JP5039369B2 - 冷凍装置及び冷凍装置に用いられるインバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍装置及び冷凍装置に用いられるインバータ装置に関する。

従来、電動機の制御装置を備える空気調和機においては、ＩＰＭ（インテリジェント・パワー・モジュール）や該ＩＰＭを駆動するドライバ回路を用いてインバータを構成し、電動機を駆動している。インバータに過電流が流れる場合や、制御電源電圧の低下といった異常状態に対しては、インバータを停止するというインバータ装置の保護機能が備えられている。

特開２００４−５３０５０号公報

上記従来技術において、インバータを停止させるというインバータ装置の保護機能は過電流や制御電源電圧の低下等の異常状態に対して作動するものであるにも関わらず、インバータや電源回路等のスイッチングノイズが過電流検出信号に重畳すること等により発生する過電流検出回路の誤検出のために保護機能が作動してしまうことがあった。保護機能が作動するとインバータ装置を停止させることになるが、過電流の誤検出により保護機能が作動したにも関わらず、ＩＰＭやドライバ回路等の故障により停止したのか、保護機能が働いた原因の判断をするのが困難であり、その判断に時間と労力を要するという問題が生じていた。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、空気調和機、冷凍機などの冷凍装置に用いられるインバータ装置において、保護機能が作動しインバータが停止した際に、その停止の原因の判断を容易にすることにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、交流を直流に電力変換するコンバータと、生成された直流を交流に変換して電動機の運転周波数を可変して駆動するインバータと、前記コンバータ又はインバータを流れる直流電流を検出する電流検出回路と、前記コンバータ又はインバータを制御する制御回路と、を有するインバータ装置において、前記電流検出回路が検出する直流電流が設定値以上になった場合に、過電流の検出が可能となる過電流検出回路を備え、前記制御回路は前記電流検出回路が検出する直流電流が、前記設定値より大きく設定された第二の設定値以上になった場合に、前記コンバータ又はインバータを停止する第一の保護手段を有するものである。

また、上記に記載のものにおいて、前記制御回路は前記制御回路の電源電圧が予め設定した設定値以下になった場合に、前記コンバータ又はインバータを停止する第二の保護手段を有するものであることが望ましい。

さらに、上記に記載のものにおいて、前記過電流検出回路が過電流の検出が可能となっていない状態で、前記第一又は第二の保護手段が作動した場合、前記制御回路は保護手段が誤作動したことを発信するものであることが望ましい。

さらに、上記に記載のものにおいて、前記保護手段が作動した場合、前記制御回路は前記インバータのリトライを行い、設定時間内に予め設定した回数のリトライを行った場合に、前記コンバータ又はインバータの故障であると判断するものであることが望ましい。

また、本発明の他の態様では、交流を直流に電力変換するコンバータと、生成された直流を交流に変換して電動機の運転周波数を可変して駆動するインバータと、前記コンバータ又はインバータを流れる直流電流を検出する電流検出回路と、前記コンバータ又はインバータを制御する制御回路と、を備え、前記電動機により駆動される圧縮機を備えた冷凍サイクルを有する冷凍装置であって、前記電流検出回路が検出する直流電流が設定値以上になった場合に、過電流の検出が可能となる過電流検出回路を備え、前記制御回路は前記電流検出回路が検出する直流電流が、前記設定値より大きく設定された第二の設定値以上になった場合に、前記コンバータ又はインバータを停止する第一の保護手段と、前記制御回路は前記制御回路の電源電圧が予め設定した設定値以下になった場合に、前記コンバータ又はインバータを停止する第二の保護手段と、を有し、前記冷凍サイクルはサイクル制御基板によって制御され、前記過電流検出回路が過電流の検出が可能となっていない状態で、前記第一又は第二の保護手段が作動した場合、前記制御回路は保護手段が誤作動したことをサイクル制御基板に送信するものである。

