JP4631627B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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大きくなっている。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その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４に特許文献１の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、冷媒を凝縮する凝縮機３と、冷媒を蒸発する蒸発機４と、凝縮器３と蒸発器４の間に設けられ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から構成されており、膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｄと直結されている。交流電源１１からの交流電力は第１コンバータ４１で直流電力に変換され、この直流電力はインバータ１６によって交流電力に変換され圧縮機１が駆動される。

一方、冷媒の膨張エネルギーによって駆動された膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｂを駆動し、発電機２ｂから得られる交流電力が第２コンバータ４２へ入力される。この第２コンバータ４２では発電機２ｄから得られた交流電力を直流電力に変換され、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の構成では、膨張タービン２ａ（すなわち、動力軸２ｃを介して発電機２ｄ）の回転数を制御する手段がないため、膨張タービン２ａの起動時において、圧縮機１が駆動されることで発生する膨張エネルギーが、停止状態にある膨張タービン２ａの静止摩擦力を超えた途端に、膨張タービン２ａの回転数が急激に上昇してしまう。その結果、発電機２ｂから得られる電気エネルギーが急激に増大し、その電気エネルギーが第２コンバータ４２、インバータ１６の素子の許容値を越えた場合には素子が破壊されてしまうだけでなく、回転数が膨張タービン２ａの許容値を超えた場合には膨張タービ
ン２ａが破壊されてしまうという課題を有していた。

そのため、発電機２ｄの回転数を制御する手段が必要となるが、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同期発電機が用いられており、その同期発電機の回転数を制御するためには、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コンバータと記載）などが必要である。特に特許文献１に記載の冷凍サイクル装置の膨張機におけ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５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５２（図面の記号はＩＰＭＳＧ）はギアを介して接続された風車５１により駆動される。ここで、位置・速度推定部５４では、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軸電流と電圧指令値から内部に有する埋込磁石同期発電機５２のモデルを用いて、埋込磁石同期発電機５２の誘起電圧を推定することによって埋込磁石同期発電機５２の回転子の位置・速度を推定する。埋込磁石同期発電機５２の推定速度ωから最大電力追従制御部５５によってトルク指令Ｔｇ＊を導出し、トルク指令Ｔｇ＊から最大効率制御部５６によって埋込磁石同期発電機５２の損失が最小となるような電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を導出する。埋込磁石同期発電機５２に流れる電流は電圧指令作成部５７で電流フィードバック制御され、ＰＷＭコンバータ５３により駆動される。
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場合においても、膨張タービンの起動時において、圧縮機が駆動されることで発生する膨張エネルギーが、停止状態にある膨張タービンの静止摩擦力を超えた途端に、膨張タービンの回転数が急激に上昇してしまうため、急激な回転数に対応して同期発電機の回転子の磁極位置を推定することが困難であるだけでなく、誘起電圧の推定において使用する検出値などにノイズが重畳された場合や、外的な要因によって同期発電機が正常に駆動されなかった場合には、運転状態が異常であると判定することが必要であるが、従来の構成では運転状態が異常であると判定する手段を備えていないため、異常を判定することが困難であるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、膨張機に備えられた回転機の回転子の磁極位置を推定することによって回転機の回転数を制御し、かつ起動を含めた信頼性の高い膨張機の駆動を実現するための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、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮機と、冷媒を蒸発する蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、圧縮機を逆変換器により駆動する圧縮機制御装置と、膨張機と動力軸を介して直結された回転機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器と、電力変換器により回転機の回転数を制御する回転機制御手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、圧縮機制御装置が圧縮機を起動させるよりも先に、回転機制御手段は前記電力変換器を逆変換器として動作させ、回転機を力行運
転することで膨張機を起動させるものである。

これによって、膨張機の起動時において、圧縮機が駆動されることで発生する膨張エネルギーが、膨張機の静止摩擦力を超えた途端に、膨張機の回転数が急激に上昇してしまうことを防止することができ、安定した膨張機の起動を実現することが可能となる。

本発明の冷凍サイクル装置は、膨張機に備えられた回転機の回転子の磁極位置を推定することによって回転機の回転数を制御し、かつ起動を含めた信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。

