JP5960009B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば空気調和機や冷凍機などの冷凍装置に係り、特に、冷凍サイクルの圧縮機を駆動する永久磁石同期モータの回転数をインバータ装置によって可変する冷凍装置に関する。

冷凍サイクルの圧縮機を駆動する永久磁石同期モータの磁石には低コスト化が求められる場合にフェライト系の磁石が用いられることがある。フェライト系の磁石を用いた場合、モータ巻き線に過大な電流が流れると永久磁石の磁力が減少する減磁が起きる。以下においては、永久磁石の磁力を減少させる過大な電流を減磁電流という。なお、この減磁電流は永久磁石の温度により変化するものであり、特にフェライト系の磁石の減磁電流は温度依存性が高く、低温になるほど減磁電流が下がる。

そのため、永久磁石同期モータを制御するインバータ装置には減磁電流が流れることを防ぐための機構が必要であり、この機構は減磁電流の温度依存性を考慮した構造とする必要がある。

本技術分野の背景技術として、特開２００９−１３６０５４号公報（特許文献１）がある。この公報には、「ブラシレスモータの負荷範囲を最大限に確保しつつ、ステータ巻線に過電流が流れた際に磁石の減磁を回避するための過電流保護停止機能および電流制限機能を有すること。」と記載されている（要約参照）。この方法によれば永久磁石同期モータの温度に応じて、減磁電流が流れることを防ぐことが出来る。

特開２００９−１３６０５４号公報 特開２００９−１８９１７６号広報

前記の永久磁石同期モータを起動する場合、永久磁石同期モータの巻線に直流電流を流すことにより磁極の回転角を任意の位置に固定する位置決め処理と、永久磁石同期モータの巻線に交流電流を流し、交流電流の周波数を徐々に高める同期起動処理を行う。位置決め処理と同期起動処理を行う際は圧縮機に加わる負荷トルクの大きさが不明確な場合、永久磁石同期モータの巻き線に流す電流は充分に高い値とし、永久磁石同期モータの発生トルクを高める必要がある。

しかしながらフェライト系の磁石を用いた永久磁石同期モータは永久磁石が低温になるほど減磁電流が下がるため、圧縮機駆動前の圧縮機が冷えた状態などにおいては、位置決め処理時および同期起動処理時に充分な発生トルクが確保できないことがある。また充分な発生トルクが確保できない状態で永久磁石同期モータを起動すると脱調が発生する。この際、脱調電流が前記の減磁電流を超え減磁が発生する恐れがある。

ここで上記したように、減磁電流は永久磁石の温度により変化するものであることから、減磁や脱調の発生を抑制するためには、永久磁石の温度を用いて算出される減磁電流を超えないように永久磁石同期モータに電流を流す必要がある。

上記した特許文献では、「圧縮機温度センサ４」を用いることが記載されているが、この検出値と永久磁石の温度とは異なるものであるため、正確に減磁電流を求めて高い電流を永久磁石モータに流せるようにするためには、より正確に永久磁石の温度を求めることが必要となる。

そこで本発明では、新たな温度センサを用いてコストアップすることなく、より正確に永久磁石の温度を算出することで減磁電流を求め、これにより減磁が発生することなく永久磁石同期モータを起動することができる冷凍装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機を駆動する永久磁石同期モータと、該永久磁石同期モータに電流を印加するインバータ回路と、該インバータ回路にＰＷＭ信号を送ることで前記永久磁石同期モータに流す電流を制御する制御器と、を備えた冷凍装置において、前記永久磁石同期モータの巻き線抵抗から前記永久磁石同期モータの温度を算出する温度算出手段と、該温度算出手段により算出した温度から該温度における前記永久磁石同期モータの減磁電流を算出する減磁電流算出手段と、を備え、前記制御器は、前記永久磁石同期モータの起動時に、前記永久磁石同期モータに前記減磁電流算出手段により算出した減磁電流よりも低い直流電流を流すことにより磁極の回転角を任意の位置に固定する位置決め処理を行うとともに、前記永久磁石同期モータに前記減磁電流算出手段により算出した減磁電流よりも低い交流電流を流し、交流電流の周波数を徐々に高める同期起動処理を行うこと」を特徴とする。

