JP2009516154A - チラーシステムにおけるスイッチトリラクタンス運動制御システムの応用 - Google Patents

Abstract

チラーシステムは、チラーシステムの圧縮機に給電するためのスイッチトリラクタンス電動機を含む。昇圧コンバータを備えた可変速駆動装置が、昇圧された電圧をスイッチトリラクタンス電動機に供給する。スイッチトリラクタンス電動機および圧縮機は、同じハーメチックバリアエンクロージャ内に配設して、共通の駆動軸で駆動することができる。システム効率を増大させるために、可変速駆動装置およびスイッチトリラクタンス電動機のための冷却が、凝縮器水回路内にある凝縮器の水から、または凝縮器回路からの水によって冷却される介在液体から行われる。電動機内に導入されるバリアによって、またスイッチトリラクタンス電動機内に低減された圧力を維持することによって、ウィンデイジ損失が低減される。

Description

本発明は一般に、チラーシステムにおいてスイッチトリラクタンス電動機を利用する方法に関する。より詳細には、本発明は、チラーシステムの圧縮機に給電するスイッチトリラクタンス電動機用の高周波数スイッチトリラクタンス可変速駆動装置を含むチラーシステムに関する。

過去に、チラーシステムにおいて圧縮機を駆動するための誘導電動機は、電動機が作動されている施設の電力分配システムから利用できる標準線（主）電圧および周波数で動作するように設計されていた。線電圧および周波数の使用は、典型的には、電動機への入力周波数に基づく１つの動作速度に電動機が制限される結果として、圧縮機に、容量を調整するためのいくつかの非効率な機械的手段（遠心圧縮機用の前置静翼やスクリュー圧縮機用の滑り弁などの）を要求した。さらに、電動機の動作速度が圧縮機の所望の動作速度に等しくない場合、圧縮機の所望の動作速度を得るために、「増速」または「減速」歯車箱が電動機と圧縮機の間に挿入された。さらに、それ自体のコントローラまたは電子駆動装置を必要とする電動機、例えばスイッチトリラクタンス電動機は、そのような電動機が、標準的な（主）電圧および周波数から直接動作することができないので、そうしたチラーシステムに使用することができなかった。

次に、チラーシステムの誘導電動機に供給される周波数および／または電圧を変化させることができる可変速駆動装置（ＶＳＤ）が開発された。電動機への入力周波数および電圧を変化させるこの機能により、チラーシステムの対応する圧縮機に、可変出力速度および電力を供給することができる誘導電動機がもたらされた。電動機（および圧縮機）が可変速動作することによって、全負荷設計速度よりも小さな速度における動作が望まれる、圧縮機に部分負荷がかかっている間に生じる効率を、チラーシステムが利用することが可能になった。可変速駆動装置を使用することで、三相電力線から直接動作することができる以前の電動機、例えば誘導電動機または同期電動機に加えて、電動機自体の電子駆動装置を必要とする他のタイプの電動機、例えばスイッチトリラクタンス電動機をチラーシステムに使用することも可能になった。

従来の誘導電動機型ＶＳＤの１つの制限は、ＶＳＤからの出力電圧の大きさが、ＶＳＤへの入力、すなわちユーティリティの線電圧の大きさよりも大きくなり得ないことである。出力電圧のこの制限は、ＶＳＤの整流器が、ＶＳＤに供給される線間交流電圧の実効（ｒｍｓ）値の約１．３倍に等しい大きさの直流電圧しかもたらさないために生じる。可変速駆動装置の出力電圧のこうした制限は、従来型の誘導電動機の最大速度を、（従来型の誘導電動機により必要とされる一定のボルト／ヘルツ比のため）線電圧で作動される電動機の速度に相当する速度に制限する。より大きな圧縮機速度を得るためには、「増速」歯車構成を電動機と圧縮機の間に組み込んで、圧縮機を駆動する電動機の出力回転速度を増大させなければならない。あるいは、より大きな最大回転速度を得るために、より低い定格電圧の電動機を使用して、その電動機をその定格よりも高い電圧および周波数で動作させることも、電動機がそのような高速動作が物理的に可能であることを条件としてあり得た。この点に関して、スイッチトリラクタンス電動機は、電動機の回転子構造が物理的に簡単なためより大きな回転速度で動作することができるので、スイッチトリラクタンス電動機には、誘導電動機に勝る際立った利点がある。

さらに、ＶＳＤからの出力電圧のこうした制限は、チラーシステム内の、高速スイッチトリラクタンス電動機を含む高速電動機の動作速度範囲も制限する。制限された電圧範囲しか利用できない場合に、効率が良く、コスト効果の高い電動機を設計することはより困難なため、より速い圧縮機速度を「増速」歯車構成なしで得るために使用される高速電動機は限定される。高速スイッチトリラクタンス電動機は、他のタイプの電動機よりも高い効率、信頼性の向上、および低コストが可能であるため、チラーシステムにおいて望ましい。さらに、スイッチリラクタンス電動機の回転子構造が物理的に簡単なことが、より高度の機械的堅牢性に結びつき、高速用途における使い易さを実現する。

従来のスイッチトリラクタンス機械の高速動作によるもう１つの制限は、ウィンデイジによる効率損失である。高速で動作する電動機は、電動機の突極構造、および電動機回転子の回転によって引き起こされる空気力学的摩擦損失のため、かなりの熱を発生させる。電動機の温度を許容可能な周囲動作範囲内に維持するために、電動機の空冷が一般に利用される。しかし、電動機を通って流れる空気が、乱流、またはウィンデイジを発生させ、その結果更なる電動機損失を招く。ウィンデイジによる損失は、スイッチトリラクタンス電動機に望まれる特性である全体的な効率の向上を減少させる。ウィンデイジ損失は、低減させることはできるが、なくすことはできない。

