JP6714178B1 - 回転機制御装置、冷媒圧縮装置、冷凍サイクル装置、および空気調和機 - Google Patents

Abstract

回転機制御装置（１００）は、三相の回転機（１）に電圧を印加する電圧印加部（３）と、電圧が印加されることで回転機（１）に流れる電流の情報を示す電流情報を出力する電流検出部（４）と、回転機（１）の相間に電圧を印加させる電圧指令を出力する制御部（５）と、電圧指令と電流情報とを監視することで相間に流れる電流値を検出し、相間に流れる電流値の合計値をあらかじめ定められた基準値と比較することで回転機（１）の欠相の有無を判定する欠相判定を行う欠相判定部（６）と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、回転機の動作を制御する回転機制御装置、冷媒圧縮装置、冷凍サイクル装置、および空気調和機に関する。

回転機は内部に複数の巻線を有し、複数の巻線は、回転機の回転を制御する回転機制御装置と配線を介して接続する。配線が断線した場合、回転機制御装置は、回転機を正常に回転させることができない。このため、配線の断線の有無を判定することが必要とされる。巻線ごとすなわち相ごとに配線の断線の有無を判定することは、欠相判定と呼ばれる。特許文献１は、インバータが回転機の各相にパルス状の電圧を一つずつ印加し、パルス状の電圧を印加したときに流れる直流母線電流の大きさを各相それぞれ基準値と比較することで欠相判定を行う、回転機制御装置を開示する。

特開２００７−１４３２４４号公報

回転機が外力または慣性によって回転している場合、直流母線電流の大きさは、インバータによって印加された電圧だけでなく、速度起電力の影響も受ける。速度起電力とは、回転機の単位時間あたりの回転数に比例して発生する起電力である。このため、特許文献１に記載の回転機制御装置は、回転機が外力または慣性によって回転している場合、直流母線電流の値を正確に得ることができない。したがって、特許文献１に記載の回転機制御装置は、回転機が回転しているときに欠相判定を行った場合、欠相判定の精度が劣化するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転機が回転中であっても、精度よく欠相判定を行うことができる回転機制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、回転機制御装置は、三相の回転機に電圧を印加する電圧印加部と、電圧印可部の直流母線に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいて、電圧が印加されることで回転機に流れる電流の情報を示す電流情報を出力する電流検出部と、回転機の各相間に順にパルス状の電圧を印加させる電圧指令を出力する制御部と、電圧指令と電流情報とを監視することで相間に流れる電流値を検出し、相間に流れる電流値の合計値をあらかじめ定められた基準値と比較することで回転機の欠相の有無を判定する欠相判定を行う欠相判定部と、を備えることを特徴とする。欠相判定部は、各相間に印可されたパルス状の電圧が印可される前と、各相間に印可されたパルス状の電圧が印可された後と、の電流検出部が検出する電流の変化量をそれぞれ保持し、保持した各相間の電流値の変化量の合計値をあらかじめ定められた基準値と比較することで回転機の欠相の有無を判定する欠相判定を行う。

本発明によれば、回転機が回転中であっても、精度よく欠相判定を行うことができる回転機制御装置を得ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる回転機制御装置の構成を示す図 本発明の実施の形態１にかかる制御回路の構成例を示す図 本発明の実施の形態１にかかる回転機制御装置が欠相判定を行うときに回転機制御装置および回転機に流れる電流を示す第１の図 本発明の実施の形態１にかかる回転機制御装置が欠相判定を行うときに回転機制御装置および回転機に流れる電流を示す第２の図 本発明の実施の形態１にかかる回転機制御装置が欠相判定を行うときに回転機制御装置および回転機に流れる電流を示す第３の図 本発明の実施の形態１にかかる欠相判定の流れを示すフローチャート 本発明の実施の形態１にかかる回転機が停止中のときに欠相判定を行う場合のスイッチング素子の動作、線間電圧、速度起電力および直流母線電流を示す図 本発明の実施の形態１にかかる回転機が回転中のときに欠相判定を行う場合のスイッチング素子の動作、線間電圧、速度起電力および直流母線電流を示す図 本発明の実施の形態２にかかる回転機制御装置の構成を示す図 本発明の実施の形態２にかかる巻線の接続状態の切り替え完了の判定を示すフローチャート 本発明の実施の形態３にかかる空気調和機の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる回転機制御装置、冷媒圧縮装置、冷凍サイクル装置、および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる回転機制御装置１００の構成を示す図である。回転機制御装置１００には、三相の回転機１と直流電圧源２とが接続される。回転機制御装置１００は、回転機１の動作を制御する。回転機制御装置１００は、電圧印加部３と、電流検出部４と、制御部５と、欠相判定部６と、を備える。

