JP5253593B2

JP5253593B2 - 空気調和機

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Publication number: JP5253593B2
Application number: JP2012029647A
Authority: JP
Inventors: 優岸和田; 和徳畠山; 和憲坂廼邊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: JP2012107859A

Description

本発明は、室外熱交換器に送風して熱交換を行う室外ファンの電動機を有し、室外ファンの電動機の負荷状態に応じて室外ファンの電動機の回転数を制御する空気調和機に関するものである。

従来の空気調和機は、少なくとも直流電圧をインバーター手段でスイッチングして室外ファンの電動機に印加し、室外ファンの電動機の回転数を目標回転数になるように制御する一方、前記インバーター手段の入力電流に応じて前記目標回転数を所定値だけ可変するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、暖房運転時に、室外熱交換器への着霜が検知又は推定されたとき、室外ファンの回転数を低くするための着霜時ファン制御を除霜運転の前に行い、暖房運転を継続させるものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−５１４５４号公報（第１頁、第３頁〜第４頁、第１図〜第２図）特開２００９−５８２２２号公報（第１頁、第６頁、第１図〜第２図、第４図〜第５図）

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、インバーター手段の入力電流はインバーターの出力電圧の周波数の６倍の周波数で脈動しており、この電流を検出して制御を行う場合、制御が安定せず回転数が不安定となり騒音が発生する課題がある。
また、出力電圧が過電流値に対応する値に到達した場合の室外ファンの電動機の運転停止による性能悪化が課題である。

また、特許文献２に記載の技術においては、着霜の進行速度は外気温、外気湿度、室外ファンの電動機の回転数により変化するため、正確な着霜量の検出および推定は困難である。そのため、着霜による熱交換器の通風抵抗の増加に対して、室外ファンの電動機の回転数を低下できないため、室外ファンの電動機の電流が増加し、電動機の減磁や過電流遮断による運転停止による性能悪化が課題である。

さらに、強風などの外的要因による室外ファンの電動機の負荷の増加に対して、回転数の制御ができないため、室外ファンの電動機の電流が増加し、電動機の減磁や過電流遮断による運転停止による性能悪化が課題である。

本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あり、暖房運転中の室外熱交換器の着霜や外風による影響に対して室外ファンの電動機を最適かつ安定に駆動することで、暖房能力の高い空気調和機を得ることを目的とする。

本発明に係る空気調和機は、室外熱交換器と、この室外熱交換器に送風する室外ファンと、この室外ファンを駆動する電動機と、直流電源を電源として前記電動機に電圧を印加するインバーターと、前記インバーターの出力する電圧を制御するインバーター制御手段と、前記直流電源と前記インバーター間に接続されたシャント抵抗と、このシャント抵抗の両端電圧に逆流防止手段を介して接続された充電手段と、前記充電手段に充電された電圧を第一の時定数にて放電する放電手段と、を備え、前記インバーター制御手段は前記充電手段に充電された電圧に基づいて前記シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段の出力に応じて前記インバーターによって出力される電圧の周波数を制御する周波数制御手段と、を備え、前記電流検出手段の出力が所定の値を超過した場合に、前記周波数制御手段に前記インバーターによって出力される電圧の周波数を低下させ、前記所定の値を下回った場合に、前記インバーターによって出力される電圧の周波数を増加させ、前記インバーター制御手段は前記シャント抵抗に印加される電圧のデューティが大きくなるように制御するものである。

