JP6076808B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機に係り、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可変するインバータ装置に関する。

特許文献１の要約書等には、母線電流の共振成分を低減することを可能にしたモーター駆動制御装置として、三相整流器の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ部と、昇圧コンバータ部のスイッチング素子を制御するスイッチング制御手段と、平滑コンデンサーと、昇圧コンバータ部の出力を交流電圧に変換し、モーターに供給するインバータ回路と、インバータ駆動手段とを備え、スイッチング制御手段は、リアクターと母線との間の容量によって母線電流に生じる共振成分を低減するべく、スイッチング素子のオンデューティーを補償して制御するものが開示されている。

特開2010-166719号公報

近年、空気調和機では通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）を重視するようになり、一般的には中間負荷での効率を上げることでＡＰＦを高い値にすることができる。このため、冷凍サイクルにおける圧縮機の回転数が低いときの効率をより上げるため永久磁石同期モータの巻線を巻き込む設計を行うようにし、モータに流れる電流を小さくすることによってインバータ効率を上げる設計となってきたが、モータの巻線を巻き込むとモータに印加しなければいけない電圧は増えるため、高速での駆動が出来なくなってしまうデメリットが発生する。

これに対し、弱め界磁制御を用いることで上記の問題はある程度は改善できるが、モータの巻き込み数を劇的に増やすことはできなかった。

そこで、本発明は、圧縮機が内蔵するモータが低回転数であるときに、インバータ効率、モータ効率が高くなる空気調和機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、モータを内蔵した圧縮機と、室内熱交換器と、室内空調弁と、室外熱交換器と、アキュームレータと、を順次連結することで冷凍サイクルを構成するとともに、前記モータを制御するインバータ装置を有する空気調和機であって、前記インバータ装置は、三相の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、該コンバータ回路から出力された直流電圧を昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路が出力する直流電圧の電圧を検出する直流電圧検出回路と、前記昇圧回路が出力する直流電圧の電流を検出する直流電流検出回路と、該昇圧回路で昇圧された直流電圧を三相の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記モータの駆動周波数を指令する周波数指令回路と、前記直流電流検出回路の出力から三相のモータ電流を再現する三相電流再現回路と、再現した三相のモータ電流から前記モータの位相を演算する位相演算回路と、前記周波数指令回路と前記位相演算回路の出力に基づいて前記インバータ回路の出力電圧を演算するベクトル演算回路と、前記位相演算回路と前記ベクトル演算回路の出力に基づいて前記インバータ回路を制御する三相のＰＷＭを出力するＰＷＭ変換回路と、前記直流電圧検出回路と前記ベクトル演算回路の出力に基づいて昇圧量を演算する昇圧量演算回路を備えており、前記モータの回転数が第１の回転数未満の第１の領域では、前記昇圧回路から一定の電圧を出力するとともに、前記インバータ回路から前記モータの回転数に比例する電圧を出力し、前記モータの回転数が前記第１の回転数以上、かつ、第２の回転数未満の第２の領域では、前記昇圧回路から一定の電圧を出力とするとともに、前記インバータ回路から一定の電圧を出力し、前記モータの回転数が前記第２の回転数以上、かつ、第３の回転数未満の第３の領域では、前記昇圧回路から前記モータの回転数に比例する電圧を出力するとともに、前記インバータ回路から前記モータの回転数に比例する電圧を出力し、前記モータの回転数が前記第３の回転数以上の第４の領域では、前記昇圧回路から前記第３の領域での最大電圧よりも大きい一定の電圧を出力するとともに、前記インバータ回路から前記第３の領域での最大電圧よりも大きい前記モータの回転数に比例する電圧を出力し、前記第３の領域と前記第４の領域の境界において、前記昇圧回路の出力電圧は不連続の段差を有する空気調和機とした。