電圧印加部３は、直流電圧源２から供給される直流電圧Ｖ_ｄｃを交流電圧に変換し、交流電圧を回転機１に印加する。実施の形態１では、電圧印加部３に、三相電圧形インバータが用いられる。電圧印加部３は、スイッチング素子３１〜３６を備える。電圧印加部３は、制御部５から出力される電圧指令に基づいて、スイッチング素子３１〜３６をそれぞれ独立にオンまたはオフとすることで、回転機１に印加する電圧を制御する。

電流検出部４は、回転機１に流れる電流の電流値を検出し、検出した電流の値を示す電流情報を制御部５および欠相判定部６に出力する。実施の形態１では、電流検出部４は、電圧印加部３の負側直流母線に設けられるシャント抵抗を用いて電流値を検出する、１シャント電流検出方式を用いて回転機１に流れる電流を検出するが、電流検出部４が電流を検出する方法はこの方式に限定されない。電流検出部４は、ＣＴ（Current Transformer）と呼ばれる計器用変流器を用いた電流センサであってもよい。

制御部５は、外部から入力される速度指令、トルク指令などの運転指令に基づいて、電圧指令を生成し、電圧印加部３に出力することで電圧印加部３を制御する。また、制御部５は、電圧指令を欠相判定部６に出力する。制御部５が行う電圧印加部３の制御の方法は、例えば、回転機１の運転周波数に比例した電圧を出力するＶ／ｆ一定制御、回転座標系を用いて回転機１に流れる電流を制御するベクトル制御、回転機１の磁束およびトルクを制御する直接トルク制御などが挙げられる。制御部５が行う電圧印加部３の制御の方法は、Ｖ／ｆ一定制御、ベクトル制御、直接トルク制御などのうち、いずれの制御方法であってもよい。

制御部５がベクトル制御または直接トルク制御を用いて電圧印加部３を制御する場合、制御部５は回転機１の位相情報を取得する必要がある。制御部５は、回転機１の位相情報を取得するために図示しないロータリーエンコーダ、レゾルバなどの位置センサを用いて位相情報を取得してもよいし、回転機１に流れる電流値と電圧印加部３に出力する電圧指令とを用いて、位置センサを用いずに位相情報を推定してもよい。

欠相判定部６は、回転機１の内部配線および回転機１への配電線路の断線の有無の判定、つまり欠相判定を行う。欠相判定部６が欠相有りと判定した場合、制御部５は、例えば、スイッチング素子３１〜３６を全てオフにするように電圧印加部３を制御したり、回転機１の回転数を徐々に減少させてから回転機１を停止するように電圧印加部３を制御したりする。また、制御部５は、欠相していることを音または光で使用者に分かるように表示することで、外部への異常報知などの適切な保護動作を実施する。欠相判定部６が行う欠相判定の詳細は後述する。

本発明の実施の形態１にかかる制御部５および欠相判定部６のハードウェア構成について説明する。制御部５および欠相判定部６は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。

本発明の実施の形態１にかかる処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリ及びメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央演算装置）を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリなどが該当する。図２は、本発明の実施の形態１にかかる制御回路５００の構成例を示す図である。処理回路が、専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものである。

図２に示すように、制御回路５００は、ＣＰＵであるプロセッサ５００ａと、メモリ５００ｂとを備える。図２に示す制御回路５００により制御部５および欠相判定部６が実現される場合、プロセッサ５００ａがメモリ５００ｂに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ５００ｂは、プロセッサ５００ａが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

図３は、本発明の実施の形態１にかかる回転機制御装置１００が欠相判定を行うときに回転機制御装置１００および回転機１に流れる電流を示す第１の図である。図４は、本発明の実施の形態１にかかる回転機制御装置１００が欠相判定を行うときに回転機制御装置１００および回転機１に流れる電流を示す第２の図である。図５は、本発明の実施の形態１にかかる回転機制御装置１００が欠相判定を行うときに回転機制御装置１００および回転機１に流れる電流を示す第３の図である。図３〜図５において、回転機１はＹ結線で結線された状態である。図３〜図５において、丸で囲われているスイッチング素子はオンとなっているスイッチング素子である。また、図３〜図５において、斜線が引かれているスイッチング素子は、オフとなっているスイッチング素子である。図３〜図５において、矢印は電流の流れを示す。

図３では、スイッチング素子３１および３４がオン、スイッチング素子３２，３３，３５および３６がオフであり、回転機１のＵ相−Ｖ相間に電流が流れる。図４では、スイッチング素子３３および３６がオン、スイッチング素子３１，３２，３４および３５がオフであり、回転機１のＶ相−Ｗ相間に電流が流れる。図５では、スイッチング素子３２および３５がオン、スイッチング素子３１，３３，３４および３６がオフであり、回転機１のＷ相−Ｕ相間に電流が流れる。これらのスイッチング素子３１〜３６の制御は、制御部５が出力する回転機１の相間に電圧を印加させる電圧指令に基づいて制御される。

