JP7265540B2 - 可変速駆動装置の入力電流制御 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年９月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／５６３，０３９号明細書の利益及びそれに対する優先権を主張するものであり、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。

建物は、暖房、換気及び空調（ＨＶＡＣ）システムを含むことができる。

本開示の一実装形態は、チラーアセンブリである。チラーアセンブリは、閉冷媒回路で接続された圧縮機、凝縮器、膨張装置及び蒸発器を含む。チラーアセンブリは、圧縮機に動力を供給するために圧縮機に接続された電動機と、電動機に動力を供給するために電動機に接続された可変速駆動装置とをさらに含む。可変速駆動装置は、電動機に動力を供給するために電動機に対する可変電圧及び可変周波数を提供するように動作可能である。可変速駆動装置は、複数のセンサと、センサから受信されたセンサデータに基づいて推定ＲＭＳ入力電流を特定する入力電流推定器とを含む。チラーアセンブリは、可変速駆動装置の動作を制御するための制御盤をさらに含む。

本開示のさらに別の実装形態は、推定入力ＲＭＳ電流に従ってチラーアセンブリを制御する方法である。本方法は、ＤＣリンク電力値を特定することと、線間入力電圧値を特定することと、入力電流値を特定することと、歪み値を伴う入力電流を特定することとを含む。本方法は、変圧器電流値を特定することと、総入力ＲＭＳ電流値を特定することと、入力ＲＭＳ電流応答アクションを実行することとをさらに含む。

本開示のさらに別の実装形態は、チラーアセンブリの可変速駆動装置のための処理回路である。処理回路は、プロセッサと、プロセッサに通信可能に結合され、且つ推定入力ＲＭＳ電流に従ってチラーアセンブリを制御するための方法を実行するように動作可能なメモリとを含む。本方法は、ＤＣリンク電力値を特定することと、線間入力電圧値を特定することと、入力電流値を特定することと、歪み値を伴う入力電流を特定することとを含む。本方法は、変圧器電流値を特定することと、総入力ＲＭＳ電流値を特定することと、入力ＲＭＳ電流応答アクションを実行することとをさらに含む。

一部の実施形態によるチラーアセンブリの斜視図である。

一部の実施形態による図１のチラーアセンブリの立面図である。

一部の実施形態による図１のチラーアセンブリにおいて利用され得る可変速駆動装置の概略図である。

一部の実施形態による図３の可変速駆動装置によって実行され得る入力電流推定及び制御プロセスの流れ図である。

本開示は、概して、可変速駆動装置（ＶＳＤ）の入力電流制御機能に関する。ＶＳＤは、可変の電圧及び周波数を有する電力を電動機に提供し得る。ＶＳＤは、入力電流定格よりも高い出力電流定格を有し得る。例えば、出力電流定格が４２０アンペアであるＶＳＤは、３９０アンペアの入力電流定格を有し得、出力電流定格が７８０アンペアであるＶＳＤは、６００アンペアの入力電流定格を有し得る。６０Ｈｚの定格周波数を有するＶＳＤは、出力電流を測定し、入力電流が同じであると仮定することにより動作し得るが、この仮定は、より高い周波数定格（例えば、１１０Ｈｚ、２１０Ｈｚ）を有するＶＳＤでは良好に機能しない。加えて、ＶＳＤがチラーアセンブリに実装されている場合、出力電流定格と入力電流定格とが異なる場合にチラーアセンブリの最適なパフォーマンスが実現される。本明細書では、既存のＶＳＤセンサ及び回路を利用してＶＳＤ入力電流を推定するシステム及び方法について説明する。

図面を概して参照すると、入力制御システムに従って動作するＶＳＤを有するチラーアセンブリが示されている。とりわけ図１を参照すると、チラーアセンブリ１００の例示的な実装形態が示されている。チラーアセンブリ１００は、電動機１０４によって駆動される圧縮機１０２と、凝縮器１０６と、蒸発器１０８とを含み得る。冷媒は、蒸気圧縮サイクルの閉冷媒回路でチラーアセンブリ１００を通して循環される。チラーアセンブリ１００は、チラーアセンブリ１００内の蒸気圧縮サイクルの動作を制御するための制御パネル１１４も含み得る。

