JP2008245501A - 圧縮機の予熱制御装置及びその方法 - Google Patents

圧縮機の予熱制御装置及びその方法 Download PDF

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Abstract

【課題】圧縮機モータの３相巻線を全て用いて予熱することで、インバータの非線形性による電圧誤差を別途の補償手段を用いて補償せずに電圧誤差影響を除去できるので、モータに印加される電圧を正確かつ迅速に算出できる圧縮機の予熱制御装置及びその方法を提供する。また圧縮機の内部温度を正確に検出できる圧縮機の予熱制御装置・方法を提供する。
【解決手段】３相インバータ圧縮機の予熱装置において、予め設定された指令電流パターンによって指令電流を段階的に変化させる電流指令部と、前記指令電流を追従する指令電圧を生成する電流制御部と、前記指令電流及び指令電圧をサンプリングした後、少なくとも二つの段階のサンプリングされた指令電流及び指令電圧に基づいたモータ抵抗を算出して圧縮機の内部温度を算出し、算出された温度によって予熱を制御するメーン制御部とを含んで圧縮機の予熱制御装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機の予熱制御装置及びその方法に関するもので、より具体的には、圧縮機の内部温度を感知するための別途の温度検出手段なしに圧縮機の内部温度を検出し、検出された圧縮機の内部温度によって圧縮機の巻線加熱時間を調節することで、圧縮機の内部に装着されるモータの固定子巻線に電流を印加した後、巻線から発生する損失による熱を用いて圧縮機を予熱する圧縮機の予熱制御装置及びその方法に関するものである。
一般的に、圧縮機の潤滑油に多量の液冷媒が溶存した状態で（すなわち、エアコン室外機の外部温度が低温である場合）圧縮機を起動させると、圧縮機の破損をもたらす憂いがある。このような現象を防止するためには、圧縮機の外部温度が低いときに別途の圧縮機の予熱装置を用いるか、または、圧縮機モータに電流を印加し、圧縮機の内部温度を円滑に起動可能な水準に予熱する方式が適用されている。
図１に示すように、圧縮機モータに電流を印加して圧縮機内部の予熱を制御するマイクロ・コンピュータ１１は、圧縮機の予熱を指示する予熱信号出力手段と、シャント抵抗１２の電圧降下に従った圧縮機の印加電圧及び電流を検出する検出手段と、検出手段で得られたデータに基づいて圧縮機のモータコイルの抵抗値を算出する抵抗値演算手段と、抵抗値演算手段で算出される抵抗値データに基づいて圧縮機の温度を算出する温度演算手段とから構成される。
上記のように構成された圧縮機の予熱運転方法によれば、圧縮機の内部に装着されるモータ３に直流電流を印加し、このときに印加される直流電圧及び直流電流からモータの抵抗を算出する。次に、算出された抵抗値から圧縮機の内部温度を算出し、この温度が所定値以上であるときに圧縮機の予熱を完了する。
上記のような構成及び方法によって圧縮機４の予熱を制御する場合、圧縮機の内部に装着される３相モータにおいて２相の巻線のみに電流を印加する方式が適用されている。
この方式によると、インバータ２を構成する６個のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のうち２個のスイッチング素子のみに電流が印加されるので、電流スイッチングによる劣化が２個のスイッチング素子のみに集中するという短所があり、３相巻線のうち２相の巻線のみに電流が供給されるので、銅損によって発生する熱を用いて圧縮機を均一に予熱するのに困難さがあり、モータ巻線の劣化も２相巻線のみに集中する。
このように２相通電方式が適用される場合、インバータ２を構成するスイッチング素子の非線形的特性（例えば、スイッチング素子のオン／オフ遅延）のために、単純にスイッチング素子のオン／オフ比率とインバータＤＣ電圧のみを用いる方式では、モータに印加される電圧を正確に算出できない。
すなわち、モータに印加される電圧を正確に算出できないので、モータの巻線抵抗を正確に推定できなくなり、その結果、算出された圧縮機の内部温度に誤差を発生させるので、正確な圧縮機の予熱制御が困難になる。