回転機制御装置１００が行う欠相判定の方法を説明する。図６は、本発明の実施の形態１にかかる欠相判定の流れを示すフローチャートである。電圧印加部３は、あらかじめ定められた時間、スイッチング素子３１および３４をオン、スイッチング素子３２，３３，３５および３６をオフとすることで、回転機１のＵ相−Ｖ相間にパルス状の電圧を印加する（ステップＳ１）。欠相判定部６は、制御部５が出力する電圧指令と電流検出部４が出力する電流情報とを監視し、Ｕ相−Ｖ相間にパルス状の電圧が印加される前の負側の直流母線電流の値と、Ｕ相−Ｖ相間にパルス状の電圧が印加された後の負側の直流母線電流の値とを検出する（ステップＳ２）。

欠相判定部６は、Ｕ相−Ｖ相間にパルス状の電圧が印加される前の負側直流母線電流の値と、Ｕ相−Ｖ相間にパルス状の電圧が印加された後の負側直流母線電流の値との差分を変化量ΔＩ_１として保持する（ステップＳ３）。電圧印加部３は、スイッチング素子３１〜３６をオフとすることによって、電流検出部４に流れる電流を十分小さくする（ステップＳ４）。スイッチング素子３１〜３６がそれぞれオンまたはオフになることにより流れるＵ相−Ｖ相間などの電流値の詳細については後述する。

電圧印加部３は、あらかじめ定められた時間、スイッチング素子３３および３６をオン、スイッチング素子３１，３２，３４および３５をオフとすることで回転機１のＶ相−Ｗ相間にパルス状の電圧を印加する（ステップＳ５）。欠相判定部６は、制御部５が出力する電圧指令と電流検出部４が出力する電流情報とを監視し、Ｖ相−Ｗ相間にパルス状の電圧が印加される前の負側の直流母線電流の値と、Ｖ相−Ｗ相間にパルス状の電圧が印加された後の負側の直流母線電流の値とを検出する（ステップＳ６）。欠相判定部６は、Ｖ相−Ｗ相間にパルス状の電圧が印加される前の負側直流母線電流の値と、Ｖ相−Ｗ相間にパルス状の電圧が印加された後の負側直流母線電流の値との差分を変化量ΔＩ_２として保持する（ステップＳ７）。電圧印加部３は、スイッチング素子３１〜３６をオフとすることによって、電流検出部４に流れる電流を十分小さくする（ステップＳ８）。

電圧印加部３は、あらかじめ定められた時間、スイッチング素子３２および３５をオン、スイッチング素子３１，３３，３４および３６をオフとすることで回転機１のＷ相−Ｕ相間にパルス状の電圧を印加する（ステップＳ９）。欠相判定部６は、制御部５が出力する電圧指令と電流検出部４が出力する電流情報とを監視し、Ｗ相−Ｕ相間にパルス状の電圧が印加される前の負側の直流母線電流の値と、Ｗ相−Ｕ相間にパルス状の電圧が印加された後の負側の直流母線電流の値とを検出する（ステップＳ１０）。欠相判定部６は、Ｗ相−Ｕ相間にパルス状の電圧が印加される前の負側直流母線電流の値と、Ｗ相−Ｕ相間にパルス状の電圧が印加された後の負側直流母線電流の値との差分を変化量ΔＩ_３として保持する（ステップＳ１１）。電圧印加部３は、スイッチング素子３１〜３６をオフとすることによって、電流検出部４に流れる電流を十分小さくする（ステップＳ１２）。

欠相判定部６は、回転機１の相間に流れる電流値の合計値をあらかじめ定められた基準値と比較することで欠相判定を行う。欠相判定部６は、ΔＩ_１＋ΔＩ_２＋ΔＩ_３の値が基準値Ｉ_ｔｅｓｔより大きいか判定する（ステップＳ１３）。ΔＩ_１＋ΔＩ_２＋ΔＩ_３の値がＩ_ｔｅｓｔより大きい場合（ステップＳ１３，Ｙｅｓ）、欠相判定部６は、欠相は無いと判断する（ステップＳ１４）。ΔＩ_１＋ΔＩ_２＋ΔＩ_３の値がＩ_ｔｅｓｔ以下である場合（ステップＳ１３，Ｎｏ）、欠相判定部６は、欠相が有ると判断する（ステップＳ１５）。