電動機１０４は、ＶＳＤ １１０によって動力を供給され得る。ＶＳＤ １１０は、ＡＣ電源（以下の図２を参照されたい）から、特定の固定ライン電圧及び固定ライン周波数を有する交流（ＡＣ）電力を受け取り、可変の電圧及び周波数を有する電力を電動機１０４に提供する。ＶＳＤ １１０は、電動機１０４の定格電圧及び周波数よりも高い電圧及び周波数並びに低い電圧及び周波数を有するＡＣ電力を電動機１０４に提供し得る。電動機１０４は、ＶＳＤ １１０によって動力の供給を受けることが可能な任意のタイプの電動機であり得る。例えば、電動機１０４は、高速誘導電動機であり得る。圧縮機１０２は、電動機１０４によって駆動されて、蒸発器１０８から吸引ライン１１２を介して受けた冷媒蒸気を圧縮し、放出ライン１２４を介して冷媒蒸気を凝縮器１０６に送る。圧縮機１０２は、遠心圧縮機、スクリュー式圧縮機、スクロール式圧縮機、タービン式圧縮機又は任意の他のタイプの適切な圧縮機であり得る。

蒸発器１０８は、内部チューブバンドルと、内部チューブバンドルにプロセス流体を供給するための供給ライン１２０と、内部チューブバンドルからプロセス流体を排出するための戻りライン１２２とを含む。供給ライン１２０及び戻りライン１２２は、プロセス流体を循環させる導管を介してＨＶＡＣシステム内のコンポーネント（例えば、エアハンドラ）と流体連通し得る。プロセス流体は、建物を冷却するための冷却液であり、水、エチレングリコール、塩化カルシウムブライン、塩化ナトリウムブライン又は任意の他の適切な液体であり得るが、これらに限定されない。蒸発器１０８は、プロセス流体が蒸発器１０８のチューブバンドルを通過し、冷媒と熱を交換するときにプロセス流体の温度を下げるように構成される。冷媒液が蒸発器１０８に送られて、プロセス流体と熱を交換し、冷媒蒸気への相変化を経ることにより、蒸発器１０８内で冷媒蒸気が形成される。

圧縮機１０２によって凝縮器１０６に送られた冷媒蒸気は、熱を流体に伝達する。冷媒蒸気は、流体との熱伝達の結果、凝縮器１０６で凝縮して冷媒液になる。凝縮器１０６からの冷媒液は、膨張装置を通して流れ、蒸発器１０８に戻されて、チラーアセンブリ１００の冷媒のサイクルが完了する。凝縮器１０６は、凝縮器１０６と、ＨＶＡＣシステムの外部のコンポーネント（例えば、冷却塔）との間で流体を循環させるための供給ライン１１６及び戻りライン１１８を含む。戻りライン１１８を介して凝縮器１０６に供給される流体は、凝縮器１０６内の冷媒と熱を交換し、供給ライン１１６を介して凝縮器１０６から排出されてサイクルを完了する。凝縮器１０６を循環する流体は、水又は任意の他の適切な液体であり得る。

冷媒の作動圧力は、４００ｋＰａ、すなわち約５８ｐｓｉ未満であり得る。例えば、冷媒は、Ｒ１２３３ｚｄであり得る。Ｒ１２３３ｚｄは、市販のチラーアセンブリで使用されている他の冷媒と比べて地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低い不燃性のフッ素化ガスである。ＧＷＰは、１トンの二酸化炭素の排出量に対して、１トンのガスの排出量が一定期間に吸収するエネルギー量を定量化することにより、異なるガスの地球温暖化の影響を比較できるように開発された尺度である。

