JP2007225188A - Refrigeration cycle device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。 The present invention relates to a refrigeration cycle apparatus including an expander.
近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その消費電力を低減する技術の一つとして、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機から動力を回収し、圧縮機を駆動するための補助動力として、その回収した動力を利用する冷凍サイクル装置がある(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, in an apparatus for driving an electric motor such as a compressor in an air conditioner, there is an increasing need to reduce power consumption from the viewpoint of protecting the global environment. As one of the technologies for reducing the power consumption, there is a refrigeration cycle apparatus that recovers power from an expander driven by expansion energy of refrigerant and uses the recovered power as auxiliary power for driving the compressor. Yes (see, for example, Patent Document 1).
図3は、特許文献1に記載の冷凍サイクル装置のシステム構成図である。図3において、この冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機1、冷媒を凝縮する凝縮器3、冷媒を蒸発する蒸発器4、凝縮器3と蒸発器4の間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機2の膨張タービン2aから構成されており、膨張タービン2aは、動力軸2cを介して発電機2dと直結されている。交流電源11からの交流電力は第1コンバータ31で直流電力に変換され、この直流電力はインバータ16によって交流電力に変換され圧縮機1が駆動される。
FIG. 3 is a system configuration diagram of the refrigeration cycle apparatus described in
一方、冷媒の膨張エネルギーによって駆動された膨張タービン2aは動力軸2cを介して発電機2dを駆動し、発電機2dから得られる交流電力が第2コンバータ32へ入力される。この第2コンバータ32では発電機2dから得られた交流電力を直流電力に変換し、この直流電力は、圧縮機1を駆動するための補助動力として利用される。
On the other hand, the
しかしながら、この構成では、膨張タービン2a(すなわち、動力軸2cを介して発電機2d)の回転数を制御する手段がないため、冷凍サイクルにおいて最適となるような回転数で膨張タービン2a(すなわち、動力軸2cを介して発電機2d)を動作させることが不可能であるという課題を有していた。
However, in this configuration, since there is no means for controlling the rotation speed of the
そこで、発電機2dの回転数を制御する手段が必要となるが、近年、地球環境保護の観点から発電機としては、回転子に永久磁石を配した高効率な同期発電機が用いられており、その同期発電機の回転数を制御するためには、回転子の位置情報に基づいてPWM制御を行う可変速コンバータ(以下、PWMコンバータ)などが必要である。特に特許文献1に記載の冷凍サイクル装置の膨張機における発電機に適用する場合、回転子の磁極位置を検出するための位置センサを取り付けることが困難であるため、同期発電機の固定子巻線に生じる誘起電圧を推定することによって回転子の磁極位置を推定する方法が考案されている(例えば、非特許文献1参照)。
Therefore, a means for controlling the number of revolutions of the generator 2d is required. However, in recent years, a highly efficient synchronous generator in which a permanent magnet is arranged on a rotor is used as a generator from the viewpoint of protecting the global environment. In order to control the rotational speed of the synchronous generator, a variable speed converter (hereinafter referred to as a PWM converter) that performs PWM control based on rotor position information is required. In particular, when applied to the generator in the expander of the refrigeration cycle apparatus described in
図4は、非特許文献1に記載の風力発電システムの構成図である。図4において、埋込磁石同期発電機42(図面の記号はIPMSG)はギアを介して接続された風車41により駆動される。ここで、位置・速度推定部44では、電流検出器20a、20bからの検出電流iu、ivを推定位置θで座標変換したγ−δ軸電流と電圧指令値から内部に有する埋込磁石同期発電機42のモデルを用いて、埋込磁石同期発電機42の誘起電圧を推定することによって埋込磁石同期発電機42の回転子の位置・速度を推定する。埋込磁石同期発電機42の推定速度ωから最大電力追従制御部45によってトルク指令Tg*を導出し、トルク指令Tg*から最大効率制御部46によって埋込磁石同期発電機42の損失が最小となるような電流指令id*、iq*を導出する。埋込磁石同期発電機42に流れる電流は電圧指令作成部47で電流フィードバック制御され、PWMコンバータ43により
駆動される。
