JP2007040281A - Reciprocating compressor control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は主に冷凍冷蔵庫に用いられるインバータ駆動のレシプロ式圧縮機に関するものである。 The present invention relates to an inverter-driven reciprocating compressor mainly used in a refrigerator-freezer.
ブラシレスモータは効率が高く、近年、冷凍システムに用いられる圧縮機などにも多く使用されるようになってきた。このため、冷凍冷蔵庫において、庫内の温度が安定している時には回転数を低下させ、圧縮機を含む冷凍システム全体の効率を高め、省エネルギーを実現させている。 Brushless motors have high efficiency, and in recent years, they have come to be used in many compressors used in refrigeration systems. For this reason, in the refrigerator-freezer, when the temperature in the refrigerator is stable, the rotational speed is reduced, the efficiency of the entire refrigeration system including the compressor is increased, and energy saving is realized.
冷凍冷蔵庫によく使用されるレシプロ式圧縮機は、シリンダ内でピストンが往復動し、1回転のうち半回転が冷媒の吸入工程であり、あとの半回転が圧縮・吐出工程である。吐出工程の最後の上死点では、高圧力の冷媒が若干残り、吸入工程に移る。そのため、吸入工程の初期においては、残留ガスの膨張圧力も加わり、負荷トルクはほとんど不要である反面、圧縮・吐出工程では大きな負荷トルクが必要である。 In a reciprocating compressor often used in a refrigerator-freezer, a piston reciprocates in a cylinder, half of one rotation is a refrigerant suction process, and the other half is a compression / discharge process. At the top dead center at the end of the discharge process, some high-pressure refrigerant remains, and the process proceeds to the suction process. For this reason, in the initial stage of the suction process, the expansion pressure of the residual gas is also applied, and almost no load torque is required, but a large load torque is required in the compression / discharge process.
一方、ブラシレスモータのモータトルクは1回転中ほぼ一定のトルクを出しており、そのため負荷トルクとモータトルクの関係から1回転中に若干の回転数(すなわち角速度)の変動が起きている。すなわち、圧縮工程では回転数が低下し、吸入工程では回転数が増加しているのである。この回転数変動は振動発生の原因となる。圧縮機の回転系(ロータ、シャフト、ピストンなど)の慣性モーメントは低回転になるほどエネルギーが小さくなるため、振動は回転数が小さくなるほど大きくなる。 On the other hand, the motor torque of the brushless motor produces a substantially constant torque during one rotation. Therefore, a slight fluctuation in the number of rotations (that is, angular velocity) occurs during one rotation due to the relationship between the load torque and the motor torque. That is, the rotation speed decreases in the compression process, and the rotation speed increases in the suction process. This rotational speed fluctuation causes vibration. Since the moment of inertia of the compressor rotation system (rotor, shaft, piston, etc.) decreases as the rotation speed decreases, the vibration increases as the rotation speed decreases.
次に冷媒吐出量の観点から考える。圧縮工程ではシリンダからの吐出穴が抵抗となるため、シリンダ外の圧力よりシリンダ内の圧力は高い状況となる。このため、上死点付近でピストンを維持する時間が長いほど、シリンダから排出される冷媒量は多くなり、すなわち残る冷媒量は小さくなるため、いわゆる体積効率が向上することになる。 Next, it considers from a viewpoint of refrigerant | coolant discharge amount. In the compression process, the discharge hole from the cylinder becomes a resistance, so the pressure inside the cylinder is higher than the pressure outside the cylinder. For this reason, the longer the time for which the piston is maintained near the top dead center, the greater the amount of refrigerant discharged from the cylinder, that is, the smaller the amount of refrigerant remaining, so-called volumetric efficiency is improved.
逆に圧縮工程で上死点までの通過時間が短いと体積効率が低下することになる。 On the other hand, if the passing time to the top dead center is short in the compression process, the volume efficiency is lowered.
上記振動現象に対しては、従来から、低速回転において、負荷トルクに一致するようなモータトルクを発生させて、1回転中の回転数変動を抑えることにより圧縮機の振動を抑制するという取り組みがなされている(例えば、特許文献1参照)。 For the above-mentioned vibration phenomenon, conventionally, there has been an effort to suppress the vibration of the compressor by generating a motor torque that matches the load torque at a low speed rotation and suppressing a fluctuation in the rotation speed during one rotation. (For example, refer to Patent Document 1).
以下従来の圧縮機の制御装置について図面を参照しながら説明する。 A conventional compressor control device will be described below with reference to the drawings.
