JP2008164183A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機への通電停止により、発電機がフリーラン状態となるような場合でも、過剰な負荷をかけずに、システムを停止させることができる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】膨張機に備えられる発電機の回転子の磁極位置、回転速度を推定する位置速度推定部、順変換器および逆変換器として動作する電力変換器を含む発電機制御装置と、圧縮機を駆動する電動機の回転速度を制御する電動機制御装置と、電力変換器の直流側電圧を検出する直流電圧検出部と、電力変換器の直流側に接続され、抵抗器、スイッチング素子を含む電力消費回路を備え、圧縮機および膨張機の運転中に電動機への通電が停止した時に、直流電圧が所定基準値を超えると、スイッチング素子を動作させて電力消費回路で電力を消費させる。これにより、発電機から取り出される電気エネルギーの蓄積による素子の破壊を防止できる。
【選択図】図１

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。

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高まっている。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、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）。

図７に、特許文献１によ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、冷媒を凝縮させる凝縮機３と、冷媒を蒸発させる蒸発機４と、凝縮器３と蒸発器４の間に設けられ、前記冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機２とから構成される。

第１コンバータ７１は、交流電源１１からの交流電力を直流電力に変換する。インバータ１６は、この直流電力を交流電力に変換し、圧縮機１を駆動する。

一方、発電機２ｂは、動力軸２ｃを介して、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張タービン２ａにより駆動される。第２コンバータ７２は、発電機２ｂから得られる交流電力を直流電力に変換する。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。

しかしながら、特許文献１に記載される構成では、膨張タービン２ａ、および、動力軸２ｃを介して発電機２ｂの回転速度を制御する手段がないため、膨張タービン２ａ、および、動力軸２ｃを介して発電機２ｂを、最適の回転速度に制御することが困難であるという課題を有していた。

そこで、発電機２ｂの回転速度を制御する手段が必要となり、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発電機が用いられている。その発電機の回転速度を制御するために、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コンバータという）などが用いられている。

このＰＷＭコンバータを、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置における膨張機に備えられ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）。

図８に、非特許文献１に記載されている風力発電システムの構成を示す。埋込磁石同期発電機（ＩＰＭＳＧ）８２は、ギアを介して接続される風車８１により駆動される。位置・速度推定部８４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、電圧指令から内部に有する埋込磁石同期発電機８２のモデルとを用いて、埋込磁石同期発電機８２の誘起電圧を推定することにより、埋込磁石同期発電機８２の回転子の位置・速度を推定する。

最大電力追従制御部８５は、埋込磁石同期発電機８２の出力する推定速度ωからトルク指令Ｔｇ＊を導出し、最大効率制御部８６は、トルク指令Ｔｇ＊から埋込磁石同期発電機
８２の損失が最小となるように、電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を導出する。電圧指令作成部８７は、埋込磁石同期発電機８２に流れる電流をフィードバック制御し、埋込磁石型同期発電機８２に印加するための電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を作成する。ＰＷＭコンバータ８３は、その電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を推定位置θで座標変換した３相電圧指令ｖｕ＊〜ｖｗ＊に基づいて動作する。
特開昭６１−２９６４７号公報 平成１４年電気学会全国大会講演論文集（第４分冊）、２０９〜２１０頁

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と、圧縮機を停止させても、冷凍サイクル内の膨張エネルギーはすぐには消滅せず、膨張エネルギーが残存する間は、膨張タービンを回転させようとする力が作用する。

この場合でも、発電機は、動力軸を介して膨張タービンの回転を受け、ＰＷＭコンバータにより制御されれば、電気エネルギーを生成する。しかし、この電気エネルギーを消費するべき圧縮機が停止していると、この電気エネルギーは、ＰＷＭコンバータの出力側に接続されたコンデンサなどの素子に蓄積されてしまい、このような素子を破壊してしまうことが考えられる。

また、この時、ＰＷＭコンバータを停止させると、冷凍サイクルに残存する膨張エネルギーに応じて、膨張タービンはフリーラン状態で回転してしまう。その回転速度が許容値を超えると、膨張タービンが破壊される可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するもので、膨張機に備えられる発電機の回転子の磁極位置および回転速度を推定することによって発電機の回転速度を制御するシステムにおいて、発電機制御装置から発電機への通電を停止し、発電機がフリーラン状態となるような異常時にも、システムに過剰な負荷をかけずに、システムを停止させることができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

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、電動機を用いて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ、前記冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、動力軸を介して前記膨張機と直結される発電機と、順変換器および逆変換器として動作する電力変換器を含み、前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記電動機を制御する電動機制御手段と、前記電力変換器により生成される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記電力変換器の直流側に接続され、前記直流電圧に応じて前記電力変換器の出力電力を消費する電力消費回路とを備えたものである。