しかしながら、非特許文献1に記載のシステム構成を、特許文献1に記載の冷凍サイクル装置に適用する場合、冷凍サイクルにおいて最適となる回転数で膨張タービン(すなわち動力軸を介して発電機)の回転数を制御することが可能となるが、運転状態にある圧縮機が停止しても膨張エネルギーはすぐには消滅せず、膨張エネルギーが存在する間は、膨張タービン(すなわち、動力軸を介して発電機)が駆動され続けてしまう。ここでPWMコンバータを動作し続ける場合には、発電機の回転数は制御されながら電気エネルギーが取り出されるが、電気エネルギーの消費先である圧縮機が停止していると、取り出される電気エネルギーは蓄積され続けて、その蓄積された電気エネルギーがPWMコンバータなどの素子の許容値を超えた場合には素子が破壊されてしまうという課題を有していた。
However, when the system configuration described in Non-Patent
また、圧縮機の停止とともにPWMコンバータの動作を停止させる場合には、膨張タービンはフリーラン状態となり、膨張エネルギーが存在する間は回転数が増大し続けてしまうため、回転数が膨張タービンの許容値を超えた場合には膨張タービンが破壊されてしまうという課題を有していた。 Further, when the operation of the PWM converter is stopped together with the stop of the compressor, the expansion turbine enters a free-run state, and the rotation speed continues to increase while the expansion energy exists. When the value is exceeded, there is a problem that the expansion turbine is destroyed.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、膨張機に備えられた回転機の回転子の磁極位置を推定することによって回転機の回転数を制御し、かつ停止を含めた信頼性の高い膨張機の駆動を実現するための冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and controls the rotational speed of the rotating machine by estimating the magnetic pole position of the rotor of the rotating machine provided in the expander, and has reliability including stopping. It aims at providing the refrigerating-cycle apparatus for implement | achieving the drive of a high expander.
前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器を含み、前記膨張機と動力軸を介して直結されている回転機の回転数を制御する回転機制御手段とを備え、前記圧縮機が停止した直後から所定時間が経過するまで、前記回転機制御手段によって、前記回転機に直流電流を流すことで前記膨張機を拘束させることを特徴とするものである。 In order to solve the conventional problems, a refrigeration cycle apparatus of the present invention includes a compressor that compresses a refrigerant, a condenser that condenses the refrigerant, an evaporator that evaporates the refrigerant, the condenser, and the evaporator. Rotation of a rotating machine including an expander provided between and driven by the expansion energy of the refrigerant, and a power converter operable as a forward converter and a reverse converter, and directly connected to the expander via a power shaft A rotating machine control means for controlling the number, and the rotating machine control means restrains the expander by causing a direct current to flow through the rotating machine until a predetermined time elapses after the compressor is stopped. It is characterized by this.
これによって、圧縮機が停止した際に、冷凍サイクルに存在している膨張エネルギーによって膨張機の回転数が増大し続けることや、回転機制御手段による回生運転で得られる電気エネルギーが蓄積され続けて電力変換機などの素子が破壊されることを防止でき、安全な膨張機の停止を実現することが可能となる。 As a result, when the compressor is stopped, the rotation speed of the expander continues to increase due to the expansion energy present in the refrigeration cycle, and the electric energy obtained by the regenerative operation by the rotating machine control means continues to accumulate. An element such as a power converter can be prevented from being destroyed, and a safe stop of the expander can be realized.
本発明の冷凍サイクル装置は、膨張機に備えられた回転機の回転子の磁極位置を推定することによって回転機の回転数を制御し、かつ停止を含めた信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。 The refrigeration cycle apparatus of the present invention controls the rotational speed of the rotating machine by estimating the magnetic pole position of the rotor of the rotating machine provided in the expander, and drives the expander with high reliability including stopping. Can be realized.
