JP2007318838A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電解コンデンサの寿命推定の精度を高めた空調室外機の制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置４は、マイコン５と、コンバータ８と、インバータ９と、電圧検出回路４２と、外気温センサ４３とを備えている。コンバータ８は、交流電源７の出力を直流に変換し、インバータ９へ給電する。電圧検出回路４２は、電解コンデンサ８３の端子間電圧を検出しマイコン５へ送る。外気温センサ４３は、電解コンデンサ８３の周囲温度を検出しマイコン５へ送る。マイコン５は、演算部５６と補正部５７を内蔵している。演算部５６は、電解コンデンサ８３の端子間電圧から静電容量を算出する。補正部５７は、演算部５６で算出した静電容量を周囲温度に応じて補正する。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバータによる回転数制御を行う容量可変の圧縮機を搭載した空調室外機の制御装置に関する。

従来、容量可変の圧縮機を搭載した空調室外機の制御装置では、交流電源とインバータとの間に、コンバータと呼ばれる回路が配置されている。このコンバータは、限流抵抗から成る限流回路と、ダイオードから成る整流回路と、リアクタンスと電解コンデンサから成る平滑回路とで構成されており、交流出力を直流に変換する機能を有している。コンバータ内に配置されている電解コンデンサは、インバータに安定した直流電圧を供給するための重要な部品であるが、他の部品と比べて低寿命である。このため、ユーザーに不便をかけさせないように、電解コンデンサの寿命を推定し適時に交換する必要がある。なお、電解コンデンサの寿命推定の手段としては、電解コンデンサの静電容量が時間と共に低下することを利用して、初期値からある一定値が低下した時点で寿命とする方法が採用されている（例えば、特許文献１）。この方法は、電解コンデンサを交換したときの静電容量を初期状態として記憶しておき、そこからの低下分で寿命推定している。
特開平８−８００５５号公報

しかしながら、電解コンデンサの静電容量は低温で急激に低下するため、低温環境で使用される空調室外機では、静電容量が誤検出されるおそれがある。また、低温だけではなく、インバータ運転直後のように、電解コンデンサの内部温度が上昇しているときには、正確な静電容量を検出することは困難である。

本発明の課題は、電解コンデンサの寿命推定の精度を高めた空調室外機の制御装置を提供することにある。

第１発明に係る制御装置は、空調室外機を制御する制御装置であって、コンバータと、マイコンとを備えている。コンバータは、交流電源の出力を直流に変換する。マイコンは、コンバータ内に平滑回路用として接続されている電解コンデンサの寿命推定を行う。さらにマイコンは、電解コンデンサの寿命推定を行うときに、電解コンデンサの周囲温度に応じた補正を施す。

この制御装置では、マイコンは、電解コンデンサの特性変化に対して、温度による特性変化分を除外することができる。このため、電解コンデンサの寿命推定時の精度が高まる。

第２発明に係る制御装置は、第１発明に係る制御装置であって、電圧検出手段と温度検出手段とをさらに備えている。電圧検出手段は、電解コンデンサの端子間電圧を検出し、温度検出手段は、電解コンデンサの周囲温度を検出する。マイコンは、演算部と補正部とを有する。演算部は、電圧検出手段が検出した電解コンデンサの端子間電圧から電解コンデンサの静電容量を算出し、補正部は、演算部が算出した静電容量を温度検出手段が検出した周囲温度に応じて補正する。

この制御装置では、マイコンは、電解コンデンサの静電容量変化に対して、温度による変化分を除外することができる。このため、静電容量の誤検出が回避され、寿命推定の精度が向上する。

第３発明に係る制御装置は、第２発明に係る制御装置であって、コンバータから電力を供給されるインバータをさらに備えている。そしてマイコンは、インバータが停止し所定時間が経過した後に、電圧検出手段により電解コンデンサの端子間電圧を検出させる。

この制御装置では、マイコンは、電解コンデンサ内部の温度上昇の影響を排除することができる。このため、静電容量の誤検出が回避され、寿命推定の精度が向上する。

第４発明に係る制御装置は、第２発明に係る制御装置であって、マイコンが、補正部で補正された静電容量を蓄積し、静電容量の単位時間当たりの減少を示す減少率を算出して、電解コンデンサの寿命推定を行う。

この制御装置では、マイコンは、寿命を判断するだけでなく、寿命が尽きる時期を推定することができる。

第５発明に係る制御装置は、第４発明に係る制御装置であって、マイコンが、静電容量の単位時間当たりの減少を示す減少率から、電解コンデンサの寿命が尽きる時期予測し報知する。