したがって、チラーシステムの動作効率を増大させるために補足的に冷却される、チラーシステムの圧縮機用のスイッチトリラクタンス電動機が必要とされている。
チラーシステム内で、コスト効果が高く、効率的で、容易に実施される高速スイッチトリラクタンス電動機の動作を実現することができる、高速スイッチトリラクタンス電動機用の可変速駆動装置も必要とされている。

本発明は、チラーシステム内でスイッチトリラクタンス電動機を利用するシステムを対象とする。好ましい一実施形態では、チラーシステムは、閉じた冷媒ループ内に接続されたスイッチトリラクタンス電動機、圧縮機、凝縮器、および蒸発器を含む。スイッチトリラクタンス電動機は、圧縮機に給電するために圧縮機に接続される。スイッチトリラクタンス電動機は、回転子部分および固定子部分を含む。回転子部分および固定子部分は、回転子部分と固定子部分の間に空隙を画定する。回転子部分は、第１の端部および第２の端部を含む。可変速駆動装置が、スイッチトリラクタンス電動機に電気的に接続される。可変速駆動装置は、熱交換器部分を有し、固定入力交流電圧および固定入力周波数の入力交流電力を受け取って、スイッチトリラクタンス電動機に可変電圧および可変周波数の出力電力を供給するように構成される。電動機冷却手段が、スイッチトリラクタンス電動機固定子部分に取り付けられる。スイッチトリラクタンス電動機の空隙を通る乱流流体の流れを制限するために、１対のバリア部分が回転子の第１の端部および第２の端部に配設される。スイッチトリラクタンス電動機および圧縮機が中に配設されるハーメチックハウジングも設けられる。駆動軸が、圧縮機とスイッチトリラクタンス電動機を相互接続する。電動機冷却手段は、スイッチトリラクタンス電動機固定子部分上に配設された、それを通る流体流れ用の少なくとも１つの導管を有するジャケット部分を含む。ジャケット部分は、スイッチトリラクタンス電動機を冷却するために、ジャケット部分を通って凝縮器流体を循環させることができるように、凝縮器流体回路と接続かつ流体連通する。

別の実施形態では、本発明は、閉じた冷媒ループ内に接続されたスイッチトリラクタンス電動機、圧縮機、凝縮器、および蒸発器を有する、チラーシステムを対象とする。圧縮機は、ハーメチックハウジング内に配設され、軸を有し、その軸が、圧縮機に給電するために圧縮機軸をスイッチトリラクタンス電動機に結合するための結合手段に接続される。スイッチトリラクタンス電動機は、回転子部分および固定子部分を含み、回転子部分および固定子部分は空隙をそれらの間に確定し、回転子部分は、第１の端部および第２の端部を含む。可変速駆動装置が、スイッチトリラクタンス電動機に電気的に接続され、可変速駆動装置は、熱交換器部分を有し、固定入力交流電圧および固定入力周波数の入力交流電力を受け取って、可変電圧および可変周波数の出力電力をスイッチトリラクタンス電動機に供給するように構成される。電動機冷却手段が、スイッチトリラクタンス電動機に取り付けられる。スイッチトリラクタンス電動機の空隙を通る乱流流体の流れを制限するために、１対のバリア部分が、回転子の第１の端部および第２の端部に配設される。冷却手段は、スイッチトリラクタンス電動機固定子部分上に配設された、それを通る流体流れ用の少なくとも１つの導管を有するジャケット部分を含み、ジャケット部分は、スイッチトリラクタンス電動機を冷却するために、ジャケット部分を通って凝縮器流体を循環させることができるように、凝縮器流体回路と接続かつ流体連通する。システムは、電動機内の空気圧を大気圧に比べて低減させるために、圧縮機の吸込室を空隙に相互接続する導管を含むこともできる。

あるいは、冷却手段は、チラーシステムの冷媒ループの液体側を電動機と相互接続する導管、および冷媒ループから液体冷媒を蒸発させるための、また蒸発した冷媒をスイッチトリラクタンス電動機の空隙内にもたらすための、導管内の膨張弁を含むこともできる。

本発明の一利点は、凝縮器水を使用して構成要素を冷却することから、電動機およびＶＳＤ内のより低い動作温度によって全体的なシステム効率が向上することである。
本発明の別の利点は、電動機と圧縮機の間の歯車を不要にすることによる、システム効率の増大および潜在的なコスト低減である。

本発明の別の利点は、スイッチトリラクタンス電動機の堅牢な設計による、チラーシステムの信頼性の向上である。
本発明の別の利点は、電動機内のウィンデイジ損失および摩擦損失の低減によって実現される、システム効率の向上である。

本発明の別の利点は、電動機の最大動作速度がより大きく、動的応答がより速いことである。
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を例として示す添付の図面と併せて、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかとなるであろう。

可能な限りどんな場合でも、同じ参照番号が、同じまたは同様の部分を参照するために図面全体を通じて使用される。
図１は、本発明のシステム構成の全体を示す。交流電源１０２が、可変速駆動装置（ＶＳＤ）１０４に供給し、ＶＳＤ１０４は、スイッチトリラクタンス（ＳＲ）電動機１０６に給電する。本発明の別の実施形態では、可変速駆動装置１０４は２つ以上のスイッチトリラクタンス電動機１０６に給電することができる。ＳＲ電動機１０６は、好ましくは、冷凍またはチラーシステムの対応する圧縮機を駆動するために使用される（全体的に図３を参照されたい）。交流電源１０２は、単相または多相（例えば三相）の、固定電圧、固定周波数の交流電力を、ある場所にある交流送電網または分配システムからＶＳＤ１０４に供給する。交流電源１０２は、好ましくは、対応する交流送電網に応じて、２００Ｖ、２３０Ｖ、３８０Ｖ、４６０Ｖ、または６００Ｖの交流電圧または線電圧を、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの線間周波数でＶＳＤ１０４に供給することができる。

