JP2008101860A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三相交流電源の欠相を負荷の広範囲で判定でき、かつ、三相交流電源の全ての相の欠相を検出することのできる冷凍サイクル装置が求められている。
【解決手段】この冷凍サイクル装置は、三相交流電源１の電力をインバータ装置２を介して冷媒回路１５の圧縮機１１用のモータ３に供給する装置であって、三相交流電源１からの入力電流を検出する手段４と、圧縮機１１の仕事量を検出する圧縮機仕事量検出手段Ｗと、入力電流とインバータ装置２からの出力電力値との関係データを記憶している関係データ記憶手段９と、検出された圧縮機１１の仕事量Ｉｏとインバータ装置２からのインバータ出力周波数ｆとに基づいて出力電力想定値を算出する出力電力想定値算出手段７と、算出された出力電力想定値Ｉｏ・ｆと検出された入力電流Ｉｉと関係データとに基づいて三相交流電源１の欠相を判定する欠相判定手段８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流電源をインバータ装置を介して圧縮機駆動モータに供給する冷凍サイクル装置に関するものである。

従来、この種の冷凍サイクル装置においては、圧縮機駆動モータに電力を供給する三相交流電源のいずれか一相の三相電流検出信号とインバータの出力周波数とから欠相判定領域を求め、この欠相判定領域を基に欠相の有無を判定する三相交流電源欠相検出装置を備えたものが記載されている（例えば、特許文献１参照）。

一方で、三相交流電源欠相検出手段として、図４に示すように、Ｒ相とＳ相に線間電圧検出手段１８を設けてＲ相およびＳ相の欠相を検出し、Ｔ相にはインバータ入力電流検出手段４を設けてＴ相の欠相を検出する装置が知られている。

特開平２−１７９４８１号公報（第２〜３頁、第１図）

特許文献１記載の冷凍サイクル装置では、三相交流電源の欠相を判定する為の欠相判定基準値を、三相交流電源で検出されたインバータ入力電流とインバータ出力周波数により決定している。そのため、圧縮機のモータ負荷が小さい場合は電源電流が大きくならないことから、欠相時であるにも拘わらず、定めた判定範囲を超えない場合があり、欠相を検知できる運転範囲が狭いという問題がある。

他方で、図４に記載の三相交流電源欠相検出装置では、Ｒ相とＳ相の線間に線間電圧検出手段を設けているため、インバータ装置内で各線間に配備されているコンデンサの影響等により電圧の回り込みが発生し、Ｒ相とＳ相の欠相を検出できない場合がある。

本発明は、上記した問題点を解決するためになされたものであって、三相交流電源の欠相を圧縮機のモータ負荷の広範囲にわたって判定することができ、かつ、三相交流電源の全ての相について欠相を検出することのできる冷凍サイクル装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機、熱源側熱交換器、冷媒絞り装置、および利用側熱交換器を連結してなる冷媒回路を有し、三相交流電源の電力をインバータ装置を介して圧縮機駆動モータに供給する冷凍サイクル装置において、インバータ装置に入力される三相交流電源のいずれか一相の入力電流を検出するインバータ入力電流検出手段と、圧縮機の仕事量を検出する圧縮機仕事量検出手段と、インバータ装置から出力される出力電力値と該出力電力値に対応する入力電流の正常範囲値との関係を示す関係データを予め記憶している関係データ記憶手段と、圧縮機仕事量検出手段により検出された圧縮機の仕事量とインバータ装置からのインバータ出力周波数とに基づいて出力電力想定値を算出する出力電力想定値算出手段と、出力電力想定値算出手段により算出された出力電力想定値とインバータ入力電流検出手段により検出された入力電流とを関係データ記憶手段の関係データに照合して三相交流電源の欠相を判定する欠相判定手段とを具備してなるものである。

また、請求項１の構成において、圧縮機仕事量検出手段がインバータ装置から圧縮機駆動モータへ出力される出力電流を検知するインバータ出力電流検出手段であり、圧縮機の仕事量がインバータ出力電流検出手段により検出された出力電流に基づくものである。

そして、請求項１の構成において、圧縮機仕事量検出手段が冷媒回路における圧縮機の吐出圧力および／または吸入圧力を検出する圧縮機圧力検出手段であり、圧縮機の仕事量が圧縮機圧力検出手段により検出された吐出圧力および／または吸入圧力に基づくものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置によれば、三相交流電源の少なくとも一相の検出電流とインバータ装置からのインバータ出力周波数とに加えて、圧縮機の仕事量を加味し、更にインバータ装置からの出力電力値と入力電流の正常範囲値との関係データも用いるので、インバータ装置の負荷に応じて電源電流の欠相検知の判定値を決めることができる。従って、三相交流電源の一相の検出電流とインバータ出力周波数とから欠相を判定する従来技術と比べ、負荷が小さい場合においても欠相が発生したことの検知が可能となり、コスト低減の他、インバータ装置に異常な電流が流れることによる部品劣化の抑制が可能となる。