本発明の空気調和機は、室外ファンを駆動する電動機の電流を検出し、電流値に応じて電動機を最適な回転数にて制御することで、外風や室外熱交換器の着霜による室外ファンの電動機の負荷変動に対して運転が継続可能な強固な制御性を確保できるだけでなく、暖房運転時には運転可能な最大の回転数で室外ファンの電動機を回転させることで、効率良く熱交換が行われるため、暖房能力を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態１〜４を示す空気調和機の構成図である。本発明の実施の形態１〜４を示す電圧保持手段１５の構成図である。本発明の実施の形態１〜４における電圧保持手段１５の動作を示す図である。本発明の実施の形態１〜３におけるインバーター制御手段１１の構成を示す図である。本発明の実施の形態１〜４における位置・速度推定手段１９の動作を示す図である。本発明の実施の形態１における電流検出手段２０の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１〜４における周波数指令演算手段２１の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１〜４における電圧制御手段２２の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１〜４における電圧制御手段２２の動作を示す図である。従来の回転数制御及び電流制御と本発明の回転数制御及び電流制御を比較して示す説明図である。本発明の実施の形態２における電流検出手段２０の構成を示すブロック図である。図１１の電流検出手段２０の出力を示す図である。本発明の実施の形態３における電流検出手段２０の構成を示すブロック図である。図１３の電流検出手段２０におけるピークホールド手段３１の動作を示すフローチャートである。図１３の電流検出手段２０の出力を示す図である。本発明の実施の形態４におけるシャント電圧のパルスＤｕｔｙと電流検出誤差の関係を表すグラフである。電圧と電流ベクトルの関係を表す図である。本発明の電流検出誤差発生時の動作を表す図である。本発明の実施の形態４におけるインバーター制御手段１１の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態４における電流検出手段２０の構成を示すブロック図である。周波数制御の実施例を示すブロック図である。周波数補正演算手段の演算方法の一例を示すブロック図である。三相変調時の電圧指令波形とシャント抵抗の両端電圧波形を示す図である。二相変調時の電圧指令波形とシャント抵抗の両端電圧波形を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示す空気調和機の構成図である。ここでは、セパレート型の空気調和機を例にとって説明する。
図１において、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、室内熱交換器５は冷媒配管６を介して取り付けられている。また室外熱交換器３に送風し熱交換を行うための送風ファン（以下、室外ファンと呼ぶこともある）７と、これを動作させる電動機８が設けられている。また電動機８に電圧を与え駆動させるインバーター９は直流電源１０により電源を供給し動作し、さらに電動機８と電気的に接続される。また、インバーター９の制御入力端はインバーター制御手段１１と接続されている。加えて、直流電源１０による直流電圧値Ｖｄｃを検出する直流電圧検出手段１２、電動機８の磁極位置（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）を検出する磁極位置検出手段１３、インバーター９と直流電源１０の間に設けられたシャント抵抗１４の端子電圧を保持する電圧保持手段１５を備える。インバーター制御手段１１は直流電圧検出手段１２、磁極位置検出手段１３、電圧保持手段１５の出力に基づいて、ＰＷＭ信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ，ＷＮ）を生成し、インバーター９にブリッジ結線されたスイッチング素子１６ａ〜１６ｆを駆動して、電動機８に印加する電圧を制御する。

シャント抵抗１４の両端電圧Ｖｓｈ（以下、シャント電圧と呼ぶ場合がある）は、インバーター９のスイッチングのタイミングと電動機８に流れる電流に応じて間欠的に発生するため、マイコン等で検出する場合には、スイッチングのタイミングに同期して検出する必要があるため、検出方法が複雑となり、処理速度の高い高価なマイコンが必要となる。

そこで、電圧保持手段１５は、シャント抵抗１４の電圧Ｖｓｈを図２（ａ）に示すように逆流防止手段３３を介して充電手段１７に充電することで、間欠的に変化するシャント電圧Ｖｓｈのピーク値の電圧Ｖｃを蓄えることが可能である。また、逆流防止手段３３により入力側にシャント電圧Ｖｓｈのピーク値の電圧Ｖｃが逆流することもなく信頼性を高めることが可能である。しかし、充電手段１７は放電しない限り充電されたままとなる。従って、電動機８が軽負荷となり電圧値が低下した場合においても、高い電圧で保持され続けるため、誤制御を招く虞がある。また、ノイズが発生した場合においても、このノイズの高い電圧が保持され続ける可能性があるため、ノイズがない時の電圧との乖離が大きく、誤制御を招く虞がある。そこで、充電手段１７に並列に放電手段１８を設けることによりその影響を排除することで信頼性を高めることが可能となる。そして、常時図３に示すようにシャント電圧Ｖｓｈのピーク値の電圧Ｖｃを検出することが可能となり、マイコンの性能に関係なくどのタイミングでも問題なく電流を検出することができるため、安価なマイコンを使用することが可能となりコスト低減を図ることができる。
さらに、逆流防止手段３３に用いる素子によっては、その素子の電圧降下によりシャント電圧Ｖｓｈのピーク値の検出精度が低下する虞がある。そこで、図２（ｂ）に示すように電圧降下補償手段３４を用いることで、電圧降下補償手段３４の入力電圧として印加されるシャント電圧Ｖｓｈに対して充電手段１７に充電される電圧を同電位にすることが可能となる。これにより、逆流防止手段３３に用いる素子の電圧降下を考慮したシャント電圧Ｖｓｈの検出が可能となり、信頼性を高めることができる。

ここで、逆流防止手段３３はダイオード、また、充電手段１７はコンデンサーにより実現することが可能である。放電手段１８については、充電手段１７に並列に放電抵抗を接続する方法又は、充電手段１７に並列にスイッチ、リレー等の短絡手段を設けることにより充電手段１７に蓄えられた電圧を放電することが可能である。今回は代表的な手段を記載したが、その他同様の機能を有するものであれば、何ら問題ないことは言うまでもない。