本発明を用いることにより、圧縮機が内蔵するモータが低回転数であるときに、インバータ効率、モータ効率が高くなる空気調和機を得ることができる。

一実施例のインバータ装置のブロック図。 一実施例の空気調和機の概要図。 一実施例の空気調和機の冷凍サイクルの例。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図３は、本実施例の空気調和機１１０の概略図である。ここに示すように、空気調和機１１０は、圧縮機１０１、室内熱交換器１０２、室内膨張弁１０４、室外熱交換器１０５、アキュームレータ１０７を順次連結した冷凍サイクルを有している。

例えば、室内を冷房する場合、圧縮機１０１で圧縮した冷媒を、室外熱交換器１０５で凝縮して液化し、その後、室内膨張弁１０４で減圧され室内熱交換器１０２で蒸発し、圧縮機１０１に戻るようになっている。なお、室内熱交換器１０２と室内膨張弁１０４は室内送風機１０３とともに室内機１０９に内蔵される。

また、圧縮機１０１、室外熱交換器１０５、アキュームレータ１０７、インバータ装置２１０は室外送風機１０６とともに室外機１０８に内蔵される。圧縮機１０１は永久磁石同期モータ１１１（以下、モータ１１１）によって駆動され、このモータ１１１の回転数（運転周波数）がインバータ装置２１０によって可変制御されている。これにより、冷凍サイクルに必要な能力に対応するようになっている。

また、室内膨張弁１０４、室外膨張弁（図示せず）の開度、室内送風機１０３、室外送風機１０６の回転数、冷房／暖房の運転モードを切り替える四方弁（図示せず）などが、図示しない制御回路によって制御されている。

図１は、圧縮機１０１を駆動するインバータ装置２１０の内部構造を説明するブロック図である。

図１に示すように、インバータ装置２１０は、単相又は３相交流電源１からコンバータ回路２により直流電圧をつくり、昇圧回路３により直流電圧を昇圧する。昇圧した直流電圧を電源としてインバータ回路５により三相の交流電圧を作成し、モータ１１１を駆動し、圧縮機６を可変則で運転する。

モータ１１１を回転させることにより、直流電圧の母線に電流が流れるので、これをシャント抵抗等の直流電流検出回路８により検出し、検出したタイミングとその時のインバータ回路５のスイッチングの状態から三相電流再現回路１０三相電流を再現し、モータ１１１の三相電流を検出し、その値からモータ１１１の回転子の位相を位相演算回路１１より求める。

そして、空気調和機１１０のサイクルから要求に応じて周波数指令回路１２が出力する周波数指令と位相演算回路１１が出力する位相に基づいてベクトル演算回路１３によりモータ１１１に印加する電圧を求め、ＰＷＭ変換回路１４によりインバータ回路５に出力するＰＷＭ信号を作る。また、直流電圧検出回路９とベクトル演算回路１３の両出力に基づいて昇圧量演算回路１５が昇圧回路３での昇圧量を演算し、昇圧回路３はこれに基づいて昇圧制御される。

図２は、インバータ装置２１０の制御を具体的に説明する図であり、図２（ａ）は昇圧回路３が昇圧を行わない制御、図２（ｂ）は昇圧回路３が昇圧を行う本実施例の制御を説明するものである。また、図２（ａ）、（ｂ）において、上段グラフはモータ１１１の回転数と直流電圧検出回路９が検出する直流電圧（すなわち、昇圧回路３の出力電圧）の関係を示すグラフ、中段グラフは同回転数とインバータ回路５の出力電圧（すなわち、インバータ装置２１０の出力電圧）の関係を示すグラフ、下段グラフは同回転数と直流電流検出回路８が検出する直流電流（すなわち、昇圧回路３の出力電流）の関係を示すグラフである。

