conectados en serie de dos elementos de conmutación (18a y 18d, 18b y 18e, y 18c y 18f) están conectados en paralelo para las tres fases. Usando señales UP, VP, WP, UN, VN y WN (señales de excitación) de PWM, transmitidas desde la unidad de control de inversor 11, el inversor 9 excita los elementos de conmutación respectivamente correspondientes a las señales de PWM (excitadores de UP 18a, excitadores de VP 18b, excitadores de WP 18c, excitadores de UN 18d, excitadores de VN 18e, y excitadores de WN 18f).
En la unidad de control de inversor 11, cuando la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 ha determinado que un refrigerante líquido se ha acumulado en el compresor 1 (un estado en el que el refrigerante está encharcado), la unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13 obtiene niveles de comando de tensión Vu*, Vv*, y Vw* para ser aplicados al motor 8. La unidad de generación de señal de PWM 17 genera las señales de PWM en base a los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* obtenidos por la unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13.
Se va a explicar en lo que sigue un método de generación de las señales de PWM por medio de la unidad de generación de señal de PWM 17.
La Figura 2 representa una forma de onda de entrada/salida de la unidad de generación de señal de PWM 17.
Por ejemplo, se define que los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* son ondas coseno (ondas seno) con cada fase diferente de las otras en 2/3 según se muestra en las ecuaciones (1) a (3). Sin embargo, A indica una amplitud del valor de comando de tensión y θ indica una fase del valor de comando de tensión.
(1)
Vu* = Acosθ
(2)
Vv* = Acos(θ-(2/3))
(3)
Vw* = Acos(θ+(2/3))
La unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13 calcula los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* conforme a las ecuaciones (1) a (3) en base a un comando de fase de tensión θ obtenido por integración de una salida * de comando del número de rotaciones por medio de la unidad de salida de comando del número de rotaciones 15 por parte del integrador 14, y una salida de amplitud A por medio de la unidad de salida de amplitud
16. La unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13 presenta a la salida los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* calculados para la unidad de generación de señal de PWM 17. La unidad de generación de señal de PWM 17 compara los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* con una señal de portadora (señal de referencia) que tiene una amplitud Vdc/2 a una frecuencia predeterminada, y genera las señales UP, VP, WP, UN, VN y WN de PWM en base a las relaciones de magnitud entre los valores de comando de tensión y la señal de portadora. Vdc es la tensión de barra colectora detectada por la unidad de detección de tensión de barra colectora
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10.
Por ejemplo, cuando el valor de comando de tensión Vu* es mayor que la señal de portadora, la UP se presenta a la salida como una tensión para llevar a conducción el elemento de conmutación 18a y la UN se presenta a la salida como una tensión para llevar a corte el elemento conmutador 18d. Cuando el valor de comando de tensión Vu* es más pequeño que la señal de portadora, la UP se presenta a la salida como una tensión para llevar a corte el elemento de conmutación 18a y la UN se presenta a la salida como una tensión para llevar a conducción el elemento de conmutación 18d. Esto mismo se aplica a otras señales, y VP y VN se determinan por comparación entre el valor de comando de tensión Vv* y la señal de portadora, y WP y WN se determinan por comparación entre el valor de comando de tensión Vw* y la señal de portadora.
Puesto que un inversor adopta en general un sistema de PWM complementario, las UP y UN, VP y VN, y WP y WN tienen cada una de ellas una relación opuesta a las otras. Por lo tanto, existen ocho patrones de conmutación en total, y combinando los ocho patrones de conmutación, el inversor presenta a la salida la tensión.
Los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* pueden ser obtenidos usando modulación de dos fases, Modulación de Inyección de Tercer Armónico, modulación de vector espacial, o similar, distintos de las ecuaciones
(1) a (3).
A continuación se explica una operación de la unidad de control de inversor 11.
La Figura 3 es un diagrama de flujo de una operación de la unidad de control de inversor 11.
(S1: Etapa de determinación de calentamiento)
Durante la parada del compresor 1, la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 determina si se ha acumulado un refrigerante líquido en el compresor 1.
Cuando se ha determinado que el refrigerante líquido se ha acumulado en el compresor 1 (SÍ en S1), el proceso avanza a S2, y la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 genera una señal de PWM para precalentamiento. Por otra parte, cuando se ha determinado que el refrigerante líquido no se ha acumulado en el compresor 1 (NO en S1), la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 determina de nuevo si el refrigerante líquido se ha acumulado en el compresor 1, después de que haya pasado un tiempo predeterminado.
(S2: Etapa de generación de valor de comando de tensión)
La unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13 obtiene el comando de fase de tensión θ integrando el comando de número de rotaciones * puesto a la salida por la unidad de salida de comando de número de rotaciones 15 por medio del integrador 14. La unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13 calcula los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* conforme a las ecuaciones (1) a (3) usando el comando de fase de tensión θ y la amplitud A presentada en la salida por la unidad de salida de amplitud 16, y presenta a la salida los valores de comando de tensión para la unidad de generación de señal de PWM 17.
(S3: Etapa de generación de señal PWM)
La unidad de generación de señal de PWM 17 compara los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* presentados a la salida por la unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13, con la señal de portadora, para obtener las señales UP, VP, WP, UN, VN y WN de PWM, y presenta a la salida estas señales de PWM para el inversor 9. Por lo tanto, los elementos de conmutación 18a a 18f del inversor 9 son impulsados a aplicar una tensión de alta frecuencia. Aplicando la tensión de alta frecuencia al motor 8, el motor 8 se calienta eficazmente debido a las pérdidas en el hierro del motor 8 y a una pérdida en el cobre generada por la corriente que fluye hasta el devanado. El refrigerante líquido acumulado en el compresor 1 se calienta y se gasifica mediante el calentamiento del motor 8, y escapa al exterior del compresor 1.
(S4: Etapa de determinación de finalización)
La unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 determina si el refrigerante ha escapado del compresor
1.
Cuando se ha determinado que el refrigerante se ha fugado (SÍ en S4), la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 determina que el dispositivo retorna a un estado normal, y acaba la aplicación de tensión al motor
8. Por otra parte, Cuando el refrigerante no se ha fugado (NO en l S4), el proceso vuelve a S2, para continuar generando la señal de PWM para precalentamiento.
Se explica un método de determinación de si el refrigerante líquido se ha acumulado en el compresor 1 por medio de la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 en S1.
El estado en que el refrigerante líquido se acumula en el compresor 1 ocurre en general cuando la temperatura del compresor 1 es la más baja entre los dispositivos que constituyen el ciclo de refrigeración. El compresor 1 está 5 10
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hecho de metal, y la capacidad de calentamiento del mismo es la mayor en el ciclo de refrigeración, y un cambio de temperatura se produce de forma lenta. Por lo tanto, cuando la temperatura del aire exterior se eleva, la elevación en la temperatura del compresor 1 es más lenta que en otros dispositivos de los que constituyen el ciclo de refrigeración. En consecuencia, cuando ha temperatura del aire exterior se ha elevado y ha transcurrido un tiempo, la temperatura del compresor 1 resulta ser más baja que la de los otros dispositivos, y el refrigerante líquido se acumula en el compresor 1. En ese momento, la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 puede detectar o estimar el estado y puede calentar el compresor.