充電手段１７をコンデンサー、放電手段１８を抵抗にて構成した場合、コンデンサーの静電容量Ｃと抵抗値Ｒの積の第一の時定数にて、コンデンサーに蓄えられた電圧が放電される。そのため第一の時定数を小さくしすぎると、即時コンデンサーの電圧が放電されてしまい、正確にピーク値を検出することができなくなる。また、図３に示すようにシャント電圧Ｖｓｈの包絡線はインバーターの出力電圧の周波数の６倍の周波数で脈動し、第一の時定数が小さいと脈動を検出する虞があるため、最低でも電動機８の運転周期の１／６倍以上に第一の時定数を設定する。

次に、インバーター制御手段１１は、図４に示すように位置・速度推定手段１９、電流検出手段２０、周波数指令演算手段２１、電圧制御手段２２を備え、直流電圧検出手段１２の出力Ｖｄｃ、磁極位置検出手段１３の出力（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）、電圧保持手段１５の出力であるシャント電圧Ｖｓｈのピーク値の電圧Ｖｃに基づいて、ＰＷＭ信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ，ＷＮ）を出力する。

位置・速度検出手段１９の動作について、磁極位置検出手段１３がホールセンサの場合について、図５を用いて説明する。ホールセンサの出力は電動機８の回転子の磁極位置に応じて略１８０［ｄｅｇ］毎にＨＩＧＨ（＝１）とＬＯＷ（＝０）が繰り返され、ＵＶＷ相で互いに１２０度位相が異なる信号が出力される。Ｕ相の立ち上がりから次の立ち上がりまでが電気１周期となり、その間に周期Ｔｓの制御がｎ回発生したとする。すると電気１周期はｎ×Ｔｓで表すことができ、この逆数をとれば電気周波数を求めることができ、２πを乗ずることで電気角周波数である電動機８の回転電気角周波数ωｅを得る。さらに、電動機８の極対数を乗ずることで機械回転数を求めることも可能である。

次に、Ｕ相のホールセンサ出力Ｈｕの立ち上がりを０度に設定した場合の磁極位置θの求め方について説明する。Ｕ相のホールセンサ出力Ｈｕの立ち上がりを０度に設定した場合、（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）＝（１、０、１）の場合を０〜６０［ｄｅｇ］、（１、０、０）を６０〜１２０［ｄｅｇ］・・・・（０、０、１）を３００〜３６０［ｄｅｇ］としてθｈを検出する。θｈは階段状であるため、前述の求めた電気角周波数ωに基づいて制御周期Ｔｓ毎に加算する角度を求めて、θｈに加算することで図５中に示すように０［ｄｅｇ］〜３６０［ｄｅｇ］までほぼリニアに変化する磁極位置θを得ることができる。

次に電流検出手段２０の動作について説明する。図６は本発明の実施の形態１における電流検出手段２０の構成を示すブロック図であり、電圧電流変換手段２３および制限手段２４を備える。電圧電流変換手段２３は電圧保持手段１５の出力であるシャント電圧Ｖｓｈのピーク値の電圧Ｖｃとシャント抵抗１４の抵抗値Ｒｓｈに基づいて、シャント抵抗１４に流れる電流Ｉをオームの法則によりＩ＝Ｖｃ／Ｒｓｈにより求める。次に、求めた電流Ｉはノイズ等の影響により過電流遮断値を超えるような想定外の電流となる場合があるため、過電流遮断値を超える電流に関しては制限手段２４にて制限することで、電流Ｉを検出する。

今回は電圧電流変換手段２３で電流を求めた後に、制限手段２４にて電流を制限したが、制限手段２４にて電圧値で制限した後に、電圧電流変換手段２３にて電流値を求めても何ら問題ないことは言うまでもない。

次に周波数指令演算手段２１について説明する。図７は本発明の実施の形態１における周波数指令演算手段２１の構成を示すブロック図であり、周波数補正演算手段２５および周波数指令制限手段２６を備える。周波数補正演算手段２５は、電流検出手段２０の出力である電流値Ｉと予め設定した電流制御値Ｉ＊の偏差に基づいて図２２(ｂ)に示すような比例積分制御により周波数指令補正値Δω＊を求めることで、定電流となる周波数指令を得ることができる。ただし、騒音や運転性能低下が懸念される周波数で運転しないよう、周波数指令制限手段２６にて要求範囲外の周波数帯で運転しないように周波数範囲を制限することができ、最適な周波数指令値ω＊にて運転することが可能であり、外風や着霜等の電動機８の負荷が大きくなる条件下でも過電流遮断による運転停止が発生することなく、安定した運転が可能となる。