これにより、電動機制御手段から電動機への通電を停止した際に、発電機から取り出される電気エネルギーの蓄積による素子の破壊を防止できる。

本発明の冷凍サイクル装置は、膨張機に備えられる発電機の回転子の磁極位置および回転速度を推定することによって発電機の回転速度を制御するシステムにおいて、発電機制御装置から発電機への通電が停止され、発電機がフリーラン状態となるような異常時にも、システムに過剰な負荷をかけずに、システムを停止させることができる冷凍サイクル装
置を実現することができる。

第１の発明は、電動機を用いて冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ、前記冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、動力軸を介して前記膨張機と直結される発電機と、順変換器および逆変換器として動作する電力変換器を含み、前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記電動機を制御する電動機制御手段と、前記電力変換器により生成される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記電力変換器の直流側に接続され、前記直流電圧に応じて前記電力変換器の出力電力を消費する電力消費回路と備えたものである。

すなわち、圧縮機および膨張機が運転中に、電動機制御手段から電動機への通電を停止した場合、電力変換器により生成される直流電圧が予め設定された電圧基準値を超えると、電力消費回路にて電力を消費させるものである。これにより、電動機制御手段から電動機への通電を停止した際に、発電機から取り出される電気エネルギーの蓄積による素子の破壊を防止できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路と、前記圧縮機および前記膨張機の運転中、前記電動機制御手段から前記電動機への通電が停止された時に、前記バイパス回路を開状態にする開閉弁とをさらに備えたものである。これにより、電動機制御手段から電動機への通電を停止した際に、冷凍サイクルに残存している膨張エネルギーを減少させることで、圧縮機や膨張機の再起動時における負荷を軽減することができる。

第３の発明は、第１の発明において、前記発電機制御手段は、前記発電機の固定子巻線に流れる相電流を検出する相電流検出手段と、前記発電機に印加される電圧と前記相電流とから前記発電機に発生する誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、前記誘起電圧に基づいて、前記発電機の回転子の回転速度を推定する位置速度推定手段と、前記回転速度と前記相電流と前記誘起電圧との少なくともいずれか１つに基づいて、前記発電機の運転状態を判定する異常判定手段とを備えたものである。

これにより、エンコーダやレゾルバ等の、回転子の磁極位置を検出する位置センサが不要となるため、コスト低減と信頼性向上とを図ることができ、さらに発電機の運転状態が異常と判定される場合には、速やかに停止処理を行うことができるため、信頼性の高い発電機の駆動を行うことができる。

第４の発明は、第３の発明において、前記異常判定手段は、前記電動機制御手段から前記電動機への通電の停止から所定時間が経過するまでに、前記発電機の運転状態が異常と判定されない場合は、前記通電を継続させ、前記発電機の運転状態が異常と判定される場合は、前記通電を停止させるものである。

これにより、異常判定が前記回転速度に基づく場合は、回転子の磁極位置の推定に異常があると判断した場合に、脱調発生と判断し、発電機を停止させることができるため、信頼性の高い発電機の駆動を実現することができる。

また、異常判定が前記相電流に基づく場合は、発電機に過剰な電流が流れる場合や発電機が欠相状態の場合に、発電機を停止させることができるため、信頼性の高い発電機の駆動を実現することができる。

さらに、異常判定が前記誘起電圧に基づく場合は、誘起電圧が小さくなることに起因する回転子の磁極位置の推定に異常があると判断した場合に、脱調状態と判断し、発電機を停止させることができるため、信頼性の高い発電機の駆動を実現することができる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置のシステム構成図を示す。この冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒を凝縮する凝縮器３と、冷媒を蒸発させる蒸発器４と、凝縮器３と蒸発器４の間に設けられ、前記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と、冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路５と、通常は閉状態にしているバイパス回路５を開閉させる開閉弁である開閉弁６とを含んでいる。膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｂと直結されている。

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る。平滑コンデンサ１３は、この直流電力を平滑化する。インバータ１６は、平滑化された直流電力を、所望の周波数の交流電力に変換する。電動機制御手段である電動機制御装置１５は、インバータ１６と、インバータ１６を動作させ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、運転指令部１４からの通電指令（ＯＮ／ＯＦＦ指令、回転速度指令）に基づいて、圧縮機１を駆動するための電動機の回転速度を制御する。

一方、冷媒の膨張エネルギーは、膨張タービン２ａを回転させ、動力軸２ｃを介して発電機２ｂを駆動することで交流電力を発生させる。

発電機制御手段である発電機制御装置１８は、電力変換器１９と、相電流検出部２１、正弦波駆動部２２と、誘起電圧推定部２３と、位置速度推定部２４と、ＰＷＭ信号生成部２５と、異常判定部２８とから構成される。発電機制御装置１８は、運転指令部１４からの通電指令（ＯＮ／ＯＦＦ指令、回転速度指令）に基づいて、発電機２ｂの回生運転を制御し、発電機２ｂで発生した交流電力を直流電力に変換する。この直流電力は、平滑コンデンサ１３の両端に供給され、圧縮機１を駆動するための補助動力として利用される。

