JP2013066299A - 電動機駆動用装置及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流平滑コンデンサに流れるリプル電流をより正確に導き出すことができ、適切な保護制御を行うことができる電動機駆動用装置等を提供する。
【解決手段】整流器５、直流リアクトル６、直流平滑コンデンサ７、及び逆変換器８から構成されるインバータ主回路と、直流母線電圧を検出する直流母線電圧検出手段１１と、脈動電圧を検出する脈動電圧検出手段１２と、インバータ主回路の出力電流を検出する出力電流検出手段１３と、インバータ主回路の出力周波数を補正処理して出力する出力周波数補正手段１６と、電源周波数を検出する電源周波数検出手段１８と、インバータ出力電力を演算する出力電力演算手段１７と、電源周波数、インバータ出力電力に基づいて脈動電圧からリプル電流を演算するリプル電流演算手段１４と、逆変換器８に例えばＰＷＭ信号等の駆動信号を送るＰＷＭ信号演算部１０とを備えるものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば冷凍サイクル装置が有する圧縮機等を可変速駆動させるための電動機駆動用装置等に関するものである。

従来から、空気調和装置等の冷凍サイクル装置を構成する圧縮機において、圧縮機が有する電動機の回転速度（出力）の可変速駆動を行うため、電力変換を行う電動機駆動用装置を電源と電動機との間に配置することが多い。電動機駆動用装置は、例えば、インバータ主回路を有し、交流電源の電力を直流変換し、再度交流変換して電動機に供給する。

このような電動機駆動用装置において電力変換を行う際、インバータ主回路の素子である直流平滑コンデンサに過大なリプル電流が流れることによって発熱等するのを防ぐ必要がある。そこで、例えば直流母線電圧の脈動電圧（ΔＶ）が、ある所定値（以下、閾値という）を超えた場合に、インバータ出力を制限し、直流平滑コンデンサ（素子）の保護を行う機能（以下、保護制御という）を有する電動機駆動用装置を有する空気調和装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００７−２５９６２９号公報（図１）

上記のような保護制御では、従来、直流平滑コンデンサの両端電圧（直流母線電圧）の脈動分（ΔＶ）からリプル電流の値を導き出し、その値からコンデンサの芯温度上昇値を推定していた。そして、推定した芯温度上昇値から得られる芯温度値が、直流平滑コンデンサの許容温度範囲内に収まるような脈動電圧（ΔＶ）の閾値を設定するようにして、インバータ出力を制御し、直流平滑コンデンサの発熱を抑制していた。このとき、従来の保護制御では、予めシミュレーション等を行い、脈動電圧（ΔＶ）とリプル電流との関係を求め、関係を例えばテーブル化したデータとしておくものであった。

しかしながら、電源周波数、インバータ出力電力（電動機に供給する電力）の少なくとも一方が変動すると、脈動電圧（ΔＶ）が同じであっても直流母線電圧の変動パターンが異なり、リプル電流が一意に定まらなくなる。よって直流平滑コンデンサ保護の観点から、保護制御が動作する脈動電圧（ΔＶ）の閾値として、実際には余裕をみた値を設定する必要があった。このため、例えば、閾値に余裕を持たせている分だけインバータ出力に制限がかかる可能性が高くなり、適切な電力供給ができなくなる可能性があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、直流平滑コンデンサに流れるリプル電流をより正確に導き出すことができ、適切な保護制御を行うことができる電動機駆動用装置等を提供することを目的とする。

この発明に係わる電動機駆動用装置は、整流器、直流リアクトル、直流平滑コンデンサ及び逆変換器を有し、電源からの電力を変換して電動機に供給するためのインバータ主回路と、直流母線電圧を検出する直流母線電圧検出手段と、直流母線電圧の脈動電圧を検出する脈動電圧検出手段と、インバータ主回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、電源における電源周波数を検出する電源周波数検出手段と、出力電流に基づいてインバータ出力電力を演算する出力電力演算手段と、電源周波数及びインバータ出力電力に基づいて、脈動電圧からリプル電流を算出するリプル電流演算手段と、リプル電流演算手段が算出したリプル電流に基づいて、設定されたインバータ主回路の出力周波数を補正処理し、出力周波数指令を出力する出力周波数補正手段と、出力周波数指令に基づいて逆変換器に駆動信号を送る逆変換器駆動手段とを備えるものである。