また、上記に記載のものにおいて、前記保護手段が作動した場合、前記サイクル制御基板は前記インバータのリトライを行い、設定時間内に予め設定した回数のリトライを行った場合に、前記コンバータ又はインバータの故障であると判断するものであることが望ましい。

本発明によれば、空気調和機、冷凍機などの冷凍装置に用いられるインバータ装置において、インバータが停止した際に、その停止の原因の判断を容易にすることができる。

以下、本発明の具体的な実施例を図１〜図３により説明する。

本発明によるインバータ装置の実施例１を図１〜３基づいて説明する。
図１は、一実施の形態による冷凍装置の冷凍サイクル系統図であり、圧縮機１０１、室内熱交換器１０２、室内膨張弁１０４、室外熱交換器１０５、アキュ−ムレ−タ１０７を順次連結して冷媒を循環させ冷凍サイクルを形成している。そして、室内を冷房する場合、圧縮機１０１で圧縮された冷媒は室外熱交換器１０５で凝縮して液化した後、室内膨張弁１０４で減圧し、室内熱交換器１０２で蒸発して圧縮機１０１に戻る。室内送風機用電動機１０３は室内機１０９の熱交換を促進し、室外送風機用電動機１０６は室外機１０８の熱交換を促進する。

圧縮機１０１は、冷凍サイクルに必要とされる能力に関連して運転周波数を可変制御される電動機１１１により駆動され、運転周波数はインバータ装置２１０により制御される。
冷凍サイクルは、圧縮機１０１の回転数以外に冷媒流量を調整する室内膨脹弁１０４、あるいは室外膨脹弁（図示せず）の開度、室内送風機用電動機１０３及び室外送風機用電動機１０６の回転数、冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁（図示せず）などが制御され、そのための情報として運転モード、温度設定などを行うリモコンによる操作指令信号、各部の温度（圧縮機の吐出ガス温度、外気温度、熱交換器温度、蒸発温度、吸込温度、吹出温度、凍結温度、ガス管温度など）及び圧力（圧縮機の吸入圧力、吐出圧力）を検出した信号などがサイクル制御基板２５０へ入力される。

また、インタ−フェイス用コネクタ２４０を介してサイクル制御基板２５０から出力されたインバ−タ要求周波数が入力されると共に、インバ−タ装置２１０からサイクル制御基板２５０へ運転周波数及び電動機運転電流を出力する。

サイクル制御基板２５０へ入力される検出信号及び指令信号は、インタ−フェイス用コネクタ２４０を介してマイクロコンピュータ（マイコン）２３１へ入力されることにより、冷凍サイクル制御をインバ−タ装置２１０にて行い、各種制御機構（室外膨脹弁、室外送風機用電動機１０６、冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁）を制御する。

図２は、インバ−タ装置のブロック図を示し、能動素子を用いて単相交流電源２５１からの交流電圧を直流にするコンバータ２２５と、生成された直流を交流に変換して電動機１１１を駆動するインバータ２２１と、コンバータ２２５に流れる電源電流を検出するシャント抵抗２２５を有する電源電流検出回路２３６と、インバータ２２１に流れる直流電流を検出するシャント抵抗２２４を有する直流電流検出回路２３３と、コンバータ２２５にて生成された直流電圧を検出する直流電圧検出回路２３８と、コンバータ２２５とインバータ２２１を制御するマイコン２３１と、インバ−タパワ−半導体をスイッチング動作させるインバータ用ドライバ回路２３２と、コンバータパワー半導体をスイッチング動作させるコンバータ用ドライバ回路２３５と、コンバータ２２５に流れる過大な電源電流を検出する過電流検出回路２３７と、サイクル制御基板２５０との通信をする通信回路２３９と、マイコン２３１及びインバータ用電流検出回路２３３、コンバータ用電流検出回路２３６、インバータ用ドライバ回路２３２、コンバータ用ドライバ回路２３５、コンバータ用過電流検出回路２３６、通信回路２３９とに制御電源を供給する電源回路２３４とが実装されたインバータ制御基板２３０とから構成される。