本発明によれば、新たな温度センサを用いてコストアップすることなく、より正確に永久磁石の温度を算出することで減磁電流を求め、これにより減磁が発生することなく永久磁石同期モータを起動することができる冷凍装置の提供が可能となる。

冷凍装置の構成図の例である。 冷凍装置を構成するモータ駆動装置の構成図の例である。 モータ駆動装置の制御器のブロック図の構成例である。 位置決め処理時および同期起動処理時に永久磁石同期モータに流れる電流を示したグラフの例である。 圧縮機の冷媒圧縮機構部の断面図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本実施例の冷凍装置の構成図である。ここでは冷凍装置の一例として室外機と室内機とが冷媒配管により接続されて構成される空気調和機を示している。
冷凍装置１は、冷媒を圧縮する圧縮機２、室内熱交換器３、室内膨張弁５、室外熱交換器４、アキュームレータ６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。さらに、室内ファン７、室外ファン８と圧縮機２の内部に配置された永久磁石同期モータ９に接続したモータ駆動装置１０からなる。

圧縮機２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永久磁石同期モータ９により駆動され、運転周波数はモータ駆動装置１０により制御される。
（モータ駆動装置の構成）
図２は、図１の冷凍装置１におけるモータ駆動装置１０の構成図である。このモータ駆動装置１０は、永久磁石同期モータ９と、直流電源１１と、直流を交流に変換するインバータ回路１２と、インバータ回路の直流側に設ける母線電流検出器１３と、制御器１４とを備える。制御器１４はマイクロコンピュータもしくはＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等の半導体演算素子を用いて、母線電流検出器１３の検出信号を処理して、インバータ回路１２を構成する半導体パワー素子のオン／オフ制御を行うＰＷＭ信号を出力する。つまり、本実施例の冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２を駆動する永久磁石同期モータ９と、永久磁石同期モータ９に電流を印加するインバータ回路１２と、インバータ回路１２にＰＷＭ信号を送ることで永久磁石同期モータ９に流す電流を制御する制御器１４とを備えたものである。
（モータ駆動装置の制御器の構成）
図３は、図２のモータ駆動装置１０における制御器１４のブロック構成図である。制御器１４は図２のインバータ回路１２と母線電流検出器１３を介して、永久磁石同期モータ９を制御するフィードバック制御系である。
図４は、永久磁石同期モータ９を図３で示した制御器１４で制御した場合において、永久磁石同期モータ９の起動時にＵ相１５、Ｖ相１６、Ｗ相１７のいずれかの１相に流れる電流（以下モータ電流）を示したグラフである。位置決め電流２７は、直流電流であり永久磁石同期モータ９の磁極の回転角を任意の位置に固定するための電流である。同期起動電流２８は交流電流であり、周波数を徐々に高めることにより永久磁石同期モータ９の回転数を高める。以下においては、位置決め電流を流すための制御器１４の処理を位置決め処理、同期起動電流を流すための制御器１４の処理を同期起動処理、位置決め処理を行う時間を位置決め時間、同期起動処理を行う時間を同期起動時間とする。

以下、図３の各構成要素について説明する。
電流再現演算器１９は図２の母線電流検出器１３の出力である母線電流Ｉｓｈを入力とし、母線電流Ｉｓｈからモータ電流検出値を演算し出力する。抵抗同定器２０はモータ電流検出値と第２のモータ電流指令値を入力として永久磁石同期モータ９の巻き線抵抗の同定値（以下、抵抗同定値とする）を演算し出力する。なお、第２のモータ電流指令値は電流指令補正器２２によって、モータ電流指令値とモータ電流検出値の偏差を入力とした比例積分制御により決定し出力される。抵抗同定値の演算は位置決め処理前に実施し、抵抗同定値の演算時には永久磁石同期モータ９に直流電流を流す。

永久磁石同期モータ９に直流電流を流すと永久磁石同期モータ９を抵抗器とみなすことができる。この抵抗器の抵抗初期設定値をＲinit、第２のモータ電流指令値をＩstar、モータ電流検出値をＩfbとし、抵抗同定値をＲsetとするとＲsetは次式で求められる。