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、圧縮機モータの３相巻線を全て用いて予熱することで、インバータの非線形性による電圧誤差を別途の補償手段を用いて補償せずに電圧誤差影響を除去できるので、モータに印加される電圧を正確かつ迅速に算出できる圧縮機の予熱制御装置及びその方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、圧縮機のモータに電流を印加して圧縮機を予熱することで、圧縮機の内部温度を正確に検出できる圧縮機の予熱制御装置及びその方法を提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明に係る技術的な手段は、３相インバータ圧縮機の予熱装置において、予め設定された指令電流パターンによって指令電流を段階的に変化させる電流指令部と、前記指令電流を追従する指令電圧を生成する電流制御部と、前記指令電流及び指令電圧をサンプリングした後、少なくとも二つの段階のサンプリングされた指令電流及び指令電圧に基づいたモータ抵抗を算出して圧縮機の内部温度を算出し、算出された温度によって予熱を制御するメーン制御部とから構成される。
上記の目的を達成するための本発明に係る技術的な手段は、３相インバータ圧縮機の予熱方法において、予め設定された指令電流パターンによって段階的に電流を出力し、前記出力された指令電流を追従する指令電圧を生成し、各段階の指令電流及び指令電圧をサンプリングし、サンプリングされた少なくとも二つの段階の指令電圧及び指令電流からモータ抵抗を算出し、前記算出されたモータ抵抗から圧縮機の内部温度を算出した後、予熱動作可否を判断する過程を行う。
本発明によると、圧縮機モータの３相巻線を全て用いて予熱することで、インバータの非線形性による電圧誤差を別途の補償手段を用いて補償せずに電圧誤差影響を除去できるので、モータに印加される電圧を正確かつ迅速に算出することができる。
また、インバータを構成するスイッチング素子のオン／オフ遅延、不動時間（ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）などによる電圧誤差を補償することができる。
また、圧縮機のモータに電流を印加して圧縮機を予熱することで、圧縮機の内部温度を正確に検出することができる。
本発明は、圧縮機モータの３相巻線を全て用いて予熱することで、インバータの非線形性による電圧誤差を別途の補償手段を用いて補償せずに電圧誤差影響を除去できるので、モータに印加される電圧を正確かつ迅速に算出することができる。
また、インバータを構成するスイッチング素子のオン／オフ遅延、不動時間などによる電圧誤差を補償することができる。
また、圧縮機のモータに電流を印加して圧縮機を予熱することで、圧縮機の内部温度を正確に検出することができる。
また、モータ抵抗を正確に算出して圧縮機の予熱動作を完了するので、適切な時点に予熱動作を完了することができる。
以下、本発明の好適な実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図２は、本発明の実施例に係る圧縮機モータの駆動システムの構成図で、圧縮機モータの駆動システムは、整流部１２０、インバータ１３０、モータ１４０、電流検出部１５０、メーン制御部１６０、電流指令部１７０、電流制御部１８０及び電圧制御部１９０によって構成される。
整流部１２０は、交流（ＡＣ）１１０電源を整流して直流電源を発生し、整流された直流電源をキャパシタ（Ｃ）で平滑して直流（ＤＣ）電源を供給する。
インバータ１３０は、整流部１２０から供給される直流電源を、任意の可変周波数を有するパルス形態の３相交流電源（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に変換してＢＬＤＣモータ１４０に供給するもので、６個のスイッチング素子及び各スイッチング素子に連結されたダイオードから構成された通常のスイッチング回路である。さらに、インバータ１３０は、電圧制御部からＰＷＭ制御された電圧信号を受けてＢＬＤＣモータ１４０に駆動電圧として供給する。
電流検出部１５０は、インバータ１３０とＢＬＤＣモータ１４０の連結端子に連結され、ＢＬＤＣモータ１４０に供給される３相交流電源から３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の端子電流を検出してメーン制御部１６０に伝送する。
メーン制御部１６０は、モータ駆動時に電流検出部１５０からの電流感知信号を受信し、モータ１４０の動作を制御するためのインバータ１３０内のスイッチング素子のオン／オフと関連した全てのロジックを制御する。
すなわち、メーン制御部１６０は、モータの正常駆動時、電流検出部１５０で検出された電流値によって固定子巻線への電圧印加時点を制御し、ＢＬＤＣモータ１４０に過電流が供給されないように、インバータ１３０に供給されるＰＷＭ信号のパターンを制御する。
このとき、メーン制御部１６０は、電流検出部１５０で検出された電流と予め設定された基準電流値とを比較し、検出された電流が基準電流値以上であるとき、インバータ１３０の駆動を停止させることで、モータ１４０の動作を停止させてインバータ及びモータの故障を防止する。
