JP2005160158A - 圧縮機の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単相の電動圧縮機を、負荷脈動が互いにキャンセルするとともに電源の利用率の高い駆動を実現するものである。
【解決手段】複数台の電動圧縮機１２，２２，３２に流れる電流の低周波成分の位相が互いに等間隔になるように印加電圧を調整することによって、負荷脈動のピークが互いに等間隔に配置されて、振動騒音が少なくなるとともに、電源電流が正負対称になるので、電源の利用率が向上して、より大きい負荷を駆動できるものになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍空調機器における圧縮機の駆動制御装置に関するものである。

従来、単相電源を使用する冷凍空調機器における圧縮機の駆動制御装置として、圧縮機をリレーでＯＮ、ＯＦＦするもので過電流検出を行っている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、前記特許文献１に記載された従来の圧縮機の駆動制御装置を模式化して示すものである。図７に示すように、商用電源２から電流検出器２２３とリレー２２４を経由して、圧縮機２１２の回転子に直結された単相誘導モータ２１１を駆動するものであった。ここで制御回路２０１は電流検出器２２３から、過負荷状態になっているかどうかの情報を得て、保護が必要な場合や所望の冷凍空調能力が十分に得られているときには、リレー２２４をＯＦＦすることにより、保護停止あるいは能力調整を行なっていた。
特開昭６２−２２９４２号公報

しかしながら、上記従来の構成では、回路構成は非常に簡単なものの、電源電流波形が図８に示すように、電源電圧と同一の周波数の電流に対して低周波の成分が重畳された波形になっている。この低周波成分は、圧縮機２１２の実回転周波数と印加された商用電源周波数との差に起因する成分であり、圧縮機２１２の形態が、往復運動型や１ローリングピストンの回転型のように、加工上の精度はさほど必要とされないがモータの回転に対して大きな負荷脈動がある場合には、特に大きな周波数成分が重畳される。

一方、冷凍空調機器は、いろいろな熱負荷に対して用いられるが、熱負荷の大きさに応じた圧縮機、つまり大きい負荷には大きい圧縮機が必要になり、いろいろの圧縮機を製作することが必要になってしまい、圧縮機の生産上、金型なども数多く必要になってしまう。これを解決する方法のひとつとして、小型の圧縮機を並列接続して冷凍空調機器を構成することにより、圧縮機の種類を減らす方法が考えられる。ところが前述のように、加工上の高い精度をさほど必要としない圧縮機には大きな負荷脈動があり、脈動が同期した場合には、振動が大きくなるのみでなく、電源電流も低周波の成分が大きく重畳され、電源そのものの利用率もさがってしまう。また、スクロール型や２ローリングピストン型の圧縮機のように負荷脈動の小さい圧縮機を用いることで、振動や電源利用利の低下の課題は改善できるが、これらの圧縮機は、そもそもが高い加工精度を必要とするという課題がある。また、負荷脈動による回転速度変動を抑圧するものとして、駆動制御回路側をインバータで構成し、インバータをきめ細かく制御することにより回転速度変動を抑圧する方法もあるが、インバータでは、交流を一旦整流して平滑し、再びモータ駆動用の交流に変換させるものであるが、変換回路が膨大になるという課題を有している。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、１ローリングピストン型回転圧縮機や往復型圧縮機などを複数台数並列に駆動することにより、大容量の冷凍空調能力を実現できる圧縮機の駆動制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、単相交流電源に複数台数の圧縮機を接続し、圧縮機の動力源である単相誘導モータの電流を検出し、各々の圧縮機への電流に含まれる低周
波成分の位相関係が互いに補う関係になるように、各々の圧縮機のモータに印加される交流電圧の実効値を調整するものでである。

上記印加電圧を調整することにより、モータの回転速度が変化して、モータ電流に重畳されている低周波成分が変化し、低周波成分のピークが分散するように制御することができ、結果として負荷トルクが最大になる時刻を各々の圧縮機で分散することができ、システムでの振動騒音が低減されるとともに、単相電源の利用率を向上させることが可能になる。

本発明の圧縮機の駆動制御装置は、複数台の圧縮機に流れる電流の低周波成分の位相を互いにずれるように、印加電圧を調整することで、それぞれが持つ負荷脈動を互いに相殺するように駆動するもので、この構成によれば、整流・平滑・逆変換という電力変換を用いることなく、複数台の圧縮機から発生する負荷脈動を互いに相殺する効果と、電源の利用率を向上できるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における圧縮機の駆動制御装置を示す回路図である。図１において、圧縮機が３台以上の場合の実施の形態を示している。１ローリングピストン圧縮機１２、２２、３２はそれぞれ、電源２からスイッチング素子１４，２４，３４を経由して駆動される単相誘導モータ１１，２１，３１で駆動される。また、それぞれの単相誘導モータ１１，２１，３１への電流は電流検出器１３，２３，３３で検出されて制御回路１に入力される。制御回路１では単相誘導モータ１１，２１，３１の電流と電源電圧の情報を元に前述のスイッチング素子１４，２４，３４を駆動する。スイッチング素子１４，２４，３４を制御することにより単相誘導モータ１１，２１，３１への印加電圧の実効値を調節することができる。