基準値Ｉ_ｔｅｓｔは、回転機１の各相のインダクタンス値Ｌと、パルス状の電圧の印加時間に基づいて算出される。ＲＬ負荷に電圧Ｖをステップ入力した場合、電流応答はＶ／Ｌの傾きで立ち上がる。したがって、例えば、回転機１がＹ結線の場合、Ｕ相−Ｖ相間が欠相していなければ、ΔＩ_１は下記の式（１）によって算出される。
ΔＩ_１＝Ｖ_ｄｃ／（２×Ｌ）・・・（１）

ΔＩ_２、ΔＩ_３も相間が欠相していなければ、式（１）の右辺と同じ式によって算出される。基準値Ｉ_ｔｅｓｔは、例えば、下記の式（２）で示される。
Ｉ_ｔｅｓｔ＝３×Ｖ_ｄｃ／（２×Ｌ）・・・（２）

式（２）では、ΔＩ_１、ΔＩ_２、およびΔＩ_３は同じ値であるため、ΔＩ_１を３倍した値としている。なお、基準値Ｉ_ｔｅｓｔは式（２）で示される値に適切な余裕を持たせてもよい。適切な余裕を持たせた値は、電流検出部４の電流値の検出の精度を考慮して設定される。基準値Ｉ_ｔｅｓｔに適切な余裕を持たせた値は、式（２）の右辺に示される値よりも小さい値となる。

本発明の実施の形態１にかかる回転機制御装置１００の効果について説明する。回転機制御装置１００がΔＩ_１、ΔＩ_２、およびΔＩ_３の合計値を用いて欠相判定を行う方法は、Ｕ相−Ｖ相間の欠相、Ｖ相−Ｗ相間の欠相、Ｗ相−Ｕ相間の欠相をそれぞれ一つずつ判定する方法に比べて、精度よく欠相判定を行うことができる。この理由について説明する。

図７は、本発明の実施の形態１にかかる回転機１が停止中のときに欠相判定を行う場合のスイッチング素子３１〜３６の動作、線間電圧、速度起電力および直流母線電流を示す図である。図８は、本発明の実施の形態１にかかる回転機１が回転中のときに欠相判定を行う場合のスイッチング素子３１〜３６の動作、線間電圧、速度起電力および直流母線電流を示す図である。図７および図８は、回転機１と回転機制御装置１００との接続の経路上で欠相が無いときの電流値などを示す。図７および図８において、横軸は時間、縦軸はスイッチング素子３１〜３６の動作、速度起電力、直流母線電流のいずれかを示す。

図７で示すように、回転機１が停止中の場合は、速度起電力が発生しないため、直流母線電流の変化量ΔＩ_１、ΔＩ_２、およびΔＩ_３は、それぞれほぼ等しくなる。このため、回転機制御装置１００が行う欠相判定の方法を用いた場合と、Ｕ相−Ｖ相間の欠相、Ｖ相−Ｗ相間の欠相、およびＷ相−Ｕ相間の欠相をそれぞれ欠相判定する場合とで、欠相判定の結果に差が生じることはない。しかし、図８で示すように、回転機１が回転中の場合は、速度起電力が発生している場合、この速度起電力がパルス状の電圧に加わるため、欠相判定部６が取得する直流母線電流の変化量ΔＩ_１、ΔＩ_２、およびΔＩ_３は、それぞれ異なった値となる。このため、特に、速度起電力がパルス状の電圧を打ち消す方向に作用している相では、Ｕ相−Ｖ相間の欠相、Ｖ相−Ｗ相間の欠相、Ｗ相−Ｕ相間の欠相をそれぞれ一つずつ欠相判定する方法を用いると、回転機１で欠相していないにもかかわらず欠相していると判定する場合がある。