図4は、従来の一般的なレシプロ式圧縮機の縦断面図である。密閉容器1内に3相巻線を持つ固定子21と永久磁石をもつ回転子22とからなるブラシレスモータ2と軸受体4上に配置されたシリンダ5、ピストン6等と回転子22に勘合され、回転運動を偏心部31によりピストン6の往復運動に変換するための回転軸3等からなる圧縮機構部を有する。一般的に、レシプロ式圧縮機においては、内部防振構造が用いられており、すなわち、ブラシレスモータ2および圧縮機構部より構成される構造体を支持する支持バネ8や、圧縮機構部より吐出されるガスを導くためのループパイプ9等で負荷に応じて発生するトルク変動による構造体の振動を減衰させ、振動あるいは騒音をコントロールする手法がとられている。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a conventional general reciprocating compressor. The rotor 22 is fitted with a
レシプロ式圧縮機においては、支持バネ8やループパイプ9等で構造体の振動を減衰させるような構造を取り入れていることと合わせ、回転子22や回転軸3に適度な慣性モーメントを持たせることにより、密閉容器1の外部に振動が伝わらないように工夫されている。 In the reciprocating compressor, the rotor 22 and the rotating shaft 3 should have an appropriate moment of inertia, together with a structure that attenuates the vibration of the structure by the support spring 8 and the loop pipe 9. Therefore, it is devised so that vibration is not transmitted to the outside of the sealed container 1.
しかしながら、このレシプロ式圧縮機を、インバータ制御を用いて回転数を変化させる制御を行った場合、特に回転数が低い部分で、慣性モーメントによる振動抑制が限界を迎え、慣性モーメント以外の振動抑制措置が必要となる。 However, when this reciprocating compressor is controlled to change the rotational speed using inverter control, vibration suppression by the moment of inertia has reached its limit, especially at the low rotational speed, and vibration suppression measures other than the moment of inertia Is required.
これらの現象に対して、従来から、低速回転において負荷トルクに一致するようなモータトルクを発生させて、1回転中の回転数変動を抑えることにより圧縮機の振動を抑制するという取り組みがなされている(例えば特許文献1参照)。 In response to these phenomena, conventionally, efforts have been made to suppress the vibration of the compressor by generating a motor torque that matches the load torque at a low speed rotation and suppressing a fluctuation in the rotation speed during one rotation. (For example, refer to Patent Document 1).
図5は、従来の圧縮機の負荷トルクとモータトルクとの関係図を示す。 FIG. 5 shows a relationship diagram between load torque and motor torque of a conventional compressor.
図5において、モータトルクの制御法としては、モータに位置検出素子を設置し、瞬時トルクを検出し、モータ出力にフィードバックする方法が最も効果が得られるが、冷凍冷蔵庫のように、周囲の環境温度にある程度リンクしてガス圧縮の圧力条件が決まるような場合では、周囲温度や庫内温度と回転数に応じてモータの出力トルクのパターンをあらかじめ設定しておき条件の変化に応じて最適パターンを選定するという方法も考えられる。負荷トルクの変動パターンと絶対値が等しいまたはほぼ等しく正負符号が逆のトルクをモータに与えることにより負荷トルクとモータ出力トルクの差分が0となる、または大幅に低減されることにより圧縮機より外部に伝達される振動が大幅に低減されるというものであった。
しかしながら、上記従来のような構成では、振動を完全に停止させるために、負荷トルクとモータトルクを完全に一致させるように制御した場合、その入力電力も大きくなるという課題を有していた。また、圧縮工程での回転数の低下が少なくなることにより、シリンダ内に残るガスが増加し、体積効率も低下し、伴い冷凍システム効率が低下する。 However, the conventional configuration has a problem that when the load torque and the motor torque are controlled so as to completely coincide with each other in order to completely stop the vibration, the input power becomes large. Further, since the decrease in the rotational speed in the compression process is reduced, the gas remaining in the cylinder is increased, the volumetric efficiency is also lowered, and the refrigeration system efficiency is lowered accordingly.
特に、冷蔵庫の冷却システムに搭載する場合、冷蔵庫は扉を閉めた状態で運転する場合がほとんどなので、その運転のほとんどは低回転数での運転となる。そのため、低回転数において振動の抑制のためこの制御を行うことになるのではあるが、前述したとおり、入力電力が増加し、かつ体積効率が低下して消費電力が高くなるという課題を有することとなる。 In particular, when mounted on a refrigerator cooling system, most refrigerators are operated with the door closed, so most of the operations are performed at a low rotational speed. Therefore, although this control is performed to suppress vibration at a low rotational speed, as described above, there is a problem that input power increases and volume efficiency decreases and power consumption increases. It becomes.