第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発する蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、圧縮機を逆変換器により駆動する圧縮機制御装置と、膨張機と動力軸を介して直結された回転機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器と、電力変換器により回転機の回転数を制御する回転機制御手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、圧縮機制御装置が圧縮機を起動させるよりも先に、回転機制御手段は電力変換器を逆変換器として動作させ、回転機を力行運転することで膨張機を起動させるものであり、膨張機の起動時において、圧縮機が駆動されることで発生する膨張エネルギーが、膨張機の静止摩擦力を超えた途端に、膨張機の回転数が急激に上昇してしまうことを防止することができ、安定した膨張機の起動を実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の冷凍サイクル装置において、回転機制御手段は、回転機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、回転機に印加する印加電圧の値と電流検出手段によって検出された電流値とから回転機に発生する誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、誘起電圧推定手段によって推定された誘起電圧値に基づいて回転機の回転子磁極位置を推定する回転子位置速度検出手段とを備えるものであり、エンコーダやレゾルバといった回転子の磁極位置を検出する位置センサを取り付けることが不要のため、コスト低減と信頼性の向上を図ることができる。

第３の発明は、特に第２の発明の冷凍サイクル装置において、誘起電圧推定手段によって推定された誘起電圧値に基づいて、回転機の運転状態が異常か否かを判定する異常判定手段を備え、回転機制御手段によって回転機を力行運転した直後に、異常判定手段によって回転機の運転状態が異常と判定された場合には直ちに回転機の運転を停止させ、異常判定手段によって回転機の運転状態が異常でないと判定された場合にのみ、圧縮機を起動させるものであり、膨張機を確実に起動させることができるため、膨張機の起動に際して信頼性の向上を図ることができる。

第４の発明は、特に第３の発明の冷凍サイクル装置において、異常判定手段は、所定時間継続して所定の回転数における誘起電圧値が所定値以下となる場合に、回転機の運転状態が異常であると判定するものであり、誘起電圧が微小になることによって回転子の磁極位置の推定異常が発生した場合に、そのことを判定して速やかに異常処理を行うことができるため、信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。

第５の発明は、特に第３の発明の冷凍サイクル装置において、異常判定手段は、所定時間継続して前記誘起電圧値が回転数に対して１次関数を用いて設定された誘起電圧範囲を超える場合に、回転機の運転状態が異常であると判定するものであり、あらゆる回転数において異常が発生した場合には、そのことを判定して速やかに異常処理を行うことができるため、信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。

第６の発明は、特に第３〜５のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置において、異常判定手段は、回転機制御手段によって回転機を力行運転した直後の、所定の時間は回転機の運転状態の異常を判定しないものであり、回転機の起動直後における異常判定を誤ることなく、信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。

第７の発明は、特に第１〜６のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置において、圧縮機が起動された後は、回転機制御手段は電力変換器を順変換器として動作させ、回転機を回生運転することで膨張機から動力を回収し、回収された動力を圧縮機を駆動するための補助動力として利用するものであり、圧縮機の動力を大幅に低減することができ、省エネルギー化を図ることができる。

第８の発明は、特に第３〜７のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置において、異常判定手段は、圧縮機が起動された後で、回転機制御手段によって回転機を回生運転している際に、回転機の運転状態が異常と判定された場合には直ちに回転機の運転を停止させ、かつ圧縮機も回転機と同時に運転を停止させるものであり、回生運転している回転機の運転状態の異常が発生した場合でも、そのことを判定して、速やかに異常処理を行うとともに、圧縮機も同時に運転を停止させるため、膨張エネルギーが増大して膨張機の回転数が増大されるのを防止することができ、信頼性の高い膨張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に本発明の第１の実施の形態におけ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、冷媒を凝縮する凝縮器３と、冷媒を蒸発する蒸発器４と、凝縮器３と蒸発器４の間に設けられ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から構成されており、膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して回転機２ｂと直結されている。

また、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、平滑コンデンサ１３で電圧が平滑された後、この直流電力は、直流電力を交流電力に変換するインバータ１６と、運転指令部１４からの圧縮機１の回転数指令値に基づいてインバータ１６を駆動するためのドライブ信号を生成するインバータ制御部１７とから構成されている圧縮機制御装置１５によって交流電力に変換され圧縮機１が駆動される。