ＶＳＤ１０４は、特定の固定線電圧および固定線間周波数を有する交流電力を交流電源１０２から受け取り、電力をＳＲ電動機１０６に、そのどちらも特定の要件を満足させるために可変でよい所望の電圧および所望の周波数で供給する。電力は、ＳＲ電動機１０６に、電圧パルスまたは電流パルスの形で送出される。電圧パルスは、ＳＲ電動機の巻線に印加される正の電圧から構成され、ＳＲ電動機の巻線に印加される負の電圧部分を含んでもよい。電流パルスは、ＳＲ電動機の巻線を通って流れる正の電流のみを含む。電圧パルスおよび電流パルスの正確な形状は、ＳＲ電動機１０６に使用されているインバータの種類、またそのようなインバータがどのように制御されるかに依存する。電流パルスおよび電圧パルスの周波数は一般に、ＳＲ電動機１０６が回転する速度に比例するが、その正確な値は、ＳＲ電動機１０６内部の固定子相および回転子極の数に依存する。

図２は、本発明のＶＳＤ１０４の一実施形態を示す。ＶＳＤ１０４は、コンバータ段２０２、直流リンク段２０４、および１つまたは複数のインバータを有する出力段２０６の３つの段を有することができる。コンバータ２０２は、交流電源１０２からの固定線周波数、固定線電圧の交流電力を、直流電力に変換する。直流リンク２０４は、コンバータ２０２からの直流電力をフィルタリングし、エネルギー蓄積素子を備える。直流リンク２０４は、高信頼性率および非常に低い故障率を呈する受動素子であるコンデンサおよびコイルから構成することができる。インバータ２０６は、直流リンク２０４からの直流電力を、ＳＲ電動機１０６用の可変周波数、可変電圧の電力に変換する。インバータ２０６は、電力トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）電力スイッチ、および反転ダイオードを含むことができる電力モジュールでよい。さらに、ＶＳＤ１０４の直流リンク２０４および１つまたは複数のインバータ２０６は、ＶＳＤ１０４の直流リンク２０４および１つまたは複数のインバータ２０６がＳＲ電動機１０６に適切な出力電圧波形を提供することができる限り、上記で論じたものとは異なる構成要素を組み込むことができることを理解されたい。

図３に示すように、ＨＶＡＣ、すなわち冷凍または液体チラーシステム３００が、圧縮機３０２、凝縮器構成３０４、液体チラーまたは蒸発器構成３０６、および制御パネル３０８を含む。圧縮機３０２は、ＶＳＤ１０４から給電されるＳＲ電動機１０６によって駆動される。ＶＳＤ１０４は、特定の固定線電圧および固定線周波数を有する交流電力を交流電源１０２から受け取り、電力をＳＲ電動機１０６に、そのどちらも特定の要件を満足させるために可変でよい所望の電圧および所望の周波数で供給する。制御パネル３０８は、冷凍システム３００の動作を制御するために、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、およびインターフェースボードなどのさまざまな異なる構成要素を含むことができる。制御パネル３０８を使用して、ＶＳＤ１０４ならびにチラーシステム３００の他の構成要素の動作を制御することもできる。

システム３００において使用されるＳＲ電動機１０６は、任意の適切なタイプの高効率スイッチトリラクタンス電動機とすることができる。さらに、ＳＲ電動機１０６は、他のタイプの電動機には存在し得る任意の磁化電流がないため、比較的平坦な効率対負荷曲線を有すべきである。比較的平坦な効率対負荷曲線とは、ＳＲ電動機１０６の効率が、負荷の変化に伴って大幅に変化しないことを意味する。さらに、ＳＲ電動機１０６における各固定子相が、ＳＲ電動機１０６における他の固定子相とは独立している。ＳＲ電動機１０６における独立した固定子相により、たとえ固定子相の１つが故障しても、ＳＲ電動機１０６が低減された電力で動作し続け、したがってチラーシステムの信頼性が増大することが可能になる。

図３を再度参照すると、圧縮機３０２は冷媒蒸気を圧縮し、その蒸気を吐出管を通じて凝縮器３０４に送出する。圧縮機３０２は、好ましくは遠心圧縮機である。しかし、圧縮機３０２は、任意の適切なタイプの圧縮機、例えばスクリュー圧縮機、往復圧縮機、スクロール圧縮機などでよいことを理解されたい。圧縮機３０２によって凝縮器３０４に送出された冷媒蒸気は、流体と熱交換関係に入り、流体との熱交換関係の結果として、冷媒液体への相変化を受ける。好ましくは、本発明で使用される流体は水である。凝縮器の水と熱交換関係にある介在液体を含む、二次熱交換器３１０を設けることもできる。凝縮器３０４からの凝縮された液体冷媒が、膨張装置（図示せず）を通って、蒸発器３０６に流れる。

蒸発器３０６は、冷却負荷の供給管および戻り管用の接続を含む。二次液体、例えば水、エチレン、塩化カルシウムブライン、または塩化ナトリウムブラインが、戻り管を介して移動して蒸発器３０６に入り、供給管を介して蒸発器３０６から出る。蒸発器３０６における液体冷媒が二次液体と熱交換関係に入り、二次液体の温度を下げる。蒸発器３０６内の冷媒液体は、二次液体との熱交換関係の結果として、冷媒蒸気への相変化を受ける。蒸発器３０６における蒸気冷媒が、蒸発器３０６から出て、吸込管によって圧縮機３０２に戻ることにより、サイクルが完了する。蒸発器３０６におけるの冷媒の適切な相変化が得られることを条件として、システム３００において蒸発器３０６の任意の適切な構成を使用することができることを理解されたい。

ＨＶＡＣ、すなわち冷凍または液体チラーシステム３００は、図３に示されていない他の多くの特徴を含むことができる。それらの特徴は、例示を簡単にする目的で図面を簡単にするために、意図的に省略されている。さらに、図３は、ＨＶＡＣ、すなわち冷凍または液体チラーシステム３００を、１つの圧縮機が単一の冷媒回路内に接続されたものとして示しているが、システム３００は、単一のＶＳＤまたは複数のＶＳＤから給電され、また１つまたは複数の冷媒回路それぞれの中に接続された、複数の圧縮機を有することができることを理解されたい。