まず、図２（ａ）を用いて、昇圧回路３が昇圧を行わない場合を説明する。ここでは、モータ回転数の低い側の領域を領域２０、高い側の領域を領域２１としており、昇圧回路３が昇圧を行わないため、上段グラフの領域２０ａ、２１ａに示すように、モータ回転数に拘らず昇圧回路３の直流電圧は一定である。また、中段グラフの領域２０ｂに示すように、モータ回転数の低い領域２０では、インバータ回路５のＰＷＭ制御だけでインバータ出力電圧を変化させることで、モータ回転数に比例するようにインバータ出力電圧を高めることができる。このため、下段グラフの領域２０ｃに示すように、モータ１１１のトルク上昇相当分だけモータ電流を僅かに上昇させるだけでモータ回転数を上げることができる。このように、モータ回転数が低い領域では、インバータ出力電圧として最適電圧を出力でき、モータ電流の上昇を抑制することができる。

これに対し、モータ回転数が高い領域２１では、インバータ回路５のＰＷＭ制御のデューティーが飽和しており、中段グラフの領域２１ｂに示すように、インバータ出力電圧が頭打ちになっている。この頭打ち電圧を用いる領域２１ｂ（以下では「弱め界磁領域」とも言う）では、モータ１１１に発生する電界が弱いため、モータ回転数を更に上げるには、領域２０ｃでも必要だったトルク上昇相当分のモータ電流に加え、弱電界を踏まえたモータ電流を重畳する必要がある。この結果、下段グラフから明らかなように、領域２１ｃでのモータ電流の傾きは、領域２０ｃでのモータ電流の傾きよりもはるかに大きくなり、モータ１１１の大幅な効率低下を招くという問題が生じる。

そこで、図２（ｂ）に示す本実施例の制御では、モータ回転数の低い領域から順番に領域２２〜２５に区切り、以下のように制御することで上述の問題を解消した。

まず、領域２２と領域２３では昇圧回路３は昇圧を行っていないため、図２（ａ）の領域２０、領域２１と同等の挙動を示す。なお、図２（ｂ）下段グラフに示すように、領域２３ｃではモータ電流が急激に上昇するが、この領域の幅は狭いため、領域内でモータ回転数が最大となった場合でもモータ電流の値は低く抑制されている。

次に、モータ回転数が更に高い領域２４、２５を説明する。上段グラフの領域２４ａに示すように、領域２４ではモータ回転数と比例するように直流電圧を上昇させる。このとき、中段グラフの領域２４ｂに示すように、インバータ出力電圧もモータ回転数に比例して上昇する。インバータ出力電圧を上昇させることで、下段グラフの領域２２ｃと同様に、領域２４ｃでもトルクの上昇に起因するモータ電流の上昇のみが重畳されるので、図２（ａ）下段グラフの領域２１ｃにおける同モータ回転数のモータ電流と比較し、モータ電流を大きく抑制できる。

また、領域２５では、上段グラフの領域２５ａに示すように、領域２４ａでの最大電圧よりも高い一定電圧を昇圧回路３から出力する。そして、中段グラフの領域２５ｂに示すように、モータ回転数に比例するようにインバータ出力電圧を上昇させる。このように、モータ回転数が領域２４から領域２５に移るときにインバータ出力電圧を大きく上昇させることで、下段グラフの領域２５ｃに示すように領域２４ｃに比べモータ電流の値を大幅に小さくすることができる。すなわち、ここで説明した領域２４、２５の何れの回転数においても、図２（ａ）で説明した領域２１に比べ、モータ電流の値を大幅に小さくすることができ、高速回転時のモータ１１１の効率を大幅に改善することができる。

ここで、インバータ回路５のＰＷＭ制御が飽和した直後に、弱め界磁領域の領域２３を設けたのは、この領域ではインバータ出力電圧、モータ電流の何れもさほど大きな値とはならず、モータ１１１を高効率に運転することができるからである。つまり、この領域２３で定格運転を行うようにモータ１１１を設計することで、そのモータ１１１を用いた空気調和機の通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）を大きく抑制することができる。