ここで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相はそれぞれ位相が１２０°ずつ、ずれているため、速度起電力の三相ベクトル和は、ゼロになる。本発明では、ステップＳ１３において、ΔＩ_１＋ΔＩ_２＋ΔＩ_３の値を計算するため、速度起電力の影響を打ち消すことができる。図７とΔＩ_１の値と図８のΔＩ_１の値とは異なるが、図７のΔＩ_１＋ΔＩ_２＋ΔＩ_３の値と図８のΔＩ_１＋ΔＩ_２＋ΔＩ_３の値とは一致する。したがって、本発明では、回転機１が回転中においても、速度起電力の影響を打ち消して、欠相判定部６は精度よく欠相判定を行うことができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態１では、回転機制御装置１００は、三相の回転機１に電圧を印加する電圧印加部３と、電圧が印加されることで回転機１に流れる電流の情報を示す電流情報を出力する電流検出部４と、回転機１の相間に電圧を印加させる電圧指令を出力する制御部５と、電圧指令と電流情報とを監視することで相間に流れる電流値を検出し、相間に流れる電流値の合計値をあらかじめ定められた基準値と比較することで回転機１の欠相の有無を判定する欠相判定を行う欠相判定部６と、を備える。このため、回転機１が回転中である場合においても、速度起電力の影響を打ち消すことができ、回転機１が回転中であっても精度よく欠相判定を行うことができる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２にかかる回転機制御装置１００ａの構成を示す図である。回転機制御装置１００ａは、回転機制御装置１００の構成に加えて接続切替装置７をさらに備える。接続切替装置７は、回転機１の巻線の結線状態を切り替えるスイッチ回路であり、切替器７１〜７３を有する。また、接続切替装置７は、回転機１の回転動作中に切替器７１〜７３の切り替え動作を行うことによって回転機１の固定子巻線の接続状態を切り替える。結線状態の切り替えは、制御部５が切替指令を接続切替装置７に出力することで行われる。切替器７１〜７３は、メカリレーで構成されてもよいし、半導体スイッチで構成されても良い。実施の形態２では、切替器７１〜７３は、回転機１をＹ結線とΔ結線とに切り替える。Δ結線はデルタ結線とも呼ばれる。

回転機１の巻線のＹ結線とΔ結線とを切り替えることの利点について説明する。Ｙ結線状態の線間電圧をＶ_Ｙ、巻線に流れ込む電流をＩ_Ｙとする。また、Δ結線状態の線間電圧をＶ_Δ、巻線に流れ込む電流をＩ_Δとする。各相の巻線にかかる電圧が互いに等しいとすると、下記の式（３）および式（４）が成り立つ。
Ｖ_Δ＝Ｖ_Ｙ／√３・・・（３）
Ｉ_Δ＝√３×Ｉ_Ｙ・・・（４）

Ｙ結線状態の電圧Ｖ_Ｙおよび電流Ｉ_Ｙと、Δ結線状態の電圧Ｖ_Δおよび電流Ｉ_Δとが式（３）および式（４）の関係を有するとき、Ｙ結線状態のときに回転機１に供給される電力とΔ結線状態のときに回転機１に供給される電力とは等しい。回転機１に供給される電力が互いに等しいとき、Δ結線状態の方が巻線に流れ込む電流は大きく、回転機１の回転に必要な電圧は低い。

以上の性質を利用し、負荷条件に合わせて巻線の結線状態を選択することが考えられる。例えば、低負荷時にはＹ結線状態にすることで回転機１を低速で運転させ、高負荷時にはΔ結線状態にすることで回転機１を高速で運転させることが考えられる。このようにすることで、低負荷時の消費電力に対する運転効率を向上させ、高負荷時に回転機１を高出力とさせることができる。

ここで、巻線の結線状態を切り替えるとき、切替器７１〜７３の動作時間には、ばらつきが発生する。このため、切替指令を出力してから完全に巻線の接続状態が切り替わるまでには時間を要する。したがって、制御部５は、巻線の接続状態に合わせて回転機１を制御するため、切替器７１〜７３の切替動作が完了したか否かを判定する必要がある。上述した通り、切替器７１〜７３の動作時間には、ばらつきが発生するため、巻線の切り替え開始以後は、実際には欠相は無いにも関わらず、欠相判定部６は、欠相が有ると判定し、巻線の切り替え完了後には欠相が無いと判定する。実施の形態２では、制御部５がこの欠相判定部６の判定結果を用いて、切替器７１〜７３の切替動作が完了したか否かを判定する。

図１０は、本発明の実施の形態２にかかる巻線の接続状態の切り替え完了の判定を示すフローチャートである。制御部５は、回転機１が回転中であるときに接続切替装置７に切替指令を出力する（ステップＳ２１）。接続切替装置７は、切替指令が入力されると切替器７１〜７３を動作させる。欠相判定部６は、実施の形態１に示した欠相の有無を判定する欠相判定を行う（ステップＳ２２）。欠相判定部６が、欠相が無いと判定した場合（ステップＳ２２，Ｎｏ）、制御部５は、切替器７１〜７３の切替動作が完了したと判定し、巻線の結線状態に応じた回転機１の制御を開始し（ステップＳ２３）、切替動作が完了したかの判定処理を終了する。具体的には、制御部５は、欠相判定の結果が欠相無しである場合、切り替え後の回転機１の巻線の結線状態に応じた電圧指令を電圧印加部３に出力する。欠相判定部６が、欠相が有ると判定した場合（ステップＳ２２，Ｙｅｓ）、制御部５は、欠相が有ると判定されている時間があらかじめ定められた値以上であるか判定する（ステップＳ２４）。欠相が有ると判定されている時間があらかじめ定められた値以上である場合（ステップＳ２４，Ｙｅｓ）、制御部５は、回転機１の停止、異常報知など保護動作を実施し（ステップＳ２５）、処理を終了する。