また、メーン制御部１６０は、圧縮機の駆動時に圧縮機の予熱運転を制御するが、このとき、予熱運転を指示し、予熱運転によって圧縮機内の温度が予め設定された基準温度以上になると、予熱運転を完了する予熱運転完了を指示する。
また、メーン制御部１６０は、段階的に変化する指令電流及び指令電圧をサンプリングし、段階的にサンプリングされた指令電流及び指令電圧によってモータ抵抗を算出し、算出されたモータ抵抗値による内部温度値を算出する。
このとき、圧縮機内部の基準温度及びモータ抵抗値に相応する内部温度値は、実験によってテーブル化されて別途の保存部（図示せず）に保存されており、メーン制御部１６０は、算出されたモータ抵抗に相応する内部温度値を検索することで内部温度値を算出する。
また、圧縮機モータの巻線に使われる銅線は、−３０℃〜＋２００℃範囲の温度変化によって抵抗値が線形的に変化する特性を有する。
したがって、圧縮機モータの巻線抵抗を知ることで、抵抗値の変化によって電動機の周辺温度を検出できるようになる。
圧縮機の３相モータに直流電圧を印加して直流電流を供給すると、圧縮機内部のモータでは銅損に該当する熱が発生する。ここでは、圧縮機の予熱制御を行うために速度制御を行っていないので、速度制御と関連した構成部の説明は省略し、予熱制御と関連した構成部のみを説明することにする。
電流指令部１７０は、指令電流パターンが予め設定されているので、設定された指令パターンによって段階的にモータに出力される電流を制御する。
このとき、出力される指令電流は、回転子同期座標系を基準にして任意の固定された座標軸に電流指令を発生させて電流制御を行う。
すなわち、電流指令部１７０は、圧縮機の予熱制御モードにおいて横軸の指令電流が０アンペアを有し、直軸の指令電流が所定の値を有する電流を出力する。
電流制御部１８０は、横軸及び直軸の指令電流を追従するように指令電圧を生成して電圧制御部（Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ：ＳＶ ＰＷＭ）に伝送する。
電圧制御部（ＳＶ ＰＷＭ）１９０は、電流指令部１７０で変化される指令電流を追従するために、指令電流に従った指令電圧をＰＷＭ制御してインバータ１３０に供給する。
圧縮機モータ１４０は、インバータ１３０の駆動によって制御されるが、このとき、同期座標系を基準にして任意の固定された軸の電流は、電流指令部１７０の指令電流だけ供給される。
回転子位置検出部（図示せず）は、モータをセンサレス方式で駆動することで、モータの回転子位置を検出する。このとき、回転子位置検出部（図示せず）は、圧縮機予熱モードでの出力を任意の固定された値に設定する。
軸変換部（図示せず）は、回転子位置検出部（図示せず）から検出された回転子位置信号を軸変換してリップルを除去した後、軸変換された値を電流制御部１８０に伝送する。
上記のような構成部によるＢＬＤＣモータ（またはＰＭＳＭ）１４０の回転子同期座標系での電圧方程式は、次のように表現される。
Figure 2008245501
ｖｄ、ｖｑ：直軸及び横軸電圧
ｉｄ、ｉｑ：直軸及び横軸電流
Ｌｄ、Ｌｑ：直軸及び横軸インダクタンス
ｐ：微分演算子
ｗ：回転子電気角の角速度
λＰＭ：逆起電力常数
すなわち、電流指令部１７０は、圧縮機予熱モードで同期座標系を基準にして任意の固定された座標軸で電流制御を行う。したがって、電圧方程式において、回転子電気角の角速度ｗは０になる。
また、図３に示すように、電流指令部１７０で指令電流を段階的（Ａ→Ｂ→Ａ）に変化させるとき、電流制御部１９０で実際の電流が指令電流を追従し、実際の電流が指令電流を追従して正常状態になったとき、電流の微分ｐは０になる。
したがって、圧縮機予熱モードでのＢＬＤＣモータ（またはＰＭＳＭ）１４０の電圧方程式は、次のように簡略化される。
Figure 2008245501
さらに、インバータ１３０の電圧誤差を考慮する場合、次のように表現される。
Figure 2008245501
ここで、＊は指令を意味し（すなわち、電流制御部１８０の出力）、ΔＶは電圧誤差を意味する。
電流指令部１７０の直軸の指令電流を所定の値ｉｄ１に設定し、実際の電流が指令電流を追従した正常状態になったとき、直軸の電圧方程式は、次のように表現される。
Figure 2008245501
このとき、再び直軸の指令電流を所定の値ｉｄ２に設定し、実際の電流が指令電流を追従した正常状態になったとき、直軸の電圧方程式は、次のように表現される。
Figure 2008245501
二つの段階の二つの直軸の電圧方程式（式４及び式５）において電流指令がｉｄ１からｉｄ２に変更されたとき、直軸指令電圧の変化値は、（抵抗）＊（電流変化値）に該当する値のみを有することが分かる。
ｗしたがって、モータの抵抗Ｒは、次のように表現される。
