JP4868989B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷凍サイクル装置でのインバータ過電流防止制御を行うインバータ装置に関するものである。

近年、部分負荷効率の向上を目的として冷凍サイクル装置の圧縮機をインバータで駆動することが多い。インバータ回路に用いられる半導体は、ある一定値の電流（以下、上限電流値と称す）以上の電流が流れるとインバータ回路の温度が上昇して、インバータ回路が損傷する。このため上限電流値以上の電流を検知すると、即時または一定時間経過後にインバータ回路を遮断するインバータ回路保護手段を有しているのが一般的である。
しかし、インバータ駆動圧縮機を用いた冷凍サイクル装置において、インバータ回路保護手段が動作すると、圧縮機が停止して運転不能となる。
このようなインバータ回路保護手段の動作を防止するために、圧縮機吸込圧力に基づいて、圧縮機回転数の上限値を制限して、インバータ回路に上限電流値以上の電流が流れないようにするインバータ過電流防止制御が提案されている。（例えば、特許文献１参照）

特開２００２−１８１３９５号公報（図３、段落００１３） 特開２００３−２１４０６号公報（図１、段落００１９）

インバータ回路に流れる電流に影響を与える要素として、圧縮機吐出圧力、インバータ電源電圧など、特許文献１に記載された圧縮機吸込圧力と圧縮機回転数以外の要素も影響を与える。例えば、圧縮機吐出圧力が低くなると、圧縮機の軸トルクが減少する。回転数（周波数）が同じ状態で軸トルクが減少すると電動機の消費電力が減少する。一般にインバータの出力電圧と周波数の比が一定なので、周波数が同じなら出力電圧は同じとなり、軸トルクが減少すると、インバータ回路に流れる電流は小さくなる。
特許文献１のように圧縮機吸込圧力と圧縮機回転数だけで、インバータ回路の電流を制限した場合、圧縮機吐出圧力が低下した時に、インバータ回路の電流が減少して、圧縮機回転数を増加させることができるのに、圧縮機吸込圧力に基づく圧縮機回転数の制御のため制限したまま運転を行なうという不具合があった。
また、圧縮機吐出圧力が高い運転条件では、圧縮機の軸動力が大きく、圧縮機回転数を減じてもインバータ回路の電流値が減らず、インバータ保護回路が動作することがあった。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、主たる目的はインバータ回路保護手段の動作を防止しながら、インバータ回路の限界まで高い圧縮機回転数で運転することを可能とする。

この発明に係るインバータ装置は、冷凍装置またはヒートポンプ装置に用いられる圧縮機の電動機と、目標周波数に基づいて前記電動機を駆動するインバータ回路と、インバータ回路の前記目標周波数を設定するインバータ目標周波数設定手段と、インバータ回路の出力交流電流値を計測するインバータ電流計測手段と、インバータ電流計測手段に接続された過電流防止制御判定器と、圧縮機冷媒吸込容積を物理的に増減させる圧縮機吸込容量制御手段と、を備え、過電流防止制御判定器は、インバータ電流計測手段の計測結果が過電流保護回路の動作する電流上限値と特定の関係にある所定値に達したらこの所定値を超えないようにインバータ目標周波数設定手段に対して前記目標周波数の値を調整させ、インバータ電流計測手段の計測結果とインバータ回路の出力周波数との関係から、インバータ出力周波数を周波数−電流比例領域、電流一定領域、周波数−電流反比例領域にわけ、インバータ電流計測手段の計測結果が電流上限値と特定の関係にある所定値に達した場合、周波数を変化させてもインバータ回路の電流が変化しない電流一定領域、および周波数と電流が反比例関係にある周波数−電流反比例領域においては、圧縮機吸込容量制御手段に対して圧縮機の軸トルクを減少させるものである。

この発明によれば、インバータ回路の出力電流を用いて、制御を行なうので、インバータ回路保護手段の動作を防止しながら、インバータ回路の限界まで高い圧縮機回転数で運転することが可能となる。