単相交流電源２５１からの交流電圧はコンバータ２２５（複数の整流素子２２９がブリッジ結線された回路と、スイッチング素子２２６とファーストリカバリーダイオード２２７を設けた昇圧チョッパ回路で構成され、電源力率を改善し高調波を抑制する機能を有する）にて直流にされ、直流／交流変換器であるインバータ２２１（スイッチング素子２２２が三相ブリッジ結線された電力変換手段）がマイコン２３１で交流周波数として制御され、電動機１１１が駆動される。

コンバータ２２５において、交流電圧は、複数の整流素子２２９にて整流され、圧縮機１０１に内蔵された電動機１１１を運転または停止する電磁接触器２５３、力率改善用リアクトル２５２、スイッチング素子２２６、ファ−ストリカバリ−素子２２７を介し、平滑コンデンサ２７０に至る。

また、電源投入時などに閉路する電磁接触器２５３が平滑コンデンサ２７０に流れる過大な突入電流で溶着しないよう電磁接触器２５３と並列に突入電流制限抵抗器２５４を設ける。インバータ２２１においては、スイッチング素子２２２がスイッチング時に発生する逆起電力を回生するためにスイッチング素子２２２と併設してフライホイール素子２２３が設けられる。

電動機１１１に供給される電流は、インバータ用シャント抵抗２２４にてインバ−タパワ−半導体に流れる直流電流を検出し、電流検出回路２３３にて電流を増幅してマイクロコンピュータ２３１に取り込まれ、マイクロコンピュータ２３１にて電動機に出力している正弦波交流電流を再現して監視される。

また、単相交流電源２５１からの入力される電流は、コンバータ用シャント抵抗２２８にて直流電流を検出し、コンバータ用電流検出回路２３６によって検出された電流はマイクロコンピュータ２３１に取り込まれ、マイクロコンピュータ２３１にて監視される。更に、単相交流電源２５１からの入力される電流は、コンバータ用シャント抵抗２２８にて直流電流として検出され、コンバータ用過電流検出回路２３７にて過電流の判定を行い、マイコン２３１にて監視される。

マイコン２３１とスイッチング素子２２２との間にはマイコン２３１からの微弱な信号にてスイッチング素子２２１を駆動できるレベルまで増幅するインバータ用ドライバ回路２３２が設けられる。さらに、マイコン２３１とアクティブ用スイッチング素子２２６との間にはマイコン２３１からの微弱な信号にてスイッチング素子２２６を駆動できるレベルまで増幅するコンバータ用ドライバ回路２３５が設けられる。

通信回路２３９はサイクル制御基板２５０からの信号が入力されるインタフェイス用コネクタ２４０と、入力された信号をマイコン２３１へ光信号により伝達するフォトカプラ２４１とから構成され、電気的隔離が得られた状態で送受信する。

コンバータ２２５で生成された直流の一部は、電源回路２３４で高電圧から５Ｖまたは１５Ｖ等の制御電源に調整されて、マイコン２３１及びインバータ用電流検出回路２３３、コンバータ用電流検出回路２３６、インバータ用ドライバ回路２３２、コンバータ用ドライバ回路２３５、コンバータ用過電流検出回路２３７、電圧検出回路２３８、通信回路２４１に供給される。

ＩＰＭ２２１（インテリジェント・パワー・モジュール）は入力された直流を交流に変換し、電動機の運転周波数を可変速で駆動する。またインバータ装置２１０は過電流に対する保護機能と制御電源電圧の低下に対して、インバータ２２１を停止するという保護機能を備えている。各保護機能が作動した時には異常信号をマイコンへ出力し、インバータ２２１を停止させる。インバータはドライバ回路２３２によって制御されているが、ドライバ回路２３２からインバータ２２１へのパルス信号を停止することでインバータ２２１は停止する。