図２を再度参照すると、ＶＳＤ１０４の入力電圧よりも大きなＶＳＤ１０４からの出力電圧を得るために、コンバータ２０２は、昇圧された直流電圧を直流リンク２０４に供給するための、ＰＷＭ昇圧直流／直流コンバータに結合されたダイオードまたはサイリスタ整流器とすることができる。別の例では、ＶＳＤ１０４の入力電圧よりも大きなＶＳＤ１０４からの出力電圧を得るために、コンバータ２０２は、昇圧された直流電圧を直流リンク２０４に供給するための、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有するパルス幅変調昇圧整流器とすることができる。ＶＳＤ１０４は、電動機の速度が、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのユーティリティ線路から直接動作する誘導電動機の速度よりも少なくとも２倍大きくなるような周波数の出力電圧パルスをもたらすことができる。昇圧された直流リンク２０４は、ＳＲ電動機用の従来型の電動機駆動装置におけるよりも、高い最大動作周波数、良好な動的応答と、少ない電動機損失および駆動装置損失のどちらも実現する。ＶＳＤ１０４からの昇圧された電圧をより効率的に使用することができるように、ＳＲ電動機１０６は、好ましくは、交流電源１０２からの固定線電圧よりも大きな電圧定格を有する。しかし、ＳＲ電動機１０６は、交流電源１０２からの固定線電圧に等しい、またはそれ未満の電圧定格を有することもできる。

昇圧された直流電圧を直流リンク２０４に供給することに加え、コンバータ２０２は、ＶＳＤ１０４の入力電力品質を向上させるために、交流電源１０２から引き込まれる電流波形の形状および位相角を制御することもできる。さらに、コンバータ２０２を使用して、電圧サグとも呼ばれる交流入力電圧低減中のＶＳＤ１０４のライドスルー能力を向上させることもできる。

図４は、ＶＳＤ１０４の一実施形態の回路図を示す。ＶＳＤ１０４のこの実施形態では、三相交流電源１０２からの各入力線路が、ＶＳＤ１０４の対応する線路内の電流を平滑化するために使用される各コイル４３４に接続される。次いで、コイル４３４それぞれの出力がコンバータ２０２に供給されて、入力交流電力の各相が直流電力に変換される。さらに、ＶＳＤ１０４は、図４には示していない、コイル４３４の上流に配置される追加の構成要素を含むこともできる。例えば、回路遮断器を含むことができ、この回路遮断器は、過剰な電流、電圧、または電力がＶＳＤ１０４に供給されたとき、ＶＳＤ１０４を交流電源１０２から切り離すことができる。回路遮断器は、任意選択の単巻変圧器に接続することができる。単巻変圧器が使用される場合それは、好ましくは、交流電源１０２からの入力電圧を（上方または下方に）所望の入力電圧に調整するために使用される。最後に、線路ごとのフューズを使用して、ＶＳＤ１０４のその入力相または線路を、その線路内の過剰な電流に応答して切り離すことができる。

ＶＳＤ１０４は、直流リンク電圧の０Ｖから定格電圧までの立ち上がりを、ＶＳＤ１０４の構成要素に損傷を与えることになる恐れがある大きな突入電流を回避するように制御することができる、予備充電システム（図示せず）を含むこともできる。予備充電システムは、入力交流電源１０２とコンバータ２０２の間、または場合によっては入力交流電源１０２と直流リンク２０４の間に各予備充電抵抗器を接続するのに使用される、予備充電接触器を含むことができる。これらの予備充電抵抗器は、突入電流を対処可能なレベルに制限する。予備充電が完了した後、予備充電接触器を開くことにより予備充電抵抗器が回路から外され、供給接触器と呼ばれる別の接触器を閉じることにより、入力交流電源１０２がコンバータ２０２に直接接続される。供給接触器は、システムの動作中、閉じられたままである。

コンバータモジュール２０２は、３対（入力相ごとに１対）の電力スイッチまたはトランジスタ４３０を含む。コンバータモジュール２０２は、電力スイッチ４３０の開閉を制御するための、対応する制御接続（図を簡単にするために図示せず）も含む。コンバータモジュール２０２の好ましい一実施形態では、この電力スイッチは、直流リンク用の所望の出力電圧を発生させるためにパルス幅変調技法によって制御される、ＩＧＢＴ電力スイッチである。好ましくは、コンバータモジュール２０２は、ＶＳＤ１０４の入力電圧よりも大きなＶＳＤ１０４からの出力電圧を得るために、昇圧された直流電圧、すなわち入力交流電圧のピーク値よりも大きな電圧を直流リンク２０４に供給するための昇圧整流器として動作することができる。

直流リンク２０４は、コンバータ２０２の出力に並列に接続される。この実施形態における直流リンク２０４は、直流電力をフィルタリングし、また直流バス４１２からのエネルギーを蓄積するための、１つまたは複数のコンデンサ４３２および抵抗器（図示せず）を含む。抵抗器は、コンデンサバンク間で実質的に等しい直流リンク電圧を維持するための電圧平衡素子として機能することができる。抵抗器は、交流電源１０２の電力が遮断されたときに、コンデンサバンク内の蓄積された電圧を「放出」するための、充電消耗用素子（ｃｈａｒｇｅ ｄｅｐｌｅｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）として機能することもできる。直流バス４１２上の直流電力をＳＲ電動機１０６用の電力に変換するインバータセクション２０６も、直流バス４１２に接続される。図４に示す実施形態では、三相ＳＲ電動機を駆動するために、１つの三相インバータセクションまたはモジュール２０６が使用される。しかし、ＳＲ電動機内の相の数に応じて、各インバータモジュールにおいてさまざまな数の相が可能である。また、（追加のＳＲ電動機を駆動するために）追加のインバータモジュール２０６を追加することができ、追加のインバータモジュール２０６は、図４に示すインバータモジュール２０６に類似の回路図を有する。

