JP6319997B2 - 空気調和機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、空気調和機の制御装置に関する。

空気調和機において、シングルロータリー型のコンプレッサを用いる構成は、ツインロータリー型のコンプレッサを用いる構成に比べて製品コストを低減できるメリットがある反面、１回転毎における冷媒の吸込および吐出の動作により振動が発生するというデメリットがある。そこで、このような振動の発生を抑制するため、コンプレッサのモータ駆動制御において、トルク制御が行われるようになっている。

上記トルク制御は、コンプレッサの回転数に基づいて行われることが一般的である。しかし、コンプレッサの負荷トルクは、吸い込み側圧力Ｐｓおよび吐出側圧力Ｐｄの比（圧力比＝Ｐｄ／Ｐｓ）に応じて変化する。従って、運転条件（冷房運転、暖房運転、それらの強弱など）および製品の仕様によりコンプレッサの負荷トルクが互いに異なるため、上記振動の発生を抑制するための最適なトルク制御を行うことは困難であった。

特開平４−１８５２９４号公報

そこで、運転条件や製品の仕様などに依存せず、最適なトルク制御を実現することができる空気調和機の制御装置を提供する。

本実施形態の空気調和機の制御装置は、空気調和機に設けられたシングルロータリー型のコンプレッサを負荷とするモータの駆動を制御するものであって、トルク制御部、圧力比取得部および記憶部を備えている。トルク制御部は、負荷トルクの変動を補償するようにモータが発生するトルクの制御を行う。圧力比取得部は、コンプレッサの室外機側および室内機側の各圧力の比である圧力比を取得する。記憶部には、空気調和機の複数の運転条件における負荷トルクの変動パターンを示す負荷トルクデータが記憶される。また、トルク制御部は、トルク制御における制御量および位相の一方または双方を、圧力比取得部により取得される圧力比および記憶部に記憶された負荷トルクデータに基づいて決定する。

第１の実施形態を示すもので、空気調和機の冷凍サイクルの概略構成図 圧縮機のモータの駆動制御系を概略的に示す図 負荷トルクとフィードフォワードトルクとを電流波形として示す図 代表的な運転条件毎の負荷トルクの変動パターンを示す図 従来技術を示すもので、コンプレッサの回転数と最適なトルク制御の位相との関係を示す図 従来技術を示すもので、コンプレッサの駆動周波数と最適なトルク制御の制御量との関係を示す図 トルク制御の位相の最適値と実際の制御値とを示す図 トルク制御のゲインの最適値と実際の制御値とを示す図 第２の実施形態を示す図１相当図 図２相当図 第３の実施形態を示す図１相当図 図２相当図

以下、複数の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１の実施形態）
図１に示す空気調和機１の冷凍サイクル装置２は、圧縮機３、四方弁４、室内熱交換器５、減圧器６および室外熱交換器７は、冷媒管路８により閉ループを構成するように接続されている。

圧縮機３は、シングルロータリー型のコンプレッサである。圧縮機３は、圧縮部９およびモータ１０を同一の鉄製密閉容器内に収容して構成されており、モータ１０のロータシャフトが圧縮部９に連結されている。圧縮機３の駆動は、空気調和機１の動作全般を制御する制御装置（図２に符号１１を付して示す）により制御される。

圧縮機３には、圧力センサ１２、１３（圧力検出手段に相当）が取り付けられている。圧力センサ１２は、圧縮機３の吸込み側圧力Ｐｓを検出し、その検出値を表す圧力検出信号Ｓpsを制御装置１１に出力する。圧力センサ１３は、圧縮機３の吐出側圧力Ｐｄを検出し、その検出値を表す圧力検出信号Ｓpdを制御装置１１に出力する。

室内熱交換器５は、図示しない室内機の内部に設けられている。室内熱交換器５の近傍には、例えば横流ファンで構成される図示しない室内送風機が設けられている。室外熱交換器７は、図示しない室外機の内部に設けられている。室外熱交換器７の近傍には、例えばプロペラファンで構成される図示しない室外送風機が設けられている。減圧器６は、例えば絞り弁などで構成されている。四方弁４は、冷房運転時および暖房運転時、さらには暖房運転の前に実行する予熱運転時などの各種の運転時において、冷媒管路８を流れる冷媒の循環方向を各運転に適した方向に適宜切り替える。

図２は、圧縮機３に組み込まれたモータ１０の駆動制御系を概略的に示すものである。図２に示すように、直流電源２１は、交流電源２２から与えられる交流電力を直流電力に変換する。直流電源２１は、リアクトル２３、ダイオードをブリッジ状に接続してなる整流回路２４および平滑用のコンデンサ２５を備えている。交流電源２２およびリアクトル２３の間には、例えばカレントトランス（ＣＴ）などからなる電流センサ２６が介挿されている。