電流検出回路２３６はコンバータ用シャント抵抗２２８に流れる直流電流を検出し、その電流値は常にマイコンに入力されている。また、マイコンは電流検出回路２３６から検出した電流が予め設定された過電流許可値に達した場合に、過電流検出回路２３７に過電流の検出を可能とする過電流検出許可信号を送信する。そして過電流検出装置は電流検出回路２３６に流れる電流が過電流許可値よりも大きく設定された過電流設定値に達した場合に、過電流が流れたと判断し、マイコンへ過電流信号を送信する。過電流信号が送信されるとマイコンは過電流保護機能を作動させインバータ２２１を停止させる。

また、ここではコンバータに流れる電流を監視して過電流が流れていないかを見ているが、同様にインバータに流れる電流を監視し過電流が流れていないかを見ることもできる。つまり、シャント抵抗２２４に流れる電流を監視し、過電流が流れていないかを確認することも可能である。シャント抵抗２２４に流れる電流を監視し、予め設定した電流値以上になった場合に、図示していない過電流検出回路に過電流検出を有効にする信号を送信する。そして、過電流検出が有効である状態でシャント抵抗２２４に前記設定した設定値以上の電流値が流れた場合に、過電流が流れたとすることも可能である。

あるいは、電流検出回路又は過電流検出回路をコンバータ２２５又はＩＰＭ２２１が内蔵しており、過電流検出を行う構成にすることも可能である。この場合には、過電流を検出した場合には、異常信号をマイコンに送信し、マイコンは保護機能を作動させインバータ２２１を停止させる。
そしてインバータ装置が停止したという異常信号をマイコンへ送信し、マイコンは異常信号を受信したという信号をサイクル制御基板に送信する。サイクル制御基板はインバータ装置が故障しているのかどうかの判断をするため何度かリトライを試みて、所定の回数のリトライを試みても保護機能が作動するようであれば故障であると判断される。

また、マイコンが過電流検出許可信号を出力しておらず、過電流検出が無効であるときに保護機能が作動し、インバータが停止したときには電源回路２３４の電源電圧低下による電源電圧低下に対して保護機能が作動しインバータ停止に至ったものであると判断できる。あるいはコンバータ２２５又はＩＰＭ２２１が電流検出回路又は過電流検出回路を内蔵している場合に、ＩＰＭ又はドライバ回路が異常信号をマイコンに出力した場合には、同様に電源回路２３４の電源電圧低下による電源電圧低下に対して保護機能が作動しインバータ停止に至ったものであると判断できる。

制御電源電圧の低下は制御電源回路の不良や、制御電源に負荷が集中した場合や、制御電源用電解コンデンサの容量が寿命により低下した場合等に起こる。
また、マイコンが過電流検出許可信号を出力しており、過電流検出が有効であるときに、電流検出回路２３６で検出した電流が過電流設定値に達していないが、保護機能が作動しインバータ２２１が停止された場合は、過電流検出の誤検出であり保護機能の誤作動と判断できる。

あるいは同様に、コンバータ２２５又はＩＰＭ２２１が電流検出回路又は過電流検出回路を内蔵している場合に、ＩＰＭから異常信号が出力され保護機能が作動した場合には、過電流検出の誤検出であり保護機能の誤作動と判断できる。マイコンは保護機能が作動しインバータが停止した原因を判断し、サイクル制御基板へ、その原因を示す信号を送信する。

サイクル制御基板はインバータが停止した原因を示す信号を受信し、インバータ装置のリトライを行う。ＩＰＭ等のパワーモジュールが故障しているかどうかは、リトライしたときに所定の時間内に何回異常信号が発生するかによって判断することができる。例えば、３０分に８回リトライを行い、８回目の異常信号が出力したときにインバータ装置のＩＰＭ等の故障であると判断する。