実際に、電動機モデルと周波数補正演算手段２５をどのように組み合わせるかについて図２１を用いて具体的に説明する。図２１(ａ)は、一般的な周波数制御のブロック図を示しており、周波数指令とフィードバックしてきた実際の周波数との偏差に基づき電圧指令演算部で電圧指令を求め、電動機８に印加する。

本実施の形態では、図２１(ｂ)に示すように電流指令と実際の電流との偏差に基づき周波数補正演算手段２５にて、図２２(ｂ)に示すような比例積分制御により、周波数指令を補正した補正周波数指令を求める。次に、周波数指令制限手段２６により要求範囲外の周波数帯で運転しないように周波数範囲を制限したのちに、フィードバックしてきた実際の周波数との偏差に基づき電圧指令演算部で電圧指令を求め、電動機８に印加する。

これにより電流指令を超えないように周波数を制御することが可能となり、外風や着霜等の電動機８の負荷が大きくなる条件下でも過電流遮断による運転停止が発生することなく、安定した運転が可能となる。また、暖房運転時には運転可能な最大の回転数で室外ファン７の電動機８を回転させることで、効率良く熱交換が行われるため、暖房能力を向上させることが可能となる。

今回は、比例積分制御により周波数指令および補正周波数指令を求める方法について説明を行ったが、電流値を一定に保つことが可能であれば、図２２(ａ)の比例制御、図２２(ｃ)の比例積分微分制御やその他の制御方法を用いても何ら問題ないことは言うまでもない。例えば、着霜時を想定して比例積分制御を用いる場合、着霜時の電動機８の負荷変動に追従可能なゲインに設定することで最適な周波数補正が可能となる。

なお、Ｉ＊は過電流遮断に陥ることがないよう、過電流遮断値以下に設定する必要がある。

次に、電圧制御手段２２について説明する。図８は本発明の実施の形態１における電圧制御手段２２の構成を示すブロック図であり、電圧指令振幅演算手段２７、三相電圧指令演算手段２８、ＰＷＭ生成手段２９を備える。電圧指令演算手段２７は回転電気角周波数ω、回転電気角周波数指令ω＊の偏差に基づいて、比例積分制御によって電圧指令振幅Ｖ＊を求めることで、回転電気角周波数指令ω＊に一致する回転電気角周波数ωにて運転が可能となる。

三相電圧指令演算手段２８は、電圧指令振幅Ｖ＊と直流電圧値Ｖｄｃ、磁極位置θに基づいて三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を次式（１）〜（３）にて求める。

ここで、θｖは印加電圧位相を表し、磁極位置θと磁極位置θに対する進み位相角θｆの和によって表される。この進み位相角θｆを最適に設定することにより、最適な位相で電圧を印加することが可能となり、電動機８の運転効率向上に寄与することが可能である。

ごく基本的な電圧指令生成方法として式（１）〜（３）で説明を行ったが、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調、三相変調や二相変調等どのような電圧指令生成手段を用いても何ら問題ないことは言うまでもない。

例えば、三相変調で電圧指令を生成すると図２３(ａ)のようになる。この場合、シャント抵抗の両端に印加される電圧波形は図２３(ｂ)のようになり、連続的ではなく、細い矩形波状になる。このため、シャント抵抗の両端電圧のピーク値を取り込みたい場合は電圧保持手段１５、ピークホールド手段３１などが必要になる。
また、シャント抵抗の両端電圧の矩形波のＤｕｔｙが小さければ電圧保持手段１５、ピークホールド手段３１などで検出する電圧と実電圧との誤差が大きくなる。

そこで、例えば二相変調で電圧指令を生成すると図２４(ａ)のようになり、シャント抵抗の両端に印加される電圧波形は図２４(ｂ)のようになり、三相変調に比べて矩形波のＤｕｔｙが大きくなる。つまり、電圧保持手段１５、ピークホールド手段３１などで検出する電圧と実電圧の誤差が小さくなる。

このように、誤差が小さくなるような電圧指令生成方法を用いることで、シャント抵抗の両端電圧から換算する電流値の検出精度が向上し、信頼性の高い値を得ることができ、過電流遮断値に限りなく近い値で所定の値を設定できるため、例えば暖房運転時の着霜が進んでない電動機８の軽負荷時にその分の回転数を増加させて暖房能力を向上させることが可能になる。

ＰＷＭ生成手段２９は、式（１）〜（３）により得られた三相の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と振幅１の三角波キャリアとの大小関係に基づいて、図９に示すようにＰＷＭ信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）を生成する。このＰＷＭ信号によりインバーター９のスイッチング素子１６ａ〜１６ｆをスイッチングすることにより電動機８に電圧指令値に基づいた電圧を印加することができる。