第1の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器を含み、前記膨張機と動力軸を介して直結されている回転機の回転数を制御する回転機制御手段とを備え、前
記圧縮機が停止した直後から所定時間が経過するまで、前記回転機制御手段によって、前記回転機に直流電流を流すことで前記膨張機を拘束させることにより、圧縮機が停止した際に、冷凍サイクルに存在している膨張エネルギーによって膨張機の回転数が増大し続けることや、回転機制御手段による回生運転で得られる電気エネルギーが蓄積され続けて電力変換機などの素子が破壊されることを防止でき、安全な膨張機の停止を実現できる。
A first invention is provided by a compressor that compresses a refrigerant, a condenser that condenses the refrigerant, an evaporator that evaporates the refrigerant, and an expansion energy of the refrigerant that is provided between the condenser and the evaporator. An expander, and a power converter capable of operating as a forward converter and a reverse converter, and a rotating machine control means for controlling the rotational speed of a rotating machine directly connected to the expander via a power shaft, When the compressor is stopped by allowing the rotating machine control means to restrain the expander by causing a direct current to flow through the rotating machine until a predetermined time elapses immediately after the compressor is stopped, The rotation speed of the expander continues to increase due to the expansion energy present in the cycle, and electrical energy obtained by regenerative operation by the rotating machine control means continues to accumulate, destroying elements such as power converters. It can be prevented, it is possible to realize a stop of safe expander.
第2の発明は、特に第1の発明において、前記回転機に流す直流電流の大きさを、経過する時間に対して段階的に大きくさせることにより、回転機に流す直流電流の変化を緩やかにすることで、膨張機を拘束させる際に膨張機の機構に与える物理的なストレスを軽減することができる。 According to a second aspect of the invention, in particular, in the first aspect of the invention, by gradually increasing the magnitude of the direct current flowing through the rotating machine with respect to the elapsed time, the change in the direct current flowing through the rotating machine is moderated. By doing so, the physical stress given to the mechanism of the expander when restraining the expander can be reduced.
第3の発明は、特に第1の発明において、前記回転機に流す直流電流の大きさを、経過する時間に対して大きくさせることにより、回転機に流す直流電流の変化を連続的に滑らかにすることで、膨張機を拘束させる際に膨張機の機構に与える物理的なストレスをさらに軽減することができる。 According to a third aspect of the present invention, in particular, in the first aspect of the invention, the magnitude of the direct current flowing through the rotating machine is increased with respect to the elapsed time so that the change in the direct current flowing through the rotating machine is continuously smoothed. By doing so, the physical stress given to the mechanism of the expander when restraining the expander can be further reduced.
第4の発明は、特に第1〜3のいずれか1つの発明において、前記回転機に流す直流電流の大きさは、前記回転機の減磁電流よりも小さくなるように予め設定された上限値を備えることによって、膨張機を拘束させる際に確実に回転機の減磁を防ぐことができる。 According to a fourth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to third aspects, an upper limit value set in advance so that the magnitude of the direct current flowing through the rotating machine is smaller than the demagnetizing current of the rotating machine. The demagnetization of the rotating machine can be surely prevented when the expander is restrained.
第5の発明は、特に第1〜4のいずれか1つの発明において、前記回転機制御手段は、前記回転機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記回転機に印加する印加電圧の値と前記電流検出手段によって検出された電流値とから前記回転機に発生する誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、前記誘起電圧推定手段によって推定された誘起電圧値に基づいて前記回転機の回転子磁極位置を推定する回転子位置速度検出手段とを備えることにより、エンコーダやレゾルバといった回転子の磁極位置を検出する位置センサを取り付けることが不要のため、コスト低減と信頼性の向上を図ることができる。 According to a fifth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to fourth aspects of the invention, the rotating machine control means is applied to the rotating machine, current detecting means for detecting a current flowing in a stator winding of the rotating machine, and the rotating machine. An induced voltage estimating means for estimating an induced voltage generated in the rotating machine from a value of an applied voltage to be detected and a current value detected by the current detecting means, and an induced voltage value estimated by the induced voltage estimating means By providing the rotor position speed detecting means for estimating the rotor magnetic pole position of the rotating machine, it is not necessary to attach a position sensor for detecting the magnetic pole position of the rotor such as an encoder or a resolver, thereby reducing cost and reliability. Can be improved.