この制御装置では、マイコンは、寿命が尽きる時期を事前に警告し電解コンデンサの交換準備を促すことができる。

第１発明に係る制御装置では、電解コンデンサの特性変化に対して、温度による特性変化分が除外されるので、電解コンデンサの寿命推定時の精度が高まる。

第２発明に係る制御装置では、電解コンデンサの静電容量変化に対して、温度による変化分が除外されるので、静電容量の誤検出が回避され、寿命推定の精度が向上する。

第３発明に係る制御装置では、電解コンデンサ内部の温度上昇の影響が排除されるので、静電容量の誤検出が回避され、寿命推定の精度が向上する。

第４発明に係る制御装置では、マイコンは、寿命を判断するだけでなく、寿命が尽きる時期を推定することができる。

第５発明に係る制御装置では、マイコンは、寿命が尽きる時期を事前に警告し電解コンデンサの交換準備を促すことができる。

＜空気調和装置の構成＞
図１は、空気調和装置の構成図である。空気調和装置１は、ビル用のマルチタイプの空気調和装置であって、１つ又は複数の空調室外機２に対して複数の空調室内機３が並列に接続され、冷媒が流通できるように、冷媒回路１０が形成されている。制御装置４は、空気調和装置１が効率よく運転されるように、空調室外機２内の圧縮機１１など各種構成機器を制御する。

圧縮機１１は、インバータによる回転数制御を行う容量可変のインバータ圧縮機と、オンオフ制御がなされる定容量の定容量圧縮機とが組み合わされて用いられるものが多いが、インバータ圧縮機だけであってもよい。

＜空調室外機の制御装置＞
図２は、本発明の実施形態に係る空調室外機の制御装置のブロック図である。制御装置４には、ＣＰＵ、メモリを有するマイコン５が搭載されており、マイコン５には、演算部５６、補正部５７、静電容量温度テーブル５８が内蔵されている。なお、各部の詳細は後半で随時説明する。

図３は、同制御装置の電気回路図である。制御装置４では、交流電源７の出力を直流に変換するため、交流電源７のＲ相、Ｓ相、及びＴ相が、コンバータ８に接続されている。Ｒ相とＴ相には、第１リレー５２が直列に接続されている。また、第２リレー８４と限流抵抗８５から成る限流回路８ｃが、Ｔ相の第１リレー５２と並列に接続されている。

さらにコンバータ８は、６個のダイオード８１から成る整流回路８ａと、リアクタンス８２と電解コンデンサ８３から成る平滑回路８ｂとを有している。インバータ９は、コンバータ８から出力される直流を、任意の周波数の交流に変換し、圧縮機１１のモータに供給する。なお、インバータ９は、ドライブ回路４１によって駆動され、ドライブ回路４１はマイコン５によって制御されている。また、マイコン５は、電圧検出回路４２を介して電解コンデンサ８３の端子間電圧を検出し、外気温センサ４３を介して周囲温度を検出する。電解コンデンサ８３とインバータ９との間には、放電抵抗８６が電解コンデンサ８３と並列に接続されている。

＜制御装置による運転動作＞
電源が投入されると、第２リレー８４がオン動作され、電解コンデンサ８３は限流抵抗８５によって徐々に充電される（これを限流動作と呼ぶ）。仮に、電解コンデンサ８３が空充電或いは充電不足の状態で第１リレー５２がオン動作されると、電解コンデンサ８３に突入電圧が印加され、電解コンデンサ８３が損傷する可能性がある。このため、第１リレー５２は、電解コンデンサ８３が適度に充電されてからオン動作される。充電時間は、空気調和装置１の機種によって異なるが、本実施形態では４秒間充電される。

限流動作が終了すると、第１リレー５２がオン動作され、圧縮機１１のモータが起動される。圧縮機１１は、起動指令を受けてから９０秒以内の起動期間を経て定常運転に入る。マイコン５は、電解コンデンサ８３の端子間電圧を常に監視しており、異常な電圧が検出されると停止、再起動を行う。

＜電解コンデンサの静電容量算出＞
第１リレー５２がオン状態からオフ状態になると、電解コンデンサ８３の両端に電圧が印加されなくなり、電解コンデンサ８３内に蓄えられていた電荷が、放電抵抗８６を介して徐々に放電され、電解コンデンサ８３の端子間電圧は徐々に減少する。放電前の電解コンデンサ８３の端子間電圧をＶｏ、電解コンデンサ８３の静電容量をＣ、放電抵抗８６のインピーダンスをＲとした場合、時間ｔが経過したときの電解コンデンサ８３の端子間電圧Ｖは、Ｖ＝Ｖｏ・ｅｘｐ（−ｔ／（Ｃ・Ｒ））で表される。そして、この式をさらに変形すると、Ｃ＝ｔ／（Ｒ・ｌｎ（Ｖｏ／Ｖ））となり、電解コンデンサ８３の静電容量Ｃは、Ｖｏ、Ｖ、ｔが設定されるならば算出が可能である。静電容量Ｃの算出は、マイコン５に内蔵されている演算部５６（図３参照）で実行される。