空気調和機の暖房運転時は一般的に、室外機の周囲温度は低く、空気密度が高いため、送風ファン７の運転に必要な電動機８の出力トルクが大きくなり、流れる電流が高くなる。加えて、室外熱交換器に霜が発生し、熱交換器を塞ぐため送風ファン７を駆動するのに必要なトルクが運転の時間経過と共に増加する。

従来制御においては回転数一定で電動機８を制御するよう動作するため、図１０（ｂ）に示すように時間の経過と共に進行する着霜量に応じて電流値がＩ０からＩ１に増加する。そのため、着霜が生じても過電流遮断値に達しないよう電動機８の回転数を図１０（ａ）のようにＮ０に設定する必要があり、回転数増加による暖房能力向上が図れなかった。

そこで、着霜が進んでいない電動機８の軽負荷時にＩ１まで電流を使用して、その分回転数を増加させて暖房能力を向上させることを考える。本実施の形態１の空気調和機を用いることで、過電流遮断値に到達しない範囲で図１０（ｄ）のように電流値一定（例えばＩ１一定）となるよう制御を行うことで、図１０（ｃ）に示すように着霜が進行していない電動機８の軽負荷時の回転数をＮ０から最大Ｎ１まで増加させることが可能となり、室外熱交換器により効率良く熱交換することが可能となり、暖房能力を向上させることが可能な空気調和機を得ることが可能となる。

また、送風ファン７に送風方向と逆方向の風が吹くと、電動機８の負荷が増大し、電流値が増大することがある。従来制御の場合には電流値を制御することが困難であるため、電流値増大により電動機８が過電流遮断により停止し、効率良く熱交換することができなくなるため、暖房能力が低下する課題があるが、本発明の実施の形態１では電流値を一定に制御しているため、逆方向の風が発生した場合においても回転数を低下させて、風が止まった場合には回転数を増加させて暖房運転を継続させることが可能となり、信頼性が高く、暖房能力向上が可能な空気調和機を得ることが可能である。

さらに、室外熱交換器は経年劣化や埃などの蓄積により塞ぎ状態となり、送風ファン７を駆動するために必要なトルクが増大する場合においても、電流値一定となる最適な回転数で運転可能であるため、信頼性が高く、暖房能力向上が可能な空気調和機を得ることが可能である。

実施の形態２．
実施の形態１の空気調和機においては、電圧保持手段１５にてシャント抵抗１４の両端電圧Ｖｓｈのピーク値の電圧Ｖｃを検出する場合、コンデンサー容量や抵抗値の選定の制約により、必要な第一の時定数を得ることが困難な場合がある。その場合、シャント電圧Ｖｓｈのピーク値の電圧Ｖｃにインバーターの出力周波数の６倍の周波数の脈動が顕著に現れ、検出する電流値Ｉも脈動し、脈動する電流値Ｉに基づいて演算される周波数指令ω＊も脈動し、制御性の悪化や騒音の悪化が懸念される。

実施の形態２は上記の課題を解決することを目的としており、以下内容について説明する。図１〜図５及び図７〜図１０は本実施の形態２でも使用される。また、図１１は本発明の実施の形態２における電流検出手段２０の構成を示すブロック図である。図１１に示すように電流検出手段２０にローパスフィルター手段３０が追加となった以外は、実施の形態１と何ら変わりないため、同一の符号を付して説明は省略し、変更点のみ説明する。

実施の形態１では、電圧保持手段１５の出力であるシャント電圧Ｖｓｈのピーク値の電圧Ｖｃを検出し、電流検出手段２０の電圧電流変換手段２３にて電流値Ｉに変換し、制限手段２４にて制限を行っていた。これに対し、本実施の形態２では、電圧電流変換手段２３の電流値を第二の時定数のローパスフィルター手段３０にてインバーターの出力周波数の６倍の周波数の脈動を除去することにより、電流値Ｉの脈動を抑える。これにより、制御の安定性を確保することができ、騒音の改善を図ることが可能となる。

ここで第二の時定数は、第一の時定数にて除去できなかった脈動成分を除去する必要があるため、第一の時定数より高い時定数に設定することで、図１２に示すようにローパスフィルター手段３０により脈動成分を除去し、安定性の高い空気調和機を得ることができる。

ただし、図１２からも分かるようにローパスフィルター手段３０により、電圧保持手段１５の出力による電流ピーク値との差分ΔＩが発生する。ΔＩに関しては、実験的に得られた平均のΔＩを予め加算して考慮しておくことで、電流値Ｉの検出誤差を低減することが可能である。