誘起電圧推定手段である誘起電圧推定部２３は、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）とに基づいて、発電機２ｂの固定子巻線の各相に生じた誘起電圧を推定し、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）として出力する。

位置速度推定手段である位置速度推定部２４は、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）を用いて、発電機２ｂの回転子の磁極位置と回転速度とを推定し、それぞれ磁極位置推定値θ、回転速度推定値ωとして出力する。

電流検出器２０ａ、２０ｂおよび相電流検出部２１は、発電機２ｂの相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出する相電流検出手段を構成する。

正弦波駆動部２２は、目標回転速度（発電機２ｂの回転速度指令）と回転速度推定値ωとの差を速度誤差として算出し、その速度誤差と、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、磁極位置推定値θとから、発電機２ｂの相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を演算する。

ＰＷＭ信号生成部２５は、相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいて電力変換
器１９を動作させるためのドライブ信号を生成する。電力変換器１９は、順変換器および逆変換器として動作する。

異常判定手段である異常判定部２８は、回転速度推定値ω、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）の少なくともいずれか１つに基づいて発電機２ｂの運転状態が異常か否かを判定する。

また、平滑コンデンサ１３の両端には、スイッチング素子３１と抵抗器３０とから構成された電力消費回路２９と、抵抗器２６ａ、２６ｂとが接続されている。抵抗器２６ａ、２６ｂは、直流電圧検出部２７とともに直流電圧検出手段を構成し、電力変換器１９の出力電圧を検出する。電力消費回路２９のスイッチング素子３１は、抵抗器２６ａ、２６ｂと直流電圧検出部２７とによって検出される直流電圧に応じて動作する。

発電機２ｂは、膨張エネルギーの大きさに応じて、力行運転と回生運転とのいずれかを行う。どちらの運転モードにおいても、発電機制御装置１８が発電機２ｂの回転速度を制御するためには、発電機２ｂの回転子の磁極位置および回転速度が推定できなければならない。

ここで、発電機２ｂを力行運転する場合について発電機制御装置１８の具体的な動作を説明し、その後、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を説明する。

正弦波駆動部２２の動作は次の通りである。運転指令部１４から与えられる発電機２ｂの回転速度指令ω＊と回転速度推定値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、式（１）で表されるＰＩ制御により電流指令Ｉ＊を求める。

Ｉ＊＝ＫＰＷ・（ω＊−ω）＋ＫＩＷ・Σ（ω＊−ω） …（１）
演算により求められる電流指令Ｉ＊と、０〜９０［ｄｅｇ］（０〜π／２［ｒａｄ］）の範囲における予め定められた電流指令位相βＴとを用い、式（２）、（３）の演算により、ｄｑ軸電流指令（ｉｄ＊、ｉｑ＊）を求める。電流指令位相βＴは、例えば、発電機２ｂを含む発電機制御装置１８の力行運転時の運転効率が最適となるように、実験により導出した値である。

ｉｄ＊＝−Ｉ＊・ｓｉｎ（βＴ） …（２）
ｉｑ＊＝Ｉ＊・ｃｏｓ（βＴ） …（３）
また、固定子巻線の相電流指令（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）は、ｄｑ軸電流指令（ｉｄ＊、ｉｑ＊）と磁極位置推定値θとを用い、式（４）〜（６）の演算により、２相−３相変換を行うことで求められる。２相−３相変換については説明を省略する。

ｉｕ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓθ｝
−ｉｑ＊・ｓｉｎθ｝ …（４）
ｉｖ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ−２π／３）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ−２π／３）｝ …（５）
ｉｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ＋２π／３）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ＋２π／３）｝ …（６）
ここで、相電流指令（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）と電流検出器２０ａ，２０ｂおよび相電流検出部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：比例ゲイン、ＫＩＫｎ：積分ゲイン、ｎ＝１、２、３（３相分））を用い、式（７）〜式（９）で表されるＰＩ制御により相電圧指令（ｖ
ｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を演算する。

ｖｕ＊＝ＫＰＫ１・（ｉｕ＊−ｉｕ）＋ＫＩＫ１・Σ（ｉｕ＊−ｉｕ） …（７）
ｖｖ＊＝ＫＰＫ２・（ｉｖ＊−ｉｖ）＋ＫＩＫ２・Σ（ｉｖ＊−ｉｖ） …（８）
ｖｗ＊＝ＫＰＫ３・（ｉｗ＊−ｉｗ）＋ＫＩＫ３・Σ（ｉｗ＊−ｉｗ） …（９）
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（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、ＰＩ制御によってｄｑ軸電圧指令（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を求め、ｄｑ軸電圧指令（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換して相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を求めても良い。３相−２相変換についても説明を省略する。