直流電源２１には、電流検出用のシャント抵抗２７を負側に介して、例えばバイポーラトランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの６個のスイッチング素子を３相ブリッジ接続した３アームの（３相の）インバータ回路２８（駆動装置に相当）が接続されている。インバータ回路２８は、直流電源２１から与えられる直流電圧を３相の交流電圧に変換して出力する。インバータ回路２８から出力される３相の交流電圧は、三相のモータ１０の各端子に与えられる。

制御装置１１は、入力電流検出部２９、モータ電流検出部３０、制御部３１（トルク制御部および圧力比取得部に相当）、記憶部３２などを備えている。入力電流検出部２９は、電流センサ２６を介して、交流電源２２から直流電源２１ひいてはインバータ回路２８へと入力される入力電流Ｉａｃを検出し、その検出値を表す電流検出信号Ｓiacを制御部３１に出力する。モータ電流検出部３０は、シャント抵抗２７を介してインバータ回路２８の各アームに流れる電流、つまりモータ１０に流れるモータ電流Ｉｍを検出し、その検出値を表す電流検出信号Ｓimを制御部３１に出力する。

制御部３１は、例えばマイクロコンピュータを主体として構成されており、そのソフトウェアなどにより後述する各種の機能を実現する。制御部３１には、電流検出信号Ｓiac、Ｓimおよび圧力検出信号Ｓps、Ｓpdが与えられている。制御部３１は、入力電流Ｉａｃおよびモータ電流Ｉｍの検出結果、図示しない上位の制御回路などから与えられる回転速度指令などに基づいて、モータ１０への印加電圧を指令するためのパルス幅変調された駆動信号（ＰＷＭ信号）を生成する。生成された駆動信号は、駆動回路３３を介してインバータ回路２８の各スイッチング素子のゲートに与えられる。また、制御部３１は、上述した各検出信号および記憶部３２に記憶された各種のデータ（詳細は後述する）に基づいて、圧縮機３の負荷トルクの周期的な変動による振動の発生を抑えるべく、モータ１０が発生するトルクを制御するトルク制御を実行する。

この場合、図３に示すように、圧縮機３の１回転毎における負荷トルクの変動（図３では負荷トルク曲線として示す）をキャンセルするための代表的なフィードフォワードトルク（図３では、一点鎖線で示す）のデータが用意されており、その代表的なフィードフォワードトルクの位相および制御量（ゲイン）の一方または双方を所定のパラメータ（後述する）に基づいて変化させることにより、実際の負荷トルクの変動を補償するといった制御が行われる。

さて、背景技術の説明でも述べたように、圧縮機３の負荷トルクは、圧力比Ｐｄ／Ｐｓに応じて変化するため、それらの間には一定の関係性が存在する。従って、圧力比Ｐｄ／Ｐｓ（所定のパラメータに相当）から、その時点における圧縮機３の実際の負荷トルクを求める（推定する）ことができる。本実施形態では、このような点に着目し、次のようにしてトルク制御が行われる。

すなわち、記憶部３２には、第１テーブルデータが記憶されている。第１テーブルデータは、圧縮機３の吸い込み側圧力Ｐｓおよび吐出側圧力Ｐｄの比（圧力比＝Ｐｄ／Ｐｓ）と圧縮機３の負荷トルクとの関係が対応付けられたデータである。第１テーブルデータは、予め実機を用いた試験などを行うことにより作成されている。従って、第１テーブルデータは、空気調和機１の製品仕様などに応じて適宜変更すればよい。

制御部３１は、圧力センサ１２、１３から与えられる圧力検出信号Ｓps、Ｓpdから圧縮機３の圧力比Ｐｄ／Ｐｓを演算し、その圧力比および第１テーブルデータから、その時点における実際の負荷トルクを推定する。そして、制御部３１は、負荷トルクの推定値に基づいて、負荷トルクの変動を補償（キャンセル）するように、フィードフォワードトルクの位相および制御量のいずれか一方または双方を変化させる。具体的には、制御部３１は、負荷トルクの推定値に基づいて、次のような制御を行う。

すなわち、この場合、記憶部３２には、図４に示すような空気調和機１の代表的な運転条件１〜４（例えば、冷房低負荷、冷房高負荷、暖房低負荷および暖房高負荷など）における負荷トルクの変動パターンを示す代表負荷トルクデータが記憶されている。制御部３１は、所定時点における負荷トルクの推定値、同時点におけるモータ１０の回転数および代表負荷トルクデータを参照し、そのときの負荷トルクの変動パターンを把握する。そして、制御部３１は、その把握した負荷トルクの変動をうまくキャンセルするように上記位相および制御量の一方または双方を変化させる制御を行う。

