JPWO2018042809A1 - 静電容量検出装置及び電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明に係る別の静電容量検出装置は、液体収納容器に備えられた一対の電極からなる電極対と、前記電極対と直列接続されたコンデンサと、前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものの一方の端に装置を駆動する動力線が接続されたインバータと、前記液体収納容器中に蓄えられ、前記インバータが駆動する前記装置に使用される液体と、前記電極対の電極間の電圧を測定する電圧検出部と、を備えたものである。
また、本発明に係る電力変換装置は、電極対と、前記電極対と直列接続されたコンデンサと、前記電極対の電極間の電圧を検出する電圧検出部と、前記電極対が内部に配置された圧縮機と、前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものの一方の端に動力線のひとつが接続され、前記圧縮機を駆動するインバータと、を備えたものである。
図1は、本発明の実施の形態1に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。図1には、負荷装置の一例である圧縮機50と、圧縮機50を駆動するインバータ回路および本発明の静電容量検出装置1の検出回路部分が示されており、これらは電力変換装置100を構成している。
次に検出回路について少し具体的な説明を行う。電圧検出部21は高周波の交流電圧波形を入力してその振幅を検出することを目的とする。たとえばその構成の一例を図4に示す。図4の左から入力された交流信号はまず検出側整流回路23に通され、片極つまり正負に変動せず正または負極性だけの信号に変換される。この電圧は分圧回路22でICなどの素子に適した低い電圧に変換される。分圧回路22で変換された電圧は、絶縁アンプ24に入力される。絶縁アンプ24は、検出回路20の電位が装置の制御系の電位と異なることを想定して設けられているが、検出回路20の電位が装置の制御系の電位と同じであれば必要ない。絶縁アンプ24からの出力は、その後必要に応じてアンプ25で増幅され、低周波フィルタ21aを介して、制御系の電圧検出部21に入力される。低周波フィルタ21aはインバータスイッチングに起因する高周波を取りのぞくためのものであるが、そもそも見たい現象が油内の冷媒の濃度など、その変化の時定数は十分に長いと考えられる。そのため、フィルタの周波数をたとえば数Hzなど十分に低くして、検出時間をたとえば1秒など十分に長くして平均化処理を行うことで、検出精度を向上させることが望ましい。
図5は、本発明の実施の形態3に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。この検出方法の原理は、静電容量センサである電極と、容量の明確なコンデンサを直列に接続して、その直列接続の両端に交流電圧を印加することで、電極間の静電容量を測定する点にある。図1では測定用コンデンサ3を動力線LPuに、電極対2の片端(電極G)を対地に接続していたが、たとえば図5のように、測定用コンデンサ3を対地に、電極対2を動力線LPu側に接続しても同様の検出が実現できる。
図6は、本発明の実施の形態4に係る静電容量検出装置の部分構成を示す図である。さて、図1のような回路接続、つまり電極Gがシェル筺体51に接続されて接地電位となっている場合は、電極の片側がシェルと同電位なので、シェル筺体51そのものを電極Gとすることが可能である。つまり、たとえば図6のように、圧縮機50内には電極Fのみを構成し、これをシェル内壁51aと狭いギャップを介して対向させ、シェル内壁51aとの間にコンデンサを構成することが可能である。この場合電極の引き出しが一本に削減できるだけでなく、電極の構成が大幅に簡略化され、圧縮機50内の狭いスペースに面積の大きい電極を構成することが可能になる。電極の面積は電極Fと電極Gとが構成するコンデンサのコンデンサ容量に比例し、これが大きいほど検出精度が向上させることができる。
図7は、本発明の実施の形態5に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。本発明では式(1)を用いて静電容量Cxの値を求めるため、電圧V0と電圧Vxの振幅の値を検出する必要がある。図1では電圧Vxの検出と電圧V0の検出をそれぞれ行うためにひとつの検出回路20に対してリレイ4が検出対象を切り替えていた。この構成の場合は検出回路20がひとつで済むという利点があるが、切り替えの前後で電圧V0の値に大きな変化が生じる、あるいは、電圧V0に長期的な変動が含まれている場合などでは正確に測定ができない場合がある。これを解決するためにたとえば図7のように複数の検出回路20a,20bに、電極対2の電極間の電位差と、測定対象部8の両端の電位差とを別々に入力して電圧検出部21で各電圧を検出する方法がある。このような電圧測定装置15では、検出回路20a,20bは2つ必要になるがリレイ4が不要になり、電圧V0の変動に対して安定で高精度な検出が可能になる。
図8は、本発明の実施の形態6に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。図8のような方法も考えられる。これは電圧V0の検出を行う代わりに、インバータ36の母線電圧の値を検出している。図2に示したように、インバータ動力線に出力される電圧の振幅は基本的にはインバータ母線電圧である。したがって、インバータ36の母線電圧を測定しておけば、電圧V0はその値から推測することが可能である。インバータ36の母線電圧はインバータ36の制御を行う上で重要であるため、インバータ36の制御に用いる目的で検出されて制御回路が把握している場合が多い。