Por ejemplo, cuando la temperatura del aire exterior se ha elevado mediante una temperatura predeterminada o mayor en comparación con la temperatura anterior a que haya transcurrido un tiempo predeterminado, la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 determina que el refrigerante líquido se ha acumulado en el compresor 1. Además, la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 puede comparar las temperaturas de los dispositivos que constituyen el ciclo de refrigeración distintos del compresor 1 y la temperatura del aire exterior con la temperatura del compresor 1. Cuando la temperatura del compresor 1 es más baja que esas temperaturas, la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 puede determinar que el refrigerante líquido se ha acumulado en el compresor 1. Además, puesto que la temperatura del compresor 1 resulta ser la más baja entre los dispositivos que constituyen el ciclo de refrigeración desde la mañana temprano hasta la tarde cuando se eleva la temperatura, la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 puede determinar que el refrigerante líquido se ha acumulado en el compresor 1 desde la mañana temprano hasta la tarde.
De esta manera, cuando la unidad de autorización de calentamiento del compresor 12 determina que el refrigerante líquido se ha acumulado en el compresor 1, el compresor 1 se calienta, permitiendo con ello que se caliente el refrigerante líquido de manera fiable y se reduzca el consumo de potencia.
Además, se puede aplicar una tensión cada vez que haya transcurrido un tiempo predeterminado (por ejemplo, 12 horas) desde el apagado del compresor 1, teniendo en cuenta en dicho estado que la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 no puede determinar de manera precisa el estado en el que se ha acumulado el refrigerante líquido en el compresor 1 debido a un error de detección. Por lo tanto, se puede suprimir la rotura del compresor debida a la compresión del refrigerante líquido y el agarrotamiento del motor debido a la dilución de un lubricante.
El comando de número de rotaciones * presentado a la salida por la unidad de salida de comando de número de rotaciones 15 en S2 va a ser explicado a continuación.
Si se aplica al motor 8 la tensión de alta frecuencia más alta que la frecuencia operativa en el instante de una operación de compresión, el rotor del motor 8 no puede seguir la frecuencia, y no se genera ninguna rotación o amplitud. Por lo tanto, en S2, es preferible que la unidad de salida de comando de número de rotaciones 15 presente a la salida el comando de número de rotaciones * que sea igual o mayor que la frecuencia operativa en el momento de la operación de compresión.
Generalmente, la frecuencia operativa en el momento de la operación de compresión es de 1 kilohertzio como máximo. Por lo tanto, es suficiente que se aplique al motor 8 una tensión de alta frecuencia que sea igual o mayor que 1 kilohertzio. Si la tensión de alta frecuencia aplicada al motor 8 es igual o mayor de 14 kilohertzios, dado que el ruido de vibración del núcleo de hierro de un motor 8 se acerca aproximadamente al límite superior de una frecuencia audible, es también eficaz para reducir el ruido. Por ejemplo, la unidad de salida de comando de número de rotaciones 15 presenta a la salida el comando de número de rotaciones * con el fin de obtener una tensión de alta frecuencia de aproximadamente 20 kilohertzios.
Sin embargo, cuando la frecuencia de la tensión de alta frecuencia excede una frecuencia nominal máxima de los elementos de conmutación 18a a 18f, se aplica una carga debida a rotura de los elementos de conmutación 18a a 18f o la fuente de potencia se ve cortocircuitada, y se puede desprender humo o puede ocurrir una ignición. Por lo tanto, es preferible que la frecuencia de la tensión de alta frecuencia sea igual o menor que la frecuencia nominal máxima con el fin de asegurar la fiabilidad.
La amplitud A presentada a la salida por la unidad de salida de amplitud 16 en S2 va a ser explicada a continuación.
Se puede ajustar la cantidad de calentamiento mediante la magnitud de la amplitud A. La cantidad de calentamiento requerida es diferente dependiendo del tamaño del compresor 1 y de las condiciones ambientales tal como la temperatura del aire exterior.
El tamaño del compresor 1 se determina en el momento del envío del producto. Por lo tanto, se puede determinar una gama aproximada para la amplitud A dependiendo del tamaño del compresor 1 en el momento del envío del producto. Las condiciones ambientales cambian dependiendo del lugar, el período y el momento de la instalación. La gama aproximada de la amplitud A determinada en función del tamaño del compresor 1 en el momento del envío del producto se almacena en una memoria. La unidad de salida de amplitud 16 mide la temperatura del aire exterior y similar mediante un sensor de temperatura, y controla el tamaño de la amplitud A que debe ser presentada a la salida dentro de una gama determinada en el momento del envío del producto, dependiendo de las condiciones
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ambientales tal como la temperatura del aire exterior medida.
Ahora se va a explicar a continuación un método de determinación de fugas del refrigerante a través de la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 en S4.
Según se ha descrito con anterioridad, cuando la temperatura del compresor es la más baja entre los dispositivos que constituyen el ciclo de refrigeración, el refrigerante líquido se acumula en el compresor 1. Por el contrario, si la temperatura del compresor 1 no es la más baja entre los dispositivos que constituyen el ciclo de refrigeración, el refrigerante escapa.
Por lo tanto, por ejemplo, la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 compara las temperaturas de los dispositivos que constituyen el ciclo de refrigeración distintos del compresor 1 y de la temperatura del aire exterior con la temperatura del compresor 1, y si el estado en que la temperatura del compresor 1 sigue siendo más alta que la de otros dispositivos y la del aire exterior durante un tiempo predeterminado o mayor, la unidad de autorización de calentamiento de compresor 12 determina que el refrigerante ha escapado.
Según se ha descrito con anterioridad, en el dispositivo de bomba de calor 100 según el primer ejemplo, cuando el refrigerante líquido se ha acumulado en el compresor 1, la tensión de alta frecuencia se aplica al motor 8, permitiendo con ello el calentamiento del motor 8 de forma eficaz, mientras que se suprime el ruido. En consecuencia, el refrigerante acumulado en el compresor 1 puede ser calentado eficazmente, y se puede provocar que el refrigerante acumulado escape al exterior del compresor 1.
Un motor que tiene una estructura de MPI y un motor de devanado concentrado que tiene un extremo de bobina pequeño y una resistencia de devanado baja, han sido recientemente usados de manera amplia para motor de compresor para el dispositivo de bomba de calor con el fin de lograr una alta eficiencia. Puesto que el motor de devanado concentrado tiene una resistencia de bobinado pequeña y la cantidad de generación de calor debida a pérdidas en el cobre es pequeña, se requiere provocar que una cantidad grande de corriente fluya hasta el devanado. Cuando se provoca que una cantidad grande de corriente fluya hasta el devanado, la corriente que fluye hasta el inversor 9 también se incrementa y las pérdidas en el inversor se incrementan.
Por lo tanto, si el calentamiento se realiza aplicando la tensión de alta frecuencia según se ha descrito con anterioridad, se incrementa la componente de inductancia debido a la alta frecuencia, y se incrementa la impedancia del devanado. Por lo tanto, aunque la corriente que fluye hasta el devanado disminuye y las pérdidas en el cobre disminuyen, se producen pérdidas en el hierro debidas a la aplicación de la tensión de alta frecuencia y el refrigerante puede ser calentado eficazmente. Puesto que la corriente que fluye hasta el devanado disminuye, la corriente que circula hasta el inversor también disminuye, permitiendo con ello que disminuyan las pérdidas del inversor 9 y que se realice un calentamiento altamente eficiente.
Si el calentamiento se realiza aplicando la tensión de alta frecuencia según se ha descrito con anterioridad, cuando el compresor es el motor que tiene la estructura de MPI, una superficie de rotor sobre la que interaccionan los flujos magnéticos de alta frecuencia se convierte en una parte generadora de calor. Por lo tanto, dado que se puede lograr un incremento de la superficie de contacto con el refrigerante y un calentamiento rápido del mecanismo de compresión, el refrigerante puede ser calentado eficazmente.