図３を参照すると、一部の実施形態による、チラーアセンブリ１００において利用され得るＶＳＤ ３０２の概略図が示されている。様々な実施形態において、ＶＳＤ ３０２は、図１～図２を参照して上述したＶＳＤ １１０と同一であるか又は実質的に類似している。ＶＳＤ ３０２は、固定ＡＣ入力電圧及び周波数でＡＣ電源３０４からＡＣ電力を受け取り、可変電圧及び可変周波数で電力を電動機３２８に出力することが示されている。

ＶＳＤ ３０２は、他のコンポーネントの中でも、整流器及び入力フィルタ３０６、ＤＣリンク３０８並びにインバータ３１０を含むことが示されている。整流器及び入力フィルタ３０６は、ＡＣ電源３０４からの固定ライン周波数、固定ライン電圧をＤＣ電力に変換する。チラーアセンブリ及びＶＳＤ ３０２が設置されている場所に基づいて、固定ライン周波数は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのいずれかであり得る。ＤＣリンク３０８は、整流器及び入力フィルタ３０６からのＤＣ電力をフィルタリングし、エネルギー貯蔵コンポーネントを提供する。ＤＣリンク３０８は、コンデンサ、インダクタ又はそれらの組み合わせを含むことができ、これには、高い信頼度及び非常に低い故障率を示すパッシブデバイスが含まれる。最後に、インバータ３１０は、ＤＣリンク３０８からのＤＣ電力を電動機１０４のための可変周波数、可変電圧ＡＣ電力に変換する。インバータ３１０は、パワートランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）パワースイッチ及びワイヤボンド技術で相互接続されたインバースダイオードを含み得るパワーモジュールであり得る。

いくつかの実装形態では、ＶＳＤ ３０２は、アクティブ高調波フィルタコンポーネント３１２をさらに含む。アクティブ高調波フィルタは、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの基本周波数の一連の倍数である電流及び電圧である高調波歪みを除去するように機能し得る。様々な実装形態において、アクティブ高調波フィルタコンポーネント３１２は、高調波電流をグラウンドにそらせるコンデンサ、インダクタ及び抵抗器のアレイを含み得る。有効化されたアクティブ高調波フィルタ３１２の有無は、歪みを伴う推定入力電流の値に影響を与え得る。歪みを伴う推定入力電流の値の計算のさらなる詳細は、図４を参照して後述する。

図３をさらに参照すると、ＶＳＤ ３０２は、プロセッサ３１８及びメモリ３２０を含む処理回路３１６を含むことが示されている。処理回路３１６は、処理回路３１６及びその様々なコンポーネントがデータを送受信し得るように、制御盤３２６に通信可能に接続され得る。プロセッサ３１８は、汎用プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、１つ若しくは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、処理コンポーネントの群又は他の適切な電子処理コンポーネントとして実装され得る。

メモリ３２０（例えば、メモリ、メモリユニット、ストレージデバイスなど）は、本出願に記載されている様々なプロセス、レイヤ及びモジュールを完了又は促進するためのデータ及び／又はコンピュータコードを格納するための１つ又は複数のデバイス（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクストレージなど）を含み得る。メモリ３２０は、揮発性若しくは不揮発性メモリであるか、又は揮発性若しくは不揮発性メモリを含み得る。メモリ３２０は、データベースコンポーネント、オブジェクトコードコンポーネント、スクリプトコンポーネント又は本出願で説明される様々な活動及び情報構造をサポートするための任意の他のタイプの情報構造を含み得る。いくつかの実施形態によれば、メモリ３２０は、処理回路３１６を介してプロセッサ３１８に通信可能に接続され、本明細書に記載の１つ又は複数のプロセスを（例えば、処理回路３１６及び／又はプロセッサ３１８によって）実行するためのコンピュータコードを含む。