具体的には、ｄｑ軸電流検出値（ｉｄ、ｉｑ）は、式（１０）、（１１）の演算により求められる。

ｉｄ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｓｉｎ（θ＋π／３）＋ｉｖ・ｓｉｎθ｝…（１０）
ｉｑ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｃｏｓ（θ＋π／３）＋ｉｖ・ｃｏｓθ｝…（１１）
ｄｑ軸電圧指令（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、式（１２）、（１３）の演算により求められる。

ｖｄ＊＝ＫＰＤ・（ｉｄ＊−ｉｄ）＋ＫＩＤ・Σ（ｉｄ＊−ｉｄ） …（１２）
ｖｑ＊＝ＫＰＱ・（ｉｑ＊−ｉｑ）＋ＫＩＱ・Σ（ｉｑ＊−ｉｑ） …（１３）
そこで、相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）は、ｄｑ軸電圧指令（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換することにより、式（１４）〜（１６）の演算により求められる。

ｖｕ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓθ
−ｖｑ＊・ｓｉｎθ｝ …（１４）
ｖｖ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ−２π／３）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ−２π／３）｝ …（１５）
ｖｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ＋２π／３）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ＋２π／３）｝ …（１６）
次に、本発明の実施の形態における誘起電圧推定部２３による発電機２ｂの誘起電圧の推定方法について説明する。まず、各相の誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）は、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を用い、式（１７）〜（１９）の演算により求められる。

ｅｕ＝ｖｕ＊−Ｒ・ｉｕ−Ｌ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ …（１７）
ｅｖ＝ｖｖ＊−Ｒ・ｉｖ−Ｌ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ …（１８）
ｅｗ＝ｖｗ＊−Ｒ・ｉｗ−Ｌ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ …（１９）
ここで、Ｒは発電機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。ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔはそれぞれｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間微分である。式（１７）〜（１９）を展開すると、式（２０）〜（２２）が得られる。

ｅｕ＝ｖｕ＊− Ｒ・ｉｕ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ−２π／３）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ−２π／３）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋２π／３）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋２π／３）｝／ｄｔ …（２０）
ｅｖ＝ｖｖ＊−Ｒ・ｉｖ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋２π／３）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋２π／３）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ−２π／３）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ−２π／３）｝／ｄｔ …（２１）
ｅｗ＝ｖｗ＊−Ｒ・ｉｗ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ−２π／３）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ−２π／３）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋２π／３）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋２π／３）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ …（２２）
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。ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔは、１次オイラー近似で求める。

ｕ相電流ｉｕは、ｖ相電流ｉｖとｗ相電流ｉｗとの和を求め、その符号を変えることにより得られる値とする。ここで、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とを用い、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を簡略化すると、以下に示す式（２３）〜（２５）が得られる。

ｅｕ＝ｖｕ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ−βＴ） …（２３）
ｅｖ＝ｖｖ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ−２π／３）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ−２π／３）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ−βＴ−２π／３） …（２４）
ｅｗ＝ｖｗ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋２π／３）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ＋２π／３）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ−βＴ＋２π／３） …（２５）
これらの式を用いて、誘起電圧推定部２３は、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）を求める。

位置速度推定部２４は、各相の誘起電圧基準値（ｅｕｍ、ｅｖｍ、ｅｗｍ）を、次に示す３つの式によりそれぞれ求める。ここで、誘起電圧振幅値ｅｍは、ｅｕ、ｅｖ、ｅｗの振幅値と一致させることで求められる。

ｅｕｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ） …（２６）
ｅｖｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ−２π／３） …（２７）
ｅｗｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋２π／３） …（２８）
このようにして求めた誘起電圧基準値ｅｓｍと、誘起電圧推定値ｅｓとの偏差εを求める。ここで、ｅｓｍは、ｅｕｍ、ｅｖｍ、または、ｅｗｍを意味し、ｅｓは、ｅｕ、ｅｖ、または、ｅｗを意味する。

ε＝ｅｓ−ｅｓｍ （ｓ＝ｕ、ｖ、または、ｗ） …（２９）
この偏差εが０になれば磁極位置推定値θが真値となるので、偏差εを０に収束させるように、偏差εを用いたＰＩ演算などを行って、磁極位置推定値θが求められる。また、磁極位置推定値θの変動値を演算することにより、回転速度推定値ωが求められる。

ＰＷＭ信号生成部１３は、正弦波駆動部２２で導出される相電圧指令（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいて、電力変換器１９を動作させるためのドライブ信号を生成する。このドライブ信号により電力変換器１９が動作する。