続いて、このような本実施形態のトルク制御により得られる効果について、コンプレッサ（圧縮機）の回転数（または駆動周波数）に基づいて行われる従来のトルク制御（以下、従来制御と呼ぶ）と比較しながら説明する。背景技術の説明でも述べたように、圧縮機３の負荷トルクの変動パターンは、空気調和機１の運転条件や製品仕様などにより、互いに異なる。例えば、図４に示したように、空気調和機１の代表的な４つの運転条件においても、それぞれの負荷トルクの変動パターンは、互いに大きく異なっている。従って、モータ１０（圧縮機３）の回転数（機械角）が同一の値であっても、運転条件毎に実際の負荷トルクの値が異なるため、最適なトルク制御の位相、制御量が異なることになる。

このように、回転数と最適なトルク制御の位相または制御量との相関性が少ないため、回転数から一義的に最適なトルク制御の位相または制御量を導き出すことは、困難である。そのため、従来制御では、図５および図６に示すように、回転数毎に複数存在する最適なトルク制御の位相および制御量を直線近似した値でもってトルク制御が行われたとしても、運転条件や製品の仕様などによっては、負荷トルクの変動を補償することができず、その結果、振動が生じるおそれがあった。

これに対し、本実施形態のトルク制御では、圧縮機３の圧力比Ｐｄ／Ｐｓを求め、その値に基づいてトルク制御の位相および制御量の一方または双方を変化させるようになっている。前述したように、圧力比Ｐｄ／Ｐｓは、実際の負荷トルクと一定の関連性がある。そのため、圧力比Ｐｄ／Ｐｓと最適なトルク制御の位相または制御量との間には相関性がある。

従って、本実施形態のトルク制御によれば、図７および図８に示すように、最適なトルク制御の位相および制御量を直線近似した値でもってトルク制御が行われることにより、運転条件や製品の仕様などに依存することなく、負荷トルクの変動を補償すること、つまり最適なトルク制御を実現することができる。なお、図７および図８における横軸は、上述したパラメータに相当する。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、図９および図１０を参照しながら説明する。
図９に示すように、本実施形態では、圧力センサ１２、１３が省かれるとともに、温度センサ４１、４２（温度検出手段に相当）が追加されている。

温度センサ４１は、室内熱交換器５に取り付けられている。温度センサ４１は、室内熱交換器５の温度Ｔｃを検出し、その検出値を表す温度検出信号Ｓtcを制御装置１１に出力する。温度センサ４２は、室外熱交換器７に取り付けられている。温度センサ４２は、室外熱交換器７の温度Ｔｅを検出し、その検出値を表す温度検出信号Ｓteを制御装置１１に出力する。この場合、図１０に示すように、制御部４３（トルク制御部、圧力比取得部および圧力推定部に相当）には、電流検出信号Ｓiac、Ｓimおよび温度検出信号Ｓtc、Ｓteが与えられている。

さて、圧縮機３の圧力比Ｐｄ／Ｐｓと、室内熱交換器５の温度Ｔｃおよび室外熱交換器７の温度Ｔｅとの間には、一定の関係性が存在する。そこで、本実施形態では、制御部４３は、下記（１）式または（２）式に基づいて、圧力比Ｐｄ／Ｐｓを推定する。ただし、ωは、モータ１０の推定回転数（回転速度）である。
Ｐｄ／Ｐｓ＝｜Ｔｃ−Ｔｅ｜ …（１）
Ｐｄ／Ｐｓ＝（ω・｜Ｔｃ−Ｔｅ｜）^１／２ …（２）

そして、制御部４３は、上記（１）または（２）式により推定した値（圧力比Ｐｄ／Ｐｓであり、所定のパラメータに相当）を用い、第１の実施形態と同様にトルク制御を行う。従って、本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。また、本実施形態では、圧力センサ１２、１３を省くことが出来るため、圧縮機３の構成を簡素化することができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、図１１および図１２を参照しながら説明する。
図１１に示すように、本実施形態では、圧力センサ１２、１３が省かれている。この場合、図１２に示すように、制御部５１（トルク制御部および圧力比取得部に相当）には、電流検出信号Ｓiac、Ｓimが与えられている。