実施の形態１．
図１に本実施の形態１の冷媒回路図を示す。圧縮機１０はインバータ５００により駆動される。また、インバータ回路５０３には自分が出力する交流電流（以下、インバータ電流と称する）の値（以下、インバータ電流値と称する）を計測するインバータ電流計測手段２２０が設けられ、計測されたインバータ電流値は、過電流防止制御判定器３２０に送信される。
さらに過電流防止制御判定器３２０は、圧縮機吸込容量制御手段４１０、インバータ目標周波数設定手段４２０に接続されている。圧縮機吸込容量制御手段４１０は、圧縮機１０に組み込まれており、圧縮機１０の冷媒吸込容積を物理的に増減させることができる。インバータ目標周波数設定手段４２０はインバータの目標周波数を増減させることができる。

図２にインバータ５００の内部回路を示す。交流電源５０９よりインバータに供給された交流電流は、整流回路５０１で直流電流に変換される。直流電流をさらに安定したものにするために高周波の交流成分を直流リアクトル５０４で除去するとともに、設定された周波数の交流電流に変換する際に発生するリップル電流を平滑コンデンサ５０２で吸収する。また、インバータ回路５０３、及び平滑コンデンサ５０２は抵抗値が小さいため、電源投入時に大きな突入電流が発生し、回路が破損する可能性がある。このため、インバータの電源がＯＦＦの場合は、コンタクタ５０７をＯＦＦとし、電源投入時は並列に設置された抵抗５０８を介してインバータ回路５０３に電流が流れるようにしている。抵抗５０８によってインバータ全体の抵抗が大きくなるので、突入電流が小さくなる。そして一定時間継続後、コンタクタ５０７を投入して、回路全体の抵抗値を減らす。
また、運転中の整流回路５０１、インバータ回路５０３及び平滑コンデンサ５０２などでの電気損失は、熱に変換される。（以下、インバータ発熱と称す。） このインバータ発熱を出力する整流回路５０１及びインバータ回路５０３には、ヒートシンク等（以下、インバータ放熱部５０５と称す。）が取付けられており、インバータ放熱部５０５を周囲空気で冷却するのが一般的である。

本実施の形態１においては、インバータ電流計測手段２２０はインバータ電流値を計測する。インバータ電流計測手段２２０により計測されたインバータ電流値がインバータ回路５０３の上限電流値に近づくと、過電流防止制御判定器３２０は、圧縮機吸込容量制御手段４１０またはインバータ目標周波数設定手段４２０を用いて、圧縮機吸込容量またはインバータ周波数を制御して、インバータ過電流を防止する。

図３にインバータ過電流防止のためのインバータ周波数制御の一例を示す。図３の制御では、インバータ電流値が上限電流値（上限電流の９５％以上）に近づくと（ステップＳ３１でＹｅｓかつステップＳ３２でＮｏの場合）、過電流防止制御判定器３２０はインバータ目標周波数設定手段４２０に対して周波数アップを禁止させ、さらにインバータ電流値が上限電流値（上限電流の９８％以上）に近づくと（ステップＳ３１及びステップＳ３２で共にＹｅｓの場合）、周波数ダウンを実施させる。これにより、インバータ電流が減少するので、インバータ電流が上限電流値を超えるのを防止することが可能になる。
次に、図４にインバータ過電流防止のための圧縮機吸込容量制御の一例を示す。図４の制御では、インバータ電流値が上限電流値（上限電流の９５％以上）に近づくと（ステップＳ４１でＹｅｓかつステップＳ４２でＮｏの場合）、過電流防止制御判定器３２０は圧縮機吸込容量制御手段４１０に対して圧縮機吸込容量ダウンを実施させる。これにより、インバータ電流が減少するので、インバータ電流が上限電流値を超えるのを防止することが可能になる。

なお、本実施の形態１では、インバータ電流値（インバータ回路５０３の出力交流電流値）を検知してインバータ周波数制御又は圧縮機吸込容量制御を行なったが、インバータ回路５０３の入力直流電流値によって、インバータ周波数制御又は圧縮機吸込容量制御を行なっても良い。この場合にも上記と同様の効果を奏する。