次に、発電機２ｂを回生運転する場合の一例として、発電機制御装置１８により、発電機２ｂが力行運転により起動し、定常状態となってから、電動機制御装置１５が、圧縮機１を駆動するための電動機を起動する場合について説明する。

まず、発電機制御装置１８により、発電機２ｂが力行運転により起動し、回転速度指令ω＊が回転速度推定値ωとほぼ等しくなる定常状態となると、式（１）により導出される電流指令Ｉ＊は、正の所定値となる。この値は、定常状態となるのに必要な正のトルクを発生させる電流に相当する。

この状態で、電動機制御装置１５が圧縮機１を運転すると、膨張タービン２ａには、増大する冷媒の膨張エネルギーにより加速しようとする力が作用する。すなわち、膨張エネルギーが増大すると、回転速度推定値ωが大きくなり、発電機２ｂにブレーキを掛けない限り、回転速度指令ω＊より回転速度推定値ωが大きい状態が続く。このため、式（１）によって導出される電流指令Ｉ＊は減少し、電流指令Ｉ＊の符号が逆転した時点で、発電機２ｂは力行運転から回生運転に移行する。

発電機２ｂが回生運転に移行すると、発電機２ｂには負のトルクが発生し、発電機２ｂから電気エネルギーが取り出されることで発電機２ｂにブレーキが掛かる。このため、回転速度推定値ωは減少し、回転速度指令ω＊は回転速度推定値ωとほぼ等しくなる。

発電機２ｂの回生運転時においては、力行運転時の電流指令位相βＴの代わりに（−βＴ）を用い、前述の式（２）、（３）、および式（２３）〜（２５）の演算を行うことにより、回生運転時でも誘起電圧の推定、および、回転子の磁極位置および回転速度の推定が可能となる。

なお、電流指令Ｉ＊は式（１）により逐次演算しており、Ｉ＊の符号が反転するタイミングを把握できるので、電流指令Ｉ＊の符号が反転する時点で、電流指令位相βＴの符号を反転させる。

ここで、発動機２ｂの回生運転時に電流指令位相βＴの符号を切り替える理由を、図２を用いて説明する。図２は、発動機２ｂの力行運転時および回生運転時におけるｄｑ軸電流指令（ｉｄ＊、ｉｑ＊）のベクトル図を示しており、電流指令Ｉ＊の絶対値｜Ｉ＊｜を用いると、力行運転時、すなわち、電流指令Ｉ＊がゼロ以上の時のｄｑ軸電流指令（ｉｄ＊、ｉｑ＊）の理論式は式（３０）、（３１）となる。

ｉｄ＊（力行）＝−｜Ｉ＊｜・ｓｉｎ（βＴ） …（３０）
ｉｑ＊（力行）＝｜Ｉ＊｜・ｃｏｓ（βＴ） …（３１）
同様に、電流指令Ｉ＊の絶対値｜Ｉ＊｜を用いると、回生運転時、すなわち、電流指令Ｉ＊が負である場合のｄｑ軸電流指令（ｉｄ＊、ｉｑ＊）の理論式は式（３２）、（３３）となる。

ｉｄ＊（回生）＝−｜Ｉ＊｜・ｓｉｎ（π−βＴ）
＝−｜Ｉ＊｜・ｓｉｎ（βＴ） …（３２）
ｉｑ＊（回生）＝｜Ｉ＊｜・ｃｏｓ（π−βＴ）
＝−｜Ｉ＊｜・ｃｏｓ（βＴ） …（３３）
力行運転時はＩ＊＝｜Ｉ＊｜であるので、これを式（２）および（３）に代入すると、式（２）＝式（３０）および式（３）＝式（３１）が成立し、ｉｄ＊とｉｑ＊とは理論値通りとなっている。一方、回生運転時はＩ＊＝−｜Ｉ＊｜であるので、これを式（２）および（３）に代入すると、式（２）≠式（３２）、式（３）＝式（３３）となり、ｉｄ＊が理論値から外れてしまう。このように、ｉｄ＊およびｉｑ＊が、ともに理論値通りとなるように、回生運転時には電流指令位相βＴの符号を反転させるのである。

以上のように、発電機制御装置１８は、相電圧方程式に基づいたモデルにより導出される誘起電圧推定値と誘起電圧基準値との偏差εを用いて磁極位置推定値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行える位置センサレス正弦波駆動を実現する。これにより、エンコーダやレゾルバ等の、回転子の磁極位置を検出する位置センサが不要となるため、コスト低減と信頼性向上を図ることができる。

次に、異常判定部２８の具体的な動作について説明する。位置速度推定部２４が良好な推定を行っていれば、回転速度推定値ωは実回転速度ωｅと等しくなるので、誘起電圧推定部２３が推定する誘起電圧振幅値ｅｍは、誘起電圧理論値、すなわち、発電機固有の誘起電圧定数Ｋｅｍと発電機２ｂの回転速度推定値ωとの積（Ｋｅｍ×ω）と等しくなるはずである。