第6の発明は、特に第1〜5のいずれか1つの発明において、前記圧縮機が運転している間は、前記回転機制御手段によって前記回転機を回生運転することで前記膨張機から動力を回収し、回収された動力を前記圧縮機を駆動するための補助動力として利用することにより、圧縮機の動力を大幅に低減することができ、省エネルギー化を図ることができる。 In a sixth aspect of the invention, in particular, in any one of the first to fifth aspects of the invention, while the compressor is in operation, the rotary machine is regeneratively operated by the rotary machine control means to drive power from the expander. By using the recovered power as auxiliary power for driving the compressor, the power of the compressor can be significantly reduced, and energy saving can be achieved.
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、本発明の第1の実施の形態における冷凍サイクル装置のシステム構成を示す。この冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機1と、冷媒を凝縮する凝縮器3と、冷媒を蒸発する蒸発器4と、凝縮器3と蒸発器4の間に設けられ、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機2の膨張タービン2aから構成されており、膨張タービン2aは動力軸2cを介して回転機2bと直結されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a system configuration of a refrigeration cycle apparatus according to a first embodiment of the present invention. This refrigeration cycle is provided between the
また、交流電源11からの交流電力は整流回路12で直流電力に変換され、平滑コンデンサ13で電圧が平滑された後、この直流電力は、直流電力を交流電力に変換するインバータ16と、運転司令部14からの圧縮機1の回転数指令値に基づいてインバータ16を駆動するためのドライブ信号を生成するインバータ制御部17とから構成されている圧縮機制御装置15によって交流電力に変換され圧縮機1が駆動される。
Further, AC power from the AC power supply 11 is converted into DC power by the rectifier circuit 12, and after the voltage is smoothed by the
一方、冷媒の膨張エネルギーいよって駆動された膨張タービン2aは動力軸2cを介して回転機2bを駆動することで交流電力が発生する。発生した交流電力は、運転司令部14からの回転機2bの回転数指令値に基づいて、回転機制御装置18によって回生運転が行われて直流電力に変換され、この直流電力は圧縮機1を駆動するための補助動力として利用されるため、電解コンデンサ13の両端に配線されている。
On the other hand, the
ここで、回転機制御装置18では指令通りの回転数を満足するため、目標回転数(回転機2bの回転数指令値)と現在の速度ω(回転子磁極位置速度検出手段24により推定された推定速度の現在値)との速度誤差と、電流検出器20a、20bおよび電流検出部21によって検出された回転機2bの相電流検出値(iu、iv、iw)と、回転子磁極位置速度検出手段24によって推定された磁極位置θから回転機2bの印加電圧指令値(vu*、vv*、vw*)を演算する正弦波駆動部22と、電流検出値と電圧指令値(vu*、vv*、vw*)に基づいて、回転機2bの固定子巻線の各相に生じた誘起電圧を推定する誘起電圧推定部23と、誘起電圧推定部23によって推定された誘起電圧を用いて回転機2bにおける回転子の磁極位置および速度を推定する回転子位置速度検出部24と、電圧指令値(vu*、vv*、vw*)を電力変換器19を駆動するためドライブ信号に変換するPWM信号生成部25と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器19から構成されている。
Here, in order to satisfy the rotational speed as instructed in the rotating
ここで、回転機制御装置18によって回転機2bの回転数を制御する場合、膨張エネルギーの大きさに応じて力行運転または回生運転が行われるため、どちらの運転モードでも回転機2bにおける回転子の磁極位置が推定できなければならない。以下では、回転機2bを力行運転する場合について回転機制御装置18の具体的な動作を説明した後で、回生運転する場合については力行運転する場合との相違点のみ説明する。
Here, when the rotational speed of the rotating machine 2b is controlled by the rotating
まず、正弦波駆動部22では、運転司令部14から与えられる回転機2bの回転数指令値ω*と推定速度ωとの速度誤差がゼロになるように、速度制御ゲイン(KPW:速度制御比例ゲイン、KIW:速度制御積分ゲイン)を用いて、式(1)で表されるPI制御により電流指令値I*を演算する。
First, in the sine wave drive unit 22, a speed control gain (KPW: proportional to speed control) is set so that the speed error between the rotational speed command value ω * of the rotating machine 2b given from the
次に、演算された電流指令値I*と電流指令位相βTとを用いて式(2)、式(3)の演算によりdq軸電流指令値(id*、iq*)を求める。 Next, the dq-axis current command value (id *, iq *) is obtained by the calculation of the equations (2) and (3) using the calculated current command value I * and the current command phase βT.