一方、冷媒の膨張エネルギーによって駆動された膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して回転機２ｂを駆動することで交流電力が発生する。発生した交流電力は、運転指令部１４からの回転機２ｂの回転数指令値に基づいて回転機制御装置１８によって回生運転が行われて直流電力に変換され、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ため、電解コンデンサ１３の両端に配線されている。

ここで、回転機制御装置１８では指令通りの回転数を満足するため、目標回転数（回転機２ｂの回転数指令値）と現在の速度ω（回転子磁極位置速度検出手段２４により推定された推定速度の現在値）との速度誤差と、電流検出器２０ａ、２０ｂおよび電流検出部２１によって検出された回転機２ｂの相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、回転子磁極位置速度検出手段２４によって推定された磁極位置θから回転機２ｂの印加電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を演算する正弦波駆動部２２と、電流検出値と電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいて、回転機２ｂの固定子巻線の各相に生じた誘起電圧を推
定する誘起電圧推定部２３と、誘起電圧推定部２３によって推定された誘起電圧を用いて回転機２ｂにおける回転子の磁極位置および速度を推定する回転子位置速度検出部２４と、電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を電力変換器１９を駆動するためドライブ信号に変換するＰＷＭ信号生成部２５と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器１９から構成されている。

本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置では、膨張タービン２ａの起動時においては、圧縮機１が駆動されることで発生する膨張エネルギーが、停止状態にある膨張タービン２ａの静止摩擦力を超えた途端に、膨張タービン２ａの回転数が急激に上昇することを防止するため、圧縮機制御装置１５によって圧縮機１を起動させるよりも先に、回転機制御装置１８によって回転機を力行運転することで膨張タービン２ａを起動させるものである。

ここで、圧縮機１が停止状態にあるため膨張エネルギーは発生せず、膨張タービン２ａは駆動されることはないが、停止状態にある回転機２ｂを回生運転することは物理的に不可能であるため、回転機制御装置１８によって回転機２ｂを力行運転することで膨張タービン２ａを起動させる必要があり、以下では、回転機２ｂを力行運転する場合について回転機制御装置１８の具体的な動作を説明した後で、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説明する。

まず、正弦波駆動部２２では、運転指令部１４から与えられる回転機２ｂの回転数指令値ω＊と推定速度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）を用いて式（１）で表されるＰＩ制御により電流指令値Ｉ＊を演算する。

Ｉ＊＝ＫＰＷ・（ω＊−ω）＋ＫＩＷ・（ω＊−ω） （１）
次に、演算された電流指令値Ｉ＊と電流指令位相βＴとを用いて式（２）、式（３）の演算によりｄｑ軸電流指令値（ｉｄ＊、ｉｑ＊）を求める。

ｉｄ＊＝−Ｉ＊・ｓｉｎ（βＴ） （２）
ｉｑ＊＝Ｉ＊・ｃｏｓ（βＴ） （３）
また、固定子巻線の相電流指令値（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）は、ｄｑ軸電流指令値（ｉｄ＊、ｉｑ＊）と現在の磁極位置θ（回転子磁極位置速度推定手段２４により推定された推定位置の現在値）を用いて式（４）〜式（６）の演算により２相−３相変換を行うことで求める。なお、２相−３相変換については公知のため、その説明は省略する。

ｉｕ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓθ｝
−ｉｑ＊・ｓｉｎθ｝ （４）
ｉｖ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ−１２０°）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ−１２０°）｝ （５）
ｉｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ＋１２０°）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ＋１２０°）｝ （６）
そこで、相電流指令値（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）と電流検出器２０ａ，２０ｂおよび電流検出部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、ＫＩＫｎ、ｎ＝１、２、３（３相分））を用いて式（７）〜式（９）で表されるＰＩ制御により電圧指令値（ｖｕ＊、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軸電流指令値（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にＰＩ制御によりｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を求めてから、ｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換して相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を求めても良い。ここで、３相−２相変換についても２相−３相変換と同様に公知のため、その説明は省略する。