本実施の形態２によれば、過電流遮断値に到達しない範囲で精度良く電流値一定となるよう制御を行うことで、着霜が進行していない電動機８の軽負荷時の回転数を増加させることが可能となり、室外熱交換器により効率良く熱交換することが可能となり、暖房能力を向上させることが可能な空気調和機を得ることが可能となるだけでなく、検出した電流の脈動を抑制することにより安定した制御が可能となり、騒音の少ない空気調和機を得ることが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態２の空気調和機においては、電圧保持手段１５にてシャント抵抗１４の電圧のピーク値を検出する場合、コンデンサー容量や抵抗値の選定の制約により、必要な第一の時定数を得ることが困難な場合における制御安定性向上としてローパスフィルター手段３０を用いていた。
本実施の形態３では、シャント抵抗の電圧ピーク値を上記実施の形態よりも正確に検出する態様について説明する。

図１〜図５及び図７〜図１０は本実施の形態３でも使用される。また、図１３は本発明の実施の形態３における電流検出手段２０の構成を示すブロック図である。図１３に示すように電流検出手段２０にピークホールド手段３１が追加となった以外は、実施の形態１と何ら変わりないため、同一の符号を付して説明は省略し、変更点のみ説明する。

実施の形態１では、電圧保持手段１５の出力であるシャント電圧Ｖｓｈのピーク値の電圧Ｖｃを検出し、電流検出手段２０の電圧電流変換手段２３にて電流値Ｉに変換し、制限手段２４にて制限を行っていた。これに対し、本実施の形態３では、電圧電流変換手段２３の電流値をピークホールド手段３１によりシャント抵抗１４に流れる電流値のピーク値のみを抽出し、この電流値のピーク値と電流指令値に基づいて実施の形態１と同様に周波数指令を補正し、補正された周波数指令に基づいて電動機８の周波数を制御することで、電流検出誤差が無く過電流遮断による運転停止のない信頼性の高い空気調和機を得ることが可能となる。

図１４は図１３の電流検出手段２０におけるピークホールド手段３１の動作を示すフローチャートである。次にピークホールド手段３１の動作を図１４を用いて説明する。ピークホールド手段３１は、電圧電流変換手段２３の出力をＩｂｕｆとし（ステップＳ１４０１）、例えば初期値０とした電流値Ｉと比較し（ステップＳ１４０２）、Ｉｂｕｆの方が大きい場合には、Ｉ＝Ｉｂｕｆとすることで、ピーク値を保持する（ステップＳ１４０３）。ただし、ノイズ等の影響により瞬間的に通常時よりもかなり高い電流を検出することがあり、ノイズによる電流をそのまま保持し続けると制御の信頼性が低下するため、第三の時定数で減衰させることにより対策を行う（ステップＳ１４０４）。以上の動作を繰り返し実行する。

ステップＳ１４０４において、ＩがＩｂｕｆよりも大きい場合には、Ｉを初期値として時間ｔの経過と共に時定数τで減衰するよう、例えばＩ×ｅｘｐ（−ｔ／τ）のようにマイコン等の演算手段にて演算することで、ノイズ等により誤検知したピーク値を減衰させることが可能となる。

また第三の時定数は、第一の時定数にて除去しきれなかったインバーター９の出力電圧の周波数の６倍の周波数成分を除去する必要があるため、第三の時定数の方を大きく設定する必要があり、適切に設定することで図１５に示すようにシャント抵抗１４に流れる電流のピーク値を検出することが可能となる。

本実施の形態３によれば、過電流遮断値に到達しない範囲で精度良く電流値一定となるように制御することで、着霜が進行していない電動機８の軽負荷時の回転数を増加させることが可能となり、室外熱交換器により効率良く熱交換することが可能となり、暖房能力を向上させることが可能な空気調和機を得ることが可能となるだけでなく、検出した電流の脈動を抑制することにより安定した制御が可能となり、騒音の少ない空気調和機を得ることが可能となる。

また、送風ファン７に送風方向と逆方向の風が吹くと、電動機８の負荷が増大し、電流値が増大することがある。従来制御の場合には電流値を制御することが困難であるため、電流値増大により電動機８が過電流遮断により停止し、効率良く熱交換することができなくなるため、暖房能力が低下する課題があるが、本発明の実施の形態３では電流値を一定に制御しているため、逆方向の風が発生した場合においても回転数を低下させて、風が止まった場合には回転数を増加させて暖房運転を継続させることが可能となり、信頼性が高く、暖房能力向上が可能な空気調和機を得ることが可能である。

実施の形態４．
実施の形態１〜３の空気調和機においては、電圧保持手段１５に発生するインバーター９の出力電圧の周波数の６倍の周波数で脈動する電圧から精度良く電流値を検出する方法について説明した。
上記電圧保持手段１５によって保持される電圧Ｖｃは充電手段１７への充電スピードと、放電手段１８の放電スピードの釣り合う場所で値が安定する。この場合、充電可能なシャント電圧のパルス電圧発生時間に対して、電圧ゼロ区間の比率（Ｄｕｔｙ）が小さくなると、充電時間に対して放電時間が長くなり、図１６に示すように電圧誤差が発生する。