Ｒset＝Ｒinit×（Ｉstar÷Ｉfb）

減磁電流推定器２１は抵抗同定値を入力として減磁電流推定値を演算し出力する。減磁電流は永久磁石同期モータ９の温度によって変化し、抵抗同定値も永久磁石同期モータ９の温度によって変化する。予め減磁電流推定器２１に温度毎の減磁電流をテーブルデータで持たせておくことにより、抵抗同定値から永久磁石同期モータ９の温度を検出し、その検出温度から減磁電流を推定することが出来る。すなわち減磁電流推定器２１は、永久磁石同期モータ９の巻き線抵抗から永久磁石同期モータ９の温度を算出する温度算出手段と、
該温度算出手段により算出した温度から該温度における永久磁石同期モータ９の減磁電流を算出する減磁電流算出手段とを備えたものである。

ここで永久磁石同期モータ９の基準温度をＴ、基準温度の時の抵抗値をＲ、永久磁石同期モータ９の温度をｔ、温度の単位を℃とすると、ｔは次式で求められる。

ｔ＝（Ｒset÷Ｒ）×（２３５＋Ｔ）−２３５

この永久磁石同期モータ９の温度と永久磁石の温度とは多少の相違はあるものの非常に近い値になることが確認できている。よって、この方法によれば新たな温度センサを設置することなくコスト低減を図りながら、正確に永久磁石の温度を推定することが可能となるものである。

電流指令発生器１８は位置決め処理時および同期起動処理時においては減磁電流推定値を入力としてモータ電流指令値を出力する。ここでモータ電流指令値はモータ電流ピーク値であり、交流電流ではない。モータ電流指令値の大きさは減磁電流推定値未満とする。
つまり、制御器１４は、永久磁石同期モータ９の起動時に、永久磁石同期モータ９に減磁電流算出手段により算出した減磁電流よりも低い直流電流を流すことにより磁極の回転角を任意の位置に固定する位置決め処理を行うとともに、永久磁石同期モータ９に減磁電流算出手段により算出した減磁電流よりも低い交流電流を流し、交流電流の周波数を徐々に高める同期起動処理を行うものである。これにより、上記したようにより正確に減磁電流が求まっていることから、減磁が発生することがないように最大限の電流を永久磁石同期モータ９に電流を流すことが可能となる。

また位置決め処理時および同期起動処理時に永久磁石同期モータ９に加わる負荷トルクに対して、モータ電流指令値が小さく永久磁石同期モータ９の発生トルクに充分な大きさがない場合は、位置決め処理または同期起動処理の途中に脱調する可能性がある。そこで、モータ電流指令値の大きさに応じて位置決め時間または同期起動時間を調整する。モータ電流指令値が小さいほど位置決め時間、または同期起動時間を長くする。

つまり制御器１４における電流指令発生器１８は、位置決め処理時に永久磁石同期モータ９に流す直流電流が小さいほど、該直流電流を永久磁石同期モータ９に流す時間を長くするように調整するものである。また、制御器１４における電圧指令制御器２３は、同期起動処理時に永久磁石同期モータ９に流す交流電流のピーク値が小さいほど、該交流電流の周波数加速レートを小さくすることで同期起動時間の調整を行う。同期起動処理終了時に永久磁石同期モータ９に流れる電流の周波数は同期起動時間によらず一定であるため、同期起動時間が長くなるほど周波数の加速レートは遅くなる。このようにモータ電流指令値と位置決め時間および同期起動時間の調整により減磁と脱調を抑制することが可能となる。

軸誤差演算器２５はモータ電流検出値から、実際の磁極位置と制御上の磁極位置のずれである軸誤差を演算し出力する。ＰＬＬ制御器２６は位置決め処理時および同期起動処理時は０を出力し、同期起動処理終了後は、軸誤差が０となるような３相の電圧指令値の位相補正値を演算し出力する。この演算には軸誤差を入力とした比例制御、または積分制御、もしくはその両方を用いる。

電圧指令制御器２３は第２のモータ電流指令値を３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは交流電圧であり、各電圧指令値の位相が１２０度ずれている。このため電圧指令制御器２３では、まず第２のモータ電流指令値を電圧指令値のピーク値に変換し、その後３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。この３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの位相にはＰＬＬ制御器２６から出力された３相の電圧指令値の位相補正値が加算される。