インバータモジュール２０６の一実施形態は、３対（出力相ごとに１対）の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）電力スイッチ４３０およびダイオードを含む。ＳＲ電動機１０６の各固定子相巻線が、１つのインバータ脚内の上部ＩＧＢＴ電力スイッチと下部ＩＧＢＴ電力スイッチの間に接続される。同じインバータ脚内にあるダイオードにより、ＳＲ電動機の巻線内に確立された正の電流が、１つまたは複数のＩＧＢＴスイッチがオフにされたときに流れる経路を有することが確実になる。インバータ２０６の各脚内の２つのＩＧＢＴスイッチと、ＳＲ電動機１０６の相巻線との直列接続により、ＩＧＢＴ電力スイッチ対内にある両ＩＧＢＴ電力スイッチ４３０が同時に導通して、直流リンクの両端間に直接接続され、したがってインバータ２０６内に過度の電流を生じる状況である、インバータのシュートスルーの発生が防止される。インバータモジュール２０６は、ＩＧＢＴ電力スイッチ４３０の開閉を制御するための、対応する制御接続（図を簡単にするために図示せず）も含む。ＳＲ電動機の技術分野で知られるように、スイッチおよびダイオードの数が異なり、それらが上述したものとは異なるように接続される、ＳＲ電動機用インバータの他の可能な実施形態があり、それを、図４に示すインバータ２０６の代わりに使用することができる。

インバータモジュール２０６は、所望の周波数の所望の電圧パルスをインバータモジュール２０６から得るための変調方式を使用して、インバータモジュール２０６におけるＩＧＢＴ電力スイッチ４３０をそれぞれ、「オン」または導通位置と、「オフ」または非導通位置との間で選択的に開閉することによって、直流バス４１２上の直流電力をＳＲ電動機に必要な電力に変換する。ＩＧＢＴ電力スイッチ４３０を「オン」位置と「オフ」位置の間で開閉するために、ゲート信号または開閉信号が、変調方式に基づいて、制御パネル３０８からＩＧＢＴ電力スイッチ４３０に供給される。ＩＧＢＴ電力スイッチ４３０は、好ましくは、開閉信号が「高レベル」、すなわち論理１のとき「オン」位置にあり、開閉信号が「低レベル」、すなわち論理０のとき「オフ」位置にある。しかし、ＩＧＢＴ電力スイッチ４３０の導通および非導通は、開閉信号とは逆の状態に基づいてもよいことを理解されたい。

ＳＲ電動機１０６の制御の１つの側面は、所与の時点で制御信号を発行した後にできるだけ早く、ＳＲ電動機１０６の固定子相巻線内に電流を確立するというものである。しかし、ＳＲ電動機１０６の固定子相巻線は、固定子相巻線において電流が確立されつつある間に、コイルと類似の動作をする、すなわち固定子相巻線の電流の立ち上がりを妨害する。ＶＳＤ１０４、特にインバータ２０６が、昇圧された電圧をＳＲ電動機１０６に供給できることにより、昇圧された電圧を受け取らない電動機と比べ、電動機をより高い最大速度で動作させることができ、ＳＲ電動機１０６のより良好な動的応答が実現する。昇圧された電圧をＳＲ電動機１０６に印加することにより、固定子相巻線内で電流がより急速に立ち上がり、また立ち下がり（電流が立ち上がる速度は、印加されている電圧パルスの大きさに比例する）、したがって、ＳＲ電動機内部の固定子巻線と回転子極の間に発達するモータリングトルクがより迅速に確立および消滅する。この結果、ＳＲ電動機１０６のより高い最大動作速度、および向上されたより迅速な制御、すなわちより良好な動的応答（例えばより速い加速／減速）がもたらされる。

インバータ２０６を用いて、昇圧された出力電圧をＳＲ電動機１０６に供給することによって、電動機電流のＲＭＳ値の大きさが低減される。この電動機電流は、所与の電動機電力定格について、出力電圧にほぼ反比例するものである。電動機電流がこのように低減すると、ＳＲ電動機１０６の電動機損失が低減する。この電動機損失は、電動機電流の大きさの二乗にほぼ比例するものである。ＳＲ電動機１０６の電動機損失の低減により、チラーシステム３００の効率が増大する。

同様に、コンバータ２０２を用いて、昇圧された直流電圧を直流リンク２０４に供給することによって、インバータ２０６に入る直流電流の大きさが低減される。このインバータ電流は、所与のシステム電力定格について、インバータ２０６の直流入力電圧にほぼ反比例するものである。インバータ電流がこのように低減すると、ＶＳＤ１０４のインバータ損失が低減する。ＶＳＤ１０４のインバータ損失の低減により、チラーシステム３００の効率が増大する。

ＶＳＤ１０４が直流リンク電圧を、線電圧とは無関係に昇圧できることにより、ＶＳＤ１０４が、ＳＲ電動機１０６を異なる電源に合わせて改変する必要なく、さまざまな国内外の送電網で動作することが可能になる。

次に図５を参照すると、ＳＲ電動機１０６は好ましくは、チラーシステム３００からの凝縮器の水を使用した補足的な水冷を利用することができる。補足的な冷却システムは、外面上に配設しても、電動機ハウジング内に鋳造してもよいジャケット５１２を使用する。補足的な冷却システムは、二次熱交換器３１０（全体的に図３を参照されたい）を使用することもできる。熱交換器３１０は、介在液体を含み、それが凝縮器の水と熱交換関係にある。好ましい実施形態では、ＶＳＤ１０４も介在液体としての水、すなわち水対水ジャケットを含み、凝縮器冷却水回路をＶＳＤ冷却回路および電動機冷却システムから分離する。二次熱交換器３１０によって凝縮器から２つの冷却回路を分離することで、ＶＳＤ１０４、ＳＲ電動機１０６、またはその両方に、圧力分離、および清浄な専用の冷却媒体がもたらされる。