また、負荷トルクの変動に合わせて、モータトルクすなわちモータ電流を変動させるものであったため、負荷トルクに一致するようにモータ電流を検出した上でその電流を制御する必要があった。そのために電流センサその周辺回路が必要になるなど制御装置が大型化するとともに、制御するプロセッサも処理能力の高い高速処理が可能なプロセッサ(例えば、DSPや32ビットRISCマイコンなど)が必要であったため、価格が高くなるという課題を有していた。 Further, since the motor torque, that is, the motor current is changed in accordance with the fluctuation of the load torque, it is necessary to control the current after detecting the motor current so as to coincide with the load torque. As a result, the control device has become larger, for example, a current sensor and peripheral circuits are required, and a processor (for example, a DSP or a 32-bit RISC microcomputer) capable of high-speed processing with high processing capability is also required. , Had the problem of higher prices.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、処理能力の低いプロセッサを用いて簡単な制御を行うことにより、冷蔵庫として消費電力量の少ないレシプロ式圧縮機の制御装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to provide a control device for a reciprocating compressor with low power consumption as a refrigerator by performing simple control using a processor with low processing capacity. And
上記従来の課題を解決するために、本発明のレシプロ式圧縮機の制御装置は、同期モータの1回転中の圧縮要素上死点より前の時刻から区間Aを分割し、区間Aにおける入力を制御しモータ回転数を所定のモータ回転数よりも小さくする制御手段からなるものである。 In order to solve the above conventional problems, the control device for the reciprocating compressor according to the present invention divides the section A from the time before the top dead center of the compression element during one rotation of the synchronous motor, and inputs the input in the section A. It comprises control means for controlling and making the motor rotation speed smaller than a predetermined motor rotation speed.
これによって、シリンダから排出される冷媒量は多くなり、すなわち残る冷媒量は小さくなるため、いわゆる体積効率が向上することになる。 As a result, the amount of refrigerant discharged from the cylinder increases, that is, the remaining amount of refrigerant decreases, so that so-called volumetric efficiency is improved.
本発明のレシプロ式圧縮機の制御装置は、レシプロ式圧縮機の1回転を区間に分割し、一回転中の回転数を変化させて、各々の区間でモータ電流を制御することにより、新たなセンサを必要とせず、低処理能力のプロセッサで実現できるので、非常に小型・低コストで実現できる簡単なシステムで、消費電力量を低減できる。 The control device for a reciprocating compressor according to the present invention divides one rotation of the reciprocating compressor into sections, changes the number of rotations during one rotation, and controls the motor current in each section, thereby providing a new Since it can be realized with a processor with low processing capability without requiring a sensor, the power consumption can be reduced with a simple system that can be realized with a very small size and low cost.
請求項1に記載の発明は、往復動による圧縮要素を有するレシプロ式圧縮機と、圧縮要素を駆動する永久磁石を回転子に有した同期モータと、同期モータに交流電流を流すとともに回転数を可変速して圧縮機の冷凍能力を可変とするためのインバータと、同期モータ1回転中であり圧縮機の上死点より前の時刻から区間Aを分割し、区間Aにおける入力を制御しモータ回転数を所定のモータ回転数よりも小さくする制御手段とを有することにより、シリンダから排出される冷媒量は多くなり、すなわち残る冷媒量は小さくなるため、いわゆる体積効率が向上する。各々の区間でモータ電流を制御することにより、非常に簡単なシステムで消費電力量が低減するとともに、電流センサなどを使用せず安易な方法で実現可能であるので、装置が大型化することなく、その処理のために高速なプロセッサを使用する必要もなく、コストも安く実現できる。 The invention described in claim 1 is a reciprocating compressor having a reciprocating compression element, a synchronous motor having a permanent magnet for driving the compression element in a rotor, an alternating current flowing through the synchronous motor and a rotational speed. An inverter for making the compressor's refrigeration capacity variable by changing the speed, and dividing the section A from the time before the top dead center of the compressor during one rotation of the synchronous motor and controlling the input in the section A By having the control means for making the rotation speed smaller than the predetermined motor rotation speed, the amount of refrigerant discharged from the cylinder increases, that is, the remaining refrigerant amount decreases, so-called volume efficiency is improved. By controlling the motor current in each section, the power consumption can be reduced with a very simple system, and it can be realized in an easy way without using a current sensor, etc., so the device does not become large Therefore, it is not necessary to use a high-speed processor for the processing, and the cost can be reduced.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、圧縮機の上死点より後の時刻より区間Bを分割し、区間Bにおける入力を制御しモータ回転数を所定のモータ回転数よりも大きくする制御手段により、上死点より前の時刻の区間Aで所定のモータ回転数より小さくすることで、遅くなった回転数を補い、モータ1回転全体の平均回転数を所定の回転数に戻すことができる。これにより、圧縮機の冷凍能力の低下を防止できる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the section B is divided from the time after the top dead center of the compressor, the input in the section B is controlled, and the motor rotational speed is set to a predetermined motor speed. By making the control means larger than the number, by making it lower than the predetermined motor rotation speed in the section A at the time before the top dead center, the slower rotation speed is compensated, and the average rotation speed of the entire motor rotation is determined by the predetermined motor rotation speed. It can be returned to the rotation speed. Thereby, the fall of the refrigerating capacity of a compressor can be prevented.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、レシプロ式圧縮機の気筒数を1(単気筒)としたので、モータ1回転中において吸入工程と圧縮工程がそれぞれ一回ずつしかなく、容易に区分できるため制御が容易になる。
The invention according to claim 3 is the invention according to
請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか一項に記載の発明において、区間Aおよび区間Bを区切り入力はインバータのPWM制御のデューティ幅を変える制御方法としたので、電流センサなどを使用せずに安易な方法で実現可能であるので、装置が大型化することもなく、その処理のために高速なプロセッサを使用する必要もなく、コストも安く実現できる。 In the invention according to claim 4, in the invention according to any one of claims 1 to 3, the section A and the section B are separated and the input is a control method for changing the duty width of the PWM control of the inverter. Since it can be realized by an easy method without using a sensor or the like, the apparatus is not increased in size, it is not necessary to use a high-speed processor for the processing, and the cost can be reduced.