メインＶＳＤコントローラ３２２は、入力電流制御システムを実施するために制御盤３２６と連携するように構成され得る。センサ３１４から受信したデータに基づいて、入力電流推定器３２４は、ＶＳＤ ３０２への総入力電流を推定するプロセス（図４を参照してさらに詳細に後述する）を実施し得る。センサ３１４は、メインＶＳＤコントローラ３２２にセンサデータを提供するために、整流器及び入力フィルタ３０６、ＤＣリンク３０８、インバータ３１０並びにアクティブ高調波フィルタ３１２に通信可能に結合され得る。様々な実装形態において、センサ３１４は、任意の適切なタイプの電流又は電圧センサであり得る。メインＶＳＤコントローラ３２２に提供されるセンサデータは、出力電流値、ＤＣリンク電流値及びＤＣリンク電圧値を含み得るが、これらに限定されない。

いくつかの実装形態では、制御盤３２６は、入力電流推定器３２４によって特定された推定入力電流に基づいて入力電流限界に近づいたり違反したりしたときにアクションを実行できる。例えば、制御盤３２６は、入力電流推定器３２４によって特定された推定入力電流が入力電流限界に近づいている場合、チラー負荷を低減するように作用し得る。他の実装形態では、制御盤３２６は、チラーアセンブリの動作を監視する技術者又はユーザが動作に関する警報を見ることができる表示画面を含み得るか、又は表示画面に通信可能に結合され得る。入力電流が限界を超えているか又は限界に近づいていると入力電流推定器３２４が特定した場合、入力電流推定器３２４は、入力電流警告又は警報メッセージを表示するための信号を制御盤３２６に送信し得る。

次に、図４を参照すると、推定入力電流に基づいてチラーアセンブリを制御するためのプロセス４００の流れ図が示されている。様々な実施形態において、プロセス４００は、図３を参照して上述した、ＶＳＤ ３０２の入力電流推定器３２４及び制御盤３２６によって実行される。プロセス４００は、入力電流推定器３２４がＤＣリンク電力を特定する動作４０２で始まることが示されている。ＤＣリンク電力は、ＤＣリンク電圧値にＤＣリンク電流値を乗ずることにより、ジュールの法則に従って計算され得る。例えば、ＤＣリンク電圧値は、ＤＣリンクコンポーネント３０８に結合されたセンサ３１４によって取得され得、ＤＣリンク電流値は、インバータコンポーネント３１０に結合されたセンサ３１４によって取得され得る。

動作４０４は、入力電流推定器３２４が線間入力電圧を特定するとして続行され得る。線間入力電圧の式は、次のようになり得る。

上述のように、ＤＣリンク電圧は、ＤＣリンクコンポーネント３０８から取得され得、ＤＣリンク電流は、インバータコンポーネント３１０から取得され得る。入力ライン周波数は、ＡＣ電源３０４から取得され得、チラーアセンブリ、さらにＶＳＤ ３０２が設置されている場所に応じて、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚのいずれかであり得る。ラインインダクタンスは、ＶＳＤモデルの特有の特性であり得る。マイクロヘンリー（μＨ）で示されたサンプルのラインインダクタンス値を以下の表１に示す。

プロセス４００は、入力電流推定器３２４が入力電流値を特定する動作４０６を続行し得る。入力電流は、作業を実行するために（例えば、電動機３２８を駆動するために）利用可能な電流の尺度であり得る。入力電流の式は、次のようになり得る。

上述のように、ＤＣリンク電力は、動作４０２で特定され得、線間入力電圧は、動作４０４で特定され得る。様々な実装形態において、０．９６は、ＶＳＤモデルに特有であり得ると想定される力率の値であり得る。

動作４０８は、入力電流推定器３２４が、歪み値を伴う入力電流を特定することを含み得る。この値は、ＶＳＤ内のアクティブ高調波フィルタコンポーネント（例えば、アクティブ高調波フィルタ３１２）の存在に基づいて異なって計算され得る。様々な実装形態において、アクティブ高調波フィルタコンポーネントの検出が入力電流推定器３２４によって実行され得、それに応じて歪み値を伴う入力電流の式が調整され得る。例えば、ＶＳＤがアクティブ高調波フィルタコンポーネントを含まない場合又はフィルタコンポーネントが無効になっている場合、歪みを伴う入力電流の式は、次のようになり得る。