そして、上記の圧縮機仕事量検出手段としては、インバータ装置から圧縮機駆動モータへ出力される出力電流を検知するインバータ出力電流検出手段や、冷媒回路における圧縮機の吐出圧力および／または吸入圧力を検出する圧縮機圧力検出手段といった安価で容易に実現可能な具体的手段を用いることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図、図２はこの発明の実施の形態１，２，３，４に係る冷凍サイクル装置に適用される関係データを示す説明図である。
図１において、この実施形態に係る冷凍サイクル装置は利用側冷却式の冷媒回路１５を備えている。この冷媒回路１５は、圧縮機１１、熱源側熱交換器１２、冷媒絞り装置１３、および利用側熱交換器１４を当該順に冷媒配管などを介して回路状に連結した構造を成している。上記の圧縮機１１を駆動するモータ（圧縮機駆動モータ）３には、三相交流電源１の電力がインバータ装置２を介して供給されるようになっている。このインバータ装置２は三相交流の電力を任意の周波数、電圧に変換し、負荷であるモータ３に電源を供給する装置である。インバータ装置２の入力側（三相交流電源１とインバータ装置２の間）における三相交流電源１の例えばＴ相には、三相交流電源１からインバータ装置２に供給されるＴ相の入力電流Ｉｉを電圧値に変換して検出するインバータ入力電流検出手段（Ｔ相検知）４が設けられている。インバータ装置２の出力側（インバータ装置２と圧縮機３の間）におけるいずれか一相（三相のうちいずれの相でもよい。）には、インバータ装置２から出力される電流Ｉｏを電圧値に変換して検出するインバータ出力電流検出手段５が設けられている。

三相交流電源１の欠相判定を行なう演算装置１０はＣＰＵ、メモリ、データバス、入出力ポート（いずれも図示省略）などを備えた汎用装置からなり、ＣＰＵは出力電力想定値算出手段７や欠相判定手段８の機能を備え、メモリは関係データ記憶手段９の機能を備えている。演算装置１０の入力側には、インバータ入力電流検出手段４からの入力電流Ｉｉ信号の入力ラインと、インバータ装置２からのインバータ出力周波数ｆ信号の入力ラインと、インバータ出力電流検出手段５からの出力電流Ｉｏ信号の入力ラインが接続されている。演算装置１０の出力側は、例えば判定報知、判定表示、通信出力などを行なう外部出力手段１６と接続されている。上記した関係データ記憶手段９には、インバータ装置２から出力される出力電力値Ｉｏ・ｆと、この出力電力値Ｉｏ・ｆに対応する入力電流Ｉｉの正常範囲値との関係を示すテーブルデータ（図２参照、本発明にいう関係データ）が予め記憶されている。

上記のインバータ入力電流検出手段（Ｔ相検知）４は三相交流電源１からインバータ装置２に供給されるＴ相の入力電流Ｉｉを電圧値に変換して検出し欠相判定手段８へ伝送する。上記のインバータ出力電流検出手段５はインバータ装置２から出力される電流Ｉｏを電圧値に変換して検出し出力電力想定値算出手段７へ伝送する。インバータ装置２の入力側と出力側では電力がほぼ等しくなることから、出力電力想定値算出手段７は、インバータ出力電流検出手段５により検出されたインバータ装置２からモータ３へ出力される出力電流Ｉｏと、インバータ装置２から出力されたインバータ出力周波数ｆとを用いて、圧縮機１１のモータ３（インバータ装置２の出力側）で必要となる出力電力想定値Ｉｏ・ｆを算出し欠相判定手段８へ伝送する。欠相判定手段８は、出力電力想定値算出手段７から受け取った出力電力想定値Ｉｏ・ｆと、インバータ入力電流検出手段４から受け取った入力電流（Ｔ相電流）Ｉｉとを関係データ記憶手段９のテーブルデータに照合して三相交流電源１の欠相を判定する。