この発明によれば、脈動電圧から直流平滑コンデンサに流れるリプル電流を算出する際、電源周波数検出手段の検出に係る電源周波数、出力電力演算手段の演算に係るインバータ出力電力に基づいた上で、脈動電圧からリプル電流を算出するようにしたので、算出に係るリプル電流の精度を向上させることができる。このため、保護制御が過剰に動作することを防ぐことができる電動機駆動用装置を得ることができる。例えば、冷凍サイクル装置への電力供給を不要に制限することなく、適切な電力供給による圧縮機の運転等を行うことができるという効果が得られる。

この発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 電源周波数と直流母線電圧の波形との関係を示す図である。 インバータ出力電力、脈動電圧及びリプル電流の関係を示す図である。 本実施の形態における保護制御に係るフローチャートを示す図である。 この発明の実施の形態２における冷凍サイクル装置の構成を示す図である。 電源周波数演算手段１９の電源周波数算出を説明するための図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電動機駆動用装置を中心とする冷凍サイクル装置の構成を示す図である。本実施の形態では、冷凍サイクル装置として空気調和装置を例として説明する。図１に示すように、本実施の形態における空気調和装置は、圧縮機１、凝縮器２、絞り装置３及び蒸発器４を冷媒配管で環状に接続し、冷媒回路を構成している。

電動機を有する圧縮機１は、冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここで、圧縮機１については、例えばインバータ回路による電動機の回転数（出力周波数）制御によって、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成している。凝縮器２は、例えば空気等と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化させる熱交換器である。また、送風機２Ａは、例えば凝縮器２に空気を送り込み、凝縮器２を流れる冷媒との熱交換を促す。そして、絞り装置３は、冷媒を減圧して膨張させるものである。蒸発器４は、熱交換により冷媒を蒸発ガス化させる熱交換器である。

ここで、電動機駆動用装置が保護制御を行う場合、冷凍サイクル装置においては、絞り装置３の開度を減少させて冷媒回路を循環する冷媒量を減少させ、圧縮機１の吐出側における圧力を低下させるようにする。また、送風機２Ａの風量を増やして、凝縮器２における熱交換量を増やして圧縮機１の吐出側における圧力を低下させるようにすることもできる。

また、圧縮機１に電力供給を行うための電動機駆動用装置においては、整流器５、力率改善用の直流リアクトル６、直流平滑コンデンサ７及び逆変換器８をインバータ主回路として有している。整流器５は、例えばダイオード等の整流素子をブリッジ接続して構成し、例えば商用電源である交流電源９による電力の整流を行うために設ける。力率改善用の直流リアクトル６は、整流器５の出力側に接続され、高調波を抑制するために設ける。直流平滑コンデンサ７は、整流器５の整流に係る電圧を平滑し、負荷側の逆変換器８に対して直流電圧（出力電圧）を印加した電力供給を行うために設ける。逆変換器８は、直流電圧を変換した電圧を圧縮機１の電動機に印加して圧縮機１を駆動させる。本実施の形態では、逆変換器８は直流電圧をＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）変換したＰＷＭ電圧を印加するものとする。

さらに、直流母線電圧検出手段１１は、直流平滑コンデンサ７の両端の電圧（以下、直流母線電圧）を検出する。また、脈動電圧検出手段１２は、直流母線電圧検出手段１１の検出した直流母線電圧に基づいて直流平滑コンデンサ７に印加される脈動電圧（ΔＶ）を検出する。さらに、出力電流検出手段１３は、インバータ主回路より出力された出力電流を検出する。

また、出力周波数設定手段１５は、利用者が空気調和装置に対して設定した温度に基づいて、インバータ主回路が供給するインバータ出力電力（インバータ出力電流）の周波数（出力周波数）を設定する。ここでは、電動機駆動用装置が出力周波数設定手段１５を有しているが、場合によっては、冷凍サイクル装置を構成する機器を制御等するための制御装置（図示せず）が出力周波数を設定する機能を有するようにしてもよい。そして、出力周波数補正手段１６は、直流平滑コンデンサ７の芯温度を演算し、保護制御を行うものと判断した場合には、出力周波数設定手段１５の設定した出力周波数を低下させ、出力周波数指令の信号をＰＷＭ信号演算部１０に送る。