欠相が有ると判定されている時間があらかじめ定められた値以上である場合、巻線の切り替え動作によって欠相が有ると判定されているのではなく、実際に欠相が発生しているため欠相が有ると判定されていると考えられる。このため、制御部５は、ステップＳ２５の動作を行う。欠相が有ると判定されている時間は、例えば、制御部５が、ステップＳ２４の処理を行った時間と、制御部５が切替指令を出力した時間との差を算出することで求めることができる。欠相が有ると判定されている時間があらかじめ定められた値以上でない場合（ステップＳ２４，Ｎｏ）、処理はステップＳ２２に戻る。

このように、図１０に示されるフローチャートで巻線を切り替えることで、実際に巻線の接続の切り替えが完了したタイミングが分かるため、制御部５は、接続状態に応じた制御ゲインを用いて回転機１を回転することができる。

欠相判定部６が行う欠相判定の方法は、実施の形態１と同様である。ただし、Δ結線の相間のインピーダンスは、Ｙ結線の相間のインピーダンスの１／３倍であることを考慮して、回転機１をΔ結線に切り替える際は、基準値Ｉ_ｔｅｓｔの値を適切に設定する必要がある。つまり、回転機１をＹ結線からΔ結線に切り替える場合に用いられる基準値Ｉ_ｔｅｓｔの値は、回転機１をΔ結線からＹ結線に切替える場合に用いられる基準値Ｉ_ｔｅｓｔの値よりも大きくする必要がある。

以上説明したように、本発明の実施の形態２では、回転機制御装置１００ａは、回転機制御装置１００の構成に加えて、回転機１の巻線の結線状態を切り替える切替器７１〜７３をさらに備える。制御部５は、回転機１が回転中に切替器７１〜７３を動作させ、欠相判定の結果が欠相無しである場合、切り替え後の回転機１の巻線の結線状態に応じた電圧指令を電圧印加部３に出力する。このため、切替器７１〜７３の動作にばらつきがあっても、回転機１を停止させることなく、回転機１が回転中に素早くかつ安定して回転機１の巻線の結線状態を切り替えて回転機１の運転を継続することができる。

また、切替器７１〜７３は、回転機１の巻線の結線状態をＹ結線方式とΔ結線方式とに切り替える。切替器７１〜７３が回転機１の巻線の結線状態をＹ結線方式からΔ結線方式へと切り替える場合に用いられる基準値は、回転機１の巻線の結線状態をΔ結線方式からＹ結線方式へと切り替える場合に用いられる基準値よりも大きくすることで、巻線の結線状態の切り替えが完了したと判定する精度の劣化を抑制することができる。

実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３にかかる空気調和機４００の構成を示す図である。空気調和機４００は、冷凍サイクル装置３００と送風機４０１とを備える。冷凍サイクル装置３００は、冷媒圧縮装置２００と、凝縮器３０１と、膨張弁３０２と、蒸発器３０３とを備える。冷媒圧縮装置２００は、圧縮機２０１と、回転機制御装置１００ａとを備える。

図１１に示すように、圧縮機２０１と凝縮器３０１との間は、冷媒配管１５０で接続される。同様に、凝縮器３０１と膨張弁３０２との間、膨張弁３０２と蒸発器３０３との間、蒸発器３０３と圧縮機２０１との間は、それぞれ冷媒配管１５０で接続される。これにより、圧縮機２０１、凝縮器３０１、膨張弁３０２および蒸発器３０３の間では冷媒が循環する。

圧縮機２０１が、冷媒ガスを圧縮して高圧のガスにするために、回転機１は、回転機制御装置１００ａから三相交流電圧が印加される。回転機１は、回転機制御装置１００ａによって可変速制御される。回転機１は、固定子巻線の結線状態を切り替えるための不図示の接続切替装置７と接続する。

冷凍サイクル装置３００では、冷媒の蒸発、圧縮、凝縮、膨張という工程が繰り返し行われる。冷媒は、液体から気体へ変化し、さらに気体から液体へ変化することにより、冷媒と、空気調和機４００の外部の空気である機外空気との間で熱交換が行われる。したがって、冷凍サイクル装置３００と、機外空気と空気調和機４００の内部の空気とを循環させる送風機４０１とが組み合わされることで、空気調和機４００が構成される。