実施の形態２．
この実施の形態２では、商用周波数での運転を前提として設計された電動機を用いた圧縮機をインバータで駆動した場合のインバータ過電流防止制御の一例を示す。
図５に、商用周波数（５０Ｈｚ）を定格運転条件として製作された圧縮機を、インバータ駆動した場合の周波数とインバータ電流の関係を示す。
図５に示すように周波数を下げるとインバータ電流が減少する領域と、（以下、周波数−電流比例領域と称す。）、周波数が変化してもインバータ電流が変化しない領域（以下、電流一定領域と称す。）と周波数を下げるとインバータ電流が増加する領域（以下、周波数−電流反比例領域と称す。）がある。

図６にインバータ出力電圧とインバータ出力周波数の関係を示す。図６に示すように、インバータ出力電圧とインバータ出力周波数の関係は、電動機の定格周波数以上と電動機の定格周波数以下で分けられる。
定格周波数以下の場合、インバータ周波数とインバータ出力電圧の関係は、電動機の定格周波数のとき、電動機の定格電圧になるような正比例の関係にある。これは、周波数と電圧が正比例の関係にあるとき、電動機効率は、比較的高い値となるためである。一方、周波数が電動機の定格周波数以上の場合は、周波数に関わらず出力電圧は電動機の定格電圧で一定となる。これは、電動機の定格電圧以上を印加すると電動機が損傷する恐れがあるので、これを防ぐため一定値に抑えているからである。

図７に容積形圧縮機軸動力と周波数の関係を示す。図７に示すように、容積形圧縮機は周波数に関わらず軸トルクは一定であるので、周波数が増加すると圧縮機軸動力は周波数に比例して増加する。
容積形圧縮機の例として、スクリュー圧縮機、ニ段スクリュー圧縮機などがあげられる。

図８に電動機効率と周波数の関係の一例を示す。図８に示すように、高周波領域では、電動機効率はほぼ一定（以下、電動機一定効率領域と称す。）であるが、一方、出力電圧−出力周波数が最適化されていない場合、低周波領域では、電動機効率が急速に低下する。（以下、電動機低効率領域と称す。）
図８の周波数と電動機効率の関係が示すように、高周波領域では、電動機効率がほぼ一定なため、インバータ出力電力は、周波数に比例する一方、低周波数領域では、電動機効率が急速に低下するので、インバータ出力電力は、周波数の低下率ほど低下しない。

周波数が定格周波数以上では、出力電圧が一定なので、周波数の増加と共にインバータ出力が周波数に比例して増加すると、電流も周波数に比例して増加する。これが周波数−電流比例領域である。
周波数−電流比例領域で、インバータ出力電流が上昇して、インバータ電流値が電流上限値に近づいた場合、過電流防止制御判定器３２０はインバータ目標周波数設定手段４２０に対して周波数を減少させる。これにより、インバータ電流が減少するので、インバータ電流が上限電流値を超えるのを防止することが可能になる。
減少させる周波数は、事前に設定された一定の値あるいは、現在の周波数に事前に設定された一定の値を乗じて得た値のいずれを用いても良い。
また、インバータ出力電流が電流上限値に近づいた場合、周波数の増加を禁止して、インバータ出力電流値が電流上限値を超えないようにしても良い。

周波数が定格周波数未満かつ電動機一定効率領域の場合、周波数の増加と共にインバータ出力が周波数に比例して増加すると、出力電圧もほぼ同じ比例係数で比例して上昇するので、電流値はほぼ一定である。これが電流一定領域である。
周波数が電流一定領域で、例えば、外気温度や冷蔵庫庫内温度が変化し、圧縮機吐出圧力や圧縮機吸込圧力が変化して圧縮機の軸トルクが大きくなる運転状態になると、インバータ出力電流が上昇する。インバータ出力電流が上昇してインバータ電流値が電流上限値に近づいた場合、過電流防止制御判定器３２０は、圧縮機容量制御手段（スライドバルブなど）に対して圧縮機の吸込冷媒量を減少させる。これにより、圧縮機の軸トルクが減少し、これに伴いインバータ電流値も減少するので、インバータ電流が上限電流値を超えるのを防止することが可能になる。