図２は本実施の形態１におけるスイッチング素子１４，２４，３４の動作例を示した波形図である。図２においてはスイッチング素子１４，２４，３４がトリガ素子の場合の例を示している。交流電源電圧（図では点線で表示）がゼロになった後から一定期間のＯＦＦ期間を経過してから、スイッチング素子１４，２４，３４をトリガすると通電が開始され、交流電源電圧がゼロになるまで通電が連続する。したがって単相誘導モータ１１，２１，３１に印加される電圧波形は図２の実線のような波形になり、元の交流電源電圧よりも実効値が小さい値になる。従って、通電開始時期を調節することにより、単相誘導モータ１１，２１，３１に印加される電圧の実効値を調節することができる。

図３は、単相誘導モータへの印加電圧の実効値を変化させる場合の回転数の変化をしめす回転数とトルクとの関係を示す特性図である。単相誘導モータ１１，２１，３１は印加された交流電源の周波数と同じ回転数Ｎ０のときには負荷トルクはゼロになっているが、これより遅い回転数では、トルクを発生するので、負荷を駆動することができる。また、印加電圧が高いほど同じ回転数であれば大きなトルクを発生することができる。一般に負荷のトルク特性は、図３において点線で示した、右上がりの特性であるので、印加電圧が高いときには、Ｎ１、印加電圧が低いときには、Ｎ２の回転数で動作する。すなわち印加電圧を調節することにより回転数を調整することができる。

図４は、制御状態のときの各モータへの電流波形と電源の電流波形である。それぞれのモータへの電流は、基本的には電源と同じ周波数の電流波形であるが、圧縮機に脈動の負
荷があるため、低周波のうねり成分が重畳されている。この低周波の成分は、電源周波数と実回転の２倍の周波数との差の周波数である。また、電流が最も大きいところは、一定負荷を仮定した時の電流のピークと負荷脈動のピークが一致するところである。したがって、各々の圧縮機の負荷脈動のピークを互いに相殺するようにすれば、図４に示すように、低周波分もピークが互いに分散するようになり、結果として、単相電源の電流は個々のピークが相殺され、電力が最も有効に利用されている形態になる。

なお、制御状態においては、個々のモータへの印加電圧のうちどれかが最大電圧になっているので、制御手順としては、まず、どれか１台のモータへの印加電圧が最大になるように固定し、固定したモータの電流の低周波成分を基準に他のモータへの印加電圧を調整していく。このように調整した結果、それぞれの低周波成分の位相が等間隔にすることができない場合は、固定したモータへの印加電圧が最大にすることが適切でなかったことになり、別のモータを基準にするように設定を変更する。この手順により、最大の電圧を印加するモータは確実に選定できることになる。さらに、モータと電源との間には、スイッチング素子と並列にリレーを設け、モータと電源とを直結できるようにし、印加電圧が最大に設定するモータについては、リレーで直結することにより、スイッチング素子による損失も低減することができる
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２おける圧縮機の駆動制御装置を示す回路図である。図５において、圧縮機が２台の場合の実施の形態を示している。

本実施の形態２によれば、電流検出器１２３およびスイッチング素子１２４を１つずつにすることができる。

図５においては、第一の圧縮機１１２は電源２から直接接続され、第二の圧縮機１２２のみが、スイッチング素子１２４にて電圧の実効値を調整して駆動する。ただし第一の圧縮機１１２のモータ１１１の発生トルク量は第二の圧縮機１２２のモータ１２１の発生トルク量よりも、少し少ないものを採用する。また、電流の検出は個々のモータ１１１，１２１の電流ではなく、電源２からの電流について行われる。