しかしながら、誘起電圧の推定に使用する情報に大きなノイズが重畳する場合や、大きく推定が外れる場合などは、誘起電圧の推定が良好に行われない。特に、発電機２ｂが脱調をおこす場合には、実回転速度ωｅはゼロとなるため、誘起電圧振幅値ｅｍは微小な値となってしまう。このような場合には、発電機２ｂの運転状態が異常であると判定し、正弦波駆動部２２の駆動出力動作を停止させる必要がある。

図３に示すように、本発明の実施の形態における異常判定部２８は、所定の回転速度ωｌにて発電機２ｂを駆動する場合において、誘起電圧推定値が、回転速度ωｌと誘起電圧定数Ｋｅｍとの積、回転速度余裕ａ、および、誘起電圧余裕ｂにより決定される誘起電圧下限値ｅｋ（ωｌ）より、所定時間以上、下回ると、発電機２ｂの運転状態が異常であると判定する。

その場合、異常判定部２８は、正弦波駆動２２の駆動出力動作を停止させるとともに、異常信号を運転指令部１４に出力する。運転指令部１４は、異常判定部２８からの異常信号に応じて、発電機２ｂへの通電指令を停止する。

また、別の判定方法として、すべての回転速度ωに対して、誘起電圧下限値ｅｋ（ω）を予め用意しておき、異常判定部２８は、発電機２ｂの回転速度ωに基づいて誘起電圧下限値ｅｋ（ω）を求めるようにしても良い。これにより、あらゆる回転速度において脱調現象を検知できる。

さらに、回転速度の推定に使用する情報に大きなノイズが重畳する場合や、大きく推定が外れる場合などに、回転速度推定値ωが増大あるいは減少し過ぎてしまう。このような場合の対策として、異常判定部２８は、位置速度推定部２４によって推定される回転速度推定値ωが予め設定された回転速度範囲を超える場合に、発電機２ｂの運転状態が異常であると判定しても良い。回転速度範囲は、発電機２ｂの実際の運転範囲に基づいて設定される。

また、磁極位置の推定に使用する情報に大きなノイズが重畳する場合や、大きく推定が外れる場合などに、磁極位置推定値θが進み過ぎて発電機２ｂに過剰な電流が流れてしまう。このような場合の対策として、異常判定部２８は、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）が予め設定された許容範囲を超える場合に、発電機２ｂの運転状態が異常であると判定しても良い。相電流検出値の許容範囲は、発電機２ｂの実際の運転範囲における必要な電流に基づいて設定される。

さらに、発電機２ｂの固定子巻線が欠相状態にある場合は、発電機２ｂは正常に回転できない。このような場合の対策として、異常判定部２８は、所定時間以上、特定の相電流検出値が所定値以下となる場合に、発電機２ｂの運転状態が異常であると判定しても良い。欠相した相には電流が流れないので、電流検出誤差やノイズの影響などを考慮して所定値が設定される。これによって、発電機２ｂの欠相が検知できる。

次に、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の動作について、図４および図５を用いて詳細に説明する。

ここで、圧縮機１および膨張機２の運転中に、電動機制御装置１５から電動機への通電を停止してから、所定時間が経過するまでに、異常判定部２８にて発電機２ｂの運転状態が異常と判定されない場合を図４に、異常と判定される場合を図５に、それぞれ示している。

図４を参照すると、圧縮機１および膨張機２の運転中に、時刻Ｔ０にて運転指令部１４が電動機制御装置１５への通電指令を停止し、電動機制御装置１５から電動機への通電が停止した場合（図４（ａ））、運転指令部１４は、直ちに開閉弁６を開状態として冷媒の膨張エネルギーをバイパス回路５で減少させる（図４（ｂ））。

電動機制御装置１５が電動機への通電を停止してから、所定時間Ｔｓが経過するまでに（時刻Ｔ０〜Ｔ２）、異常判定部２８が発電機２ｂの運転状態を異常と判定しない場合、発電機制御装置１８は発電機２ｂへの通電を継続する。これにより、膨張タービン２ａがフリーラン状態となることが回避される（図４（ｃ））。

平滑コンデンサ１３の両端電圧が上昇し、その両端に接続される抵抗器２６ａ、２６ｂおよび直流電圧検出部２７によって検出される直流電圧が、予め設定された電圧基準値Ｖｓを超えると（時刻Ｔ１）、運転指令部１４は、動作指令を出力してスイッチング素子３１を駆動し、電力消費回路２９を動作させる。

電力消費回路２９は、抵抗器３０において電力を消費し、直流電圧を減少させる。直流電圧が電圧基準値Ｖｓ以下になると、運転指令部１４は、電力消費回路２９への動作指令を停止する（図４（ｄ）、図４（ｅ））。