また、固定子巻線の相電流指令値(iu*、iv*、iw*)は、dq軸電流指令値(id*、iq*)と現在の磁極位置θ(回転子磁極位置速度推定手段24により推定された推定位置の現在値)を用いて式(4)〜式(6)の演算により2相−3相変換を行うことで求める。なお、2相−3相変換については公知のため、その説明は省略する。 In addition, the phase current command values (iu *, iv *, iw *) of the stator winding are the dq axis current command values (id *, iq *) and the current magnetic pole position θ (rotor magnetic pole position speed estimation means 24). Is obtained by performing two-phase to three-phase conversion by the calculations of Expressions (4) to (6) using the current value of the estimated position estimated by (1). Since the two-phase to three-phase conversion is publicly known, the description thereof is omitted.
そこで、相電流指令値(iu*、iv*、iw*)と電流検出器20a,20bおよび電流検出部21から得られる相電流検出値(iu、iv、iw)との電流誤差がゼロとなるように、電流制御ゲイン(KPKn、KIKn、n=1、2、3(3相分))を用いて式(7)〜式(9)で表されるPI制御により電圧指令値(vu*、vv*、vw*)を演算する。
Therefore, the current error between the phase current command value (iu *, iv *, iw *) and the phase current detection value (iu, iv, iw) obtained from the current detectors 20a, 20b and the
なお、相電流検出値(iu、iv、iw)を3相−2相変換してdq軸電流検出値(id、iq)を求め、dq軸電流指令値(id*、iq*)とdq軸電流検出値(id、iq)との電流誤差がゼロとなるようにPI制御によりdq軸電圧指令値(vd*、vq*)を求めてから、dq軸電圧指令値(vd*、vq*)を2相−3相変換して相電圧指令値(vu*、vv*、vw*)を求めても良い。ここで、3相−2相変換についても2相−3相変換と同様に公知のため、その説明は省略する。 The phase current detection values (iu, iv, iw) are subjected to three-phase to two-phase conversion to obtain dq-axis current detection values (id, iq), and dq-axis current command values (id *, iq *) and dq-axis After obtaining the dq axis voltage command value (vd *, vq *) by PI control so that the current error from the current detection value (id, iq) becomes zero, the dq axis voltage command value (vd *, vq *) The phase voltage command values (vu *, vv *, vw *) may be obtained by performing two-phase to three-phase conversion. Here, since the three-phase to two-phase conversion is also known in the same manner as the two-phase to three-phase conversion, the description thereof is omitted.
具体的には、dq軸電流指令値(id、iq)は式(10)、式(11)の演算により求められる。 Specifically, the dq-axis current command value (id, iq) is obtained by the calculations of Expressions (10) and (11).
また、dq軸電圧指令値(vd*、vq*)は電流制御ゲイン(KPD:d軸電流比例ゲイン、KID:d軸電流積分ゲイン、KPQ:q軸電流比例ゲイン、KIQ:q軸電流積分ゲイン)を用いて式(12)、式(13)の演算により求められる。 The dq-axis voltage command values (vd *, vq *) are current control gains (KPD: d-axis current proportional gain, KID: d-axis current integral gain, KPQ: q-axis current proportional gain, KIQ: q-axis current integral gain. ) Is used to calculate the equations (12) and (13).