請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれか一項に記載の発明において、前記レシプロ式圧縮機は冷蔵庫の冷凍システムに用いるものであり、消費電力量低減の効果が大きくなる。
The invention according to
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1におけるレシプロ式圧縮機の制御装置のブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of a reciprocating compressor control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
図1において、商用電源100から駆動に必要な電力が供給されている。例えば、日本の場合は交流電源であり、100V50Hzまたは60Hzの電源である。
In FIG. 1, electric power necessary for driving is supplied from a
整流回路101は、商用電源100を直流に変換する。ここでは整流回路101は全波整流回路で示している。全波整流回路はブリッジ接続された4個のダイオードと平滑コンデンサから一般的には構成される。この回路により、商用電源100の交流100Vから直流の140Vの電圧を得る。
The
インバータ102は、整流回路101の直流電圧を3相交流に再度変換する。インバータ102は一般的には3相ブリッジ接続された6個のスイッチング素子(図示ではIGBTで示す)とスイッチング素子に並列に逆方向接続された6個のダイオードからなる。この6個のスイッチング素子を制御することにより、任意電圧、任意周波数の3相交流電流を得ることができる。
The
同期モータ103は、インバータ102の3相交流出力により駆動される。3相巻線がほどこされた固定子(図示せず)と、永久磁石をもつ回転子(図示せず)からなる。例えば、固定子は9スロットのティースに絶縁紙を介して直接巻線を巻き3相6極巻線をスター結線したものであり、ロータは6枚の永久磁石を表面側にN極・S極と交互に配置された埋め込み磁石型ロータを持つ。
インバータ102からの出力は、任意電圧・任意周波数に設定でき、さらに同期モータ103は6極であるため、インバータ102の出力周波数の3分の1の周波数(回転数)で同期モータ103は駆動される。例えばインバータ102の出力周波数が60Hzの場合は同期モータ103の回転数は20r/sで駆動することができる。
The output from the
圧縮要素104は、同期モータ103で駆動され、圧縮仕事を行う。ここでは圧縮要素104はレシプロ式で1回転中に負荷トルクが変動する圧縮要素である。単気筒レシプロ式の圧縮要素の場合は、ピストンの往復運動にて圧縮を行っており、1回転中に半分は吸入工程、半分は圧縮工程と完全に工程が分かれており、この二つの工程において、必要な負荷トルクが圧縮工程側に集中するために、その負荷トルクは大きく変動するものである。
The
圧縮機105は、同期モータ103と圧縮要素104を密閉容器に収納している。冷媒ガスはどんなものでも良く、代替冷媒(R−134aなど)や自然冷媒(R−600a、CO2など)などどのような冷媒ガスを使用しても良いことはいうまでもない。
The
圧縮機105には圧縮した冷媒を吐出する吐出パイプ(図示せず)と、冷媒を吸入する吸入パイプ(図示せず)とを有する。吐出パイプには、凝縮器106、減圧器107、蒸発器108などを直列に接続し最後に吸入パイプから圧縮機105に冷媒ガスは還ってくる。このような冷凍空調システムを組むことにより、凝縮器106側では放熱作用が、蒸発器108側では吸熱作用が起こることにより、加熱または冷却ができることとなる。また、凝縮器106または蒸発器108にファンモータ(図示せず)を取り付け、風を送ることにより、熱交換の効率を高めることにより、これらの熱を有効に利用して効率よく加熱または冷却をすることができる。
The
駆動装置109はインバータ102を駆動する。その出力はドライブ手段110を介して、インバータ102の6個のスイッチング素子を駆動する。
The
一般的に永久磁石を回転子にもつ同期モータ103を駆動する時には、その回転子の回転位置を検出しながら、インバータ102の6個のスイッチング素子を最適な位置で転流していくことにより、同期モータ103を最適に動かすようにする。一般的にこの方法を用いたモータはブラシレスDCモータやブラシレスモータなどの呼称で呼ばれることもある。
In general, when driving a
更にこの制御装置109の中身について詳しく説明する。
Further, the contents of the
位置検出手段111は同期モータ103の回転子の回転位置を検出する。一般的には同期モータ103の固定子巻線に発生する逆起電圧を検出する方法が良く知られているが、最近はモータ電流や直流部の電流から回転位置を推定する方法など、同期モータ103からのイベント情報が良く使われている。もちろんホール素子などの磁気センサを用いて直接位置を検知する方法もあるが、圧縮機にはこのようなセンサを取り付けるのは困難であるため、前者の方法(位置センサレス方式)がよく取られている。
The
このような位置センサレス方式において起動時には位置検出が不可能なため、起動する前に、位置決めと呼ばれる同期モータ103の所定相(例えばU−W間など)に強制的に通電して回転子を所定位置まで回転させる方法や、所定周波数・所定電圧の交流波形を強制的に印加して回転子を駆動させる強制駆動方式などの制御回路も必要であるが、ここでは省略している。