ただし、ＶＳＤが有効なアクティブ高調波フィルタコンポーネントを含む場合、歪みを伴う入力電流の式は、次のようになり得る。

動作４１０は、入力電流推定器３２４が変圧器電流値を特定することを含み得る。変圧器電流値は、ＶＳＤ ３０２内の回路に電力を供給するために使用される低圧制御変圧器に供給され得る。例えば、低圧変流器は、ＶＳＤ ３０２内のポンプ及びファンなどのコンポーネントに電力を供給するために使用され得る。変圧器電流値の式は、次のようになり得る。

動作４１２は、入力電流推定器３２４が総入力二乗平均平方根（ＲＭＳ）電流を特定することを含み得る。総入力ＲＭＳ電流の式は、次のようになり得る。

上述のように、歪み値を伴う入力電流は、動作４０８で特定され得、変圧器電流値は、動作４１０で決定され得る。プロセス４００は、入力電流推定器３２４が入力ＲＭＳ電流応答アクションを実行する動作４１４で終了することが示されている。様々な実装形態において、入力ＲＭＳ電流応答アクションは、入力ＲＭＳ電流が入力電流限界に近づいているか又はそれを超えていると入力電流推定器３２４が特定しているため、チラー負荷を低減するための信号を制御盤３２６に送信することを含み得る。他の実装形態では、入力ＲＭＳ電流応答アクションは、入力電流警告メッセージ又は警報を表示するための信号を制御盤３２６に送信することを含み得る。

様々な例示的な実施形態に示されているシステム及び方法の構築及び構成は、例示的なものにすぎない。本開示では、例示的な実施形態のみを詳細に説明したが、多くの修正形態が可能である（例えば、サイズ、寸法、構造、様々な要素の形状及び割合、パラメータの値、取り付け構成、材料の使用、色、向きなどの変更）。例えば、要素の位置を逆にしたり、他の方法で変えたりすることができ、個別の要素又は位置の性質又は数を変更するか又は変化させることができる。したがって、すべてのこのような修正形態は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。任意のプロセス又は方法動作の順番又は順序は、代替的な実施形態に従って変更又は再順序付けされ得る。本開示の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態の設計、動作条件及び構成における他の置換形態、修正形態、変更形態及び省略形態がなされ得る。

Claims (13)