図６は、モータ１１１および１２１の電流波形および電源の電流波形を示した波形図である。２つのモータ１１１，１２１の電流波形は、それぞれ、電源周波数の成分を基本にしながら、低周波成分が重畳されている。この低周波成分は電源周波数と実回転数との差に起因するものであり、そのピークは、一定トルク負荷を仮定したときの電流のピークと負荷脈動のピークとが一致したところである。したがって、２つの圧縮機１１２，１２２の負荷脈動ピークが互いに相殺するようにすれば、低周波成分のピークも互いに相殺されるようになる。このとき、全体の電源電流も正方向負方向の電流値が常に同じ振幅になる。従って、電流検出器１２３により、電源電流が正負の両方向に対称になるように制御すれば、２つの圧縮機１１２，１２２の負荷脈動タイミングが互いに相殺されるように駆動されていることになる。これの調整は、スイッチング素子１２４で第二の圧縮機１２２への印加電圧を調整することにより実現できる。

なお、本実施の形態は負荷脈動を有する冷凍空調機器用の圧縮機を複数台数駆動するものとして説明したが、回転角度に関連する負荷脈動を有するモータ駆動機器を複数台使用するものであれば、同様に使用することができることは容易に類推できる。

また、本実施の形態の説明において、印加電圧を調整する方法として、トリガ素子を用いて、交流電源の通電開始を調整する方法で説明したが、交流電源をパルス幅変調手段により直接電圧振幅を調整する方法を用いても実現できることはいうまでもない。

以上のように、本発明にかかる圧縮機の駆動制御装置は、複数台の圧縮機から発生する負荷脈動を互いに相殺する効果と、電源の利用率を向上できるという効果を有するので、回転角度に関連する負荷脈動を有するモータ駆動機器を複数台使用するものであれば、適用可能となるものである。

本発明の実施の形態１における圧縮機の駆動制御装置を示す回路ブロック図 同実施の形態１における印加電圧の調整の波形図 同実施の形態１における回転数調整原理を示す特性図 同実施の形態１における電流波形図 本発明の実施の形態２における圧縮機の駆動制御装置を示す回路ブロック図 同実施の形態２における電流波形図 従来の圧縮機の駆動制御装置を示す全体回路ブロック図 従来の圧縮機の駆動制御装置を示すにおける電流波形図

符号の説明

１、１０１ 制御回路
２ 電源
１１，２１，３１，１１１，１２１ モータ
１２，２２，３２、１１２，１２２ 圧縮機
１３，２３，３３，１２３ 電流検出器
１４，２４，３４，１２４ スイッチング素子

Claims (6)

1. 単相で駆動できる複数の電動圧縮機を商用電源から並列に接続し、各圧縮機への電流を計測する手段、前記各圧縮機への印加電圧の実効値を調整する手段、前記各圧縮機の電流に含まれる低周波成分を検出する手段を有し、検出した各圧縮機の電流に含まれる低周波成分の位相関係が互いに等しい間隔になるように前記印加電圧の実効値を調整することを特徴とする圧縮機の駆動制御装置。
2. 複数の電動圧縮機のうち、任意の１台に電源電圧を直接印加できるように設定し、圧縮機への電流の低周波成分の位相関係が互いに等しい間隔になるように残りの圧縮機への印加電圧を調整し、前記低周波成分の位相関係が互いに等しい間隔に調整できないときには、別の１台に電源電圧を直接印加できるように、設定変更し、圧縮機への電流の低周波成分の位相関係が互いに等しい間隔になるように残りの圧縮機への印加電圧を調整し、前記低周波成分の位相関係が互いに等しい間隔に調整できないときには、さらに別の１台に電源電圧を直接印加できるように設定を変更して同様の制御動作を行っていくことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機の駆動制御装置。
3. 単相で駆動できる二台の電動圧縮機を商用電源から並列に接続し、商用電源からの電流を計測する手段、前記各圧縮機のうちの少なくとも１台への印加電圧の実効値を調整する手段を有し、前記商用電源からの電流が、正方向と負方向とでの振幅が等しくなるように、前記印加電圧の実効値を調整することを特徴とする圧縮機の駆動制御装置。
4. 単相で駆動できる二台の電動圧縮機のうち、電源に直接接続されて駆動される圧縮機の電動機のトルク発生量を、実効値調整手段を経由して駆動される圧縮機の電動機のトルク発生量よりも小さく設定したことを特徴とする請求項３記載の圧縮機の駆動制御装置。
5. 各圧縮機への印加電圧の実効値を調整する手段が、交流電源の電圧ゼロ点から一定時間の非通電期間を有し、前記一定時間経過後は、前記圧縮機へ電圧を印加することができるようにしたものであることを特徴とする請求項１〜４記載の圧縮機の駆動制御装置。
6. 実効値調整手段と並列に各々の圧縮機の電動機に電源から直接接続できる手段を設け、電源電圧を直接印加する時には、直接接続できる手段を用いて電動機を電源に直結することを特徴とする請求項２記載の圧縮機の駆動装置。

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