Una tendencia en la actualidad consiste normalmente en usar un semiconductor fabricado con silicio (Si) generalmente para los elementos de conmutación 18a a 18f que constituyen el inversor 9 y elementos de diodo conectados a los elementos de conmutación en paralelo. Sin embargo, se puede usar un semiconductor de banda prohibida ancha fabricado con carburo de silicio (SiC), nitruro de galio (GaN) o diamante, en lugar de los primeros.
Los elementos de conmutación y los elementos de diodo formados por tal semiconductor de banda prohibida ancha, tienen una alta resistencia a la tensión y una alta densidad de corriente admisible. Por lo tanto, los elementos de conmutación y los elementos de diodo pueden ser reducidos de tamaño, y se puede reducir de tamaño un módulo semiconductor que incorpore esos elementos en el mismo con el uso de los elementos de conmutación y elementos de diodo de tamaño reducido.
Además, el elemento de conmutación y el elemento de diodo formados con el semiconductor de banda prohibida ancha tienen una alta resistencia al calor. Por lo tanto, se puede reducir el tamaño de una aleta de radiación de un sumidero de calor, y una parte de refrigeración con agua puede ser enfriada con aire, permitiendo con ello una reducción de tamaño adicional del módulo semiconductor.
La pérdida de potencia del elemento de conmutación y del elemento de diodo formados con el semiconductor de banda prohibida ancha, es baja. Por lo tanto, el elemento de conmutación y el elemento de diodo pueden fabricarse de manera altamente eficiente, permitiendo con ello que el módulo semiconductor sea altamente eficiente.
Se prefiere que tanto el elemento de conmutación como el elemento de diodo estén formados con el semiconductor de banda prohibida ancha. Sin embargo, puede ocurrir que ninguno de los elementos sea fabricado con el semiconductor de banda prohibida ancha, y que se obtengan efectos idénticos a los descritos en el presente ejemplo.
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Se pueden obtener efectos idénticos usando un MOSFET Transistor de Efecto de Campo de Semiconductor de Óxido Metálico) que tenga una superestructura de unión, el cual se sabe que es un elemento de conmutación altamente eficiente.
Además, en un compresor que tiene un mecanismo de desplazamiento, la mitigación de la alta presión desde una cámara de compresión resulta difícil. Por lo tanto, se aplica un esfuerzo excesivo al mecanismo de compresión en el momento de la compresión del líquido y la posibilidad de rotura es alta, en comparación con un compresor que adopte otro sistema. Sin embargo, en el dispositivo de bomba de calor 100 según la primera realización, resulta posible el calentamiento eficiente del compresor, y se puede suprimir la acumulación de refrigerante líquido en el compresor. En consecuencia, se puede evitar la compresión del líquido, e incluso cuando el compresor de desplazamiento se usa como compresor 1, el dispositivo de bomba de calor 100 conforme a la primera realización resulta efectivo.
Además, en el caso de un dispositivo de calentamiento que tenga una frecuencia de 10 kilohertzios y una salida que exceda de 50 vatios, el dispositivo de calentamiento puede estar sujeto a limitaciones por ley. Por lo tanto, la amplitud del valor de comando de tensión puede estar ajustada de antemano de modo que la salida no exceda de 50 vatios, o se puede realizar un control de realimentación de modo que la salida llegue a ser de 50 vatios o más baja mediante detección del flujo de corriente y de la tensión.
Segundo ejemplo
A continuación se explica un método de generación de tensión de alta frecuencia según un segundo ejemplo.
En el caso de un inversor general, se determina un límite superior de una frecuencia de portadora, la cual es la frecuencia de la señal de portadora, mediante la velocidad de conmutación del elemento de conmutación del inversor. En el caso de un IGBT de tipo general (Transistor Bipolar de Puerta Aislada), el límite superior de la velocidad de conmutación es de aproximadamente 20 kilohertzios. Por lo tanto, es difícil presentar a la salida una tensión de alta frecuencia igual a, o mayor que, la frecuencia de la portadora, la cual es una onda portadora.
Cuando la frecuencia de la tensión de alta frecuencia es de aproximadamente 1/10 de la frecuencia de la portadora, esto puede tener efectos adversos de tal modo que se deteriore la precisión de la salida de forma de onda de la tensión de alta frecuencia, y se superponga una componente de DC. Cuando la frecuencia de la portadora se establece en 20 kilohertzios teniendo en cuenta este punto, si la frecuencia de la tensión de alta frecuencia se establece en un valor igual o menor que 2 kilohertzios, el cual es 1/10 de la frecuencia de la portadora, la frecuencia de la tensión de alta frecuencia está en una gama de frecuencia de audio y existe el temor de un incremento de ruido.
La Figura 4 representa una configuración del dispositivo de bomba de calor 100 según la segunda realización.
El dispositivo de bomba de calor 100 según el segundo ejemplo es idéntico al dispositivo de bomba de calor 100 conforme al primer ejemplo, salvo en que incluye una unidad de conmutación de fase 19 en vez del integrador 14 y la unidad de salida de comando de número de rotaciones 15. Por lo tanto, los mismos elementos constituyentes han sido indicados mediante iguales signos de referencia y se omitirá la explicación de los mismos, y solamente se explicarán las características diferentes.
En el primer ejemplo, el comando de número de rotaciones * se integra por medio del integrador 14 para obtener la fase θ del valor de comando de tensión. Mientras tanto, en el segundo ejemplo, la unidad de conmutación de fase 19 conmuta alternativamente dos tipos de fases, es decir, la fase θ1 y la fase θ2 que es diferente de la fase θ1 sustancialmente en 180 grados, y designa la fase como fase del valor de comando de tensión.
En las explicaciones que siguen, se supone que θ1 = 0 (grados) y θ2 = 180 (grados).
A continuación se van a explicar las operaciones de la unidad de control de inversor 11.
Dado que las operaciones de la unidad de control de inversor 11, conforme al segundo ejemplo, son idénticas a las de la unidad de control de inversor 11 según el primer ejemplo salvo en lo que se refiere a la operación de S2 mostrada en la Figura 3, se van a omitir las explicaciones de las mismas.
En S2, la unidad de conmutación de fase 19 conmuta las fases θ1 y θ2 alternativamente en instantes de niveles superiores (picos) o de niveles inferiores (partes bajas) de la señal de portadora, o en instantes de los niveles superiores y de los niveles inferiores, y presenta a la salida la fase para la unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13 como fase θ del valor de comando de tensión. La unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13 obtiene los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* conforme a las ecuaciones (1) a (3) usando el comando de fase de tensión θ y la amplitud A presentada a la salida por la unidad de salida de amplitud 16, y presenta a la salida los valores de comando de tensión para la unidad de generación de señal de PWM 17.
La unidad de conmutación de fase 19 conmuta las fases θ1 y θ2 en los instantes de picos (niveles superiores) o bajos (niveles inferiores) de la señal de portadora, o en instantes de picos y partes bajas, permitiendo con ello poner
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a la salida la señal de PWM sincrónicamente con la señal de portadora.
La Figura 5 es un diagrama de tiempo en el que la unidad de conmutación de fase 19 conmuta las fases θ1 y θ2 alternativamente en instantes de los niveles superiores y los niveles inferiores de la señal de portadora. Los estados de conducción/corte de las señales UP y UN, VP y VN, y WP y WN de PWM, son opuestos entre sí, respectivamente, y si uno de los estados de conducción/corte se pone de manifiesto, el otro se pone de manifiesto también, y de ese modo solamente se muestran las señales UP, VP y WP de PWM.