保護機能の誤作動や電源電圧の不足により保護機能が作動することや、異常信号がマイコンに送信されることはリトライした場合に、何度も連続して起こりにくい。保護機能の誤作動は、ノイズや雷等の瞬時に起きるものであり、単発で起こることが多い。また、電源電圧の低下は電源回路の電源電圧が他の弁やファン等のアクチュエータの負荷集中により一時的に低下することが多い。本発明によれば、従来は保護機能の誤作動や電源電圧不足により出力された異常信号であっても、インバータ装置のＩＰＭ等の故障であるという誤った判断を低減させることが可能となる。
また、過電流による電流保護機能が働いた場合には、サイクル制御基板はインバータの周波数を低減させることで過電流を低減させるという保護機能を備えている。

保護機能が作動しインバータ２２１が停止する原因の判定について図３のフローチャートを用いて説明する。通常運転（イ）において過電流検出回路の過電流検出は無効の状態となっている。通常運転中において電流検出回路は常にマイコンに直流電流を入力し、マイコンは予め設定した過電流許可値と入力された電流値とを比較する（ロ）。ここで過電流許可値よりも入力された電流値が低い場合で、ＩＰＭが異常信号を出力していなければ通常運転に戻る。

（ホ）においてＩＰＭが異常信号を出力した場合は、過電流が流れていない状態なので電源電圧低下により保護機能が作動し、異常信号が出力されたことになり、マイコンにて電源電圧低下による電圧不足と認識する（ヘ）。また電源電圧低下により保護機能が作動し、インバータが停止したという信号をサイクル制御基板へ送信する（ヌ）。

（ロ）においてマイコンは入力された直流電流が前記過電流許可値以上である場合に、過電流検出回路の検出を有効にする信号を過電流検出回路に送信し（ハ）、過電流検出回路は過電流の検出を行い、マイコンはＩＰＭから異常信号が出力されるかを監視する（ニ）。（ニ）において異常信号が出力された場合には、直流電流検出回路で検出された直流電流値と前記過電流設定値と比較し（ト）、直流電流値が過電流設定値以上であれば過電流検出回路と直流電流検出回路の両回路を用いて過電流を検出したことになり、マイコンは過電流により保護機能が作動したことを認識し、インバータが停止した原因を示す信号をサイクル制御基板へ送信する（ヌ）。

（ト）において直流電流の検出値が過電流設定値以下であれば、過電流検出回路又はＩＰＭが誤作動して異常信号を出力したことになり、マイコンは保護機能の誤作動であると認識する（リ）。また、インバータの停止理由をサイクル制御基板へ送信する（ヌ）。サイクル制御基板へ各停止理由を送信された後は、サイクル制御基板はインバータ装置のリトライを行い、所定の時間内に異常信号が何回出力されるかにより、ＩＰＭ等の故障であるのかを判断する。

またここでは、過電流に対する保護機能又は制御電源電圧の低下に対する保護機能を内蔵したＩＰＭとしているが、ＩＰＭに前記保護機能が搭載されておらず、ＩＰＭを駆動するドライバ回路に前記保護機能が内蔵されている場合でもよい。

さらに、直流電流検出回路にて直流電流を検出する場合としているが、直流電流ではなくモータ電流を検出している場合においても有効であり、電流センサにて検出したモータ電流を図示していないモータ電流検出回路で検出し、マイコンにて過電流設定値と比較することで過電流が流れているかの判定が可能となる。

上述したように本発明によれば、過電流検出回路に過電流検出の許可信号を送信した場合に過電流の検出を行うので、インバータの保護機能の作動原因が判別できる。また、圧縮機の故障や不具合やインバータ装置のパワー素子故障に対して発生する過電流についてはインバータ装置の保護が必要であり、過電流発生時には異常と判断し、サービス時に故障又は不具合箇所の確認すれば良い。