In such a position sensorless system, since position detection is impossible at the time of start-up, a predetermined phase (for example, between U and W) of the
転流手段112は、位置検出手段111の出力によりインバータ102の6個のスイッチング素子の通電するタイミングを決定する。一般的には逆起電圧と位相が一致するようにタイミングを決定するが、磁石埋め込み型モータ(一般的にはIPMモータとも呼ばれる)などの場合は、リラクタンストルクなども考慮し、若干、モータ電流の位相を逆起電圧の位相より進めて運転する場合もある。モータの種類(特にリラクタンス成分の利用量)によりこの位相進みは変化するが、一般的には0度から10度程度の進角を持たせるのが普通である。
The commutation means 112 determines the timing for energizing the six switching elements of the
回転位置判定手段113は、位置検出手段111の出力は同期モータ103の回転子の回転位置を検出するものであり、なおかつ、同期モータ103はインバータ102からの出力と全く同期して運転するものであるから、この信号を分析することにより、同期モータ103の回転子の機械的な回転位置が判定できる。
The rotational position determination means 113 detects the rotational position of the rotor of the
第1PWM発生手段114では、同期モータ103の回転数を一定にするために、PWM(パルス幅変調)制御のデューティ(所定周期、キャリア周期と呼ばれる、中のON幅の割合をさす)を調整したものを出力する。
In the first PWM generating means 114, the duty of PWM (pulse width modulation) control (predetermined period, which refers to the ratio of the ON width in the carrier period) is adjusted in order to keep the rotation speed of the
第2PWM発生手段115では、第1PWM発生手段114で決定したデューティより予め定められた所定量のデューティを減じたデューティ(例えば、10%)を発生させる。第3PWM発生手段118では、第1PWM発生手段114で決定したデューティより予め定められた所定のデューティを増加したデューティ(例えば、10%)を発生させる。ここでは増減するデューティは固定値とするが、回転数や負荷条件によって変えても良い。 The second PWM generating means 115 generates a duty (for example, 10%) obtained by subtracting a predetermined amount of duty from the duty determined by the first PWM generating means 114. The third PWM generation means 118 generates a duty (for example, 10%) that is a predetermined duty increased from the duty determined by the first PWM generation means 114. Here, the increasing / decreasing duty is a fixed value, but may be changed depending on the rotational speed and load conditions.
選択手段116では、回転数が高い時は、常に第1PWM発生手段114のPWM信号を選択する。回転数が低い時には、回転位置判定手段113の回転位置信号を受け、予め定められた区間Aと区間Bとの判定を行い、区間Aの場合は第2PWM発生手段115のPWM信号を選択する。また、区間Bの場合は第3PWM発生手段118のPWMを選択し、それ以外の区間の場合は第1PWM発生手段114のPWM信号を選択する。 The selection means 116 always selects the PWM signal of the first PWM generation means 114 when the rotational speed is high. When the rotational speed is low, the rotational position signal of the rotational position determining means 113 is received and a predetermined section A and section B are determined. In the case of the section A, the PWM signal of the second PWM generating means 115 is selected. In the section B, the PWM of the third PWM generation means 118 is selected, and in the other sections, the PWM signal of the first PWM generation means 114 is selected.