Figure 2008245501
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の実施例に係る圧縮機モータの予熱方法のフローチャートで、図２〜図３を参照して説明する。
まず、外部からの交流電源（例えば、ＡＣ２２０Ｖ、６０Ｈｚ）１１０が空気調和機などの圧縮機に供給されると、整流部１２０は、入力された交流電圧を直流電圧に変換して出力する。
圧縮機の初期駆動時、メーン制御部１６０が圧縮機の予熱動作を指示すると、圧縮機が予熱を開始する（Ｓ１）。これによって、図３に示すように、電流指令部１７０を通して予め設定された指令電流パターンによって段階的（Ａ→Ｂ→Ａ）に指令電流を出力する（Ｓ２）。
すなわち、電流指令部１７０は、回転子同期座標系を基準にして任意の固定された座標軸で電流指令を発生させて電流制御を行うが、圧縮機の予熱時、電流指令部は、横軸指令電流を０に設定し、直軸の指令電流を所定の値に設定して段階的に出力する。
次に、電流制御部１８０を通して指令電流を追従するための指令電圧を生成して（Ｓ３）電圧制御部（Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ：ＳＶ ＰＷＭ）に伝送し、電圧制御部１９０は、電流指令部の電流指令を追従する指令電圧をＰＷＭ制御して（Ｓ４）インバータに供給する。
ここで、インバータ１３０は、ＰＷＭ制御された電圧を受けてスイッチング素子をオン／オフ動作させ、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の交流電圧をモータ１４０に供給する。
上記のような過程を経ることで、圧縮機モータには、同期座標系を基準にして任意の固定された軸に指令電流だけの電流が供給される。すなわち、モータ１４０は、指令電流に従った電流を受けて駆動する（Ｓ５）。
このとき、電流検出部１５０を通してインバータ１３０とモータ１４０との間に流れる電流を検出して（Ｓ６）メーン制御部１６０に伝送し、メーン制御部１６０は、検出された実際の電流が指令電流を追従するかどうかを判断する（Ｓ７）。
このとき、実際の電流が指令電流を追従する場合、正常状態と判断し、指令電流及び指令電流に相応する指令電圧をサンプリングする（Ｓ８）。ここで、図３のＡ及びＢは、実際の電流が指令電流を追従して正常状態になった時点を意味する。
次に、次の段階の指令電流ｉｄｎ＋１を出力した後（Ｓ９）、指令電流に従った指令電圧ｖｄｎ＋１を生成し（Ｓ１０）、生成された指令電圧をＰＷＭ制御し（Ｓ１１）、ＰＷＭ制御によってモータを駆動させる（Ｓ１２）。
次に、モータの駆動時にインバータとモータとの間に流れる電流を検出し（Ｓ１３）、検出された電流をメーン制御部に伝送する。
メーン制御部は、検出された実際の電流と指令電流とを比較し、実際の電流が指令電流を追従するかどうかを判断し（Ｓ１４）、実際の電流が指令電流を追従する場合、正常状態と判断する。
このとき、正常状態での指令電流及び指令電流に従った指令電圧をサンプリングする（Ｓ１５）。
ここで、サンプリングされた二つの段階の指令電流及び指令電圧に基づいてモータ抵抗を算出する（Ｓ１６）。
このように段階的に変化される二つの段階の指令電流及び指令電圧を適用してモータ抵抗を算出することで、抵抗算出の正確度を高めることができる。
すなわち、電流指令部１７０の直軸の指令電流を所定の値ｉｄ１（すなわち、ｉｄｎ）に設定し、実際の電流が指令電流を追従した正常状態になったとき、直軸の電圧方程式は、次のように表現される。
Figure 2008245501
このとき、再び直軸の指令電流を所定の値ｉｄ２（すなわち、ｉｄｎ＋１）に設定し、実際の電流が指令電流を追従した正常状態になったとき、直軸の電圧方程式は、次のように表現される。
Figure 2008245501
これによって、モータの抵抗Ｒは、次のように表現される。
Figure 2008245501
上記のようにモータの抵抗が算出されると、予め設定されているテーブルを通して算出された抵抗値に対応する温度を検索することで（Ｓ１７）、圧縮機の内部温度を算出する。
次に、算出された圧縮機の内部温度と予め設定された基準温度とを比較し（Ｓ１８）、算出された圧縮機の内部温度が予め設定された基準温度以上である場合、メーン制御部１６０は、予熱完了（Ｓ１９）動作を指示し、これによって圧縮機の予熱動作を停止し、正常モードで圧縮機が駆動される。
実際には、インバータを構成するスイッチング素子のオン／オフ遅延、不動時間などによって、直流電圧、電圧のデューティから求めた電圧および実際にモータに印加される電圧に誤差が発生する。このような誤差を考慮せずにモータ抵抗を算出すると、算出された抵抗値は、実際の抵抗値と大きな差を有するようになる。