Según se muestra en la Figura 5, las señales de PWM cambian, y los vectores de tensión cambian en un orden de V0 (UP=VP=WP=0), V4 (UP=1, VP=WP=0), V7 (UP=VP=WP=1), V3 (UP=0, VP=WP=1), V0 (UP=VP=WP=0), ....
La Figura 6 es un diagrama explicativo de un cambio en el vector de tensión mostrado en la Figura 5. En la Figura 6, se expresa que los elementos de conmutación 18 encerrados por medio de una línea discontinua están en conducción, y los elementos de conmutación 18 que no están encerrados por ninguna línea discontinua, están en corte.
Según se muestra en la Figura 6, cuando se aplica el vector V0 y el vector V7, no fluye ninguna corriente. En el momento de aplicar el vector V4, en el devanado del motor 8, fluye una corriente en una dirección de fase U (una corriente +Iu) hasta el motor 8 a través de una fase U, y sale desde el motor 8 a través de una fase V y de una fase
W. En el instante de aplicar el vector V3, en el devanado del motor 8, fluye una corriente en una dirección de fase –U (una corriente –Iu) hasta el motor 8 a través de la fase V y de la fase W, y sale del motor 8 a través de la fase U. Es decir, las corrientes con direcciones opuestas entre sí fluyen hasta el bobinado del motor 8 en el momento de aplicar el vector V4 y en el momento de aplicar el vector V3. Puesto que el vector de tensión cambia en el orden de V0, V4, V7, V3, V0, ...., la corriente +Iu y la corriente –Iu fluyen alternativamente hasta el devanado del motor 8. En particular, según se muestra en la Figura 5, puesto que el vector V4 y el vector V3 aparecen en un ciclo de portadora (1/fc), una tensión de AC síncrona con una frecuencia de portadora fc puede ser aplicada al devanado del motor 8.
Puesto que el vector V4 (la corriente +Iu) y el vector V3 (la corriente –Iu) se presentan en la salida alternativamente, se conmutan instantáneamente pares de torsión directo e inverso. Por lo tanto, puesto que los pares de torsión se anulan, la tensión puede ser aplicada mientras que se eliminan las vibraciones del rotor.
La Figura 7 es un diagrama de tiempos cuando la unidad de conmutación de fase 19 conmuta las fases θ1 y θ2 alternativamente en momentos de niveles inferiores de la señal de portadora.
Las señales de PWM cambian según se muestra en la Figura 7, y los vectores de tensión cambian en el orden de V0, V4, V7, V7, V3, V0, V0, V3, V7, V7, V4, V0, .... Puesto que el vector V4 y el vector V3 aparecen en dos ciclos de portadora, se puede aplicar la tensión de AC a ½ de la frecuencia de la portadora al devanado del motor 8.
Según se ha descrito con anterioridad, en el dispositivo de bomba de calor 100 conforme al segundo ejemplo, dos tipos de fases, es decir la fase θ1 y la fase θ2 que difiere de la fase θ1 sustancialmente en 180 grados, son conmutadas alternativamente de forma síncrona con la señal de portadora, y designadas como la fase del valor de comando de tensión. En consecuencia, la tensión de alta frecuencia síncrona con la frecuencia de portadora puede ser suministrada al devanado del motor 8.
Primera realización de la invención
En la primera realización, se explica un método de formación de una cantidad de calentamiento constante incluso en el caso de que se use el motor de MPI.
La Figura 8 es un diagrama explicativo de una posición del rotor (una posición de parada del rotor) del motor de MPI. Una posición de rotor  del motor de MPI viene expresada por la magnitud de un ángulo con el que se desvía una dirección del polo N del rotor desde la dirección de fase U.
La Figura 9 representa un cambio de corriente debido a la posición del rotor. En el caso de un motor MPI, la inductancia del devanado depende de la posición del rotor. Por lo tanto, la impedancia del devanado, que se expresa mediante un producto de una frecuencia angular eléctrica  y un valor de inductancia, fluctúa conforme a la posición del rotor. Por lo tanto, incluso aunque se aplique la misma tensión, la corriente que fluye hasta el devanado del motor 8 fluctúa y cambia la cantidad de calentamiento.
La Figura 10 representa una configuración del dispositivo de bomba de calor 100 según la tercera realización.
El dispositivo de bomba de calor 100 según la primera realización es idéntico al dispositivo de bomba de calor 100 según el segundo ejemplo mostrado en la Figura 4, salvo en que se ha añadido un sumador 20 (unidad de adición). Por lo tanto, los elementos constituyentes iguales han sido indicados mediante los mismos signos de referencia y se va a omitir la explicación de los mismos, y solamente se explican las características diferentes.
En el segundo ejemplo, la unidad de conmutación de fase 19 conmuta los dos tipos de fases, es decir, las fases 1 y 2 alternativamente, y designa la fase como fase del valor de comando de tensión, aplicando con ello la tensión de
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AC a la frecuencia de la portadora o a ½ de la frecuencia de la portadora, al devanado del motor 8. En este caso, la fase de energización está limitada a las dos fases de entre la fase 1 y la fase 2 que tiene una diferencia de fase de 180 grados con respecto a la fase 1. Por lo tanto, incluso aunque se aplique la misma tensión, la corriente que fluye hasta el devanado del motor 8 fluctúa según la posición del rotor, y la cantidad de calentamiento cambia. Como resultado, se puede consumir mucha potencia para lograr la cantidad de calentamiento requerida dependiendo de la posición del rotor.
Las operaciones de la unidad de control de inversor 11 se explican a continuación.
Puesto que las operaciones de la unidad de control de inversor 11 según la presente realización son idénticas a las de la unidad de control de inversor 11 según el primer y el segundo ejemplos excepto en la operación de S2 en la Figura 3, se va a omitir la explicación de las mismas.
En S2, la unidad de conmutación de fase 19 conmuta las fases θ1 y θ2 alternativamente en los momentos de niveles superiores o niveles inferiores de la señal de portadora o en los momentos de los niveles superiores y los niveles inferiores, y presenta a la salida la fase. El sumador 20 suma la componente de cambio de fase θplus que cambia con el transcurso del tiempo hasta la fase presentada a la salida por la unidad de conmutación de fase 19 para designar la fase obtenida como fase θ3, y presenta a la salida la fase θ3 para la unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13 como comando de fase de tensión θ. La unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia 13 obtiene los valores de comando de tensión Vu*, Vv* y Vw* conforme a las ecuaciones (1) a (3) usando el comando de fase de tensión θ y la amplitud A presentada a la salida por la unidad de salida de amplitud 16, y presenta a la salida los valores de comando de tensión para la unidad de generación de señal de PWM 17.
El sumador 18 suma la componente de cambio de fase θplus a las fases θ1 y θ2 para provocar que la fase del valor de comando de tensión cambie con el paso del tiempo, permitiendo con ello que se caliente el compresor 1 de manera uniforme con independencia de la posición del rotor.
La Figura 11 representa una tensión aplicada cuando la θplus cambia con el transcurso del tiemplo.
La θplus cambia en 45 grados tal como a 0 grados, 45 grados, 90 grados, 135 grados, .... con el transcurso del tiempo. Cuando θplus es de 0 grados, la fase θ del valor de comando de tensión se hace de 0 grados y 180 grados. Cuando la θplus es de 45 grados, la fase θ del valor de comando de tensión se hace de 45 grados y 225 grados. Cuando la θplus es de 90 grados, la fase θ del valor de comando de tensión se hace de 90 grados y 270 grados. Cuando la θplus es de 135 grados, la fase θ del valor de comando de tensión se hace de 135 grados y 315 grados.