そこで、dq軸電圧指令値(vd*、vq*)を2相−3相変換することで相電圧指令値(vu*、vv*、vw*)は式(14)〜式(16)の演算により求められる。 Therefore, the phase voltage command values (vu *, vv *, vw *) are calculated by the equations (14) to (16) by performing two-phase to three-phase conversion on the dq-axis voltage command values (vd *, vq *). Is required.
次に、本発明の第1の実施の形態における回転機2bの誘起電圧の推定方法について説明する。各相の巻線に誘起される誘起電圧値(eu、ev、ew)は、相電流検出値(iu、iv、iw)と、相電圧指令値(vu*、vv*、vw*)を用いて式(17)〜式(19)の演算により求められる。 Next, a method for estimating the induced voltage of the rotating machine 2b according to the first embodiment of the present invention will be described. The induced voltage values (eu, ev, ew) induced in the windings of the respective phases use the phase current detection values (iu, iv, iw) and the phase voltage command values (vu *, vv *, vw *). Is obtained by the calculations of equations (17) to (19).
ここで、Rは回転機2bの巻線一相あたりの抵抗、Lはそのインダクタンスである。また、d(iu)/dt、d(iv)/dt、d(iw)/dtはそれぞれiu、iv、iwの時間微分であり、式(17)〜式(19)を展開すると次式を得る。 Here, R is the resistance per phase of the winding of the rotating machine 2b, and L is its inductance. Further, d (iu) / dt, d (iv) / dt, d (iw) / dt are time derivatives of iu, iv, and iw, respectively, and the following equations are obtained by expanding the equations (17) to (19). obtain.
ここで、Rは巻線一相あたりの抵抗、laは巻線一相あたりの漏れインダクタンス、Laは巻線一相あたりの有効インダクタンスの平均値、Lasは巻線一相あたりの有効インダクタンスの振幅である。また、d(iu)/dt、d(iv)/dt、d(iw)/dtは、1次オイラー近似で求める。なお、u相電流iuは、v相電流ivとw相電流iwとの和の符号を変えたものとする。さらに、式(20)〜式(22)を簡略化すると、以下に示す式(23)〜式(25)を得る。ここでは、相電流検出値(iu、iv、iw)が正弦波であると仮定し、電流指令振幅I*と電流指令位相βTとから相電流検出値(iu、iv、iw)を作成して簡略化した。本実施形態において、誘起電圧推定部23では、式(23)〜式(25)により誘起電圧推定値(eu、ev、ew)を求める。
Here, R is resistance per winding phase, la is leakage inductance per winding phase, La is an average value of effective inductance per winding phase, and Las is an amplitude of effective inductance per winding phase. It is. D (iu) / dt, d (iv) / dt, and d (iw) / dt are obtained by first-order Euler approximation. Note that the u-phase current iu is obtained by changing the sign of the sum of the v-phase current iv and the w-phase current iw. Furthermore, when Expressions (20) to (22) are simplified, Expressions (23) to (25) shown below are obtained. Here, assuming that the phase current detection values (iu, iv, iw) are sine waves, the phase current detection values (iu, iv, iw) are created from the current command amplitude I * and the current command phase βT. Simplified. In the present embodiment, the induced
次に、回転子位置速度推定部24では、誘起電圧推定値(eu、ev、ew)を用いて回転機2bにおける回転子の磁極位置および速度を推定する。回転子位置速度推定部24は、回転機制御装置18が認識している推定位置θを誘起電圧の誤差を用いて補正することにより、推定位置θを真値に収束させて求める。また、そこから、推定速度ωを生成する。そこで、各相の誘起電圧基準値(eum、evm、ewm)を次式により求める。ただし、誘起電圧振幅値emは、eu、ev、ewの振幅値と一致させることにより求める。
Next, the rotor position
このようにして求めた誘起電圧基準値esm(s=u、v、w(sは相を表す))と、誘起電圧推定値esとの偏差εを求め、この偏差εが0になれば推定位置θが真値になるので、偏差εを0に収斂させるように、推定位置θを、偏差εを用いたPI演算などを行って求める。また、推定位置θの変動値を演算することにより、推定速度ωを求める。 A deviation ε between the induced voltage reference value esm (s = u, v, w (s represents a phase)) thus obtained and the induced voltage estimated value es is obtained. If the deviation ε becomes 0, the estimated value is estimated. Since the position θ becomes a true value, the estimated position θ is obtained by performing PI calculation using the deviation ε so that the deviation ε is converged to zero. Further, the estimated speed ω is obtained by calculating the fluctuation value of the estimated position θ.