ＰＷＭ制御器２４は３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを、インバータ回路１２を構成する半導体パワー素子のオン／オフ制御を行うＰＷＭ信号に変換する。ＰＷＭ信号は３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと、直流電源１１の電圧の比によって決まる。

以下、本発明の実施例２について図面を用いて説明する。
本実施例は実施例１で示した図１、図２、図３と同一の構成をもち、これに加え、永久磁石同期モータ９の磁極位置情報を推定する手段をもつものである。磁極位置を推定する手段としては例えば（特許文献２）が挙げられる。

詳細は説明しないが、特許文献２のような推定方法により、磁極位置の情報をもつことで位置決め処理および同期起動処理を行わずに永久磁石同期モータ９を起動することが出来るようになる。これにより位置決め電流および同期起動電流による減磁を防ぐことが出来る。

すなわち、本実施例の制御器は、減磁電流算出手段により算出した減磁電流が設定値よりも低い場合に、位置決め処理及び同期起動処理を行わない。この場合において特許文献２に示すような磁極位置推定を行うことで位置決め処理及び同期起動処理を行わないまま同期運転を開始するものである。これによれば実施例１よりもさらに減磁や脱調を回避することが可能となり、また実施例１の方法よりも確実に永久磁石同期モータ９の起動を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施例３について図面を用いて説明する。本実施例は実施例１で示した図１、図２、図３、図４と同一の構成をもつ。実施例１で示した通り、電流指令発生器１８は減磁電流推定値に応じてモータ電流指令値を調整するが、位置決め処理時および同期起動処理時に永久磁石同期モータ９に加わる負荷トルクに対して、モータ電流指令値が小さく永久磁石同期モータ９の発生トルクに充分な大きさがない場合は、位置決め処理または同期起動処理の途中に脱調する虞がある。

そこで脱調を抑制する方法として、実施例１に示した位置決め時間または同期起動時間の調整する方法以外に、リリース弁を開けることにより永久磁石同期モータ９に加わる負荷トルクを小さくする方法が挙げられる。
図５は、圧縮機２の冷媒圧縮機構部の断面図を示している。以下、図５にてリリース弁と永久磁石同期モータ９に加わる負荷トルクの関係について説明する。圧縮機２は吸入口３０から低圧冷媒を吸入する。低圧冷媒は固定スクロール３１と旋回スクロール３２で構成されたに圧縮空間で圧縮され高圧冷媒となる。旋回スクロール３２は永久磁石同期モータ９によって駆動される。高圧冷媒は吐出口３３から圧縮機２の外へと押し出される。吸入口３１から吐出口３３へと向かう圧縮空間の途中にはリリース弁２９が設けられており、リリース弁２９からも高圧冷媒が圧縮機２の外へと押し出される。このためリリース弁２９を開けることにより永久磁石同期モータ９に加わる負荷トルクが小さくなる。

すなわち、位置決め処理時に、永久磁石同期モータ９に流す直流電流が設定値よりも低い場合に、圧縮機２が有する負荷低減手段（リリース弁２９）により圧縮機２に加わる負荷を減らすとともに、同期起動処理時に、永久磁石同期モータ９に流す交流電流のピーク値が設定値よりも低い場合に、負荷低減手段（リリース弁２９）により該圧縮機２に加わる負荷を減らす。なお、この設定値には減磁電流推定値を超えない値が設定される。

また冷媒にはＲ３２冷媒を使用するとより本発明の効果を発揮することができる。つまり、Ｒ３２冷媒は圧縮時に温度が上がりやすい特性であるため、Ｒ３２冷媒とフェライト系の磁石を用いた永久磁石同期モータ９を組み合わせることにより、冷媒圧縮時に減磁電流を上げることができ、これにより減磁を抑制することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１ 冷凍装置
２ 圧縮機
３ 室内熱交換器
４ 室外熱交換器
５ 室内膨張弁
６ アキュームレータ
７ 室内ファン
８ 室外ファン
９ 永久磁石同期モータ
１０ モータ駆動装置
１１ 直流電源
１２ インバータ回路
１３ 母線電流検出器
１４ 制御器
１５ Ｕ相
１６ Ｖ相
１７ Ｗ相
１８ 電流指令発生器
１９ 電流再現演算器
２０ 抵抗同定器
２１ 減磁電流推定器
２２ 電流指令補正器
２３ 電圧指令制御器
２４ ＰＷＭ制御器
２５ 軸誤差演算器
２６ ＰＬＬ制御器
２７ 位置決め電流
２８ 同期起動電流
３９ リリース弁
３０ 吸入口
３１ 固定スクロール
３２ 旋回スクロール
３３ 吐出口