以上で説明した本実施例の空気調和機によれば、インバータ装置の直流電圧を昇圧装置によって昇圧することで、インバータがモータに印加する電圧を高くすることができ、中間負荷領域でのインバータ効率やモータ効率を上げつつ、圧縮機の高速での駆動も従来通り実施できる空気調和機を実現できる。これにより、年間を通じて一番運転時間の長い中間負荷領域である低回転数でのインバータ効率、モータ効率が高くなるモータ設計ができる。また、その様な設計をした場合には過負荷領域である高回転数での駆動ができなくなることも昇圧によって以前と同様の範囲を確保できる。さらに、モータに流れる電流を小さく抑えることができることから、インバータの電流容量を低くすることができ、高調波の発生量も電流に比例するため高調波の発生量が少ない空気調和機とすることができる。

なお、以上の実施例では、空気調和機を例にインバータ装置の説明を行ったが、同等のインバータ装置を冷凍機に用いても良い。

１．単相又は三相２００Ｖ交流電源
２．コンバータ回路
３．昇圧回路
４．電解コンデンサ
５．インバータ回路
８．直流電流検出回路
９．直流電圧検出回路
１０．三相電流再現回路
１１．位相演算回路
１２．周波数指令回路
１３．ベクトル演算回路
１４．ＰＷＭ変換回路
１５．昇圧量演算回路
１０１ 圧縮機
１０２ 室内熱交換器
１０３ 室内送風機
１０４ 室内膨張弁
１０５ 室外熱交換器
１０６ 室外送風機
１０７ アキュームレータ
１０８ 室外機
１０９ 室内機
１１０ 空気調和機
１１１ 永久磁石同期モータ
２１０ インバータ装置

Claims (2)

1. モータを内蔵した圧縮機と、室内熱交換器と、室内空調弁と、室外熱交換器と、アキュームレータと、を順次連結することで冷凍サイクルを構成するとともに、前記モータを制御するインバータ装置を有する空気調和機であって、
   前記インバータ装置は、
   三相の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路と、
   該コンバータ回路から出力された直流電圧を昇圧する昇圧回路と、
   該昇圧回路が出力する直流電圧の電圧を検出する直流電圧検出回路と、
   前記昇圧回路が出力する直流電圧の電流を検出する直流電流検出回路と、
   該昇圧回路で昇圧された直流電圧を三相の交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記モータの駆動周波数を指令する周波数指令回路と、
   前記直流電流検出回路の出力から三相のモータ電流を再現する三相電流再現回路と、
   再現した三相のモータ電流から前記モータの位相を演算する位相演算回路と、
   前記周波数指令回路と前記位相演算回路の出力に基づいて前記インバータ回路の出力電圧を演算するベクトル演算回路と、
   前記位相演算回路と前記ベクトル演算回路の出力に基づいて前記インバータ回路を制御する三相のＰＷＭを出力するＰＷＭ変換回路と、
   前記直流電圧検出回路と前記ベクトル演算回路の出力に基づいて昇圧量を演算する昇圧量演算回路を備えており、
   前記モータの回転数が第１の回転数未満の第１の領域では、前記昇圧回路から一定の電圧を出力するとともに、前記インバータ回路から前記モータの回転数に比例する電圧を出力し、
   前記モータの回転数が前記第１の回転数以上、かつ、第２の回転数未満の第２の領域では、前記昇圧回路から一定の電圧を出力とするとともに、前記インバータ回路から一定の電圧を出力し、
   前記モータの回転数が前記第２の回転数以上、かつ、第３の回転数未満の第３の領域では、前記昇圧回路から前記モータの回転数に比例する電圧を出力するとともに、前記インバータ回路から前記モータの回転数に比例する電圧を出力し、
   前記モータの回転数が前記第３の回転数以上の第４の領域では、前記昇圧回路から前記第３の領域での最大電圧よりも大きい一定の電圧を出力するとともに、前記インバータ回路から前記第３の領域での最大電圧よりも大きい前記モータの回転数に比例する電圧を出力し、
   前記第３の領域と前記第４の領域の境界において、前記昇圧回路の出力電圧は不連続の段差を有する、
   ことを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１に記載の空気調和機において、
   前記モータの定格運転は、前記第２の領域で行われることを特徴とする空気調和機。