最後に、PWM信号生成部13では、正弦波駆動部22で導出された相電圧指令値(vu*、vv*、vw*)に基づいて電力変換器19を駆動するためのドライブ信号に変換される。このドライブ信号により電力変換器19が動作する。
Finally, the PWM
なお、回転機2bに印加する電圧指令値(vu*、vv*、vw*)の位相を変化させることで、力行運転から回生運転への切り替えが可能であり、具体的には力行運転時の電流指令位相βTの代わりに(−βT)を用いることで、回生運転時でも回転機2bにおける磁極位置および速度を推定することができる。ただし、圧縮機制御装置15によって圧縮機1が駆動された後で、膨張エネルギーによって膨張タービン2aが駆動され始めると推定速度ωが大きくなっていくため、電流指令値I*が減少してその符号が逆転した時点で、力行運転から回生運転への切り替えが行われるため、そのタイミングに応じて電流指令位相βTの符号を変える必要がある。
Note that by changing the phase of the voltage command values (vu *, vv *, vw *) applied to the rotating machine 2b, it is possible to switch from powering operation to regenerative operation. By using (−βT) instead of the current command phase βT, the magnetic pole position and speed in the rotating machine 2b can be estimated even during regenerative operation. However, when the
以上の構成により、回転機制御装置18では相電圧方程式に基づいたモデルにより導出された誘起電圧推定値と誘起電圧基準値との偏差εを用いて推定位置θを生成し、正弦波状の相電流を流すことで力行運転および回生運転ができる位置センサレス正弦波駆動を実現しており、エンコーダやレゾルバといった回転子の磁極位置を検出する位置センサを取り付けることが不要のため、コスト低減と信頼性の向上を図ることができる。
With the above configuration, the rotating
また、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の回転機制御装置18では、図2(a)に示すように圧縮機1が停止した直後から所定時間が経過するまで回転機2bに一定の直流電流Isを流し続けることで膨張機2(膨張タービン2a)を拘束させるものであり、例えば、固定子巻線の相電流指令値(iu*、iv*、iw*)をiu*=Is、iv*=iw*=−Is/2と設定し、(7)式〜(9)式を用いて直流電流を流すのに必要な電圧指令値(vu*、vv*、vw*)を導出する。これによって、圧縮機1が停止した際に、冷凍サイクルに存在している膨張エネルギーによって膨張機2(膨張タービン2a)の回転数が増大し続けることや、回転機制御装置18による回生運転で得られる電気エネルギーが蓄積され続けて電力変換器19などの素子が破壊されることを防止することができる。
Further, in the rotating
また、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の回転機制御装置18では、図2(b)に示すように圧縮機1が停止した直後から経過する時間に対して段階的に直流電流を大きくするのが好ましい。これによって、回転機2bに流す直流電流の変化を緩やかにすることで、膨張機2(膨張タービン2a)を拘束させる際に膨張機2(膨張タービン2a)の機構に与える物理的なストレスを軽減することができる。
Further, in the rotating
なお、図2(b)は直流電流値Is0(経過時間T1以下)→Is1(経過時間T2以下)→Is2(経過時間T2より大)と3段階としているが、さらに段数を増やしても良いことは言うまでもない。 In FIG. 2B, the DC current value Is0 (elapsed time T1 or less) → Is1 (elapsed time T2 or less) → Is2 (greater than the elapsed time T2) has three stages, but the number of stages may be further increased. Needless to say.