Es decir, la θplus se establece en primer lugar en 0 grados, y la fase θ del valor de comando de tensión conmuta entre 0 grados y 180 grados sincrónicamente con la señal de portadora durante un tiempo predeterminado. A continuación, la θplus es conmutada a 45 grados, y la fase θ del valor de comando de tensión conmuta entre 45 grados y 225 grados sincrónicamente con la señal de portadora para un instante predeterminado. A continuación, la θplus es conmutada a 90 grados, ...., y la fase θ del valor de comando de tensión conmuta entre 0 grados y 180 grados, entre 45 grados y 225 grados, entre 90 grados y 270 grados, entre 135 grados y 315 grados, .... para cada instante predeterminado.
Por consiguiente, debido a que la fase de energización de la tensión de AC de alta frecuencia cambia con el paso del tiempo, el compresor 1 puede calentarse uniformemente sin depender de la posición del rotor.
La Figura 12 es un diagrama explicativo de una tensión intermedia. La tensión intermedia es una tensión que tiene una fase en una dirección diferente de las fases respectivas (fase U, fase –U, fase V, fase –V, fase W y fase –W).
El inversor 9 puede llevar a cabo la conmutación solamente según ocho patrones de V0 a V7. Por lo tanto, si la fase de energización conmuta según se muestra en .la Figura 11, por ejemplo, cuando la θplus es de 45 grados, la tensión intermedia mostrada en la Figura 12 es generada por los vectores de tensión de V4 y V6, o de V3 y V1.
De forma similar, cuando la θplus es de 90 grados, 135 grados, o similar, distinta de 45 grados, la tensión intermedia es generada también por los dos vectores de tensión.
La Figura 13 es un diagrama de tiempo en el momento en que la θplus es de 45 grados, cuando la unidad de conmutación de fase 19 conmuta las frases θ1 y θ2 alternativamente en los momentos de los niveles superiores y de los niveles inferiores de la señal de portadora.
Según se muestra en la Figura 13, los dos vectores de tensión (V4 y V6, o V3 y V1) son presentados a la salida entre V0 y V7. De esta manera, la tensión intermedia descrita con anterioridad se genera disponiendo a la salida los dos vectores de tensión diferentes entre V0 y V7.
La Figura 14 representa una corriente que fluye hasta fases UVW respectivas del motor, cuando la θplus es de 0 grados (0 grados en la dirección (V4) de la fase U), 30 grados, y 60 grados.
Cuando la θplus es de 0 grados, según se muestra en la Figura 5, existe solamente otro vector de tensión (un vector
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de tensión en el que uno de los elementos de conmutación 18 a 18f en el lado de tensión positiva y dos en el lado de tensión negativa, o dos en el lado de tensión positiva y uno en el lado de tensión negativa del mismo están en conducción) entre V0 y V7. En este caso, una forma de onda de corriente adopta una configuración trapezoidal, y la corriente incluye menos componentes armónicas.
Sin embargo, cuando la θplus es de 30 grados, según se muestra en la Figura 13, se generan dos vectores de tensión diferentes entre V0 y V7. En ese caso, la forma de onda de la corriente se distorsiona, y por lo tanto la corriente incluye muchas componentes armónicas. La distorsión de la forma de onda de la corriente puede proporcionar efectos adversos tales como ruido del motor y vibraciones del eje del motor.
Además, cuando la θplus es de 60 grados, existe solamente otro vector de tensión entre V0 y V7, como en el caso en que la θplus sea de 0 grados. En ese caso, la forma de onda de la corriente adopta una forma trapezoidal y la corriente incluye menos componentes armónicas.
Según se ha descrito con anterioridad, si una tensión en una línea diagonal de una forma hexagonal mostrada en la Figura 12 está presente en la salida, solamente se presenta a la salida otro vector de tensión entre el vector de tensión V0 como vector cero y V7, permitiendo con ello disminuir la distorsión de la forma de onda de la corriente. Según la invención, si la θplus tiene un valor de n veces (n es un número entero igual o mayor que 0) la dimensión de 60 grados, el ruido del motor y las vibraciones del eje del motor pueden ser suprimidas reduciendo la distorsión de la forma de onda de la corriente. Por lo tanto, por ejemplo, la θplus puede cambiar en 60 grados o 120 grados, lo que constituye una fase de n veces la dimensión de 60 grados. Sin embargo, puesto que se necesita evitar que el nivel de calentamiento cambie dependiendo de la posición de parada del rotor, no tiene sentido cambiar la θplus en 180 grados. Es decir, por ejemplo, la θplus necesita ser cambiada en 60 grados o 120 grados, lo que puede ecualizar la corriente.
Cuando se usa la unidad de procesamiento aritmética representada por un microordenador, no se puede realizar con precisión los 60 grados con vistas a la cuantificación, y se puede provocar un ligero espacio de separación. En este caso, el microordenador puede restringir el vector de tensión de modo que no se encuentre a la salida un vector de tensión que tenga una salida más pequeña (el tiempo de salida es corto) entre los dos vectores de tensión.
Según se muestra en la Figura 15, si se cambia la θplus, la fase de energización cambia rápidamente. Por lo tanto, la corriente que fluye hasta el motor 8 cambia súbitamente, provocando con ello una pulsación o similar. En consecuencia, cuando la θplus ha cambiado, se puede producir ruido del motor o vibraciones del eje del motor.
Por lo tanto, según se muestra en la Figura 16, la unidad de salida de amplitud 16 reduce gradualmente la amplitud A inmediatamente antes del cambio de la θplus, e incrementa gradualmente la amplitud A inmediatamente después del cambio de la θplus. Por ejemplo, la unidad de salida de amplitud 16 reduce gradualmente la amplitud A inmediatamente antes del cambio de la θplus de modo que la amplitud se hace 0 en el momento del cambio de la θplus, y la amplitud A retorna al valor original inmediatamente después del cambio de la θplus. En consecuencia, según se muestra en la Figura 17, el valor de la corriente disminuye en el momento en que cambia la θplus, y de ese modo se puede suprimir un cambio brusco de la corriente que fluye hasta el motor.
La unidad de salida de amplitud 16 puede reducir la amplitud A en un momento inmediatamente anterior al cambio de la θplus, e incrementar gradualmente la amplitud A inmediatamente después del cambio de la θplus.
La Figura 18 representa un circuito excitador 21 que excita los respectivos elementos de conmutación 18 del inversor 9, tras la recepción de las señales de PWM desde la unidad de generación de señal de PWM 17. Solamente se ha mostrado el circuito excitador 21 de la fase U que activa los elementos de conmutación 18a y 18d para simplificar las explicaciones. Sin embargo, en la práctica, circuitos excitadores que tienen la misma configuración que el circuito excitador 21 mostrado en la Figura 18 han sido previstos también para la fase V y la fase W, respectivamente.
El circuito excitador 21 incluye un circuito de bomba de carga 26, un circuito excitador de elemento de conmutación 27 del lado de la tensión negativa, y un circuito excitador de elemento de conmutación 28 del lado de la tensión positiva.
El circuito de bomba de carga 26 está constituido por la conexión secuencial de una fuente de alimentación conmutada 22, una resistencia 23, un diodo 24, y un condensador 25. Un extremo del circuito de bomba de carga 26, en un lado de la fuente de alimentación conmutada 22, está conectado a un lado de tensión negativa del inversor 9, y un extremo del circuito de bomba de carga 26, en un lado del condensador 25, está conectado entre el elemento de conmutación 18a en el lado de la tensión positiva y el elemento de conmutación 18d en el lado de la tensión negativa del circuito conectado en serie de la fase U del inversor 9.