図9は、本発明の実施の形態7に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。実施の形態5で示したように、電圧V0はリレイ4で切り替えて測定する、別々に測定する、母線電圧から推測する、などいくつかの取得方法がある。したがって簡単のために、以下の実施例では電圧V0はたとえば図8のような方法によって測定されると考え、電圧Vxの測定方法のみに着目して説明する。
回路接続の別の方法について説明する。図10は、本発明の実施の形態8に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。図10は同じく電極Gを、インバータのN母線LBnに接続した例を示す。この場合は図3の交流電源に相当するものはN母線LBnに対するインバータ動力線(たとえばV相)の電位であり、具体的には図のような三相インバータのV相N側の素子の両端電圧(コレクターエミッタ電圧)となる。この電圧もインバータ中心電位の変動を受けないため、図9と同様に安定で高精度な検出が可能になる。また図10に示される構成の場合、インバータの制御電位はN母線電位に取られていることが多いので、検出回路に絶縁アンプまたは絶縁電源が不要になるなど、回路構成が簡略化できる可能性がある。
図11は、本発明の実施の形態9に係る静電容量検出装置の設置構成の一例を示す図である。図12は、本発明の実施の形態9に係る静電容量検出装置の設置構成の別の一例を示す図である。図11および図12は、図10の構成(電極GをN母線電位に取る方式)を例に、圧縮機50からの検出線と検出回路20とを接続する方法について示したものである。この例では図10の構成を例にしたが、図9の構成、図1の構成についても同様の効果が得られる。
実施の形態10において電力変換装置100及び静電容量検出装置1は、図1と同様の構成を有している。例えば空気調和機の室外機において、低温状態での圧縮機停止中には、圧縮機50に冷媒が集まって冷凍機油56内の冷媒濃度が高くなる、冷媒寝込み現象という現象が発生する。冷媒寝込み現象は、冷媒濃度の異常が圧縮機の動作に悪影響を及ぼす典型的な事例であり、この状態の検出も本発明の目的のひとつである。しかしながら、本発明では、図3の等価回路で検出を行うが、その電源となっているのはインバータ36のスイッチングによる交流電源である。従って検出を行うためにはインバータ36が動作している必要がある。つまり本発明の手法ではインバータ停止中に検出を行うことができない。
図13は、本発明の実施の形態11に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。実施の形態11において静電容量検出装置1は、更に温度センサ5と制御部10とを備え、濃度検出できるよう構成されている。なお、実施の形態1と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。
図14は、本発明の実施の形態11に係る制御部が記憶する油の比誘電率−冷媒濃度関係の温度依存性を示す図である。図14は冷凍機油56に冷媒が溶け込んだ場合の、誘電率の変化を示したものである。油または冷媒の種類によってこの依存性は変化するので図14はあくまで一例である。この例のように、誘電率の冷媒濃度依存性には、強い温度依存性がある場合がある。この場合は、冷媒濃度を測定するためには、誘電率だけでなく、温度の情報も必要になる。この場合は、まず図11のようなデータを制御部10にテーブルまたは近似式の形で記憶しておくとよい。そして、本発明の測定から得られた静電容量で比誘電率を測定した結果と合わせて、たとえば熱電対またはサーミスタなどで油の温度を測定するか、あるいは他の方法で油の温度を推定して、冷媒の濃度を推定する方法が考えられる。
本発明は圧縮機50内の冷凍機油56の状態を検出することを目的としている。状態の検出といっても、油があるかないか(油枯渇検知)、油の液面がどの高さにあるか(油面検知)、あるいは油の中に冷媒がどの程度溶け込んでいるか(冷媒濃度検出)等の目的がある。目的次第で静電容量センサつまり電極対2を圧縮機50内のどのあたりに設置するかが重要になる。たとえば油枯渇を検知する場合、油面の高さは、油の吸入口と同じような高さか少し上に位置するべきである。油面検知を行う場合は高さ方向に長い、あるいは高さ方向にいくつか分割されたセンサを配置することが考えられる。
図15は、本発明の実施の形態13に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。これまでの実施の形態では、たとえば図1のように、動力線が三相のインバータを用いてモータを駆動する場合について説明した。本発明は動力線が三相のインバータだけではなく、単相のインバータ、フルブリッジのインバータまたはハーフブリッジインバータなど、他の形のインバータにも適用できる。その一例を図15に示す。
図16は、本発明の実施の形態14に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。図17は、本発明の実施の形態14に係る検出の原理である等価回路を示す図である。実施の形態14では、インバータ36と圧縮機50とを結ぶ複数の動力線LPu,LPv,LPwのうちのひとつ(例えば、動力線LPw)と対地間の交流電圧を、測定用コンデンサ3と電極対2の各静電容量で分圧することにより、電極対2の静電容量を測定する。以下、実施の形態1と同一の構成を有する部位には同一の符号を付して説明を省略する。