また、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の回転機制御装置18では、図2(c)に示すように圧縮機1が停止した直後から経過する時間に対して比例して直流電流を大きくするのが好ましい。これによって、回転機2bに流す直流電流の変化を連続的に滑らかにすることで、膨張機2(膨張タービン2a)を拘束させる際に膨張機2(膨張タービン2a)の機構に与える物理的なストレスを図2(b)の場合よりもさらに軽減する
ことができる。
Further, in the rotating
なお、図2(a)、図2(b)、図2(c)に示すように、回転機2bに流す直流電流の大きさは、回転機2bの減磁電流よりも小さくなるように予め設定された上限値を備えるものであり、これによって、膨張機2(膨張タービン2a)を拘束させる際に確実に回転機2bの減磁を防ぐことができる。
As shown in FIGS. 2 (a), 2 (b) and 2 (c), the magnitude of the direct current flowing through the rotating machine 2b is previously set to be smaller than the demagnetizing current of the rotating machine 2b. With the set upper limit value, demagnetization of the rotating machine 2b can be surely prevented when the expander 2 (
さらに、圧縮機制御装置15によって圧縮機1が起動された後は、回転機制御装置18によって回転機2bを回生運転することで膨張機2から動力を回収し、回収された動力を圧縮機1を駆動するための補助動力として利用することで、圧縮機1の動力を大幅に低減することができ、省エネルギー化を図ることができる。
Further, after the
なお、図1では回転機2bの電流を検出する2つの電流検出器20a、20bを備え、回転子の磁極位置および速度の推定に使用しているが、電力変換器19の直流電流(電力変換器19と平滑コンデンサ13との配線に流れる電流)から回転機2bの電流を検出するなどの手段を用いても良いことは言うまでもない。
In FIG. 1, the two current detectors 20a and 20b for detecting the current of the rotating machine 2b are provided and used for estimating the magnetic pole position and speed of the rotor. Needless to say, a means for detecting the current of the rotating machine 2b from the current flowing in the wiring between the device 19 and the smoothing
また、図1では運転指令部14から与えられた回転機2bの回転数指令値に対して、回転機2bの回転数が追従するように回転数制御が行われているが、回転機2bのトルクを制御するなどの形態を取っても良いことは言うまでもない。
In FIG. 1, the rotational speed control is performed so that the rotational speed of the rotating machine 2 b follows the rotational speed command value of the rotating machine 2 b given from the
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、膨張機に備えられた回転機の回転子の磁極位置を推定することによって回転機の回転数を制御し、かつ停止を含めた信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができるため、炭酸ガス冷媒のヒートポンプ式給湯器等の製品にも応用することができる。 As described above, the refrigeration cycle apparatus according to the present invention controls the rotational speed of the rotating machine by estimating the magnetic pole position of the rotor of the rotating machine provided in the expander, and has reliability including stopping. Since the drive of a high expander is realizable, it can apply also to products, such as a heat pump type water heater of a carbon dioxide refrigerant.
1 圧縮機
2 膨張機
2a 膨張タービン
2b 回転機
2c 動力軸
2d 発電機
3 凝縮器
4 蒸発器
11 交流電源
12 整流回路
13 平滑コンデンサ
14 運転指令部
15 圧縮機制御装置
16 インバータ
17 インバータ制御部
18 回転機制御装置
19 電力変換器
20 a、20b 電流検出器
21 電流検出部
22 正弦波駆動部
23 誘起電圧推定部
24 回転子位置速度検出部
25 PWM信号生成部
26 異常判定部
31 第1コンバータ
32 第2コンバータ
41 風車
42 埋込磁石同期発電機(IPMSG)
43 PWMコンバータ
44 位置・速度推定部
45 最大電力追従制御部
46 最大効率制御部
47 電圧指令作成部
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43
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