1. チラーアセンブリであって、
   閉冷媒回路で接続された圧縮機、凝縮器、膨張装置及び蒸発器と、
   前記圧縮機に動力を供給するために前記圧縮機に接続された電動機と、
   前記電動機に動力を供給するために前記電動機に対する可変電圧及び可変周波数を提供するように動作可能な可変速駆動装置であって、
   複数のセンサと、
   前記複数のセンサから受信されたセンサデータに少なくとも部分的に基づいて推定ＲＭＳ入力電流を特定するように動作可能な入力電流推定器であって、前記センサデータはＤＣリンク電圧値及びＤＣリンク電流値を含み、
   前記ＤＣリンク電圧値及び前記ＤＣリンク電流値に少なくとも部分的に基づいてＤＣリンク電力値を特定し、
   前記ＤＣリンク電圧値及び前記ＤＣリンク電流値に少なくとも部分的に基づいて線間入力電圧値を特定し、
   前記ＤＣリンク電力値及び前記線間入力電圧値に少なくとも部分的に基づいて入力電流値を特定し、
   前記入力電流値に少なくとも部分的に基づいて歪み値を伴う入力電流を特定し、
   前記線間入力電圧値に少なくとも部分的に基づいて変圧器電流値を特定し、
   前記歪み値を伴う入力電流値及び前記変圧器電流値に少なくとも部分的に基づいて総入力ＲＭＳ電流値を特定する
   ように動作可能である入力電流推定器と
   を含む可変速駆動装置と、
   前記可変速駆動装置及び前記チラーアセンブリの１つ又は複数のコンポーネントの動作を制御するための制御盤と
   を含むチラーアセンブリ。
2. 前記入力電流推定器は、前記推定ＲＭＳ入力電流に基づく、入力電流限界に違反しているという特定に応じてアクションを実行する、請求項１に記載のチラーアセンブリ。
3. 前記アクションは、チラー負荷を低減するための信号を前記制御盤に送信することを含む、請求項２に記載のチラーアセンブリ。
4. 前記アクションは、警報メッセージを表示するための信号を前記制御盤に送信することを含む、請求項２に記載のチラーアセンブリ。
5. チラーアセンブリの可変速駆動装置の入力電流推定器を使用して推定入力ＲＭＳ電流に従ってチラーアセンブリを制御する方法であって、
   ＤＣリンク電圧値及びＤＣリンク電流値に少なくとも部分的に基づいてＤＣリンク電力値を特定することと、
   前記ＤＣリンク電圧値及び前記ＤＣリンク電流値に少なくとも部分的に基づいて線間入力電圧値を特定することと、
   前記ＤＣリンク電力値及び前記線間入力電圧値に少なくとも部分的に基づいて入力電流値を特定することと、
   前記入力電流値に少なくとも部分的に基づいて歪み値を伴う入力電流を特定することと、
   前記線間入力電圧値に少なくとも部分的に基づいて変圧器電流値を特定することと、
   前記歪み値を伴う入力電流値及び前記変圧器電流値に少なくとも部分的に基づいて総入力ＲＭＳ電流値を特定することと、
   入力ＲＭＳ電流応答アクションを実行することと
   を含み、
   前記ＤＣリンク電圧値及び前記ＤＣリンク電流値は、前記可変速駆動装置に結合された複数のセンサからのセンサデータを含む、方法。
6. 前記入力ＲＭＳ電流応答アクションは、チラー負荷を低減するための信号を制御盤に送信することを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記入力ＲＭＳ電流応答アクションは、警報メッセージを表示するための信号を制御盤に送信することを含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記線間入力電圧値は、さらに入力ライン周波数値及びラインインダクタンス値に少なくとも部分的に基づく、請求項５に記載の方法。
9. 前記歪み値を伴う入力電流は、さらにアクティブ高調波フィルタが動作可能であるという特定に少なくとも部分的に基づく、請求項５に記載の方法。
10. チラーアセンブリの可変速駆動装置のための処理回路であって、
    プロセッサと、
    前記プロセッサに通信可能に結合され、且つ前記可変速駆動装置の入力電流推定器を使用して推定入力ＲＭＳ電流に従って前記チラーアセンブリを制御するための方法を実行するように動作可能なメモリであって、前記方法は、
    ＤＣリンク電圧値及びＤＣリンク電流値に少なくとも部分的に基づいてＤＣリンク電力値を特定することと、
    前記ＤＣリンク電圧値及び前記ＤＣリンク電流値に少なくとも部分的に基づいて線間入力電圧値を特定することと、
    前記ＤＣリンク電力値及び前記線間入力電圧値に少なくとも部分的に基づいて入力電流値を特定することと、
    前記入力電流値に少なくとも部分的に基づいて歪み値を伴う入力電流を特定することと、
    前記線間入力電圧値に少なくとも部分的に基づいて変圧器電流値を特定することと、
    前記歪み値を伴う入力電流値及び前記変圧器電流値に少なくとも部分的に基づいて総入力ＲＭＳ電流値を特定することと、
    入力ＲＭＳ電流応答アクションを実行することと
    を含む、メモリと
    を含み、
    前記ＤＣリンク電圧値及び前記ＤＣリンク電流値は、前記可変速駆動装置に結合された複数のセンサからのセンサデータを含む、処理回路。
11. 前記入力ＲＭＳ電流応答アクションは、チラー負荷を低減するための信号を制御盤に送信することを含む、請求項１０に記載の処理回路。
12. 前記入力ＲＭＳ電流応答アクションは、警報メッセージを表示するための信号を制御盤に送信することを含む、請求項１０に記載の処理回路。
13. 前記線間入力電圧値は、さらに入力ライン周波数値及びラインインダクタンス値に少なくとも部分的に基づく、請求項１０に記載の処理回路。
    

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