転流手段112の転流出力と選択手段116のPWM信号は合成手段117で合成され、ドライブ手段117に出力され、インバータ102を制御することとなる。
The commutation output of the commutation means 112 and the PWM signal of the selection means 116 are synthesized by the synthesis means 117 and output to the drive means 117 to control the
以上のように構成されたレシプロ式圧縮機の制御装置について、その動作を図1および図2を用いて更に詳しく説明する。図2は本発明の実施の形態1におけるレシプロ式圧縮機の制御装置の制御の流れ図である。 The operation of the reciprocating compressor control apparatus configured as described above will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a control flowchart of the reciprocating compressor control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
STEP1で回転数の検出を行う。本発明で使用しているモータは同期モータであるのでインバータ102が出している電気的周波数と同期モータ103の回転動作とは一致しているため、位置検出手段111の信号を用いて、回転数を検出することができる。ここでは回転数としたが、回転数と同義とみなせるもの、例えば、回転周期や角速度などであってもよい。
In step 1, the rotational speed is detected. Since the motor used in the present invention is a synchronous motor, the electrical frequency output from the
次にSTEP2で回転数が所定値以下であるかどうか判定する。ここでいう所定値は低回転数に設定されており、通常の適用においては圧縮機が安定して運転している回転数であり省エネ効果の大きい回転数(例えば、20r/sなど)に設定されている。 Next, in STEP2, it is determined whether the rotational speed is equal to or less than a predetermined value. The predetermined value here is set to a low rotational speed, and in a normal application, it is the rotational speed at which the compressor is stably operated, and is set to a rotational speed with a large energy saving effect (for example, 20 r / s). Has been.
この所定回転数より大きな回転数は、冷凍システムが高負荷条件等の冷却過渡期の運転状況であり総運転時間は短く、本発明による制御を実施しても省エネ効果は少ないため、通常の運転を行えばよいので、STEP3で第1PWM発生手段114の出力を選択手段116で選択し、第1PWMにて運転を行う。もちろん高回転域でも適用すれば、省エネ効果はすこしは見込むことができる。 The rotation speed larger than the predetermined rotation speed is a normal operation because the refrigeration system is in an operation state during a cooling transition period such as a high load condition and the total operation time is short, and even if the control according to the present invention is performed, the energy saving effect is small. Therefore, in STEP3, the output of the first PWM generation means 114 is selected by the selection means 116, and the operation is performed at the first PWM. Of course, if it is applied even in the high rotation range, a little energy saving effect can be expected.
また、この所定値は冷凍空調システムの構成や圧縮機の種類などによって決められるもので、運転時間の長い低速回転数をもとに設定する。もちろん周囲環境状態(温度など)や運転状態によって変化する所定値を決めても良い。 Further, the predetermined value is determined by the configuration of the refrigeration air conditioning system, the type of the compressor, and the like, and is set based on the low speed rotation speed with a long operation time. Of course, a predetermined value that varies depending on the surrounding environment state (temperature, etc.) and the driving state may be determined.
また、所定回転数以下の場合は、STEP4に進み、安定運転かどうか判定する。安定運転の判定は冷凍空調システム制御装置(図示せず)における各部の温度条件などや経過時間などから判定してもよい。安定でないと判断された時、すなわち過渡期においては運転が安定していることが重要なので、STEP3に進み、第1PWMで運転する。 On the other hand, if it is equal to or lower than the predetermined rotation speed, the process proceeds to STEP 4 to determine whether or not the operation is stable. The determination of the stable operation may be made from the temperature condition of each part in the refrigeration air-conditioning system control device (not shown) or the elapsed time. When it is determined that the operation is not stable, that is, during the transition period, it is important that the operation is stable. Therefore, the process proceeds to STEP 3 and the operation is performed at the first PWM.
STEP4で安定運転と判定した場合は、STEP5に進む。STEP5では、回転位置判定手段113で判定するもので、回転位置が区間Aかどうかを判定する。回転位置判定手段113では予め機械的な回転角が判るようになっており、圧縮要素104のピストン(図示せず)の上死点を基準としてその前、機械角で120度の部分を区間Aとしている。STEP5で回転位置が区間Aであると判定されれば、STEP6に進む。STEP6で第2PWM発生手段115の出力を選択手段116で選択し、第2PWMにて運転を行う。
If it is determined in STEP4 that the operation is stable, the process proceeds to STEP5. In
STEP5で回転位置が区間Aでないと判定されれば、STEP7に進み、回転位置が区間Bであるかどうかを判定する。回転位置判定手段113では予め機械的な回転角が分かるようになっており、圧縮要素104のピストン(図示せず)の上死点を基準としてその後ろ、機械角で120度の部分を区間Bとしている。STEP5で回転位置が区間Bであると判定されれば、STEP8に進む。STEP8で第3PWM発生手段118の出力を選択手段116で選択し、第3PWMにて運転を行う。
If it is determined in
STEP7で回転位置が区間Bでないと判定されれば、STEP3に進み、第1PWMで運転する。 If it is determined in STEP 7 that the rotational position is not in the section B, the process proceeds to STEP 3 to operate at the first PWM.