特に図１７に示すように、例えばＵ相電流が最大となるＵ相上に電流ベクトルが存在する場合、Ｕ相のＰＷＭ信号によるスイッチングパターン（ＵＰ、ＶＮ、ＷＮ＝ＯＮ）状態となった場合に、Ｕ相電流がシャント抵抗１４に流れる。しかし、電流ベクトルに対して、電圧ベクトルの位相差φが大きく異なる（力率が悪い）場合、電圧ベクトルを各要素に分解すると、図に示すようにＵ相電流をシャント抵抗１４に流すための、ベクトルが小さくなるため、シャント抵抗１４上にＵ相電流を流すためのスイッチング時間が短くなり、パルス幅が狭くなり、電圧保持手段１５の誤差が大きくなり、ピーク値を検出することが困難になる。

さらに暖房運転中は、着霜による影響により時間の経過と共に電動機８にかかる負荷が増大し、図１８に示すように運転中の力率が低下していく。そのため前述の通り、電流検出誤差が力率の悪化と共に発生し、電流値を一定に保つことが困難となり、運転状況によっては過電流遮断を生じ、暖房運転を継続できなくなる虞がある。

本実施の形態４は上記の課題を解決することを目的としており、以下内容について説明する。図１〜図３、図５及び図７〜図１０は本実施の形態４でも使用される。また、図１９は本発明の実施の形態４におけるインバーター制御手段１１の構成を示すブロック図である。図１９に示すように電流検出手段２０の入力として電気角周波数ωを追加し、電流検出手段２０は図２０に示すように電気各角周波数ωを入力とした電流検出値補正手段３２が追加となった以外は、他の実施の形態と何ら変わりないため、同一の符号を付して説明は省略し、変更点のみを説明する。

図１８に示すように本実施の形態４による制御を用いた場合、電動機８の負荷状況に応じて電気角周波数ωは増減する。つまり電気角周波数ωの低下時は電動機８にかかる負荷が重く力率の悪い状況である。よって電流検出値補正手段３２は電気角周波数ωと電流検出誤差の関係を予め図示しない記憶手段に記憶しておき、電気角周波数ωに応じて対応する電流の誤差を記憶手段から読み出した上で、この電流の誤差を補正値として検出した電流値を補正する。これにより、簡単な操作で電流値の補正を行うことが可能である。

電気角周波数ωにより電流検出誤差を補正する方法について述べたが、力率やパルス幅などの情報を用いて電流検出誤差を補正しても何ら問題ないことは言うまでもない。
例えば、力率の場合には、電流検出値補正手段３２は、力率と電流検出誤差の関係を予め図示しない記憶手段に記憶しておき、シャント抵抗１４に流れるＵ相の電流ベクトルと、シャント抵抗１４の両端電圧とに基づいて力率を算出し、得られた力率に応じて対応する電流の誤差を記憶手段から読み出した上で、この電流の誤差を補正値として検出した電流値を補正する。これにより、簡単な操作で電流値の補正を行うことが可能である。
また、パルス幅の場合には、電流検出値補正手段３２は、図１６に示すシャント抵抗１４に印加される電圧のＤｕｔｙと電流検出誤差の関係を予め図示しない記憶手段に記憶しておき、シャント抵抗１４に印加される電圧のＤｕｔｙに応じて対応する電流の誤差を記憶手段から読み出した上で、この電流の誤差を補正値として検出した電流値を補正する。これにより、簡単な操作で電流値の補正を行うことが可能である。

本実施の形態４によれば、過電流遮断値に到達しない範囲で精度良く電流値一定となるよう制御を行うことで、着霜が進行していない電動機８の軽負荷時の回転数を増加させることが可能となり、室外熱交換器により効率良く熱交換することが可能となり、暖房能力を向上させることが可能な空気調和機を得ることが可能となるだけでなく、検出した電流の脈動を抑制することにより安定した制御が可能となり、騒音の少ない空気調和機を得ることが可能となる。

また、送風ファン７に送風方向と逆方向の風が吹くと、電動機８の負荷が増大し、電流値が増大することがある。従来制御の場合には電流値を制御することが困難であるため、電流値増大により電動機８が過電流遮断により停止し、効率良く熱交換することができなくなるため、暖房能力が低下する課題があるが、本発明の実施の形態４では電流値を一定に制御しているため、逆方向の風が発生した場合においても回転数を低下させて、風が止まった場合には回転数を増加させて暖房運転を継続させることが可能となり、信頼性が高く、暖房能力向上が可能な空気調和機を得ることが可能である。