図２は関係データ記憶手段９に格納されたテーブルデータの内容を示している。図において、原点を通る破線の直線Ｓはインバータ装置２の出力電力値に対する入力電流の理論値を示す直線である。欠相判定ライン（実線の直線Ｍ，Ｎ）を理論値（破線の直線Ｓ）から上下に幅（±ｅ）を設けた理由は、インバータ入力電流検出手段４の誤差や電源アンバランスによって入力電流Ｉｉが変化することを考慮したマージンを持たせるためである。理論値からのマージンは電源バランスや機器定数からシミュレーションなどにより予め決定される。

より具体的には、例えばインバータ出力周波数ｆとインバータ出力電流Ｉｏとからインバータ出力電圧Ｖを決定する（予め、インバータ出力周波数と出力電流に対応する出力電圧とを実測して関係データ記憶手段９に記憶させておく）。力率は冷凍サイクル装置のマイコン（図示省略）からのインバータ出力電圧指令値と、検出した出力電流の位相差から算出する。そして、次の（１）式により理論値としてのインバータ出力電力値Ｐ１を求める。
Ｐ１ ＝ √３ × Ｖ × Ｉｏ × ｃｏｓθ × α ・・・（１）
ここで、Ｐ１：インバータ出力電力値
Ｖ ：インバータ出力電圧（インバータ出力周波数ｆおよび出力電流Ｉｏより決定）
Ｉｏ：インバータ出力電流（インバータ出力電流検出手段５により検出）
ｃｏｓθ ：力率
α ：力率誤差補正係数
(１)式で算出したインバータ出力電力値Ｐ１を基に三相交流電源電圧からインバータ入力電流が採り得る範囲（直線Ｍ〜Ｎ間）を算出して、上記した欠相判定のテーブルデータを作成し、関係データ記憶手段９に予め記憶させておくのである。

次に動作について説明する。三相中の二相が欠相の場合は電圧供給ができないために停電となり、欠相動作でなくなる。従って、以下では一相のみの欠相を想定して記載する。
インバータ入力電流検出手段４が設けられている相（図１ではＴ相）が欠相した場合、インバータ入力電流検出手段４により検出された入力電流Ｉｉの値は非常に小さくなる。この場合、算出された出力電力想定値Ｉｏ・ｆが入力電流Ｉｉの下限値（直線Ｎ）を下回るので、欠相判定手段８はＴ相が欠相であると判断する。他方で、インバータ入力電流検出手段４を設けていない各相（図１ではＲ相、Ｓ相）の内、どちらか一方が欠相している場合、インバータ入力電流検出手段４を設けている相（図１ではＴ相）には通常は三相平衡分の電流が流れるところが、単相分の電流となるため、インバータ入力電流検出手段４により検出される電流値は非常に大きくなる。これにより、欠相判定手段８は、出力電力想定値算出手段７から受け取った出力電力想定値Ｉｏ・ｆと、インバータ入力電流検出手段４から受け取った入力電流（Ｔ相電流）Ｉｉとを関係データ記憶手段９のテーブルデータを参照して欠相の判定を行う。入力電流Ｉｉは出力電力想定値に対する入力電流の上限値（直線Ｍ）を上回るので、欠相判定手段８はＲ相またはＳ相の欠相であると判断する。そして、欠相判定手段８が欠相と判定すると、演算装置１０は外部出力手段１６を介して冷凍サイクル装置のマイコンに指令出力を行い、空調能力を運転に支障のない能力まで落として応急運転を行うとともに、リモコン（図示省略）に出力してリモコンの表示画面に欠相の旨を表示させるのである。すなわち、この実施形態１の構成では、インバータ装置２から出力された出力電流Ｉｏを検出するインバータ出力電流検出手段５が圧縮機仕事量検出手段Ｗに相当する。

この実施形態１の冷凍サイクル装置によれば、インバータ装置２からのインバータ出力周波数ｆと、検出したインバータ装置２の出力電流Ｉｏとからインバータ出力電力想定値Ｉｏ・ｆを算出し、この算出したインバータ出力電力想定値Ｉｏ・ｆと三相交流電源１のＴ相で検出した入力電流Ｉｉとを、関係データ記憶手段９のテーブルデータ（Ｐ１（直線Ｓ）±ｅ）に照合して欠相判定を行なう。従って、インバータ装置２の負荷に応じて電源電流の欠相を詳細に判定することができる。これにより、モータ３の負荷が小さい場合においても三相交流電源１の欠相発生の検知が可能となる。その結果、コスト低減の他、インバータ装置２に異常な電流が流れることによる部品劣化を抑制することができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。この図３および図２を用いて本発明の実施の形態２を説明する。
図３において、１は三相交流電源、２はインバータ装置、３は圧縮機駆動用のモータ、４はインバータ入力電流検出手段、６は圧縮機吐出圧力検出手段、７は出力電力想定値算出手段、８は欠相判定手段、９は関係データ記憶手段、１０は演算装置、１１は圧縮機、１２は熱源側熱交換器、１３は冷媒絞り装置、１４は利用側熱交換器、１５は冷媒回路である。