周波数が定格周波数未満かつ電動機低効率領域の場合、周波数が減少すると、電動機の効率が低下するので、周波数の変化率ほどインバータ出力電力が減少せず、インバータ圧力周波数に比例して出力電圧が減少するので、電流値が逆に増加する。これが、周波数−電流反比例領域である。
周波数−電流反比例領域で、上記と同様の条件によりインバータ出力電流が上昇して、インバータ回路５０３の出力電流値が電流上限値に近づいた場合、過電流防止制御判定器３２０はインバータ目標周波数設定手段４２０に対して周波数を増加させる。これにより、インバータ電流が減少するので、インバータ電流が上限電流値を超えるのを防止することが可能になる。
増加させる周波数は、事前に設定された一定の値あるいは、現在の周波数に事前に設定された一定の値を乗じて得た値のいずれを用いても良い。
また、インバータ電流が電流上限値に近づいた場合、過電流防止制御判定器３２０はインバータ目標周波数設定手段４２０に対して周波数の減少を禁止させることでインバータ出力電流値が電流上限値を超えないようにさせても良い。

また、周波数−電流反比例領域でインバータ回路５０３の電流値を減少させる場合、圧縮機吸込容量制御手段（スライドバルブなど）により圧縮機の吸込冷媒量を減少させて圧縮機の軸トルクを減少させ、インバータ電流を減少させても良い。この場合もインバータ電流が上限電流値を超えるのを防止することが可能になる。

実施の形態３．
図１０はこの実施の形態３における周波数制御方式の構成を示す図であり、図１と同符号は同一または相当部分を示す。図１と異なる点は、インバータ放熱部５０５の温度を検出するインバータ温度検出手段５１０とインバータ温度検出手段５１０の検出した温度に基づいてインバータ回路保護手段が動作する上限電流値を決定する上限電流値決定手段５２０が追加されていることである。
次に、この実施の形態３の動作を説明する。
インバータ放熱部５０５の温度またはインバータ回路５０３の表面温度が低下すると、インバータ回路５０３に用いられる半導体の上限電流が増加するという特性がある。
図１０において、インバータ温度検出手段５１０はインバータ放熱部５０５の温度を検出する。そして、上限電流値決定手段５２０はインバータ温度検出手段５１０の検出した温度に基づいて、インバータ回路保護手段が動作する上限電流値を所定の演算式により演算するか、あるいは予め図示しない内蔵の記憶手段に格納してある、温度と電流値とを対応させたテーブルを参照することで随時決定する。なお、インバータ放熱部５０５は、図２における整流回路５０１とインバータ回路５０３からの発熱を放熱するものである。
特許文献２の冷凍サイクル装置のようにインバータ放熱部５０５を冷媒によって冷却する場合には、インバータ放熱部５０５を空気によって冷却する場合より、インバータ放熱部５０５の温度を低く保つことができるので、インバータ回路保護手段が動作する電流値が事前に設定された一定値である従来の場合より、インバータ回路５０３の損傷を防止しながら、大きな電流を流すことが可能となる。この結果、圧縮機をより高い回転数で運転することができて、冷却能力が向上する。
なお、実施の形態３において、インバータ放熱部５０５の温度の代わりに、インバータ回路５０３の表面温度に基づいて、インバータ回路保護手段が動作する電流値を随時決定しても良い。この場合にも上記と同様の効果を奏する。

なお、上記のインバータ装置は、冷凍装置だけでなく、ヒートポンプ装置にも適用されるものである。

本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置での機器構成図である。 本発明の実施の形態１におけるインバータの内部回路図である。 本発明の実施の形態１における周波数による過電流防止制御フロー図である。 本発明の実施の形態１における圧縮機吸込容量制御による過電流防止制御フロー図である。 本発明の実施の形態２におけるインバータ出力交流電流と周波数の関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態２におけるインバータ出力電圧と周波数の関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態２における容積式圧縮機における周波数と圧縮機軸動力の関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態２における電動機効率と周波数の関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態２におけるインバータ電気出力と周波数の関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態３における冷凍サイクル装置での機器構成図である。