具体的には、ｄｑ軸電流指令値（ｉｄ、ｉｑ）は式（１０）、式（１１）の演算により求められる。

ｉｄ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｓｉｎ（θ＋６０°）＋ｉｖ・ｓｉｎθ｝
（１０）
ｉｑ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｃｏｓ（θ＋６０°）＋ｉｖ・ｃｏｓθ）｝
（１１）
また、ｄｑ軸電圧指令値（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）を用いて式（１２）、式（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、ｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換することで相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）は式（１４）〜式（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−１２０°）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ−１２０°）｝ （１５）
ｖｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ＋１２０°）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ＋１２０°）｝ （１６）
次に、本発明の第１の実施の形態における回転機２ｂの誘起電圧の推定方法について説明する。各相の巻線に誘起される誘起電圧値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）は、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を用いて式（１７）〜式（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は回転機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。また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔはそれぞれｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間微分であり、式（１７）〜式（１９）を展開すると次式を得る。

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―１２０°）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ―１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋１２０°）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋１２０°）｝／ｄｔ （２０）
ｅｖ＝ｖｖ＊−Ｒ・ｉｖ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋１２０°）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋１２０°）｝／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―１２０°）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ―１２０°）｝／ｄｔ （２１）
ｅｗ＝ｖｗ＊−Ｒ・ｉｗ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―１２０°）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ−１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋１２０°）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋１２０°）｝／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。また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔは、１次オイラー近似で求める。なお、ｕ相電流ｉｕは、ｖ相電流ｉｖとｗ相電流ｉｗとの和の符号を変えたものとする。さらに、式（２０）〜式（２２）を簡略化すると、以下に示す式（２３）〜式（２５）を得る。ここでは、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とから相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を作成して簡略化した。本実施形態において、誘起電圧推定部２３では、式（２３）〜式（２５）により誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）を求める。

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−１２０°）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ−１２０°）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ−１２０°） （２４）
ｅｗ＝ｖｗ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋１２０°）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ＋１２０°）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ＋１２０°） （２５）
次に、回転子位置速度推定部２４では、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）を用いて回転機２ｂにおける回転子の磁極位置および速度を推定する。回転子位置速度推定部２４は、回転機制御装置１８が認識している推定位置θを誘起電圧の誤差を用いて補正することにより、推定位置θを真値に収束させて求める。また、そこから、推定速度ωを生成する。そこで、各相の誘起電圧基準値（ｅｕｍ、ｅｖｍ、ｅｗｍ）を次式により求める。ただし、誘起電圧振幅値ｅｍは、ｅｕ、ｅｖ、ｅｗの振幅値と一致させることにより求める。

ｅｕｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ） （２６）
ｅｖｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ−１２０°） （２７）
ｅｗｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋１２０°） （２８）
このようにして求めた誘起電圧基準値ｅｓｍ（ｓ＝ｕ、ｖ、ｗ（ｓは相を表す））と、誘起電圧推定値ｅｓとの偏差εを求め、この偏差εが０になれば推定位置θが真値になるので、偏差εを０に収斂させるように、推定位置θを、偏差εを用いたＰＩ演算などを行って求める。また、推定位置θの変動値を演算することにより、推定速度ωを求める。

ε＝ｅｓ−ｅｓｍ （ｓ＝ｕ、ｖ、ｗ） （２９）
最後に、ＰＷＭ信号生成部１３では、正弦波駆動部２２で導出された相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいて電力変換器１９を駆動するためのドライブ信号に変換される。このドライブ信号により電力変換器１９が動作する。

なお、回転機２ｂに印加する電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）の位相を変化させることで、力行運転から回生運転への切り替えが可能であり、具体的には力行運転時の電流指令位相βＴの代わりに（−βＴ）を用いることで、回生運転時でも回転機２ｂにおける磁極位置および速度を推定することができる。ただし、圧縮機制御装置１５によって圧縮機１が駆動された後で、膨張エネルギーによって膨張タービン２ａが駆動され始めると推定速度ωが大きくなっていくため、電流指令値Ｉ＊が減少してその符号が逆転した時点で、力行運転から回生運転への切り替えが行われるため、そのタイミングに応じて電流指令位相βＴの符号を変える必要がある。

以上の構成により、膨張機２（膨張タービン２ａ）の起動時において、圧縮機１が駆動されることによって発生する膨張エネルギーが、膨張機２の静止摩擦力を超えた途端に、膨張機２の回転数が急激に上昇してしまうことを防止することができ、安定した膨張機２の起動を実現することができる。