図２は、電源周波数と直流母線電圧の波形との関係を示す図である。図２（ａ）は電源周波数が５０Ｈｚの場合を示す。また、図２（ｂ）は電源周波数が６０Ｈｚの場合を示す。図２から、脈動電圧（ΔＶ）が同じ値であっても、電圧の変動パターンが異なるため直流平滑コンデンサに流れるリプル電流に差が生じることがわかる。このため、リプル電流を正確に導き出すためには電源周波数を正確に判断する必要がある。そこで、電源周波数検出手段１８は、交流電源９の電源周波数を検出する。ここで、例えば外部装置において電源周波数を検出している場合には、電源周波数検出手段１８は外部装置の検出に信号を受信するようにしてもよい。本実施の形態では交流電源９を商用電源とする。このため、電源周波数は５０Ｈｚか、６０Ｈｚとなる。

図３はインバータ出力電力、脈動電圧（ΔＶ）及びリプル電流の関係を示す図である。図３に示すように、圧縮機１の電動機に供給する電力が異なれば、脈動電圧（ΔＶ）に対してリプル電流に差が生じることがわかる。このため、リプル電流を正確に導き出すためにはインバータ主回路から供給する電力（インバータ出力電力）を正確に算出等する必要がある。そこで、出力電力演算手段１７は、インバータ出力電力を演算する。また、リプル電流演算手段１４は、交流電源９の電源周波数及びインバータ主回路の出力電力に基づき、脈動電圧（ΔＶ）からリプル電流を演算する。出力電力演算手段１７の電力演算及びリプル電流演算手段１４の動作については後述する。記憶手段２０はリプル電流演算手段１４等がリプル電流算出等の場合に用いるデータを記憶する。

また、逆変換器駆動手段となるＰＷＭ信号演算部１０は、出力周波数指令に基づいて、圧縮機１に印加すべき出力電圧、位相、周波数から、空気調和装置の所要空調能力を出力するように圧縮機１に印加するＰＷＭ電圧の指令値であるＰＷＭ信号（ＰＷＭデューティ信号）を生成する。そして、駆動信号となるＰＷＭ信号を逆変換器８に送って駆動させ、圧縮機１にＰＷＭ電圧を印加する。

図４は本実施の形態における保護制御に係るフローチャートを示す図である。図４に基づいて、本実施の形態における電動機駆動用装置の保護制御をするかどうかの判断等を行うための各手段の動作について説明する。

例えば、出力電力演算手段１７は、インバータ出力電流を検出する出力電流検出手段１３と圧縮機１に印加するＰＷＭ電圧を演算するＰＷＭ信号演算部１０の出力電圧指令値とに基づいて、以下の式（１）を適用してインバータ出力電力を演算する（Ｓ１）。ここでは、リプル電流演算手段１４のリプル電流算出前にインバータ出力電力を演算しているが、後述するＳ６の処理を行う前であれば、特に処理順を限定するものではない。式（１）において、Ｐはインバータ出力電力、Ｖは出力線間電圧、Ｉは出力電流、ｃｏｓθは力率を表している。
Ｐ＝３^1/2×Ｖ×Ｉ×ｃｏｓθ …（１）

一方、脈動電圧検出手段１２は、直流母線電圧検出手段１１の検出に係る直流母線電圧に基づいて、直流母線電圧の脈動電圧（ΔＶ）を検出する（Ｓ２）。そして、リプル電流演算手段１４は、脈動電圧検出手段１２の検出された直流母線電圧の脈動電圧（ΔＶ）に基づいて、直流平滑コンデンサ７に流れるリプル電流を算出する。ここで、リプル電流演算手段１４がリプル電流を算出する際に用いるデータとなる、脈動電圧（ΔＶ）とリプル電流との関係のデータを、例えばテーブル化して記憶手段２０に記憶させておく。例えば、テーブル作成には、シミュレーション等により電源周波数５０Ｈｚと６０Ｈｚとにおける２種類のテーブルを予め準備しておき、電源周波数検出手段１８が検出した電源周波数に応じてテーブルを使い分けるようにする。このため、リプル電流演算手段１４は、電源周波数検出手段１８の検出に係る電源周波数を判断する（Ｓ３）。電源周波数が６０Ｈｚであると判断すると、６０Ｈｚ用のテーブルに基づいてリプル電流を算出する（Ｓ４）。また、電源周波数が５０Ｈｚであると判断すると、５０Ｈｚ用のテーブルに基づいてリプル電流を算出する（Ｓ５）。