好ましい実施形態では、ＶＳＤ１０４が、電動機１０６上に直接、電動機入力端子を含む電動機ハウジングボス５２２上に直接取り付けられたエンクロージャ内に配設され、したがって、電力配線接続を、ＶＳＤ出力端子と電動機入力端子の間で局地的に行い、それによって電力の線渠および配線の必要性をなくすことができる。ＶＳＤ１０４が電動機１０６に物理的に近いことにより、電力配線による電圧降下が最小限に抑えられ、長いケーブル長を有するＶＳＤに付随する反射電圧波現象が解消され、より小型のシステムが実現する。制御パネル３０８も好ましくは、チラーシステム３００に必要な空間をさらに最小限に抑えるために、ＶＳＤ１０４に隣接して、凝縮器３０４上または蒸発器シェル３０６上に取り付けられる。

例示的な一段圧縮機３０２は、スイッチトリラクタンス電動機１０６から給電される。圧縮機３０２は、図６のような、ＳＲ電動機１０６と共通の軸上に構成された二段圧縮機でも、図７のような、ＳＲ電動機１０６が二段の間に配設された二段圧縮機でもよい。図５の一段の実施形態を再度参照すると、ＳＲ電動機１０６は、複数の突出極を有する固定子５０２、およびやはり複数の極５０６を有する回転子５０４を備える。断面図では、固定子５０２および回転子５０４ごとに１対の極しか示していないが、ＳＲ電動機１０６は通常、複数の極対を、各固定子５０２および回転子５０４上に有し、固定子５０２は一般に、回転子５０４よりも多数の極を有する。回転子５０４は軸５０８に取り付けられ、軸５０８は羽根車５１０に接続されてそれを駆動する。複数の電気コネクタ５１８は、回転子５０４および羽根車５１０に回転を付与するように、固定子５０２の極を接続する。

チラーシステム効率の向上は、電動機冷却システムを使用して、ＳＲ電動機１０６の固定子損失を低減させることによって実現することができる。ＳＲ電動機１０６の損失の大部分は固定子５０２内で生じるので、固定子５０２内で発生した熱を水ジャケット５１２内の液体に伝達することによって、固定子５０２から冷媒回路内に、固定子の熱損失がほとんど導入されない。したがって、全体的なチラー効率が増大される。ジャケット部分５１２は、固定子５０２の巻線内で発生した熱を吸収するために、通路が電動機ハウジング内に鋳造されるか、通路が固定子５０２の外側に取り付けられる。図５では、ＳＲ電動機１０６が、圧縮機３０２およびそれに関連する構成要素を取り囲むハーメチックバリアエンクロージャ５１６内に示されている。しかし、別の可能な実施形態では、ＳＲ電動機１０６は、電動機１０６がハーメチックバリアエンクロージャ５１６の完全に外側にあるように構成される。

図８に概略的に示す他の可能な実施形態では、ＳＲ電動機１０６が圧縮機３０２の軸に、磁気結合８０４を介して結合される。電動機軸８０２が、磁気結合８０４の電動機ハブ部分８０６内で終わり、結合８０４の圧縮機ハブ部分８０８に一体に接続されたハーメチックバリアエンクロージャバリア８０１によって圧縮機から分離される。電動機アダプタ部分８１４が、圧縮機アダプタ部分８１２に接続され、アダプタ部分８１２、８１４が一緒に、結合８０４の周りにエンクロージャを形成する。

図８に示す実施形態での空冷電動機１０６は、電動機の熱を凝縮器の水に追い出すことによる補足的な冷却を使用することもできる。これは、ジャケット部分５１２が固定子５０２の外側に取り付けられる、図５に示す構成に従って達成される。ジャケット部分５１２は、流体が流れることができるように連続した経路の形で構成された導管５１４を含む。ジャケット部分５１２は、熱を固定子５０２から流体に伝達し、流体は熱を、流体がその中を通過する際に吸収する。流体用の導管は、固定子５０２自体の中に組み込んでも、外側のジャケット部分５１２と組み合わせて使用してもよいことに留意されたい。ジャケット部分５１２は、供給管５１９と流体連通し、それを通って流体がジャケット部分５１２に供給される。好ましくは、流体は、凝縮器の水との直接的な熱交換を介して冷却される介在液体であるが、固定子５０２を直接冷却するために、凝縮器の水をジャケット部分５１２内に直接循環させることもできる。

本発明の一代替実施形態では、電動機１０６を冷却するために、チラーシステム３００からの液体冷媒または冷媒蒸気を使用することもできる。その場合には、冷媒が膨張弁（図示せず）を通じて膨張されて電動機空洞内に入り、その結果得られる冷媒ガスが、電動機の通路を通って流れ、回転子５０４と固定子５０２との間の間隙の周りに循環される。チラーシステムの冷媒を使用することで、固定子５０２の損失を低減させることにより電動機の効率が増大する一方で、システム３００に接続される追加の冷却負荷のため、チラーシステム効率の低減が起こる。したがって、好ましい方法では、凝縮器の水、または凝縮器の水によって冷却された介在液体を使用して、電動機１０６に冷却液体を供給する。

空気または冷媒ガスが電動機回転子５４１内の通路に入るのを制限するために、バリアプレート５４１が電動機回転子５０４の両端に取り付けられる。バリアプレート５４１は、回転子外径上のスリーブ５４０と一緒に、電動機１０６内部の空気またはガス乱流を低減し、したがってウィンデイジ損失を低減するように機能する。