また、回転機制御装置１８は、相電圧方程式に基づいたモデルにより導出された誘起電圧推定値と誘起電圧基準値との偏差εを用いて推定位置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できる位置センサレス正弦波駆動を実現しており、エンコーダやレゾルバといった回転子の磁極位置を検出する位置センサを取り付けることが不要のため、コスト低減と信頼性の向上を図ることができる。

さらに、圧縮機制御装置１５によって圧縮機１が起動された後は、回転機制御装置１８によって回転機２ｂを回生運転することで膨張機２から動力を回収し、回収された動力を圧縮機１を駆動するための補助動力として利用することで、圧縮機１の動力を大幅に低減することができ、省エネルギー化を図ることができる。

なお、図１では回転機２ｂの電流を検出する２つの電流検出器２０ａ、２０ｂを備え、回転子の磁極位置および速度の推定に使用しているが、電力変換器１９の直流電流（電力変換器１９と平滑コンデンサ１３との配線に流れる電流）から回転機２ｂの電流を検出するなどの手段を用いても良いことは言うまでもない。

また、図１では運転指令部１４から与えられた回転機２ｂの回転数指令値に対して、回転機２ｂの回転数が追従するように回転数制御が行われているが、回転機２ｂのトルクを制御するなどの形態を取っても良いことは言うまでもない。

（実施の形態２）
図２に本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置のシステム構成を示す。図１に示す冷凍サイクル装置と同じ構成要素は同一符号で示してあり、その説明は重複するため省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置では、誘起電圧推定部２３によって推定された誘起電圧値に基づいて、回転機２ｂの運転状態が異常か否かを判定する異常判定部２６を備え、回転機制御装置１８によって回転機２ｂを力行運転した直後に、異常判定部２６によって回転機２ｂの運転状態が異常と判定された場合には運転指令部１４からの停止信号に基づいて直ちに回転機２ｂの運転を停止させ、異常判定部２６によって回転機２ｂの運転状態が異常でないと判定された場合にのみ、圧縮機制御装置１５によって圧縮機１を起動させるものである。

以下では、異常判定部２６の具体的な動作について説明する。誘起電圧推定部２３によって推定された誘起電圧振幅値ｅｍは、本来であれば、図３に示すように、回転機固有の誘起電圧定数Ｋｅｍと回転機の実速度ωｅ（良好な推定が行われていれば、推定速度ωと等しくなる）とにより定まるＫｅｍ×ωｅで与えられるはずである。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された場合や、大きく推定が外れた場合などに、誘起電圧の推定が良好に行われないことになる。特に回転機２ｂが脱調した場合には、実速度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、速やかに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。

このような異常を判定するために、本発明の異常判定部２６は、所定の回転数（例えば、１５ｒｐｓ）で回転機２ｂを力行運転している場合において、一定時間（ｔｍ）継続して推定された誘起電圧値が所定の値（ｅｌ）以下となる場合に、回転機２ｂの運転状態が異常であると判定し、異常信号を運転指令部１４に出力する。運転指令部１４は異常信号を受けて正弦波駆動部２２に停止信号を出力する。正弦波駆動部２２は停止信号を受けて、その出力を停止する。

また、異常判定部２６は、回転機制御装置１８によって回転機２ｂを力行運転した直後の、所定の時間は異常を判定しないようにすることが好ましい。これによって、回転機２ｂの起動直後における不安定な誘起電圧によって異常判定の誤検知を防止することができる。

さらに、異常判定部２６は次のように動作させても良い。すなわち、回転機２ｂの回転数に対して推定された誘起電圧が、一定時間（ｔｍ）継続して予め設定された回転数に対して図３の回転数余裕ａおよび誘起電圧余裕ｂによって定められる１次直線で表される誘起電圧下限値ｅｋ（ω）の値を下回る場合に、回転機２ｂの運転状態が異常であると判定し、異常信号を運転指令部１４に出力する。運転指令部１４は異常信号を受けて正弦波駆動部２２に停止信号を出力する。正弦波駆動部２２は停止信号を受けて、その出力を停止する。これによって、あらゆる回転数領域で脱調現象を検知することができる。