さらに、リプル電流演算手段１４は、出力電力演算手段１７が算出したインバータ出力電力の値が基準値より大きい（インバータ出力電力の値＞基準値）かどうかを判断する（Ｓ６）。ここで、基準値として、例えば上述したテーブル作成時におけるインバータ出力電力の値を用いる。そして、インバータ出力電力の値が基準値より大きいと判断すると、算出したリプル電流に補正量を加算し（Ｓ７）、信号を出力周波数補正手段１６に送る。また、インバータ出力電力が基準値以下であると判断すると補正量を減算し（Ｓ８）、信号を出力周波数補正手段１６に送る。ここで、増減算する補正量の値は、インバータ出力電力と脈動電圧（ΔＶ）とに応じて異なる。例えば、予めシミュレーション等により求めた補正量の値を、例えばテーブル化したデータとして記憶手段２０に記憶させておき、増減算を行う際に用いる。

そして、出力周波数補正手段１６は、リプル電流演算手段１４が算出したリプル電流に基づいて、補正処理を行う。補正処理については、まず、次式（２）を適用して、直流平滑コンデンサ７の芯温度上昇値ΔＴを算出する。ここで、Ｉはリプル電流［Ａｒｍｓ］、Ｒは直流平滑コンデンサ７の等価直列抵抗ＥＳＲ［オーム］、βは放熱定数［Ｗ／℃・ｃｍ² ］、Ａは表面積［ｃｍ² ］である。
ΔＴ＝（Ｉ² ×Ｒ）／（β×Ａ） …（２）

そして出力周波数補正手段１６は、さらに芯温度上昇値ΔＴに基づいて芯温度を算出する（Ｓ９）。そして、芯温度が素子（直流平滑コンデンサ７）の許容温度以上であるかどうかを判断する（Ｓ１０）。

芯温度が素子の許容温度以上であると判断すると、出力周波数設定手段１５において設定した出力周波数を、所定周波数（例えば１Ｈｚ）低下させる処理を行い（Ｓ１１）、処理に係る出力周波数指令の信号をＰＷＭ信号演算部１０に送る。そして、逆変換器８を駆動させて、インバータ出力電力を制限するようにして圧縮機１を運転させる（Ｓ１３）。これにより直流平滑コンデンサ７に流れるリプル電流を低減させ、発熱を抑制することができる。一方、許容温度より低いと判断すると、処理を行わず（Ｓ１２）、出力周波数を維持する出力周波数指令の信号をＰＷＭ信号演算部１０に送り、逆変換器８を駆動させて、インバータ出力電力を供給を維持したまま、圧縮機１を運転させる（Ｓ１３）。

以上のように、本実施の形態の電動機駆動用装置によれば、リプル電流演算手段１４が脈動電圧（ΔＶ）からリプル電流を算出処理する際、電源周波数検出手段１８が検出した電源周波数、出力電力演算手段１７の算出に係るインバータ出力電力に基づく変動等を考慮した算出を行うようにしたので、電源周波数、インバータ出力電力の変動に対応して、リプル電流を算出することができ、精度を向上することができる。このため、保護制御を行うか否かの基準となる芯温度の算出を適切に行うことができる。したがって、例えば保護制御が過剰に動作することを防ぐことができる。そして、冷凍サイクル装置への電力供給を不要に制限することなく適切な電力供給による圧縮機１の運転を行うことができる冷凍サイクル装置を得ることができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２における電動機駆動用装置を中心とする冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図５において、図１と同じ符号を伏している機器等については、実施の形態１で説明したことと同様の動作を行う。本実施の形態では、外部装置等がなく、電源周波数が検出できないような場合に、電源周波数検出手段１８の代わりに、マイクロプロセッサー等を有する電源周波数演算手段１９を設け、脈動電圧（ΔＶ）から電源周波数を算出するようにしたものである。