＜静電容量の温度補正＞
図４は、電解コンデンサの温度別静電容量変化率を表したグラフであり、周囲温度２０℃における電解コンデンサ８３の静電容量を基準として、各温度での変化率を表している。そして、この静電容量の変化率は、静電容量温度テーブル５８としてマイコン５内に記憶されている。マイコン５は、演算部５６と連携する補正部５７（図３参照）を内蔵しており、補正部５７は、外気温センサ４３から受信した温度に対応する変化率を静電容量温度テーブル５８から検索し、その変化率に基づいて、演算部５６で算出された静電容量を２０℃における静電容量へ変換する。

＜電解コンデンサの寿命推定ロジック＞
図５は、電解コンデンサ８３の寿命推定ロジックのフローチャートである。先ず、Ｓ１では、インバータ９が停止したか否かが判定される。インバータ９が停止した場合は、Ｓ２でインバータ９停止後の経過時間ｔ１が計時される。Ｓ３では、経過時間ｔ１が３０分に達したか否かが判定される。

電解コンデンサ８３は、インバータ９の熱的影響を受けて温度上昇しており、この状態で静電容量を算出し温度補正しても、自己の温度上昇による変化分は補正されないので、正確な静電容量が得られない。そこで、電解コンデンサ８３の温度が自然冷却で降下するのを待って特性を測定する必要がある。本実施形態では、インバータ９が停止してから少なくとも３０分間待機するようにしている。

Ｓ３で時間ｔ１が３０分を経過したと判定されると、Ｓ４で周囲温度Ｔｏが測定される。なお、周囲温度Ｔｏは外気温センサ４３によって測定される。次に、Ｓ５で電解コンデンサ８３の放電前電圧Ｖｏが測定される。

Ｓ６では、第１リレー５２がオフ動作し、電解コンデンサ８３に蓄えられた電荷が、放電抵抗８６を通じて放電される。Ｓ７では、放電時間ｔ２が計時され、Ｓ８では、放電時間ｔ２がｔに達したか否かが判定される。そして、放電時間ｔ２がｔに達したならば、Ｓ９で放電時間ｔ経過後の電圧Ｖが測定される。Ｓ１０では、放電前電圧Ｖｏ、放電時間ｔ経過後の電圧Ｖおよび放電抵抗Ｒに基づいて静電容量Ｃが算出される。

Ｓ１１では、Ｓ４で測定された周囲温度Ｔｏに基づいて、静電容量の変化率が静電容量温度テーブル５８から検索される。Ｓ１２では、Ｓ１０で算出された静電容量Ｃが、Ｓ１１で検索された変化率に基づいて、周囲温度２０℃における静電容量へ変換される。

Ｓ１３では、Ｓ１２で得た静電容量のデータがマイコン５のメモリへ記憶され、蓄積される。Ｓ１４では、蓄積されている静電容量のデータに基づいて、時間に対する静電容量がプロットされ、Ｓ１５では、そのプロットからプロット線の傾きＤが測定される。なお、傾きＤは、静電容量の単位時間当たりの減少を示す減少率である。Ｓ１６では、Ｓ１５で測定された傾きＤが所定値以上か否かが判定され、所定値以上ならば、寿命と確定される。なお、傾きＤが所定値未満ならば、Ｓ１へ戻る。

図６は、蓄積されている静電容量データを時間別にプロットしたグラフである。静電容量は、時間の経過と共に低下してくるので、寿命が近づくとプロット線の傾きＤが、Ｄ１からＤ２へと大きくなる。

仮に、傾きＤ２以上になった場合を寿命とするならば、電解コンデンサ８３は、使用開始から１万時間を越えたときに寿命と判定され、この時点で電解コンデンサ８３を交換することが、信頼性と経済性の両面から見て最も合理的である。

また仮に、傾きＤ２のときに寿命と判断しない場合でも、寿命が尽きるまでの時間を予測して報知することもできる。例えば、図６において、静電容量６００μＦをもって寿命とするならば、あと１０００時間で寿命となることを警告し、電解コンデンサ８３の交換準備を促すこともできる。