蒸発器３０３は、低圧の状態で冷媒液を蒸発させ、蒸発器３０３の周囲の空気から熱を奪うことによって、冷却作用を発揮する。圧縮機２０１は、冷媒を凝縮するために、蒸発器３０３でガス化された冷媒ガスを、回転機１の回転により圧縮することで、高圧のガスに変換する。凝縮器３０１は、圧縮機２０１で高温になった冷媒ガスの熱を放出することで、高圧の冷媒ガスを凝縮し、冷媒液に変換する。膨張弁３０２は、冷媒液を絞り膨張させて、冷媒液を低圧の液に変換し、冷媒液を蒸発器３０３で蒸発可能な状態にする。

近年の空気調和機においては、快適性が求められることはもちろん、省エネルギー規制が年々強化されており高効率化が要求されている。したがって、冷凍サイクル装置３００は、低速から高速まで広い速度の範囲で回転機１を高効率で運転させることが重要である。このため、回転機１の回転数に応じて回転機１の固定子巻線の結線状態を切り替え可能であると、電圧印加部３の電力損失を低減することができる。空気調和機４００が設置される室内の室温と設定温度との差が大きいときは、回転機１を高速で回転させる高速運転によって室温を設定温度に早く近づけ、室温が設定温度に近いときは、回転機１を低速で回転させる低速運転によって、室温を維持することができる。このように回転機制御装置１００ａが回転機１を制御する場合、空気調和機４００が運転する全ての時間のうち、低速運転の時間が占める割合は、高速運転の時間が占める割合よりも大きくなる。

回転機１は、回転数が上がると速度起電力が増加し、回転に必要な電圧値が増加する。速度起電力は、Ｙ結線状態の方がΔ結線状態に比べて大きい。したがって、回転機１が高速運転しているときの速度起電力が大きくなることを抑制するためには、永久磁石の磁力を小さくしたり、巻線の巻き数を減らしたりすることが考えられる。しかし、これらのようにすると、同一出力のトルクを得るための電流が増加するため、回転機１および電圧印加部３に流れる電流が増加し、回転機１の消費電力に対する運転効率が低下する。また、速度起電力が増加することで回転機１の回転に必要な電圧値が直流電圧源２の電圧よりも高くなった場合、一般的に弱め磁束制御を用いて回転機１の回転に必要な電圧をまかなう。しかし、弱め磁束制御を用いると、回転機１および電圧印加部３にトルクの発生に寄与しない無効電流を流すため、回転機１の消費電力に対する運転効率が低下する。

ここで、回転数に合わせて回転機１の巻線の結線状態を切り替えることが考えられる。例えば、高速での運転が必要な場合には、回転機１の巻線をΔ結線状態とする。実施の形態２で述べたように、巻線をΔ結線状態にすることで、回転機１の回転に必要な電圧を、Ｙ結線状態の回転機１の回転に必要な電圧の１／√３倍にすることができる。したがって、永久磁石の磁力を小さくしたり、巻線の巻数を減らしたりすることなく、巻線の結線状態をΔ結線状態にすることで回転機１の回転に必要な電圧を小さくすることができる。また、巻線の結線状態をΔ結線状態にすることで、弱め磁束制御を用いる必要がなくなる。

一方、低速回転では、巻線をＹ結線状態とすることでΔ結線状態に比べて電流値を１／√３倍にできる。さらに、巻線がＹ結線状態である場合低速での回転に適するように回転機１を設計することで、速度範囲の全域にわたって巻線がＹ結線状態で使用する場合に比べて、電流値を低くすることが可能となる。この結果、電圧印加部３の電力損失を低減することができ、回転機１の消費電力に対する運転効率を高めることが可能となる。

以上説明したように、負荷条件に合わせて巻線の結線状態を切り替えることには意義がある。ただし、回転機１が空気調和機４００の圧縮機２０１を駆動させている場合、巻線の結線状態を切り替えるために回転機１の回転動作を一旦停止させると、再始動に必要なトルクが増加し、回転機１の起動に失敗してしまうおそれがある。したがって、回転機１の回転動作を一旦停止させて巻線を切り替えた場合には、冷媒の状態が安定するまで数分間が経過した後に、回転機１の再始動を行う必要がある。しかし、冷媒の状態が安定してから再始動を行うと、冷媒を加圧することができなくなり、冷房または暖房能力の低下により、室温が一定に保たれなくなるおそれがある。したがって、制御部５は、回転機１の回転中に回転機１の巻線の結線状態を切り替えることが望ましい。

回転機１が回転中である場合、特許文献１に記載の技術では、速度起電力の影響が考慮されていないため、実際の使用に耐えうる欠相判定の精度は出ない。このため、欠相検出の誤判定による圧縮機２０１の不要な停止、または誤った結線状態の運転によって、冷凍サイクル装置３００の故障リスクが高まる。