以上のように動作させることにより、低回転数運転で安定運転している時、区間Aにおいては第2PWMで、区間Bにおいては第3PWMで、その他の区間では第1PWMにて動作する。第2PWMのデューティは第1PWMのデューティに比べて小さくなるように設定しているので、区間Aにおける電流が区間Bにおける電流よりも小さくなる。そのため、区間Aで小さなトルクが発生することとなる。区間Aは圧縮要素の上死点の手前に設定しているので、圧縮している時にトルクが小さくなることになり、回転数が低下し、圧縮されたシリンダ内の冷媒が吐出される時間が長くなり、シリンダ内に残る冷媒量が少なくなることにより、いわゆる体積効率が向上することになる。 By operating as described above, when a stable operation is performed at a low rotational speed, the operation is performed at the second PWM in the section A, at the third PWM in the section B, and at the first PWM in the other sections. Since the duty of the second PWM is set to be smaller than the duty of the first PWM, the current in the section A is smaller than the current in the section B. Therefore, a small torque is generated in the section A. Since the section A is set before the top dead center of the compression element, the torque is reduced during compression, the rotation speed is reduced, and the time during which the refrigerant in the compressed cylinder is discharged is discharged. The so-called volumetric efficiency is improved by increasing the length and reducing the amount of refrigerant remaining in the cylinder.
次に図3を用いて更に実際の動作について説明する。図3は本発明の実施の形態1におけるレシプロ式圧縮機の制御装置の制御のタイミング図である。 Next, the actual operation will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a control timing chart of the control device for the reciprocating compressor according to the first embodiment of the present invention.
図3において、横軸は同期モータ103の1回転中の動きを示している。横軸に記載した破線は位置検出手段111により検出された機械的な回転状態を示しており、ひとつの区切りが18分の1回転を示す。また本実施例においては同期モータ103を6極としているため、電気角1周期あたりの機械的な回転状態(3分の1回転および3分の2回転)についてはさらに一点鎖線を用いて示している。また、原点部分(0回転)は圧縮要素104のピストンの上死点部分を示す。
In FIG. 3, the horizontal axis indicates the movement of the
トルクについては、負荷トルクとモータトルクを示しており、負荷トルクは圧縮機105が単気筒のレシプロ式圧縮機であるので、機械的な回転状態の2分の1回転以降において圧縮・吐出工程に入るので負荷トルクは図示するように急激に増加する。反して、次の機械的な回転状態の初期角度では、シリンダ内に残った冷媒の再膨張により負荷トルクは減少する。
As for torque, load torque and motor torque are shown. Since the
一方、モータトルクは1回転あたりほぼ一定のトルクを発生する。厳密に言えば負荷トルクの変化に応じて特に低回転数で慣性モーメントの小さいときは、特許文献1に示されたようにモータトルクも自動的に変化するが、ここでは説明の簡素化のため一定トルクとした。 On the other hand, the motor torque generates a substantially constant torque per rotation. Strictly speaking, the motor torque automatically changes as shown in Patent Document 1 when the inertial moment is small at a low rotation speed in accordance with the change of the load torque. The torque was constant.
角速度は1回転中で変動しており、「モータトルク>負荷トルク」の時に角速度は加速しており、逆に「モータトルク<負荷トルク」の時に角速度は減速している。 The angular velocity fluctuates during one rotation, and the angular velocity is accelerated when “motor torque> load torque”, while the angular velocity is decelerated when “motor torque <load torque”.
位置信号X、Y、Zは機械的な回転状態の18分の1回転毎(すなわち、20度毎)にその状態が変化している。通常の制御においてはこの位置信号X、Y、Zに従って、あらかじめ定められた論理式により駆動信号U(上アームおよび下アーム)、V(上アームおよび下アーム)、W(上アームおよび下アーム)を発生させる。 The positions of the position signals X, Y, and Z change every 1 / 18th rotation (that is, every 20 degrees) of the mechanical rotation state. In normal control, the driving signals U (upper arm and lower arm), V (upper arm and lower arm), W (upper arm and lower arm) are determined according to a predetermined logical expression in accordance with the position signals X, Y, and Z. Is generated.
上死点の手前120度(1/3回転)を区間Aとし、上死点以降の120度(1/3回転)を区間Bとしている。PWM信号として、区間Aにおいては第2PWMを選択し、区間Bにおいては第3PWMを選択し、その他の区間では第1PWMを選択している。 Section A is 120 degrees (1/3 rotation) before the top dead center, and section B is 120 degrees (1/3 rotation) after the top dead center. As the PWM signal, the second PWM is selected in the section A, the third PWM is selected in the section B, and the first PWM is selected in the other sections.
図3においては、U相電流も示す。区間Aにおいては、第2PWMで動作させるので、デューティが小さく電流が小さくなる。また、区間Bにおいては、第3PWMで動作させるので、デューティが大きく電流が大きくなる。 In FIG. 3, the U-phase current is also shown. In the section A, since the second PWM is operated, the duty is small and the current is small. In section B, since the operation is performed at the third PWM, the duty is large and the current is large.