しかしながら、上記のような方法によって圧縮機の予熱動作を制御すると、インバータを構成するスイッチング素子のオン／オフ遅延、不動時間などによる電圧誤差を補償することができ、指令電圧と実際にモータに印加される電圧とが同一であるため、正確なモータ抵抗を算出することができる。
本発明は、上記の実施例に限定されるものでなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱しない範囲で、当該発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば多様な変更実施が可能である。
従来技術に係る圧縮機モータの予熱制御構成図である。 本発明の実施例に係る圧縮機モータの予熱制御装置の構成図である。 本発明の実施例に係る圧縮機モータの電流指令及び電流検出時点の例示グラフである。 本発明の実施例に係る圧縮機モータの予熱制御方法のフローチャートである。 本発明の実施例に係る圧縮機モータの予熱制御方法のフローチャートである。
符号の説明
１１０ 電源
１２０ 整流部
１３０ インバータ
１４０ モータ
１５０ 電流検出部
１６０ メーン制御部
１７０ 電流指令部
１８０ 電流制御部
１９０ 電圧制御部

Claims (11)

  1. ３相インバータ圧縮機の予熱装置において、
    予め設定された指令電流パターンによって指令電流を段階的に変化させる電流指令部と、
    前記指令電流を追従する指令電圧を生成する電流制御部と、
    前記指令電流及び指令電圧をサンプリングした後、少なくとも二つの段階のサンプリングされた指令電流及び指令電圧に基づいたモータ抵抗を算出して圧縮機の内部温度を算出し、算出された温度によって予熱を制御するメーン制御部と、を含むことを特徴とする圧縮機の予熱制御装置。
  2. 前記モータ抵抗値に相応する温度値が予め設定された保存部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機の予熱装置。
  3. 前記指令電流は、
    回転子同期座標系を基準にして横軸の指令電流が０アンペアで、直軸の指令電流が所定のアンペアであることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機の予熱装置。
  4. 前記メーン制御部は、
    予熱時、モータの３相巻線を全て用いて予熱することを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機の予熱装置。
  5. 前記指令電流に従って指令電圧をＰＷＭ制御してインバータに供給する電圧制御部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機の予熱装置。
  6. ３相インバータ圧縮機の予熱方法において、
    予め設定された指令電流パターンによって段階的に電流を出力し、
    前記出力された指令電流を追従する指令電圧を生成し、
    各段階の指令電流及び指令電圧をサンプリングし、サンプリングされた少なくとも二つの段階の指令電圧及び指令電流からモータ抵抗を算出し、
    前記算出されたモータ抵抗から圧縮機の内部温度を算出した後、予熱動作可否を判断することを特徴とする圧縮機の予熱方法。
  7. 前記指令電流を段階的に変化させる段階は、
    回転子同期座標系を基準にして横軸の指令電流を０アンペアに設定し、直軸の指令電流を段階的に所定のアンペアずつ変化させることを特徴とする、請求項６に記載の圧縮機の予熱方法。
  8. 前記指令電圧を生成する段階は、
    前記指令電流を追従するように、前記指令電流に従った指令電圧をＰＷＭ制御してインバータに供給することを特徴とする、請求項６に記載の圧縮機の予熱方法。
  9. 前記温度値を算出する段階は、
    前記モータ抵抗値に相応する温度値が予め設定されているので、前記算出された抵抗値に対応する圧縮機の内部温度を検索して温度値を算出することを特徴とする、請求項６に記載の圧縮機の予熱方法。
  10. 前記予熱動作可否を判断する段階は、
    前記圧縮機内部の基準温度値が予め設定されているので、前記基準温度値と算出された温度値とを比較し、算出された温度値が基準温度値以上であると予熱を完了することを特徴とする、請求項６に記載の圧縮機の予熱方法。
  11. 前記指令電流及び指令電圧をサンプリングする段階は、
    実際の電流が指令電流を追従した正常状態である場合にサンプリングすることを特徴とする、請求項６に記載の圧縮機の予熱方法。
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