また、その他の保護機能である制御電源低下や誤動作のような発生の可能性が低いものについては、一時的な制御電源の負荷集中やアクチュエータやインバータの動作時に発生するノイズにより偶発的に発生するものなので、リトライや再起動させたりすることで、従来、過電流が発生していなくてもインバータ回路の保護作動として基板交換されることを低減させることが可能となる。

本来、製品が制御電源低下や誤動作はあってはならないものであり、開発及び試験時において、インバータ回路の保護が作動した場合に、どのような条件で起きたのか、過電流は流れているか等、計測器等を準備し、測定しなければ判断が難しいが、本発明によれば開発及び試験段階から導入することで、インバータ回路の保護作動の解析が容易に出来る。

本発明の実施例１における空気調和機の冷凍サイクル図。 本発明の実施例１を説明するインバ−タ装置のブロック図。 本発明の実施例１における保護機能の作動原因判別のフローチャート。

符号の説明

101…圧縮機、102…室内熱交換器、103…室内送風機用電動機、104…室内膨張弁、105…室外熱交換器、106…室外送風機用電動機、107…アキュームレータ、108…室外機、109…室内機、110…空気調和機、111…圧縮機用電動機、210…インバータ装置、220…パワー素子搭載基板、221…インバータ、222…インバータ用スイッチング素子、223…フライホイ−ル素子、224…インバータ用シャント抵抗、225…コンバータ、226…コンバータ用スイッチング素子、227…ファ−ストリカバリ−ダイオード、228…コンバータ用シャント抵抗、229…整流素子、230…インバータ制御基板、231…マイクロコンピュータ（マイコン）、232…インバータ用ドライバ回路、233…インバータ用電流検出回路、234…電圧検出回路、235…コンバータ用ドライバ回路、236…コンバータ用電流検出回路、237…アクティブ用過電流検出回路、238…電源回路、239…通信回路、240…インタ−フェイス用コネクタ、241…フォトカプラ、250…サイクル制御基板、251…単相交流電源、252…リアクトル、253…電磁接触機、254…電流制限抵抗器、255…サイクル制御基板、260…電源入力端子台、261…電動機出力端子台、262…ケ−ス、263…ケ−スフタ、264…リードピン、265…放熱フィン。

Claims (5)

1. 交流を直流に電力変換するコンバータと、
   生成された直流を交流に変換して電動機の運転周波数を可変して駆動するインバータと、
   前記コンバータ又はインバータを流れる直流電流を検出する電流検出手段と、
   前記コンバータ又はインバータを制御する制御部と、
   を有するインバータ装置において、
   前記電流検出手段が検出する直流電流が第１の設定値以上になった場合に、過電流検出信号を前記制御部に送信する過電流検出手段を備え、
   前記制御部には前記電流検出手段からの検出電流が送られ、該検出電流が前記第１の設定値よりも低い第２の設定値以上である場合で、かつ、前記過電流検出手段から過電流検出信号が送信された場合に、前記コンバータ又はインバータを停止する保護機能を有しており、
   一方で、前記制御部は、前記検出電流が前記第２の設定値より低い場合に前記過電流検出信号が送信された場合には、前記保護機能を働かせないことを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１において、前記制御回路は前記制御回路の電源電圧が予め設定した設定値以下になった場合に、前記コンバータ又はインバータを停止する保護手段を有するインバータ装置。
3. 請求項２において、前記過電流検出手段の検出電流が前記第１の設定値より低い状態で、前記保護機能又は前記保護手段が作動した場合、前記制御部は保護手段が誤作動したことを発信するインバータ装置。
4. 電動機により駆動される圧縮機を備えた冷凍サイクルを有する冷凍装置であって、
   前記電動機を可変速に駆動するインバータ装置は請求項１〜３の何れかに記載のものであることを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項４において、
   前記保護機能又は保護手段が作動した場合、前記インバータ装置に対して設定時間内に設定回数のリトライを行うことを特徴とする冷凍装置。

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