前述のように、インバータ36の矩形波に近いスイッチングおよびノイズ成分の急峻な電圧立ち上がりによって、測定用コンデンサ3と電極対2にパルス的な突入電流が流れる。このような高周波の成分を除去するために、図4では低周波フィルタ21aが設けられているが、このような高周波の変動成分は、検出回路20よりも前の段階で除去しておくことが望ましい。
図20は、本発明の実施の形態16に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。図21は、本発明の実施の形態16に係る検出の原理である等価回路を示す図である。実施の形態16において、静電容量検出装置1は、さらに補助コンデンサ7を備えている。以下、実施の形態1と同一の構成を有する部位には同一の符号を付して説明を省略する。
実施の形態1においては、測定用コンデンサ3と電極対2とは直接接続され、測定用コンデンサ3と電極対2が直列接続されたもの(測定対象部8)が動力線に接続されていた。実施の形態17では、測定用コンデンサ3と電極対2が、別の2つのコンデンサとともに直列回路を構成する場合について説明する。以下、実施の形態1と同一の構成を有する部位には同一の符号を付して説明を省略する。
Claims (13)
- 冷媒を圧縮する圧縮機の内部に配置された一対の電極からなる電極対と、
前記電極対と直列接続されたコンデンサと、
前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものである測定対象部の一方の端に前記圧縮機を駆動する動力線のひとつである第一動力線が接続され、前記圧縮機を駆動するインバータと、
前記電極対の電極間の電圧を測定する電圧検出部と、
を備えた静電容量検出装置。 - 前記測定対象部の両端の電圧を検出する電圧検出部を備え、
前記電極対の電極間の電圧と前記測定対象部の両端の電圧とに基づいて、前記電極対の静電容量を検出する請求項1記載の静電容量検出装置。 - 前記測定対象部の他方の端は、接地電位点、前記インバータの母線、又は前記第一動力線とは異なる相の第二動力線のうちのいずれかひとつに接続されている請求項1または2記載の静電容量検出装置。
- 直列接続された第一抵抗器及び第二抵抗器から構成され、前記電極対に並列に接続された分圧回路と、
前記第一抵抗器に並列に接続された第一コンデンサと、
前記第二抵抗器に並列に接続された第二コンデンサと、
をさらに備えた請求項1〜3のいずれか一項記載の静電容量検出装置。 - 前記第一抵抗器の抵抗値をR1とし、前記第二抵抗器の抵抗値をR2とし、前記第一コンデンサの容量をC1とし、且つ前記第二コンデンサの容量をC2とする場合に、R1×C1=R2×C2またはR1×C1<R2×C2である請求項4記載の静電容量検出装置。
- 前記電極対と前記コンデンサとの間の位置、前記測定対象部の一方の端と前記第一動力線との間の位置、及び、前記測定対象部の他方の端と、接地電位点、前記インバータの母線、若しくは前記第一動力線とは異なる相の第二動力線との間の位置のうち、少なくともひとつの位置にフィルタ用抵抗器が設けられている請求項1〜5のいずれか一項記載の静電容量検出装置。
- 前記測定対象部に並列に接続された補助コンデンサをさらに備える請求項6記載の静電容量検出装置。
- 前記電圧検出部の検出対象を、前記電極対の電極間の電圧と、前記測定対象部の両端の電圧との間で切り替える切替機構を備える請求項1〜7のいずれか一項記載の静電容量検出装置。
- 前記インバータの母線の電位を検出する電圧検出部を備え、
前記電極対の電極間の電圧と前記インバータの母線の電位とに基づいて、前記電極対の静電容量を検出する請求項1〜8のいずれか一項記載の静電容量検出装置。 - 前記圧縮機は、冷媒が油に溶け込んだものを蓄え、
前記冷媒が油に溶け込んだものの温度を測定する温度センサと、
前記油の誘電率および前記冷媒の誘電率の温度依存性を記憶させた制御部と、
を更に備え、
前記制御部は、前記温度センサにより測定された前記冷媒が油に溶け込んだものの温度と前記電圧検出部により測定された電圧と前記温度依存性に基づき、前記冷媒の濃度または前記油の濃度を検出する請求項1〜9のいずれか一項記載の静電容量検出装置。 - 前記圧縮機が圧縮動作を停止している状態で、前記圧縮機に圧縮動作中のPWM制御の周波数よりも高い周波数の電圧を前記インバータから印加され、前記電極間の電圧の検出を行う請求項1〜10のいずれか一項記載の静電容量検出装置。
- 電極対と、
前記電極対と直列接続されたコンデンサと、
前記電極対の電極間の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電極対が内部に配置された圧縮機と、
前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものの一方の端に動力線のひとつが接続され、前記圧縮機を駆動するインバータと、
を備えた電力変換装置。 - 液体収納容器に備えられた一対の電極からなる電極対と、
前記電極対と直列接続されたコンデンサと、
前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものの一方の端に装置を駆動する動力線が接続されたインバータと、
前記液体収納容器中に蓄えられ、前記インバータが駆動する前記装置に使用される液体と、
前記電極対の電極間の電圧を測定する電圧検出部と、
を備えた静電容量検出装置。
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