以上の構成により、膨張機２（膨張タービン２ａ）を確実に起動させることができるため、膨張機２の起動に際して信頼性の向上を図ることができる。

さらに、本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置では、異常判定部２６は圧縮機制御装置１５によって圧縮機１が起動された後で、回転機制御装置１８によって回転機２ｂを回生運転している際に、回転機２ｂの運転状態が異常と判定された場合には直ちに回転機２ｂの運転を停止させ、かつ圧縮機１も回転機２ｂと同時に運転を停止させるものであり、回生運転している回転機２ｂの運転状態の異常が発生した場合でも、そのことを判定して、速やかに異常処理を行うとともに、圧縮機も同時に運転を停止させるため、膨張エネルギーが増大して膨張機の回転数が増大されるのを防止することができ、信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、膨張機に備えられた回転機の回転子の磁極位置を推定することによって回転機の回転数を制御し、かつ起動を含めた信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができるため、炭酸ガス冷媒のヒートポンプ式給湯器等の製品にも応用することができる。

本発明の第１の実施の形態における冷凍サイクル装置のシステム構成図 本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置のシステム構成図 本発明の第２の実施の形態における冷凍サイクル装置の異常判定部の説明図 従来の冷凍サイクル装置のシステム構成図 従来の風力発電システムのシステム構成図

１ 圧縮機
２ 膨張機
２ａ 膨張タービン
２ｂ 回転機
２ｃ 動力軸
２ｄ 発電機
３ 凝縮器
４ 蒸発器
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 圧縮機制御装置
１６ インバータ
１７ インバータ制御部
１８ 回転機制御装置
１９ 電力変換器
２０ ａ、２０ｂ 電流検出器
２１ 電流検出部
２２ 正弦波駆動部
２３ 誘起電圧推定部
２４ 回転子位置速度検出部
２５ ＰＷＭ信号生成部
２６ 異常判定部
４１ 第１コンバータ
４２ 第２コンバータ
５１ 風車
５２ 埋込磁石同期発電機（ＩＰＭＳＧ）
５３ ＰＷＭコンバータ
５４ 位置・速度推定部
５５ 最大電力追従制御部
５６ 最大効率制御部
５７ 電圧指令作成部

Claims (8)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、前記圧縮機を逆変換器により駆動する圧縮機制御装置と、前記膨張機と動力軸を介して直結された回転機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器と、前記電力変換器により前記回転機の回転数を制御する回転機制御手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機制御装置が前記圧縮機を起動させるよりも先に、前記回転機制御手段は前記電力変換器を逆変換器として動作させ、前記回転機を力行運転することで前記膨張機を起動させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記回転機制御手段は、前記回転機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記回転機に印加する印加電圧の値と前記電流検出手段によって検出された電流値とから前記回転機に発生する誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、前記誘起電圧推定手段によって推定された誘起電圧値に基づいて前記回転機の回転子磁極位置を推定する回転子位置速度検出手段とを備え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. 前記誘起電圧推定手段によって推定された誘起電圧値に基づいて、前記回転機の運転状態が異常か否かを判定する異常判定手段を備え、前記回転機制御手段によって回転機を力行運転した直後に、前記異常判定手段によって前記回転機の運転状態が異常と判定された場合には直ちに前記回転機の運転を停止させ、前記異常判定手段によって前記回転機の運転状態が異常でないと判定された場合にのみ、前記圧縮機を起動させることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記異常判定手段は、所定時間継続して所定の回転数における前記誘起電圧値が所定値以下となる場合に、前記回転機の運転状態が異常であると判定することを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記異常判定手段は、所定時間継続して前記誘起電圧値が回転数に対して１次関数を用いて設定された誘起電圧範囲を超える場合に、前記回転機の運転状態が異常であると判定することを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記異常判定手段は、前記回転機制御手段によって前記回転機を力行運転した直後の、所定の時間は前記回転機の運転状態の異常を判定しないことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記圧縮機が起動された後は、前記回転機制御手段は前記電力変換器を順変換器として動作させ、前記回転機を回生運転することで前記膨張機から動力を回収し、回収された動力を前記圧縮機を駆動するための補助動力として利用することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記異常判定手段は、前記圧縮機が起動された後で、前記回転機制御手段によって前記回転機を回生運転している際に、前記回転機の運転状態が異常と判定された場合には直ちに前記回転機の運転を停止させ、かつ前記圧縮機も前記回転機と同時に運転を停止させることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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