実施の形態３にかかる空気調和機４００は、実施の形態２で述べた回転機制御装置１００ａを備えているため、回転機１の回転中に巻線の結線状態を切り替えた後、欠相の有無を正しく判定できる。このため、圧縮機２０１の不要な停止、または冷凍サイクル装置３００の故障リスクを低減できる。

以上説明したように、本発明の実施の形態３では、冷媒圧縮装置２００は、三相の回転機１と、回転機１の回転により冷媒ガスを圧縮する圧縮機２０１と、回転機１の相間に電圧を印加する回転機制御装置１００ａと、を備える。このため、冷媒圧縮装置２００が圧縮機２０１のような大きな冷媒負荷がかかる装置を備える場合であっても、回転機制御装置１００ａを備えることで回転機１が回転中に素早くかつ安定して巻線の結線状態を切り替えることができる。また、空気調和機４００が冷媒圧縮装置２００を備えることで、快適性を保ったまま広い速度域で高効率な運転をすることができる。

なお、ここでは欠相判定部６を備えた回転機制御装置１００ａの応用例として冷媒圧縮装置２００について説明したが、他の機械装置に関しても本願の回転機制御装置１００ａは有用である。例えば、ファン、またはポンプといった機械装置に回転機制御装置１００ａを適用しても良い。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 回転機、２ 直流電圧源、３ 電圧印加部、４ 電流検出部、５ 制御部、６ 欠相判定部、７ 接続切替装置、３１〜３６ スイッチング素子、７１〜７３ 切替器、１００，１００ａ 回転機制御装置、１５０ 冷媒配管、２００ 冷媒圧縮装置、２０１ 圧縮機、３００ 冷凍サイクル装置、３０１ 凝縮器、３０２ 膨張弁、３０３ 蒸発器、４００ 空気調和機、４０１ 送風機、５００ 制御回路、５００ａ プロセッサ、５００ｂ メモリ。

Claims (6)

1. 三相の回転機に電圧を印加する電圧印加部と、
   前記電圧印加部の直流母線に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいて、前記電圧が印加されることで前記回転機に流れる電流の情報を示す電流情報を出力する電流検出部と、
   前記回転機の各相間に順にパルス状の電圧を印加させる電圧指令を出力する制御部と、
   前記電圧指令と前記電流情報とを監視することで前記相間に流れる電流値を検出し、前記相間に流れる電流値の合計値をあらかじめ定められた基準値と比較することで前記回転機の欠相の有無を判定する欠相判定を行う欠相判定部と、
   を備え、
   前記欠相判定部は、前記各相間に印可されたパルス状の電圧が印可される前と、前記各相間に印可されたパルス状の電圧が印可された後と、の前記電流検出部が検出する電流の変化量をそれぞれ保持し、保持した各相間の電流値の変化量の合計値をあらかじめ定められた基準値と比較することで前記回転機の欠相の有無を判定する欠相判定を行う
   ことを特徴とする回転機制御装置。
2. 前記回転機制御装置は、
   前記回転機の巻線の結線状態を切り替える複数の切替器を備え、
   前記制御部は、
   前記回転機が回転中に前記複数の切替器を動作させ、前記欠相判定の結果が欠相無しである場合、切り替え後の前記回転機の巻線の結線状態に応じた前記電圧指令を前記電圧印加部に出力することを特徴とする請求項１に記載の回転機制御装置。
3. 前記複数の切替器は、
   前記回転機の巻線の結線状態をＹ結線方式とΔ結線方式とに切り替え、
   前記複数の切替器が前記回転機の巻線の結線状態をＹ結線方式からΔ結線方式へと切り替える場合に用いられる前記基準値は、
   前記回転機の巻線の結線状態をΔ結線方式からＹ結線方式へと切り替える場合に用いられる前記基準値よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の回転機制御装置。
4. 三相の回転機と、
   前記回転機の回転により冷媒ガスを圧縮する圧縮機と、
   前記回転機に電圧を印加する請求項２または３に記載の回転機制御装置と、
   を備えることを特徴とする冷媒圧縮装置。
5. 請求項４に記載の冷媒圧縮装置と、
   圧縮機で高温になった冷媒ガスの熱を放出することで、高圧の前記冷媒ガスを凝縮し、冷媒液に変換する凝縮器と、
   前記冷媒液を絞り膨張させて、前記冷媒液を低圧の液に変換し、前記冷媒液を蒸発可能な状態にする膨張弁と、
   低圧の状態で前記冷媒液を蒸発させ、周囲の空気から熱を奪う蒸発器と、
   を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
6. 請求項５に記載の冷凍サイクル装置を備えることを特徴とする空気調和機。

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