この実施形態２は、圧縮機仕事量検出手段Ｗとして実施形態１におけるインバータ出力電流検出手段５に替えて圧縮機吐出圧力検出手段６を用い、関係データ記憶手段９が、出力電流に関係するデータの替わりに圧縮機吐出圧力に関係するデータを記憶していること以外、実施形態１と同様の構成である。
そこで、圧縮機吐出圧力検出手段６は冷媒回路１５における圧縮機１１の吐出側に設けられて吐出圧力Ｐｄを電圧値に変換して検出し出力電力想定値算出手段７へ伝送する。出力電力想定値算出手段７では、圧縮機吐出圧力検出手段６により検出された吐出圧力Ｐｄと、インバータ装置２から送られてくるインバータ出力周波数ｆとからインバータ装置２の出力電力想定値Ｐｄ・ｆを算出して欠相判定手段８へ伝送する。欠相判定手段８は、出力電力想定値算出手段７から受け取った出力電力想定値Ｐｄ・ｆと、インバータ入力電流検出手段４から受け取った入力電流（Ｔ相電流）Ｉｉとを関係データ記憶手段９のテーブルデータに照合し、実施形態１の場合と同様に動作して三相交流電源１の欠相を判定する。前記の欠相判定に用いる図２のテーブルデータにおいて、グラフ横軸の出力電力想定値の単位はＰｄ・ｆである。

尚、上記の実施形態では、圧縮機仕事量検出手段Ｗとしてインバータ出力電流検出手段５や圧縮機吐出圧力検出手段６を例示したが、本発明の圧縮機仕事量検出手段はそれらに限定されるものでない。すなわち、圧縮機の仕事量としては、上記以外に、例えば冷媒回路における圧縮機吸入圧力、圧縮機冷媒吐出温度、圧縮機本体温度などを検出して用いることも可能である。

実施の形態３．
すなわち、圧縮機１１の仕事量として、圧縮機１１吸入側の吸入圧力（冷媒回路１５の冷媒循環量の関数である）を用いる場合は、冷媒回路１５における圧縮機１１の吸入側に設けた圧縮機吸入圧力検出手段１７（図３参照）が圧縮機仕事量検出手段Ｗとして使用される。そして、関係データ記憶手段９には、図２のグラフ横軸で出力電力想定値の単位としてＰｓ・ｆを採用したテーブルデータが予め格納されている。
そこで、出力電力想定値７は、圧縮機吸入圧力検出手段１７により検出された吸入圧力Ｐｓと、インバータ装置２から出力されたインバータ出力周波数ｆとからインバータ装置２の出力電力想定値Ｐｓ・ｆを算出する。欠相判定手段８は、この出力電力想定値Ｐｓ・ｆと、検出された三相交流電源１の入力電流（Ｔ相電流）Ｉｉとを関係データ記憶手段９のテーブルデータに照合し、実施形態１の場合と同様に動作して三相交流電源１の欠相を判定するのである。

実施の形態４．
また、圧縮機１１の仕事量として、例えば冷媒回路１５における、圧縮機１１吸入側の吸入圧力（低圧圧力）Ｐｓ、圧縮機１１吐出側の吐出圧力（高圧圧力）Ｐｄ、およびインバータ出力周波数ｆを用いることもできる。この実施形態４は図１と図３を組み合わせた構成に近いものである。圧縮機１１の仕事量は、低圧圧力（冷媒循環量）、高圧低圧圧力差、モータ３の回転数により求められる。すなわち、次の（２）式を用いて理論値としてのインバータ出力電力値Ｐ１が決定される。
Ｐ１ ＝ Ｐｓ×α１ ＋ （Ｐｄ−Ｐｓ）×β ＋ Ｎ×γ ・・・（２）
ここで、Ｐ１：インバータ出力電力値
Ｐｓ：圧縮機吸入圧力（低圧圧力）
Ｐｄ：圧縮機吐出圧力（高圧圧力）
Ｎ ：モータ回転数（下記の（３）式により算出）
α１：冷媒循環量調整係数
β ：高圧低圧差調整係数
γ ：回転数調整係数
Ｎ＝１２０ｆ（１−ｓ）／Ｐ ・・・（３）
Ｐ ：モータ極数
ｆ ：インバータ出力周波数
ｓ ：すべり
(２)式で算出したインバータ出力電力値Ｐ１を基に三相交流電源電圧からインバータ入力電流Ｉｉが採り得る範囲（Ｐ１±ｅ）を決定して、欠相判定用のテーブルデータを作成し、関係データ記憶手段９に予め格納しておく。