以上のように、本実施の形態1によるレシプロ式圧縮機の制御装置は、往復動による圧縮要素104を有するレシプロ式圧縮機105と、圧縮要素104を駆動する永久磁石を回転子に有した同期モータ103と、同期モータに交流電流を流すとともに回転数を可変速して圧縮機の冷凍能力を可変とするためのインバータと、同期モータ1回転中であり圧縮機の上死点より前の時刻から区間Aを分割し、区間Aにおける入力を制御しモータ回転数を所定のモータ回転数よりも小さくする制御手段とを有することにより、シリンダから排出される冷媒量は多くなり、すなわち残る冷媒量は小さくなるため、いわゆる体積効率が向上する。各々の区間でモータ電流を制御することにより、非常に簡単なシステムで消費電力量が低減とともに、電流センサなどを使用せず安易な方法で実現可能であるので、装置が大型化することなく、その処理のために高速なプロセッサを使用する必要もなく、コストも安く実現できる。
As described above, the reciprocating compressor control apparatus according to the first embodiment includes a
また、圧縮機の上死点より後の時刻より区間Bを分割し、区間Bにおける入力を制御しモータ回転数を所定のモータ回転数よりも大きくする制御手段により、上死点より前の時刻の区間Aで所定のモータ回転数より小さくすることで、遅くなった回転数を補い、モータ1回転全体の平均回転数を所定の回転数に戻すことができる。これにより、圧縮機の冷凍能力の低下を防止できる。 In addition, the time before the top dead center is obtained by the control means that divides the section B from the time after the top dead center of the compressor and controls the input in the section B to make the motor rotation speed larger than the predetermined motor rotation speed. By making it smaller than the predetermined motor rotational speed in the section A, it is possible to compensate for the slowed rotational speed and return the average rotational speed of the entire rotation of the motor to the predetermined rotational speed. Thereby, the fall of the refrigerating capacity of a compressor can be prevented.
また、レシプロ式圧縮機の気筒数を1(単気筒)としたので、モータ1回転中において吸入工程と圧縮工程がそれぞれ一回ずつしかなく、容易に区分できるため制御が容易になる。 In addition, since the number of cylinders of the reciprocating compressor is 1 (single cylinder), there is only one suction process and one compression process in each rotation of the motor, and the control can be easily performed because it can be easily classified.
また、区間Aおよび区間Bを区切り入力はインバータのPWM制御のデューティ幅を変える制御方法としたので、電流センサなどを使用せずに安易な方法で実現可能であるので、装置が大型化することもなく、その処理のために高速なプロセッサを使用する必要もなく、コストも安く実現できる。 In addition, since the section A and the section B are divided and input is a control method for changing the duty width of the PWM control of the inverter, it can be realized by an easy method without using a current sensor or the like, so that the apparatus becomes large. There is no need to use a high-speed processor for the processing, and the cost can be reduced.
また、本技術を特に冷蔵庫の冷却システムに用いるものとしたことにより、レシプロ式圧縮機で特に低回転数で駆動することの多い冷蔵庫の冷却システムにおいては、消費電力量を特に小さくすることが可能となる。 In addition, by using this technology especially for refrigerator cooling systems, it is possible to reduce power consumption particularly in refrigerator cooling systems that are often driven at low speeds by reciprocating compressors. It becomes.
以上のように、本発明に関わるレシプロ式圧縮機の制御装置は、新たなセンサを必要とせず、低処理能力のプロセッサで実現できるので、非常に小型・低コストで実現できる簡単なシステムで、消費電力を低減できる。多少の制御は複雑になるものの、多気筒レシプロ圧縮機にも適用可能で、圧縮工程中に回転数を落とすことで、体積効率が向上する圧縮装置にも有効となる。また冷凍目的の圧縮機以外にもエアーコンプレッサなどの用途にも適用できる。 As described above, the reciprocating compressor control apparatus according to the present invention does not require a new sensor and can be realized with a processor with low processing capacity, so it is a simple system that can be realized with a very small size and low cost. Power consumption can be reduced. Although some control is complicated, it can also be applied to a multi-cylinder reciprocating compressor, and is effective for a compression device that improves volumetric efficiency by reducing the number of revolutions during the compression process. In addition to a compressor for refrigeration, it can be applied to uses such as an air compressor.
102 インバータ
103 同期モータ
104 圧縮要素
105 圧縮機
109 制御装置
102
Claims (5)
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JP2005228225A JP2007040281A (en) | 2005-08-05 | 2005-08-05 | Reciprocating compressor control device |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101250625B1 (en) * | 2011-10-25 | 2013-04-09 | 삼성전기주식회사 | Driving apparatus for motor |
JP2014121258A (en) * | 2012-12-17 | 2014-06-30 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | Motor driving apparatus and method |
CN105952621A (en) * | 2016-05-16 | 2016-09-21 | 广东芬尼克兹节能设备有限公司 | Compressor coil heating control method and system |
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2005
- 2005-08-05 JP JP2005228225A patent/JP2007040281A/en active Pending
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US20130099716A1 (en) * | 2011-10-25 | 2013-04-25 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Motor driving apparatus |
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