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機を駆動する永久磁石同期モータと、
   前記永久磁石同期モータに電流を印加するインバータ回路と、
   前記インバータ回路にＰＷＭ信号を送ることで前記永久磁石同期モータに流す電流を制御する制御器と、を備えた冷凍装置において、
   前記永久磁石同期モータの巻き線抵抗から前記永久磁石同期モータの温度を算出する温度算出手段と、
   前記温度算出手段により算出した温度からこの温度における前記永久磁石同期モータの減磁電流を算出する減磁電流算出手段と、を備え、
   前記制御器は、
   前記永久磁石同期モータの起動時に、前記永久磁石同期モータに前記減磁電流算出手段により算出した減磁電流よりも低い直流電流を流すことにより磁極の回転角を任意の位置に固定する位置決め処理を行い、
   前記永久磁石同期モータに前記減磁電流算出手段により算出した減磁電流よりも低い交流電流を流し、前記交流電流の周波数を徐々に高める同期起動処理を行い、
   更に前記制御器は、
   前記位置決め処理時に前記永久磁石同期モータに流す前記直流電流が小さいほど、前記直流電流を前記永久磁石同期モータに流す時間を長くすることを特徴とする冷凍装置。
2. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機を駆動する永久磁石同期モータと、
   前記永久磁石同期モータに電流を印加するインバータ回路と、
   前記インバータ回路にＰＷＭ信号を送ることで前記永久磁石同期モータに流す電流を制御する制御器と、を備えた冷凍装置において、
   前記永久磁石同期モータの巻き線抵抗から前記永久磁石同期モータの温度を算出する温度算出手段と、
   前記温度算出手段により算出した温度からこの温度における前記永久磁石同期モータの減磁電流を算出する減磁電流算出手段と、を備え、
   前記制御器は、
   前記永久磁石同期モータの起動時に、前記永久磁石同期モータに前記減磁電流算出手段により算出した減磁電流よりも低い直流電流を流すことにより磁極の回転角を任意の位置に固定する位置決め処理を行い、
   前記永久磁石同期モータに前記減磁電流算出手段により算出した前記減磁電流よりも低い交流電流を流し、前記交流電流の周波数を徐々に高める同期起動処理を行い、
   更に前記制御器は、
   前記同期起動処理時に前記永久磁石同期モータに流す前記交流電流のピーク値が小さいほど、前記交流電流の周波数加速レートを小さくすることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１又は２に記載の冷凍装置において、
   前記制御器は、
   前記減磁電流算出手段により算出した前記減磁電流が設定値よりも低い場合に、前記位置決め処理及び前記同期起動処理を行わないことを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１又は２に記載の冷凍装置において、
   前記位置決め処理時に、前記永久磁石同期モータに流す前記直流電流が設定値よりも低い場合に、前記圧縮機が有する負荷低減手段により前記圧縮機に加わる負荷を減らすとともに、
   前記同期起動処理時に、前記永久磁石同期モータに流す前記交流電流のピーク値が設定値よりも低い場合に、前記負荷低減手段により前記圧縮機に加わる負荷を減らすことを特徴とする冷凍装置。
5. 請求項４に記載の冷凍装置において、
   前記負荷低減手段は、前記圧縮機の圧縮空間から外部に冷媒を放出させるリリース弁であることを特徴とする冷凍装置。
6. 請求項１又は２に記載の冷凍装置において、
   前記冷媒にＲ３２冷媒を用いることを特徴とする冷凍装置。
7. 請求項１又は２に記載の冷凍装置において
   前記永久磁石同期モータの永久磁石にフェライト系磁石を用いること特徴とする冷凍装置。