任意選択で、ウィンデイジ損失をさらに低減させるために、電動機１０６を、圧縮機３０２を蒸発器３０６に接続する吸込管５２４内の吸込冷媒圧力よりも低い圧力に維持することができる。電動機１０６は、大気圧に取り囲まれており、導管５４２を介して吸込管５２４と、また導管５２６を介して圧縮機室５２８と流体連通する（図５に概略的に示される）。圧縮機室５２８は、羽根車５４３の目玉部に入るガスのベンチュリ効果のため、吸込圧力よりも低い圧力に維持される。導管５２６は、回転子５０４と固定子５０２の間に存在する電動機通路５３０と流体連通する。電動機内部のガス、例えば冷媒蒸気が、電動機通路５３０から圧縮機室５２８に引き込まれ、それによって、電動機１０６内部のより低い圧力が生み出される。

別の実施形態では、電動機１０６は、図８に示すようにハーメチックハウジングの外側にある。電動機１０６は、空気によって冷却され、補足的な冷却手段が、固定子外径上にジャケットを備え、その中を凝縮器の水が流れる。電動機はハーメチックハウジングの外側にあるが、電動機空洞を、電動機軸に固定されたダクトファンを介して大気圧未満の圧力に維持することができる。諸代替実施形態は、以下の組合せ、凝縮器の水の代わりに、液体冷媒が膨張して冷却ジャケット５１２内に入る；電動機がハーメチックハウジングの外側ではなくハウジングの内側に構成される；また低減された圧力が維持されない、を含むことができる。

以上、本発明を好ましい実施形態に即して説明してきたが、当業者なら、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を行うことができ、等価物を本発明の要素の代わりに使用できることが理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように多くの修正を行うこともできる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図された最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に含まれるあらゆる実施形態を含むことが意図される。

本発明の全体のシステム構成を概略的に示す図である。 本発明の可変速駆動の一実施形態を概略的に示す図である。 本発明と共に使用することができる冷凍システムを概略的に示す図である。 本発明の可変速駆動装置の一実施形態の回路図である。 スイッチトリラクタンス電動機／一段圧縮機構成の一実施形態の断面図である。 スイッチトリラクタンス電動機／二段圧縮機構成の一実施形態の断面図である。 もう１つのスイッチトリラクタンス電動機／二段圧縮機構成の断面図である。 圧縮機を磁気結合によって直接駆動する、空冷スイッチトリラクタンス電動機の一実施形態の断面図である。

Claims (20)