符号の説明

３ 凝縮器、４ 冷却器用膨張手段、５ 冷却器、１０ 圧縮機、２２０ インバータ電流計測手段、３２０ 過電流防止制御判定器、４１０ 圧縮機吸込容量制御手段、４２０ インバータ目標周波数設定手段、５００ インバータ、５０１ 整流回路、５０２ 平滑コンデンサ、５０３ インバータ回路、５０４ 直流リアクトル、５０５ インバータ放熱部、５０６ 抵抗、５０７ コンタクタ、５０８ インバータ制御基板、５０９ 交流電源、５１０ インバータ温度検出手段、５２０ 上限電流値決定手段。

Claims (8)

1. 冷凍装置またはヒートポンプ装置に用いられる圧縮機の電動機と、
   目標周波数に基づいて前記電動機を駆動するインバータ回路と、
   このインバータ回路の前記目標周波数を設定するインバータ目標周波数設定手段と、
   前記インバータ回路の出力交流電流値を計測するインバータ電流計測手段と、
   このインバータ電流計測手段に接続された過電流防止制御判定器と、
   圧縮機冷媒吸込容積を物理的に増減させる圧縮機吸込容量制御手段と、を備え、
   前記過電流防止制御判定器は、前記インバータ電流計測手段の計測結果が過電流保護回路の動作する電流上限値と特定の関係にある所定値に達したらこの所定値を超えないように前記インバータ目標周波数設定手段に対して前記目標周波数の値を調整させ、
   前記インバータ電流計測手段の計測結果と前記インバータ回路の出力周波数との関係から、前記インバータ出力周波数を周波数−電流比例領域、電流一定領域、周波数−電流反比例領域にわけ、前記インバータ電流計測手段の計測結果が前記電流上限値と特定の関係にある所定値に達した場合、周波数を変化させてもインバータ回路の電流が変化しない電流一定領域、および周波数と電流が反比例関係にある周波数−電流反比例領域においては、圧縮機吸込容量制御手段に対して圧縮機の軸トルクを減少させることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記インバータ目標周波数設定手段が行う調整は、前記目標周波数の値を保持又は減少することであることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
3. 前記インバータ電流計測手段は、インバータ回路の出力交流電流値を計測する代わりに、インバータ回路の入力直流電流値を計測することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記圧縮機吸込容量制御手段が行う調整は、前記圧縮機冷媒吸込容積を保持又は減少することであることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
5. インバータ目標周波数設定手段は、前記インバータ電流計測手段の計測結果と前記インバータ回路の出力周波数との関係から、前記インバータ出力周波数を周波数−電流比例領域、電流一定領域、周波数−電流反比例領域にわけ、前記インバータ電流計測手段の計測結果が前記電流上限値と特定の関係にある所定値に達した場合、前記出力周波数と電流が比例関係にある周波数−電流比例領域においては、周波数ダウン、周波数アップ禁止の少なくとも一つを行うことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
6. インバータ目標周波数設定手段は、前記インバータ電流計測手段の計測結果と前記インバータ回路の出力周波数との関係から、前記インバータ出力周波数を周波数−電流比例領域、電流一定領域、周波数−電流反比例領域にわけ、前記インバータ電流計測手段の計測結果が前記電流上限値と特定の関係にある所定値に達した場合、周波数と電流が反比例関係にある周波数−電流反比例領域においては、周波数アップ、周波数ダウン禁止の少なくとも一つを行うことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
7. 前記インバータ回路の表面温度を検出するインバータ温度検出手段と、
   このインバータ温度検出手段の検出結果に基づいて前記上限電流値を随時決定する上限電流値決定手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のインバータ装置。
8. 前記インバータ回路を含むインバータと、
   このインバータからの発熱を放熱するインバータ放熱部と、を備え、
   前記インバータ温度検出手段は、インバータ回路の表面温度を検出する代わりに、前記インバータ放熱部の温度を検出することを特徴とする請求項７記載のインバータ装置。

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