El circuito excitador de elemento de conmutación 27 del lado de la tensión negativa, está conectado entre la fuente de alimentación conmutada 22 y la resistencia 23 del circuito de bomba de carga 26. Tras la recepción de la señal UN de PWM desde la unidad de generación de señal de PWM 17, el circuito excitador de elemento de conmutación 27 del lado de la tensión negativa activa el elemento de conmutación 18d en el lado de la tensión negativa del inversor 9, cuando la tensión de la UN indica conducción.
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El circuito excitador de elemento de conmutación 28 del lado de la tensión positiva está conectado entre el diodo 24 y el condensador 25 del circuito de bomba de carga 26. Tras la recepción de la señal UP de PWM desde la unidad de generación de señal de PWM 17, el circuito de excitación de elemento de conmutación 28 del lado de la tensión positiva, excita el elemento de conmutación 18a en el lado de la tensión positiva del inversor 9, cuando la tensión de la UP indica la puesta en conducción.
El circuito excitador de elemento de conmutación 27 del lado de la tensión negativa y el circuito excitador de elemento de conmutación 28 del lado de la tensión positiva, necesitan ser activados por medio de una fuente de alimentación separada. En este caso, el circuito excitador de elemento de conmutación 27 del lado de la tensión negativa es excitado por la fuente de alimentación conmutada 22, y el circuito excitador de elemento de conmutación 28 del lado de la tensión positiva es excitado por medio de una tensión cargada en el condensador 25.
Según se ha descrito con anterioridad, si la unidad de salida de amplitud 16 establece que la amplitud sea 0 en el momento del cambio de la θplus y que esté en un estado no energizado, la tensión cargada en el condensador 25 disminuye. Por lo tanto, el elemento de conmutación 18a no puede ser activado normalmente por el circuito excitador de elemento de conmutación 28 del lado de la tensión positiva.
Por lo tanto, según se muestra en la Figura 19, el circuito excitador de elemento de conmutación 27 del lado de la tensión negativa es activado cada vez que θplus cambia, generando con ello un pulso de carga. La tensión se carga entonces en el condensador 25 a través de una ruta mostrada mediante una flecha en la Figura 18, para asegurar una fuente de potencia que active el circuito excitador de elemento de conmutación 28 del lado de la tensión positiva. En consecuencia, el circuito excitador de elemento de conmutación 28 del lado de la tensión positiva puede ser activado normalmente, reduciendo con ello los malos funcionamientos y los defectos.
Según se ha descrito con anterioridad, en el dispositivo de bomba de calor 100 según la tercera realización, la componente θplus de cambio de fase que cambia con el paso del tiempo, se suma a la salida de fase por medio de la unidad de conmutación de fase 19, y el resultado se designa como la fase del valor de comando de tensión. Por consiguiente, la fase de energización de la tensión de AC de alta frecuencia cambia con el paso del tiempo, permitiendo con ello que el compresor 1 se caliente de manera uniforme sin depender de la posición del rotor.
En particular, en el dispositivo de bomba de calor 100 conforme a la tercera realización, la componente de cambio de fase θplus se establece de modo que sea n veces la magnitud de 60 grados. De ese modo, se puede reducir la distorsión de la forma de onda de la corriente, y se puede suprimir ruido del motor y vibraciones del eje del motor.
Segunda realización
En una segunda realización, se explica un ejemplo de configuración de circuito del dispositivo de bomba de calor
100.
Por ejemplo, en la Figura 1 y similares, se ha mostrado el dispositivo de bomba de calor 100 en el que el compresor 1, la válvula de cuatro vías 2, el intercambiador de calor 3, el mecanismo de expansión 4, y el intercambiador de calor 5 están conectados secuencialmente por medio de una tubería. En la cuarta realización, se explica el dispositivo de bomba de calor 100 que tiene una configuración más específica.
La Figura 20 es un diagrama de configuración de circuito del dispositivo de bomba de calor 100 conforme a la segunda realización.
La Figura 21 es un diagrama de Mollier de un estado de refrigerante en el dispositivo de bomba de calor 100 mostrado en la Figura 20. En la Figura 21 se ha trazado una entalpía específica sobre un eje horizontal, y se ha trazado una presión de refrigerante sobre un eje vertical.
El dispositivo de bomba de calor 100 incluye un circuito de refrigerante principal 38 en el que un compresor 31, un intercambiador de calor 32, un mecanismo de expansión 33, un receptor 34, un intercambiador de calor interno 35, un mecanismo de expansión 36 y un intercambiador de calor 37 están conectados secuencialmente entre sí por medio de la tubería, para hacer circular un refrigerante. En el circuito principal de refrigerante 38, se ha previsto una válvula de cuatro vías 39 en un lado de descarga del compresor 31, de modo que pueda ser conmutada la dirección de circulación del refrigerante. Se ha proporcionado un ventilador 40 cerca del intercambiador de calor 37. El compresor 31 es el compresor 1 explicado en las realizaciones anteriores, el cual incluye el motor 8 accionado por el inversor 9 y el mecanismo de compresión 7.
El dispositivo de bomba de calor 100 incluye además un circuito de inyección 42 que está conectado desde el receptor 34 y el intercambiador de calor interno 35 a una tubería de inyección del compresor 31 por medio de la tubería. Un mecanismo de expansión 41 y el intercambiador de calor interno 35 están conectados en serie al circuito de inyección 42.
Un circuito de agua 43, en el que se hace circular agua, está conectado al intercambiador de calor 32.
Se va a explicar en primer lugar la operación del dispositivo de bomba de calor 100 en el tiempo de la operación de
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calentamiento. En el tiempo de la operación de calentamiento, la válvula de cuatro vías 39 se establece en la dirección de una línea continua. La operación de calentamiento incluye no sólo calefacción usada en el acondicionamiento de aire, sino también el suministro de agua caliente para obtener agua caliente por medio del agua de calefacción.
Un refrigerante gaseoso (un punto 1 en la Figura 21) que se convierte en un refrigerante a alta temperatura y alta presión en el compresor 31, que se descarga desde el compresor 31, se somete a intercambio de calor por medio del intercambiador de calor 32 que sirve como condensador y radiador, y se licúa (un punto 2 en la Figura 21). En este tiempo, el agua que circula por el circuito de agua 43, se calienta por medio del calor liberado desde el refrigerante, y puede ser usada para calefacción y suministro de agua caliente.
El refrigerante líquido que ha sido licuado por el intercambiador de calor 32, se despresuriza por medio del mecanismo de expansión 33, para convertirlo a un estado de dos fases gas-líquido (un punto 3 en la Figura 21). El refrigerante que se ha convertido al estado de dos fases gas-líquido se somete a intercambio de calor con el refrigerante succionado en el compresor 31 por medio del receptor 34, se enfría y se licúa (un punto 4 en la Figura 21). El refrigerante líquido licuado en el receptor 34, se ramifica y fluye hasta el circuito de refrigerante principal 38 y el circuito de inyección 42.
El refrigerante líquido que circula por el circuito de refrigerante principal 38 se somete a intercambio de calor en el intercambiador de calor interno 35 con el refrigerante que se despresuriza mediante el mecanismo de expansión 41 para convertirse al estado de dos fases gas-líquido y fluye por el circuito de inyección 42, y se enfría más (un punto 5 en la Figura 21). El refrigerante líquido enfriado por el intercambiador de calor interno 35 se despresuriza por medio del mecanismo de expansión 36 para convertirse al estado de dos fases gas-líquido (un punto 6 en la Figura 21). El refrigerante que se ha convertido al estado de dos fases gas-líquido en el mecanismo de expansión 36, se somete a intercambio de calor con el aire ambiental en el intercambiador de calor 37 que sirve como evaporador, y se calienta (un punto 7 en la Figura 21). El refrigerante calentado en el intercambiador de calor 37 se calienta más en el receptor 34 (un punto 8 en la Figura 21), y es succionado hacia el compresor 31.