そこで、出力電力想定値算出手段７は、吸入圧力Ｐｓと、吐出圧力Ｐｄと、インバータ出力電流検出手段５により検出された出力電流Ｉｏと、インバータ装置２から出力されたインバータ出力周波数ｆとから、インバータ装置２の出力電力想定値（Ｐｄ−Ｐｓ）・Ｉｏ・ｆを算出する。この出力電力想定値（Ｐｄ−Ｐｓ）・Ｉｏ・ｆと、インバータ入力電流検出手段４により検出された入力電流Ｉｉとを関係データ記憶手段９のテーブルデータに照合し、実施形態１の場合と同様にして三相交流電源１の欠相を判定する。前記の欠相判定に用いる図２のテーブルデータにおいて、グラフ横軸の出力電力想定値の単位は（（Ｐｄ−Ｐｓ）・Ｉｏ・ｆ）である。
このように、実施形態４の冷凍サイクル装置は、吐出圧力Ｐｄおよびインバータ出力周波数ｆに加え、吸入圧力Ｐｓを用いて欠相判定を行なうので、運転条件の広い範囲にわたり判定精度が高くなる。

尚、出力電力想定値は、上記以外に、「吐出圧力Ｐｄと吸入圧力Ｐｓの圧力差（Ｐｄ−Ｐｓ）」のみを用いたり、または「吸入圧力Ｐｓ」のみを用いて算出することも可能である。

そして、上記した各実施形態では、利用側冷却式の冷媒回路を備える冷凍サイクル装置を例示したが、本発明は利用側加熱式の冷媒回路を備える冷凍サイクル装置にも適用可能であることは言うまでもない。また、上記では三相交流電源のうちＴ相のインバータ入力電流を検出して欠相判定に用いたが、Ｔ相以外にＲ相またはＳ相のインバータ入力電流を検出して欠相判定に用いるようにしても構わない。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態１，２，３，４に係る冷凍サイクル装置に適用される関係データを示す説明図である。 本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の概略構成図である。 従来技術の一例である冷凍サイクル装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 三相交流電源、２ インバータ装置、３ モータ、４ インバータ入力電流検出手段、５ インバータ出力電流検出手段、６ 圧縮機吐出圧力検出手段、７ 出力電力想定値算出手段、８ 欠相判定手段、９ 関係データ記憶手段、１１ 圧縮機、１２ 熱源側熱交換器、１３ 冷媒絞り装置、１４ 利用側熱交換器、１５ 冷媒回路、１７ 圧縮機吸入圧力検出手段、ｆ インバータ出力周波数、Ｉｉ 入力電流、Ｉｏ 出力電流、Ｐｄ 吐出圧力、Ｐｓ 吸入圧力、Ｗ 圧縮機仕事量検出手段。

Claims (3)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、冷媒絞り装置、および利用側熱交換器を連結してなる冷媒回路を有し、三相交流電源の電力をインバータ装置を介して圧縮機駆動モータに供給する冷凍サイクル装置において、
   前記インバータ装置に入力される三相交流電源のいずれか一相の入力電流を検出するインバータ入力電流検出手段と、
   前記圧縮機の仕事量を検出する圧縮機仕事量検出手段と、
   前記インバータ装置から出力される出力電力値と該出力電力値に対応する前記入力電流の正常範囲値との関係を示す関係データを予め記憶している関係データ記憶手段と、
   前記圧縮機仕事量検出手段により検出された圧縮機の仕事量と前記インバータ装置からのインバータ出力周波数とに基づいて出力電力想定値を算出する出力電力想定値算出手段と、
   前記出力電力想定値算出手段により算出された出力電力想定値と前記インバータ入力電流検出手段により検出された入力電流とを前記関係データ記憶手段の関係データに照合して三相交流電源の欠相を判定する欠相判定手段とを具備してなることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 圧縮機仕事量検出手段がインバータ装置から圧縮機駆動モータへ出力される出力電流を検知するインバータ出力電流検出手段であり、圧縮機の仕事量が前記インバータ出力電流検出手段により検出された出力電流に基づくものであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 圧縮機仕事量検出手段が冷媒回路における圧縮機の吐出圧力および／または吸入圧力を検出する圧縮機圧力検出手段であり、圧縮機の仕事量が前記圧縮機圧力検出手段により検出された吐出圧力および／または吸入圧力に基づくものであることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。

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