さて、入力電流Ｉａｃおよびモータ電流Ｉｍは、圧縮機３の負荷トルクひいては圧力比Ｐｄ／Ｐｓに応じて変化する。つまり、圧縮機３の圧力比Ｐｄ／Ｐｓと、入力電流Ｉａｃおよびモータ電流Ｉｍとの間には、一定の関係性が存在する。従って、入力電流Ｉａｃまたはモータ電流Ｉｍ（所定のパラメータに相当）から、圧縮機３の圧力比Ｐｄ／Ｐｓひいては実際の負荷トルクを求める（推定する）ことができる。本実施形態では、このような点に着目し、次のようにしてトルク制御が行われる。

すなわち、記憶部３２には、圧力比Ｐｄ／Ｐｓと入力電流Ｉａｃおよびモータ電流Ｉｍとの関係が対応付けられた第２テーブルデータが記憶されている。第２テーブルデータは、第１テーブルデータと同様、予め実機を用いた試験などを行うことにより作成されている。従って、第２テーブルデータは、空気調和機１の製品仕様などに応じて適宜変更すればよい。そして、制御部５１は、入力電流Ｉａｃまたはモータ電流Ｉｍの検出結果および第２テーブルデータを用いて圧力比Ｐｄ／Ｐｓ（または負荷トルク）を推定し、その推定値を用いて第１の実施形態と同様にトルク制御を行う。

従って、本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。また、本実施形態では、モータ１０の駆動制御に元々利用されている電流検出のための構成を用いて最適なトルク制御を行うことができるため、新たな構成を別途設ける必要がなく、装置全体の構成を簡素化することができる。

（その他の実施形態）
第２の実施形態において、制御部４３は、圧縮機３の圧力比Ｐｄ／Ｐｓと、室内熱交換器５の温度Ｔｃおよび室外熱交換器７の温度Ｔｅとを関係付けた他の式に基づいて、圧力比Ｐｄ／Ｐｓを推定してもよい。また、圧力比Ｐｄ／Ｐｓと各温度Ｔｃ、Ｔｅとの関係を対応付けたテーブルデータを記憶部３２に記憶しておき、制御部４３が、各温度Ｔｃ、Ｔｅおよびそのテーブルデータを用いて圧力比Ｐｄ／Ｐｓを推定してもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は空気調和機、３は圧縮機（コンプレッサ）、５は室内熱交換器（熱交換器）、７は室外熱交換器（熱交換器）、１０はモータ、１１は制御装置、１２、１３は圧力センサ（圧力検出手段）、２８はインバータ回路（駆動装置）、２９は入力電流検出部、３０はモータ電流検出部、３１、５１は制御部（トルク制御部、圧力比取得部）、４１、４２は温度センサ（温度検出手段）、４３は制御部（トルク制御部、圧力比取得部、圧力推定部）を示す。

Claims (5)

1. 空気調和機に設けられたシングルロータリー型のコンプレッサを負荷とするモータの駆動を制御する制御装置であって、
   負荷トルクの変動を補償するように前記モータが発生するトルクの制御を行うトルク制御部と、
   前記コンプレッサの室外機側および室内機側の各圧力の比である圧力比を取得する圧力比取得部と、
   前記空気調和機の複数の運転条件における負荷トルクの変動パターンを示す負荷トルクデータが記憶される記憶部と、
   を備え、
   前記トルク制御部は、トルク制御における制御量および位相の一方または双方を、前記圧力比取得部により取得される圧力比および前記記憶部に記憶された前記負荷トルクデータに基づいて決定することを特徴とする空気調和機の制御装置。
2. 請求項１に記載の空気調和機の制御装置において、
   前記コンプレッサの各圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記圧力比取得部は、前記圧力検出手段の検出値から前記圧力比を取得することを特徴とする空気調和機の制御装置。
3. 請求項１に記載の空気調和機の制御装置において、
   前記室内機および前記室外機の各熱交換器の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段の検出値から前記各圧力を推定する圧力推定部と、
   を備え、
   前記圧力比取得部は、
   前記圧力推定部により推定される各圧力から前記圧力比を取得することを特徴とする空気調和機の制御装置。
4. 請求項１に記載の空気調和機の制御装置において、
   前記モータを駆動する駆動装置に対する入力電流を検出する入力電流検出部を備え、
   前記圧力比取得部は、
   前記入力電流検出部の検出値に基づいて前記圧力比を取得することを特徴とする空気調和機の制御装置。
5. 請求項１に記載の空気調和機の制御装置において、
   前記モータに流れるモータ電流を検出するモータ電流検出部を備え、
   前記圧力比取得部は、
   前記モータ電流検出部の検出値に基づいて前記圧力比を取得することを特徴とする空気調和機の制御装置。

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