Mientras tanto, el refrigerante que circula por el circuito de inyección 42 se despresuriza en el mecanismo de expansión 41 según se ha descrito con anterioridad (un punto 9 en la Figura 21), y se somete a intercambio de calor en el intercambiador de calor interno 35 (un punto 10 en la Figura 21). El refrigerante en estado de dos fases gaslíquido (un refrigerante de inyección), que se somete a intercambio de calor en el intercambiador de calor interno 35, fluye hacia el compresor 31 desde la tubería de inyección del compresor 31 en estado de dos fases gas-líquido.
En el compresor 31, el refrigerante succionado desde el circuito de refrigerante principal 38 (el punto 8 en la Figura 21) se comprime a una presión intermedia y se calienta (un punto 11 en la Figura 21). El refrigerante de inyección (el punto 10 en la Figura 21) se junta con el refrigerante comprimido a la presión intermedia y calentado (el punto 11 en la Figura 21), y la temperatura se reduce (un punto 12 en la Figura 21). El refrigerante con la temperatura disminuida (el punto 12 en la Figura 21), se comprime más y se calienta para convertirlo en un refrigerante a alta temperatura y alta presión, y se descarga (el punto 1 en la Figura 21).
Cuando no se realiza ninguna operación de inyección, una abertura del mecanismo de expansión 41 está completamente cerrada. Es decir, cuando se realiza la operación de inyección, la abertura del mecanismo de expansión 41 se vuelve más grande que una abertura predeterminada. Sin embargo, cuando no se lleva a cabo la operación de inyección, la abertura del mecanismo de expansión 41 se reduce por debajo de la abertura predeterminada. Por consiguiente, el refrigerante no fluye hacia la tubería de inyección del compresor 31.
La apertura del mecanismo de expansión 41 está controlada electrónicamente por medio de una unidad de control tal como un microordenador.
A continuación se va a explicar una operación del dispositivo de bomba de calor 100 en el momento de una operación de enfriamiento. En el momento de una operación de enfriamiento, la válvula de cuatro vías 39 se dispone según la dirección de una línea discontinua. La operación de enfriamiento no sólo incluye enfriamiento usado en el acondicionamiento del aire, sino también para hacer que el agua se enfríe mediante extracción del calor del agua, congelación y similar.
El refrigerante gaseoso que se convierte en refrigerante a alta temperatura y alta presión en el compresor 31 (el punto 1 en la Figura 21) se descarga desde el compresor 31, se somete a intercambio de calor en el intercambiador de calor 37 que sirve como condensador y radiador, y se licúa (el punto 2 en la Figura 21). El refrigerante líquido que ha sido licuado en el intercambiador de calor 37, se despresuriza en el mecanismo de expansión 36, para convertirlo al estado de dos fases gas-líquido (el punto 3 en la Figura 21). El refrigerante que se ha convertido al estado de dos fases gas-líquido en el mecanismo de expansión 36, se somete a intercambio de calor, se enfría y se licúa en el intercambiador de calor interno 35 (el punto 4 en la Figura 21). En el intercambiador de calor interno 35, el refrigerante que se convierte al estado de dos fases gas-líquido en el mecanismo de expansión 36 se somete a intercambio de calor con el refrigerante, el cual está en el estado de dos fases gas-líquido y ha sido obtenido por despresurización del refrigerante líquido licuado en el intercambiador de calor interno 35 por medio del mecanismo de expansión 41 (el punto 9 en la Figura 21). El refrigerante líquido sometido a intercambio de calor en el
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intercambiador de calor 35 (el punto 4 en la Figura 21) se ramifica y fluye hasta el circuito de refrigerante principal 38 y el circuito de inyección 42.
El refrigerante líquido que circula por el circuito de refrigerante principal 38 se somete a intercambio de calor con el refrigerante succionado hacia el compresor 31 en el receptor 34 y se enfría más (el punto 5 en la Figura 21). El refrigerante líquido enfriado en el receptor 34, se despresuriza en el mecanismo de expansión 33 para convertirlo al estado de dos fases gas-líquido (el punto 6 en la Figura 21). El refrigerante que se ha convertido al estado de dos fases gas-líquido en el mecanismo de expansión 33, se somete a intercambio de calor en el intercambiador de calor 32 que sirve como evaporador y se calienta (punto 7 en la Figura 21). En este momento, puesto que el refrigerante absorbe calor, el agua que circula por el circuito de agua 43 se enfría y se utiliza para refrigeración y congelación.
El refrigerante calentado en el intercambiador de calor 32 se calienta más en el receptor 34 (el punto 8 en la Figura 21), y se succiona hacia el compresor 31.
Mientras tanto, el refrigerante que circula por el circuito de inyección 42, se despresuriza en el mecanismo de expansión 41 según se ha descrito con anterioridad (el punto 9 en la Figura 21), y se somete a intercambio de calor en el intercambiador de calor interno 35 (el punto 10 en la Figura 21). El refrigerante en el estado de dos fases gaslíquido (el refrigerante de inyección), que se somete a intercambio de calor en el intercambiador de calor interno 35, fluye desde la tubería de inyección del compresor 31 en estado de dos fases gas-líquido.
La operación de compresión en el compresor 31 es lo mismo que la operación de calentamiento.
Cuando no se lleva a cabo la operación de inyección, la abertura del mecanismo de expansión 41 está totalmente cerrada al igual que en la operación de calentamiento, de modo que el refrigerante no circula por la tubería de inyección del compresor 31.
En las explicaciones que anteceden, se ha explicado que el intercambiador de calor 32 es un intercambiador de calor tal como un intercambiador de calor por placa que realiza el intercambio de calor entre el refrigerante y el agua que está circulando por el circuito de agua 43. Sin embargo, el intercambiador de calor 32 no se limita a este tipo, y puede llevar a cabo el intercambio de calor entre el refrigerante y el aire.
Además, el circuito de agua 43 puede ser un circuito por el que no circule agua sino otro fluido.
Según se ha descrito con anterioridad, el dispositivo de bomba de calor 100 puede ser usado para un dispositivo de bomba de calor que use un compresor inversor tal como una unidad de acondicionamiento de aire, un dispositivo de suministro de agua caliente de bomba de calor, un refrigerador, y un congelador.
Lista de signos de referencia
1
compresor
2
válvula de cuatro vías
3
intercambiador de calor
4
mecanismo de expansión
5
intercambiador de calor
6
tubería de refrigerante
7
mecanismo de compresión
8
motor
9
inversor
10
unidad de detección de tensión de barra colectora
11
unidad de control de inversor
12
unidad de autorización de calentamiento de compresor
13
unidad de generación de tensión de AC de alta frecuencia
14
integrador
15
unidad de salida de comando de número de rotaciones
16
unidad de salida de amplitud
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17 unidad de generación de señal de PWM 18 elemento de conmutación 19 unidad de conmutación de fase 20 sumador
5 21 circuito excitador 22 fuente de alimentación conmutada 23 resistencia 24 diodo 25 condensador
10 26 circuito de bomba de carga 27 circuito excitador de elemento de conmutación del lado de tensión negativa 28 circuito excitador de elemento de conmutación del lado de tensión positiva 31 compresor 32, 37 intercambiador de calor
15 33, 36, 41 mecanismo de expansión 34 receptor 35 intercambiador de calor interno 38 circuito de refrigerante principal 39 válvula de cuatro vías
20 40 ventilador 42 circuito de inyección 43 circuito de agua 100 dispositivo de bomba de calor.