図５を参照すると、圧縮機１および膨張機２の運転中に、時刻Ｔ０にて運転指令部１４が電動機制御装置１５への通電指令を停止し、電動機制御装置１５から電動機への通電が停止した場合（図５（ａ））、運転指令部１４は、直ちに開閉弁６を開状態として冷媒の
膨張エネルギーをバイパス回路５で減少させる（図５（ｂ））。

電動機制御装置１５が電動機への通電を停止してから、所定時間Ｔｓが経過するまで（時刻Ｔ０〜Ｔ２）において、発電機制御装置１８が発電機２ｂへの通電を継続し、膨張タービン２ａがフリーラン状態となることを回避しようとする。

しかし、時刻Ｔａにて発電機２ｂの運転状態が異常と判定されると、運転指令部１４は、正弦波駆動部２２の駆動出力動作を直ちに停止するとともに、発電機制御装置１８への通電指令を停止する（図５（ｃ））。

平滑コンデンサ１３の両端電圧が上昇し、その両端に接続される抵抗器２６ａ、２６ｂおよび直流電圧検出部２７によって検出される直流電圧が、予め設定された電圧基準値Ｖｓを超えると（時刻Ｔ１）、運転指令部１４は、動作指令を出力してスイッチング素子３１を駆動し、電力消費回路２９を動作させる。

電力消費回路２９は、抵抗器３０において電力を消費し、直流電圧を減少させる。直流電圧が電圧基準値Ｖｓ以下になると、運転指令部１４は、電力消費回路２９への動作指令を停止する（図５（ｄ）、図５（ｅ））。

なお、図４および図５における時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間に、直流電圧検出部２７で検出される直流電圧が再び上昇して電圧基準値Ｖｓを超えると、運転指令部１４は、再び電力消費回路２９を動作させる。

これによって、冷凍サイクル内の膨張エネルギーを減少させるとともに、発電機２ｂから取り出される電気エネルギーが、平滑コンデンサ１３などの素子に蓄積することを防ぐため、蓄積エネルギーによるこれらの素子の破壊を防止でき、さらには圧縮機１や膨張機２の再起動時の負荷を軽減することができる。

なお、図１に示す冷凍サイクル装置は、冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路５と、バイパス回路５を開閉する開閉弁６を備えた構成としているが、バイパス回路５と開閉弁６を備えていない冷凍サイクル装置にも適用可能である。バイパス回路５と開閉弁６を備えていない場合の冷凍サイクル装置の動作は次の通りである。

すなわち、圧縮機１および膨張機２の運転中に、運転指令部１４が電動機制御装置１５への通電指令を停止して電動機制御装置１５から電動機への通電を停止した場合、電動機制御装置１５から電動機への通電を停止してから、所定時間が経過するまでに、異常判定部２８が発電機２ｂの運転状態を異常と判定しない場合、発電機制御装置１８が発電機２ｂへの通電を継続することで膨張タービン２ａがフリーラン状態となるのを回避する。

発電機２ｂの運転状態が異常と判定される場合、異常判定部２８は、正弦波駆動部２２の駆動出力動作を直ちに停止するとともに、運転指令部１４に発電機制御装置１８への通電指令を停止させる。

ここで、平滑コンデンサ１３の両端電圧が上昇し、その両端に接続される抵抗器２６ａ、２６ｂおよび直流電圧検出部２７によって検出される直流電圧が、予め設定された電圧基準値Ｖｓを超えると、運転指令部１４は、動作指令を出力してスイッチング素子３１を駆動し、電力消費回路２９を動作させる。

電力消費回路２９は、抵抗器３０において電力を消費し、直流電圧を減少させる。直流電圧が電圧基準値Ｖｓ以下になると、運転指令部１４は、電力消費回路２９への動作指令
を停止する。

なお、図４および図５における時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間に、直流電圧検出部２７で検出される直流電圧が再び増加して電圧基準値Ｖｓを超えると、運転指令部１４は、再び電力消費回路２９を動作させる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置のシステム構成図を示す。図６において、図１に示される冷凍サイクル装置と同一箇所には同一符号を付し、その説明を省略する。

図６に示されるように、本実施の形態による冷凍サイクル装置においては、電力消費回路２９のスイッチング素子３１は、直流電圧検出手段である抵抗器２６ａ、２６ｂによって分圧される電圧に応じて動作する。

本実施の形態では、実施の形態１における電圧基準値Ｖｓが、スイッチング素子３１のオン電圧と等しくなるように、抵抗器２６ａ、２６ｂの分圧比が決定される。

なお、本実施の形態による冷凍サイクル装置は、冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路５と、バイパス回路５を開閉する開閉弁６を備えた構成としているが、バイパス回路５と開閉弁６を備えていない冷凍サイクル装置にも適用可能である。