本発明の実施の形態１〜４については、磁極位置センサの出力に基づいて電動機８を制御していたが、電動機８の相電流検出による磁極位置センサレス制御を用いて本制御を行っても何ら問題ないことは言うまでもない。

本発明の活用例としては、空気調和機は勿論、ヒートポンプ給湯機や電気掃除機などの送風ファンを用いる機器において適用が可能である。

１圧縮機、２四方弁、３室外熱交換器、４膨張弁、５室内熱交換器、６冷媒配管、７送風ファン、８電動機、９インバーター、１０直流電源、１１インバーター制御手段、１２直流電圧検出手段、１３磁極位置検出手段、１４シャント抵抗、１５電圧保持手段、１６ａ〜１６ｆスイッチング素子、１７充電手段、１８放電手段、１９位置・速度推定手段、２０電流検出手段、２１周波数指令演算手段、２２電圧制御手段、２３電圧電流変換手段、２４制限手段、２５周波数補正演算手段、２６回転数指令制限手段、２７電圧指令振幅演算手段、２８三相電圧指令演算手段、２９ＰＷＭ生成手段、３０ローパスフィルター手段、３１ピークホールド手段、３２電流検出値補正手段、３３逆流防止手段、３４電圧降下補償手段。

Claims

室外熱交換器と、
この室外熱交換器に送風する室外ファンと、
この室外ファンを駆動する電動機と、
直流電源を電源として前記電動機に電圧を印加するインバーターと、
前記インバーターの出力する電圧を制御するインバーター制御手段と、
前記直流電源と前記インバーター間に接続されたシャント抵抗と、
このシャント抵抗の両端電圧に逆流防止手段を介して接続された充電手段と、
前記充電手段に充電された電圧を第一の時定数にて放電する放電手段と、を備え、
前記インバーター制御手段は前記充電手段に充電された電圧に基づいて前記シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段の出力に応じて前記インバーターによって出力される電圧の周波数を制御する周波数制御手段と、を備え、
前記電流検出手段の出力が所定の値を超過した場合に、前記周波数制御手段に前記インバーターによって出力される電圧の周波数を低下させ、前記所定の値を下回った場合に、前記インバーターによって出力される電圧の周波数を増加させ、
前記インバーター制御手段は前記シャント抵抗に印加される電圧のデューティが大きくなるように制御する
ことを特徴とする空気調和機。
前記周波数制御手段は、前記電流検出手段の出力と所定の値との偏差に基づいて前記インバーターにより出力する電圧の周波数を補正する周波数補正手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
前記第一の時定数は、前記インバーターの出力する電圧の周期の１／６倍以上であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の空気調和機。
前記充電手段はコンデンサーによって構成され、
前記電流検出手段は、前記コンデンサーに充電された電圧と前記シャント抵抗の抵抗値に基づいて電流値を求めることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の空気調和機。
前記電流検出手段は、検出した電流値を第二の時定数のローパスフィルターにより平滑するローパスフィルター手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の空気調和機。
前記第二の時定数は前記第一の時定数よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の空気調和機。
前記電流検出手段は、前記ローパスフィルター手段の出力を補正するローパスフィルター出力補正手段を備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の空気調和機。
前記電流検出手段は、検出した電流値の最大値を検出する最大値検出手段および最大値検出手段の出力を第三の時定数にて減衰させる減衰手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の空気調和機。
前記第三の時定数は前記第一の時定数よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の空気調和機。
前記電流検出手段は、前記電動機の運転状況により電流の検出値を補正する電流検出値補正手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の空気調和機。
前記電流検出値補正手段は、電気角周波数と電流検出誤差の関係を記憶する記憶手段を備え、
前記インバーターにより出力される電圧の電気角周波数に応じて対応する電流の誤差を記憶手段から読み出した上で、この電流の誤差を補正値として検出した電流値を補正することを特徴とする請求項１０に記載の空気調和機。
前記電流検出値補正手段は、力率と電流検出誤差の関係を記憶する記憶手段を備え、
前記シャント抵抗に流れるＵ相の電流ベクトルと、前記シャント抵抗に印加される電圧とに基づいて得られる力率に応じて対応する電流の誤差を記憶手段から読み出した上で、この電流の誤差を補正値として検出した電流値を補正することを特徴とする請求項１０に記載の空気調和機。
前記電流検出値補正手段は、前記シャント抵抗に印加される電圧のデューティと電流検出誤差の関係を記憶する記憶手段を備え、
前記シャント抵抗に印加される電圧のデューティに応じて対応する電流の誤差を記憶手段から読み出した上で、この電流の誤差を補正値として検出した電流値を補正することを特徴とする請求項１０に記載の空気調和機。