Claims (13)

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    REIVINDICACIONES
    1.-Un dispositivo de bomba de calor que comprende:
    un compresor (1) que tiene un mecanismo de compresión (7) que comprime un refrigerante;
    un motor (8) que opera el mecanismo de compresión (7) previsto en el compresor (1);
    un inversor trifásico (9), y
    una unidad de control de inversor (11) que controla el inversor (9), en donde,
    la unidad de control de inversor (11) incluye:
    una unidad de conmutación de fase (19) que conmuta una fase θ1 y una fase θ2 diferente de la fase θ1 sustancialmente en 180 grados, y presenta a la salida la fase, sincrónicamente con una señal de referencia que tiene una frecuencia predeterminada;
    una unidad de adición (20) que cambia un valor n, que es un número entero igual o mayor que 0, para cada instante predeterminado, y presenta a la salida una fase θ3 obtenida por adición de una fase plus, la cual es n veces una magnitud de 60 grados, a la salida de fase desde la unidad de conmutación de fase (19),
    una unidad de generación de tensión (13) que genera un valor de comando de tensión en base a la fase 3 presentada a la salida por la unidad de adición (20), y presenta a la salida el valor de comando de tensión, y
    una unidad de generación de señal excitadora (17) que, en base a una salida desde la unidad de generación de tensión (13), genera señales excitadoras correspondientes a elementos de conmutación (18a a 18f) respectivos del inversor (9), presenta a la salida señales excitadoras generadas respectivas para los elementos de conmutación (18a a 18f) correspondientes del inversor (9), y genera una tensión de AC de alta frecuencia en el inversor (9).
  2. 2.-El dispositivo de bomba de calor según la reivindicación 1, en donde,
    la unidad de generación de señal excitadora (17) presenta a la salida una señal excitadora que lleva a conducción uno de dos elementos de conmutación (18a a 18f) en cada circuito conectado en serie del inversor trifásico (9) y lleva el otro a corte, y
    presenta a la salida una señal excitadora que tiene un patrón de conmutación en el que uno o dos elementos de conmutación (18a a 18f), entre los elementos de conmutación (18a a 18f) en un lado de tensión positiva del inversor trifásico (9), son llevados a conducción, de tal manera que solamente se presenta a la salida un patrón en un período de un semiciclo de la señal de referencia.
  3. 3.-El dispositivo de bomba de calor según la reivindicación 1 ó 2, que comprende además:
    una unidad de salida de amplitud (16) que presenta a la salida una amplitud A que tiene una anchura predeterminada, de tal manera que cuando la unidad de adición (20) cambia el valor n, la amplitud A se reduce, y después de que la unidad de adición (20) ha cambiado el valor n, la amplitud A se incrementa gradualmente para volver a la anchura predeterminada original, en donde,
    la unidad de generación de tensión (13) genera el valor de comando de tensión en base a la salida de fase 3 desde la unidad de adición (20) y la salida de amplitud A desde la unidad de salida de amplitud (16).
  4. 4.-El dispositivo de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además:
    un circuito excitador (21) que excita los elementos de conmutación (18a a 18f) en el circuito conectado en serie del inversor (9), en donde,
    el circuito excitador (21) incluye:
    un circuito excitador (27) del lado de tensión negativa activado por una tensión de una fuente de alimentación conmutada para excitar el elemento de conmutación (18a a 18f) en un lado de tensión negativa del inversor (9), y
    un circuito excitador (28) del lado de tensión positiva activado por una tensión de un condensador (25) cargado mediante la activación del circuito excitador (27) del lado de tensión negativa para excitar el elemento de conmutación (18a a 18f) en un lado de tensión positiva del inversor (9), y
    la unidad de control de inversor (11) activa el circuito excitador (27) del lado de tensión negativa cuando la unidad de adición (20) cambia el valor n y carga el condensador con la tensión.
  5. 5.-El dispositivo de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la unidad de generación de tensión (13) presenta a la salida un valor de comando de tensión de AC que tiene una frecuencia más
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    alta que una frecuencia operativa en un instante de una operación de compresión del motor (8).
  6. 6.-El dispositivo de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la unidad de conmutación de fase (19) conmuta la fase en los instantes de al menos alguno de los niveles superiores y niveles inferiores de la señal de referencia.
  7. 7.-El dispositivo de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el rotor del motor
    (8) tiene una estructura de MPI (Imán Permanente Interior).
  8. 8.-El dispositivo de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde,
    la unidad de control de inversor (11) incluye además una unidad de detección (12) que detecta un estado en el que la temperatura del aire exterior se ha elevado más que una temperatura predeterminada, en comparación con una temperatura anterior a un instante predeterminado, y
    cuando la unidad de detección (12) ha detectado el estado, la unidad de generación de tensión (13) presenta a la salida el valor de comando de tensión.
  9. 9.-El dispositivo de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende además una unidad de detección (12) que detecta que un estado en el que la temperatura del compresor (1) sigue siendo más baja que la temperatura del aire del exterior continúa durante un tiempo predeterminado, en donde,
    cuando la unidad de detección (12) ha detectado el estado, la unidad de generación de tensión (13) presenta a la salida el valor de comando de tensión.
  10. 10.-El dispositivo de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la unidad de generación de tensión (13) presenta a la salida el valor de comando de tensión, cada vez que ha pasado el tiempo predeterminado desde el corte del compresor (1).
  11. 11.-El dispositivo de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde los elementos de conmutación (18a a 18f) que constituyen el inversor (9) son semiconductores de banda prohibida ancha o MOSFETs que tienen una súper estructura de unión.
  12. 12.-Un sistema de bomba de calor que comprende: el dispositivo de bomba de calor según la reivindicación 1 que incluye además un circuito de refrigerante (38) en el que un compresor (31), un primer intercambiador de calor (32), un mecanismo de expansión (33, 36), y un segundo intercambiador de calor (37) están conectados secuencialmente por medio de una tubería; y un dispositivo (43) de uso de fluido que usa un fluido que se somete a intercambio de calor con un refrigerante en el primer intercambiador de calor (32) conectado al circuito de refrigerante.
  13. 13.-Un método de control de inversor (9) en un dispositivo de bomba de calor, que incluye:
    un compresor (1) que tiene un mecanismo de compresión (7) para comprimir un refrigerante,
    un motor (8) que opera el mecanismo de compresión (7) incluido en el compresor (1), y
    un inversor (9), en donde,
    el método de control de inversor comprende:
    una etapa de conmutación de fase en la que una fase 1 y una fase 2 diferente de 1 sustancialmente en 180 grados son conmutadas y presentadas a la salida, sincrónicamente con una señal de referencia que tiene una frecuencia predeterminada;
    una etapa de adición en la que un valor n, que es un número entero igual o mayor que 0, se cambia para cada instante predeterminado, para presentar a la salida una fase 3 obtenida por adición de una fase plus, la cual es n veces una magnitud de 60 grados, para la salida de fase desde la etapa de conmutación de fase;
    una etapa de generación de tensión en la que se genera un valor de comando de tensión en base a la salida de fase 3 en la etapa de adición y presentada en la salida; y
    una etapa de generación de señal excitadora en la que el valor de comando de tensión presentado a la salida desde la etapa de generación de tensión se compara con la señal de referencia para generar señales excitadoras correspondientes a elementos de conmutación (18a a 18f) respectivos del inversor (9), presentando a la salida señales excitadoras generadas respectivas para los elementos de conmutación (18a a 18f) correspondientes del inversor (9), y generándose una tensión de AC de alta frecuencia en el inversor (9).
    17
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