＜特徴＞
（１）
この制御装置４は、マイコン５と、コンバータ８と、インバータ９と、電圧検出回路４２と、外気温センサ４３とを備える。コンバータ８は、交流電源７の出力を直流に変換し、インバータ９へ給電する。電圧検出回路４２は、電解コンデンサ８３の端子間電圧を検出しマイコン５へ送る。外気温センサ４３は、電解コンデンサ８３の周囲温度を検出しマイコン５へ送る。マイコン５は、演算部５６と補正部５７を内蔵している。演算部５６は、電解コンデンサ８３の端子間電圧から静電容量を算出する。補正部５７は、演算部５６で算出した静電容量を周囲温度に応じて補正する。制御装置４では、電解コンデンサ８３の静電容量変化に対して、温度による変化分が除外され、より正確な静電容量が得られる。これによって、電解コンデンサ８３の寿命推定の精度が向上する。

（２）
この制御装置４では、インバータ９が停止し所定時間が経過した後に、電解コンデンサ８３の端子間電圧が検出される。制御装置４では、インバータ９によって温度上昇した電解コンデンサ８３が、自然冷却されて温度上昇の影響を受けない状態のときに、端子間電圧の検出が行われる。このため、寿命推定の精度が向上する。

（３）
この制御装置４では、マイコン５が補正部５７で補正した静電容量を蓄積し、静電容量の単位時間当たりの減少を示す減少率を算出して、その減少率が所定値以上の場合は、電解コンデンサ８３の寿命と判断する。制御装置４では、マイコン５が、静電容量の減少率から寿命を判断するだけでなく、寿命が尽きる時期を推定する。このため、事前に点検者へ警告し、電解コンデンサ８３の交換準備を促すことができる。

＜他の実施形態＞
以上、本発明について説明したが、具体的な構成は、上記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、上記実施形態では、放電抵抗と放電時間を固定し、電解コンデンサ８３の端子間電圧を検出して静電容量を算出しているが、電解コンデンサ８３の端子間電圧が、放電開始直後から所定電圧へ低下するまでの時間を測定して静電容量を算出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、電解コンデンサ８３の周囲温度を外気温センサ４３で検出しているが、電解コンデンサ８３が電装品ボックスに収納されているならば、電装品ボックス内に別の温度センサを設け、この温度センサによって電解コンデンサ８３の周囲温度を検出してもよい。

以上のように本発明によれば、交流を直流に変換するコンバータ内の電解コンデンサの寿命を正確に推定できるので、空調室外機の制御装置に有用である。

空気調和装置の構成図。 本発明の実施形態に係る空調室外機の制御装置のブロック図。 同制御装置の電気回路図。 電解コンデンサの温度別静電容量変化率を表したグラフ。 電解コンデンサの寿命推定ロジックのフローチャート。 蓄積されている静電容量データを時間別にプロットしたグラフ。

符号の説明

２ 空調室外機
４ 制御装置
５ マイコン
７ 交流電源
８ コンバータ
９ インバータ
４２ 電圧検出回路（電圧検出手段）
４３ 外気温センサ（温度検出手段）
５６ 演算部
５７ 補正部
８３ 電解コンデンサ

Claims (5)

1. 空調室外機（２）を制御する制御装置であって、
   交流電源（７）の出力を直流に変換するコンバータ（８）と、
   前記コンバータ（８）内に平滑回路用として接続されている電解コンデンサ（８３）の寿命推定を行うマイコン（５）と、
   を備え、
   前記マイコン（５）は、前記電解コンデンサ（８３）の寿命推定を行うときに、前記電解コンデンサ（８３）の周囲温度に応じた補正を施す、
   制御装置（４）。
2. 。
   前記電解コンデンサ（８３）の端子間電圧を検出する電圧検出手段（４２）と、
   前記電解コンデンサ（８３）の周囲温度を検出する温度検出手段（４３）と、
   をさらに備え、
   前記マイコン（５）は、前記電圧検出手段（４２）が検出した前記電解コンデンサ（８３）の端子間電圧から前記電解コンデンサ（８３）の静電容量を算出する演算部（５６）と、前記演算部（５６）が算出した前記静電容量を前記温度検出手段（４３）が検出した周囲温度に応じて補正する補正部（５７）とを有する、
   請求項１に記載の制御装置（４）。
3. 前記コンバータ（８）から電力を供給されるインバータ（９）をさらに備え、
   前記マイコン（５）は、前記インバータ（９）が停止し所定時間が経過した後に、前記電圧検出手段（４２）により前記電解コンデンサ（８３）の端子間電圧を検出させる、
   請求項２に記載の制御装置（４）。
4. 前記マイコン（５）は、前記補正部（５７）で補正された静電容量を蓄積し、前記静電容量の単位時間当たりの減少を示す減少率を算出して、前記電解コンデンサ（８３）の寿命推定を行う、
   請求項２に記載の制御装置（４）。
5. 前記マイコン（５）は、前記静電容量の前記減少率から、前記電解コンデンサ（８３）の寿命が尽きる時期を予測し報知する、
   請求項４に記載の制御装置（４）。

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