図６は電源周波数演算手段１９の電源周波数算出を説明するための図である。３相交流である交流電源９が整流器５により整流されると、直流平滑コンデンサ７の両端の直流母線電圧は電源周波数の６倍の周波数で脈動することが知られている。そこで、電源周波数演算手段１９は、図６に示すように、脈動電圧検出手段１２の検出に係る脈動電圧（ΔＶ）に基づいて１周期の時間を算出し、例えば６倍して逆数をとった値を電源周波数とする。

そして、実施の形態１と同様に、電源周波数演算手段１９および出力電力演算手段１７の値に基づいて、脈動電圧（ΔＶ）から算出するリプル電流を補正し、閾値を設定する。

以上のように、実施の形態２によれば、電源周波数演算手段１９が脈動電圧（ΔＶ）に基づいて電源周波数を算出することにより、電源周波数が検出できない環境においても、より正確にリプル電流を導き出すことができる。

実施の形態３．
上述の実施の形態においては、リプル電流演算手段１４は電源周波数及びインバータ出力電力に基づいてリプル電流を算出するようにしたが、特に限定するものではない。場合によっては、電源周波数、インバータ出力電力のどちらか一方に基づいてリプル電流を算出するようにしても、従来よりもリプル電流算出における精度向上をはかることができる。基本的には電源周波数に基づく方が精度向上効果が高くなる。

上述した実施の形態では、電動機駆動用装置を空気調和装置の圧縮機１に適用する場合について説明したが、冷却装置に限定することなく、例えば冷凍装置、給湯機等のヒートポンプ装置等、冷媒回路を構成する他の冷凍サイクル装置にも適用することができる。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、２Ａ 送風機、３ 絞り装置、４ 蒸発器、５ 整流器、６ 直流リアクトル、７ 直流平滑コンデンサ、８ 逆変換器、９ 交流電源、１０ ＰＷＭ信号演算部、１１ 直流母線電圧検出手段、１２ 脈動電圧検出手段、１３ 出力電流検出手段、１４ リプル電流演算手段、１５ 出力周波数設定手段、１６ 出力周波数補正手段、１７ 出力電力演算手段、１８ 電源周波数検出手段、１９ 電源周波数演算手段、２０ 記憶手段。

Claims (6)

1. 整流器、直流リアクトル、直流平滑コンデンサ及び逆変換器を有し、電源からの電力を変換して電動機に供給するためのインバータ主回路と、
   直流母線電圧を検出する直流母線電圧検出手段と、
   前記直流母線電圧の脈動電圧を検出する脈動電圧検出手段と、
   インバータ主回路の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
   前記電源における電源周波数を検出する電源周波数検出手段と、
   前記出力電流に基づいてインバータ出力電力を演算する出力電力演算手段と、
   前記電源周波数及び前記インバータ出力電力に基づいて、前記脈動電圧からリプル電流を算出するリプル電流演算手段と、
   該リプル電流演算手段が算出したリプル電流に基づいて、設定されたインバータ主回路の出力周波数を補正処理し、出力周波数指令を出力する出力周波数補正手段と、
   前記出力周波数指令に基づいて前記逆変換器に駆動信号を送る逆変換器駆動手段と
   を備えることを特徴とする電動機駆動用装置。
2. 前記出力周波数補正手段は、前記リプル電流に基づいて前記直流平滑コンデンサの芯温度を算出し、前記芯温度が許容温度を超えたものと判断すると、前記出力周波数よりも低い周波数の出力周波数指令を出力することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用装置。
3. 前記電源周波数検出手段の代わりに、前記脈動電圧から前記電源周波数を演算する電源周波数演算手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機駆動用装置。
4. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機と、熱交換により前記冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮に係る冷媒を減圧させるための絞り装置と、減圧に係る冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを配管接続して冷媒回路を構成し、
   請求項１〜３のいずれかに記載の電動機駆動用装置を、前記圧縮機を駆動するために備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
5. 前記出力周波数が低下すると、前記絞り装置の開度を減少させて冷媒回路を循環する冷媒量を減少させ、前記圧縮機の吐出側の圧力を低下させることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 凝縮器における冷媒と空気との熱交換を促すための送風機をさらに備え、
   前記出力周波数が低下すると、前記送風機の風量を多くして前記圧縮機の吐出側の圧力を低下させることを特徴とする請求項４又は５に記載の冷凍サイクル装置。

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