1. 閉じた冷媒ループに接続された圧縮機、凝縮器、および蒸発器と、
   前記圧縮機に動力を給電するために前記圧縮機に接続され、回転子部分、固定子部分、および前記回転子部分と前記固定子部分の間にある空隙を含み、前記回転子部分は、第１の端部および第２の端部を含む、スイッチトリラクタンス電動機と、
   前記スイッチトリラクタンス電動機に電気的に接続され、固定入力交流電圧および固定入力周波数の入力交流電力を受け取って、可変電圧および可変周波数の出力電力を前記スイッチトリラクタンス電動機に供給するように構成された可変速駆動装置と、
   前記スイッチトリラクタンス電動機の前記固定子部分に隣接して配設された、前記電動機を冷却するための電動機冷却システムと、
   前記スイッチトリラクタンス電動機の前記空隙を通る乱流流体の流れを制限するために、前記回転子の前記第１および第２の端部に配設された１対のバリア部分と、
   を備えるチラーシステム。
2. 前記スイッチトリラクタンス電動機および前記圧縮機が中に配設されたハーメチックハウジングと、前記圧縮機と前記スイッチトリラクタンス電動機を相互接続する駆動軸とをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記凝縮器は、熱を冷媒と交換するための流体回路を備え、前記電動機冷却システムは、前記スイッチトリラクタンス電動機の前記固定子部分上に配設され、それを通る流体流れ用の少なくとも１つの導管を含むジャケット部分を備え、前記ジャケット部分は、前記スイッチトリラクタンス電動機を冷却するために、前記凝縮器流体回路から前記ジャケット部分を通る流体の循環を可能にするように、前記凝縮器流体回路と接続かつ流体連通する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記スイッチトリラクタンス電動機の空気圧を大気圧に関して低減させるために、前記圧縮機の吸込室を前記スイッチトリラクタンス電動機の前記空隙に相互接続する導管をさらに含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記電動機冷却システムは、液体冷媒を含む前記チラーシステムの前記冷媒ループを相互接続する導管と、前記スイッチトリラクタンス電動機固定子部分上に配設され、それを通る流体流れ用の少なくとも１つの導管を含むジャケット部分とを備え、前記ジャケット部分は、前記冷媒ループと接続かつ流体連通し、前記電動機冷却システムがさらに、前記冷媒を蒸発させて、前記蒸発した冷媒を前記ジャケット部分および前記スイッチトリラクタンス電動機の前記空隙に循環させるために、前記冷媒ループと流体連通する膨張弁を含む、請求項２に記載のシステム。
6. 前記スイッチトリラクタンス電動機内の空気圧を大気圧に関して低減させるために、前記圧縮機の吸込室を前記スイッチトリラクタンス電動機の前記空隙に相互接続する導管をさらに含む、請求項５に記載のシステム。
7. 前記可変速駆動装置は熱交換器回路を含み、前記凝縮器流体回路は、前記可変速駆動装置を冷却するために、前記熱交換器部分を通る凝縮器流体の循環を可能にするように、前記可変速駆動装置の前記熱交換器回路に相互接続される、請求項３に記載のシステム。
8. 前記凝縮器は、熱を冷媒と交換するための流体回路を備え、前記電動機冷却システムは、熱を前記凝縮器流体回路と交換するための中間流体回路と、前記スイッチトリラクタンス電動機の前記固定子部分上に配設され、それを通る流体流れ用の少なくとも１つの導管を含むジャケット部分とを備え、前記ジャケット部分は、前記スイッチトリラクタンス電動機を冷却するために、前記中間流体回路から前記ジャケット部分を通る流体の循環を可能にするように、前記中間流体回路と接続かつ流体連通する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記可変速駆動装置は、
   前記入力交流電力をもたらす交流電源に接続され、前記固定入力交流電圧を、前記固定入力交流電圧よりも大きな昇圧された直流電圧に変換するように構成されたコンバータ段と、
   前記コンバータ段に接続され、前記昇圧された直流電圧をフィルタリングし、また前記コンバータ段からのエネルギーを蓄積するように構成された直流リンクと、
   前記直流リンクに接続され、前記直流リンクからの前記昇圧された直流電圧を、前記可変電圧および前記可変周波数を有する前記出力電力に変換するように構成されたインバータ段と、
   をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
10. 閉じた冷媒ループに接続された圧縮機、凝縮器、および蒸発器と、
    前記圧縮機に接続され、前記圧縮機は、ハーメチックハウジング内に配設され、前記圧縮機に動力を給電するために前記圧縮機軸を前記スイッチトリラクタンス電動機に結合するための結合手段に接続された軸を備え、前記スイッチトリラクタンス電動機は、電動機軸に取り付けられた回転子部分、固定子部分、および前記回転子部分と前記固定子部分の間にある空隙を含み、前記回転子部分が第１の端部および第２の端部を含む、スイッチトリラクタンス電動機と、
    前記スイッチトリラクタンス電動機に電気的に接続され、固定入力交流電圧および固定入力周波数の入力交流電力を受け取って、可変電圧および可変周波数の出力電力を前記スイッチトリラクタンス電動機に供給するように構成された可変速駆動装置と、
    前記スイッチトリラクタンス電動機の前記固定子部分に隣接して配設され、前記電動機を冷却するための電動機冷却システムと、
    前記スイッチトリラクタンス電動機の前記空隙を通る乱流流体の流れを制限するために、前記回転子の前記第１および第２の端部に配設された１対のバリア部分と
    を備えるチラーシステム。
11. 前記凝縮器は、熱を冷媒と交換するための流体回路を備え、前記電動機冷却システムは、前記スイッチトリラクタンス電動機の前記固定子部分上に配設され、それを通る流体流れ用の少なくとも１つの導管を含むジャケット部分を備え、前記ジャケット部分は、前記スイッチトリラクタンス電動機を冷却するために、前記凝縮器流体回路から前記ジャケット部分を通る流体の循環を可能にするように、前記凝縮器流体回路と接続かつ流体連通する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記スイッチトリラクタンス電動機における空気圧を大気圧に関して低減させるために、前記圧縮機の吸込室を前記スイッチトリラクタンス電動機の前記空隙に相互接続する導管をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記スイッチトリラクタンス電動機における空気圧を大気圧に比べて低減させるために、前記圧縮機の吸込室を前記スイッチトリラクタンス電動機の前記空隙に相互接続する導管をさらに含む、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記冷却システムは、液体冷媒を含む前記チラーシステムの前記冷媒ループを相互接続する導管と、前記液体冷媒を蒸発させて、蒸発した冷媒を前記スイッチトリラクタンス電動機の前記空隙に循環させるために、前記閉じた冷媒ループと流体連通する膨張弁とを備える、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記電動機冷却システムは、液体冷媒を含む前記チラーシステムの前記冷媒ループを相互接続する導管と、前記スイッチトリラクタンス電動機固定子部分上に配設され、それを通る流体流れ用の少なくとも１つの導管を含むジャケット部分とを備え、前記ジャケット部分は、前記冷媒ループと接続かつ流体連通し、前記電動機冷却システムはさらに、前記冷媒を蒸発させて、前記蒸発した冷媒を前記ジャケット部分および前記スイッチトリラクタンス電動機の前記空隙に循環させるため、前記冷媒ループと流体連通する膨張弁を含む、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記可変速駆動装置は熱交換器回路を含み、凝縮器流体回路は、前記可変速駆動装置を冷却するために、前記熱交換器部分を通る凝縮器流体の循環を可能にするように、前記可変速駆動装置の前記熱交換器回路に相互接続される、請求項１０に記載のシステム。
17. 前記凝縮器は、熱を冷媒と交換するための流体回路を備え、前記電動機冷却システムは、熱を前記凝縮器流体回路と交換するための中間流体回路と、前記スイッチトリラクタンス電動機の前記固定子部分上に配設され、それを通る流体流れ用の少なくとも１つの導管を含むジャケット部分とを備え、前記ジャケット部分は、前記スイッチトリラクタンス電動機を冷却するために、前記中間流体回路から前記ジャケット部分を通る流体の循環を可能にするように、前記中間流体回路と接続かつ流体連通する、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記可変速駆動装置は、
    前記入力交流電力をもたらす交流電源に接続され、前記固定入力交流電圧を、前記固定入力交流電圧よりも大きな昇圧された直流電圧に変換するように構成されたコンバータ段と、
    前記コンバータ段に接続され、前記昇圧された直流電圧をフィルタリングし、また前記コンバータ段からのエネルギーを蓄積するように構成された直流リンクと、
    前記直流リンクに接続され、前記直流リンクからの前記昇圧された直流電圧を、前記可変電圧および前記可変周波数を有する前記出力電力に変換するように構成されたインバータ段と、
    をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
19. 前記結合手段は磁気結合である、請求項１０に記載のシステム。
20. 前記磁気結合は、前記圧縮機軸に接続された第１のハブ部分と、回転子軸に取り付けられた第２のハブ部分と、前記第１のハブ部分と前記第２のハブ部分の間の間隙に配設されたハーメチックバリア部分とを含み、前記ハーメチックバリア部分は、前記スイッチトリラクタンス電動機に隣接して前記圧縮機の端部に密封状態で取り付けられ、前記第１のハブ部分および前記第２のハブ部分は、磁気によって前記圧縮器軸を駆動するように動作可能である、請求項１９に記載のシステム。

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