また、本実施の形態によれば、運転指令部１４、インバータ制御部１７、発電機制御装置１８の制御部（正弦波駆動部２２など）をマイコンで構成した場合に、停電やマイコンの暴走などの異常が発生しても、電力消費回路２９は正常に作動することができる。

なお、実施の形態１および２において、２つの電流検出器２０ａ、２０ｂにより発電機２ｂの電流を検出しているが、電力変換器１９の直流電流、すなわち、電力変換器１９と平滑コンデンサ１３と間に流れる電流から発電機２ｂの電流を検出するなどの手段を用いても良い。

また、実施の形態１および２において、運転指令部１４から与えられる発電機２ｂの回転速度指令に発電機２ｂの回転速度が追従するように、回転速度制御を行うものとしたが、例えば、発電機２ｂのトルクを制御するようにしても同様の効果が得られる。

さらに、図１および２では、膨張機タービン２ａの入出力側の冷媒を短絡するようにバイパス回路５を設けたが、冷媒の高圧側と低圧側とが短絡できれば良く、例えば、圧縮機１の入出力側の冷媒を短絡するようにしても良い。

加えて、実施の形態１および２において、整流回路１２を用いているが、力率改善型昇圧コンバータなどを用いても良い。

以上のように、本発明の冷凍サイクル装置によれば、膨張機に備えられる発電機の回転子の磁極位置および回転速度を推定することによって発電機の回転速度を制御するシステムにおいて、発電機制御装置から発電機への通電停止により、発電機がフリーラン状態となる異常時にも、システムに過剰な負荷をかけずに、システムを停止させることができる冷凍サイクル装置を実現することができる。従って、本発明の冷凍サイクル装置は、炭酸ガス冷媒のヒートポンプ式給湯器などの製品に応用することができる。

本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置のシステム構成図 本発明の実施の形態１による力行運転時および回生運転時のｄｑ軸電流指令のベクトル図 本発明の実施の形態１による発電機制御装置の異常判定部の動作説明図 本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の動作波形図（１） 本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の動作波形図（２） 本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置のシステム構成図 特許文献１による冷凍サイクル装置のシステム構成図 非特許文献１による風力発電システムのシステム構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 膨張機
２ａ 膨張タービン
２ｂ 発電機
２ｃ 動力軸
３ 凝縮器
４ 蒸発器
５ バイパス回路
６ 開閉弁
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 電動機制御装置
１６ インバータ
１７ インバータ制御部
１８ 発電機制御装置
１９ 電力変換器
２０ａ、２０ｂ 電流検出器
２１ 相電流検出部
２２ 正弦波駆動部
２３ 誘起電圧推定部
２４ 位置速度推定部
２５ ＰＷＭ信号生成部
２６ａ、２６ｂ 抵抗器
２７ 直流電圧検出部
２８ 異常判定部
２９ 電力消費回路
３０ 抵抗器
３１ スイッチング素子
３２ａ、３２ｂ 抵抗器
７１ 第１コンバータ
７２ 第２コンバータ
８１ 風車
８２ 埋込磁石同期発電機（ＩＰＭＳＧ）
８３ ＰＷＭコンバータ
８４ 位置・速度推定部
８５ 最大電力追従制御部
８６ 最大効率制御部
８７ 電圧指令作成部

Claims (4)

1. 電動機を用いて冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、
   前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ、前記冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、
   動力軸を介して前記膨張機と直結される発電機と、
   順変換器および逆変換器として動作する電力変換器を含み、前記発電機を制御する発電機制御手段と、
   前記電動機を制御する電動機制御手段と、
   前記電力変換器により生成される直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記電力変換器の直流側に接続され、前記直流電圧に応じて前記電力変換器の出力電力を消費する電力消費回路と
   を備えた冷凍サイクル装置。
2. 前記冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路と、
   前記圧縮機および前記膨張機の運転中、前記電動機制御手段から前記電動機への通電が停止された時に、前記バイパス回路を開状態にする開閉弁と
   をさらに備えた請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記発電機制御手段は、
   前記発電機の固定子巻線に流れる相電流を検出する相電流検出手段と、
   前記発電機に印加される電圧と前記相電流とから前記発電機に発生する誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、
   前記誘起電圧に基づいて、前記発電機の回転子の回転速度を推定する位置速度推定手段と、
   前記回転速度と前記相電流と前記誘起電圧との少なくともいずれか１つに基づいて、前記発電機の運転状態を判定する異常判定手段と
   を備えた請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記異常判定手段は、前記電動機制御手段から前記電動機への通電の停止から所定時間が経過するまでに、前記発電機の運転状態が異常と判定されない場合は、前記通電を継続させ、前記発電機の運転状態が異常と判定される場合は、前記通電を停止させる請求項３に記載の冷凍サイクル装置。

Images