KR100610737B1

KR100610737B1 - 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치

Info

Publication number: KR100610737B1
Application number: KR1020050021204A
Authority: KR
Inventors: 마사히꼬 나까무라; 도모히꼬 가또오
Original assignee: 아이신세이끼가부시끼가이샤
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-08-09
Also published as: CN1670452A; KR20060043624A; JP2005265220A; CN1306232C

Abstract

본 발명의 과제는 발전 효율이 높은 발전 기능을 구비한 공기 조화 장치를 제공하는 것이다.

가스 엔진(11)에 의해 구동되는 압축기(13)와, 전동 보충기인 제1 송풍기(16) 및 냉각수 펌프(21) 등을 구비하여 실외에 설치되는 실외기와, 실내에 설치되는 실내기인 제2 송풍기(33, 34) 등을 갖는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치이며, 가스 엔진(11)에 의해 구동되는 동기 모터(52)와, 동기 모터(52)를 회생 제어하여 직류 전력을 얻는 PWM 컨버터(50)와, 2상 또는 3상 교류 상용 전원을 정류 또한 평활하게 하여 직류 전력을 얻는 변환기(40)와, 변환기(40)에서 얻어진 직류 전력을 검출하면서 PWM 컨버터(50)에서 얻어진 전력을 실외기 내의 전동 보충기 또는 상기 실내기의 전원으로서 공급하는 제어 수단인 PWM 컨버터(70)를 갖는다.

가스 엔진, 압축기, 송풍기, 변환기, PWM 컨버터

Description

가스 히트 펌프식 공기 조화 장치 {GAS HEAT PUMP TYPE AIR CONDITIONER}

도1은 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치의 구성도.

도2는 전기 계통의 구성을 나타낸 시스템 블록도.

도3은 기본 벡터도.

도4는 전류 벡터 제어 시스템도.

도5는 엔진 출력의 한계치를 나타낸 그래프.

도6은 시동시의 타이밍 차트.

도7은 정지시의 타이밍 차트.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 가스 엔진

13 : 압축기

16 : 제1 송풍기

21 : 냉각수 펌프

33, 34 : 제2 송풍기

40 : 변환기

41 : 상용 교류 전원

50 : 발전 PWM 컨버터

52 : 동기 모터

60 : 부하 인버터

70 : PWM 컨버터

[문헌 1] 일본 특허 공개 제2001-324240호 공보

본 발명은 가스 엔진에 의해 압축기를 구동하는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스 엔진의 여력으로 발전을 행하는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치에 관한 발명이다.

종래부터, 가스 엔진에 의해 압축기를 구동하는 가스 히트 펌프에 있어서, 가스 엔진의 여력으로 교류 발전기를 구동하여 교류 전력을 발전시키는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치가 알려져 있다.

예를 들어, 문헌 1에는 압축기를 구동하는 가스 엔진에 의해 구동되어 교류 출력을 출력하는 발전기를 구비한 발전 장치가 개시되어 있다. 또한 발전 장치는 발전기로부터 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 변환기와, 이 AC/DC 변환기에서 변환된 직류 전력을 규정 주파수의 교류 전력으로 변환하여 전기 기기에 공급하는 DC/AC 변환기를 갖고 있다.

여기서, AC/DC 변환 및 DC/AC 변환을 행하고 있는 것은, 가스 히트 펌프의 부하 변동에 수반하여 엔진 회전수가 변화하고, 발전되는 출력 주파수와 출력 전압이 변화하기 때문에 그것을 상용 전원의 규정치로 변환하기 위함이다. 상용 전원의 규정치로 변환하는 것은, 상용 전원과 계통 연계 가능하게 하기 위함이다.

그러나, 종래의 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치에는 다음과 같은 문제점이 있었다.

(1) 문헌 1에 기재된 발명에 있어서는, 상용 전원과 계통 연계하기 위해 상용 전원의 전기 방식, 전압, 주파수 등에 동기시키는 동기 기능이나 보호 장치를 제2 변환기에 구비할 필요가 있어 비용이 상승하는 문제가 있었다.

(2) 문헌 1에 기재된 발명에 있어서는, 가스 엔진의 기동시에 가스 엔진의 출력 부하가 커지는 문제점이 있었다.

(3) 문헌 1에 기재된 발명에 있어서는, 발전 전력을 AC/DC 변환하여 얻어지는 직류 전압을, 규정한 설정 전압이 되도록 제어하고 있다. 직류 전압 레벨은 일반적으로, 교류 상용 전원으로부터의 유입량이 0이 되는 전압치로 설정된다. 교류 상용 전원은 202 ± 20 V이므로, AC/DC 변환 장치에서 설정하는 직류 전압은 222 × (√2) = 314 V보다 높은 값으로 설정해야만 한다. 이 조건에 의해 통상 320 V로 설정되어 있다.

그러나, 평균적으로는 202 × (√2) = 286 V보다 높은 값으로 설정하면 좋고, 320 V는 모든 경우에 교류 상용 전원 유입이 0이 되는 전압치이다. 그런데, 평균치로 비교하는 (320 - 286) V의 차는 발전 효율을 악화시킨다.

그 이유는, 모터의 동손 = 전기자 코일 저항 × (전기자 전류)², 모터의 철손 = (유기 전압)²/등가 철손 저항이므로, 전압이 높으면 모터의 철손이 상승하기 때문이다. 또한, 스위칭용 디바이스 및 기타 부품에서의 손실도 증가하기 때문이다.

이와 같이, 종래 직류 전압을 일정하게 제어함으로써, 평균적으로 손실이 증가하는 문제가 있다.

그래서 본 발명은, 이러한 과제를 해결하여 발전 효율이 높은 발전 기능을 구비한 공기 조화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치는, 상기 과제를 해결하기 위해 이하와 같은 구성을 갖고 있다.

(1) 가스 엔진에 의해 구동되는 압축기와, 전동 보충기를 구비하여 실외에 설치되는 실외기와, 실내에 설치되는 실내기를 갖는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치에 있어서, 가스 엔진에 의해 구동되는 동기 모터와, 동기 모터를 회생 제어하여 직류 전력을 얻는 PWM 컨버터를 구비하고, PWM 컨버터에서 얻어진 전력을 실외기 내의 전동 보충기 또는 실내기의 전원으로서 공급한다.

(2) (1)에 기재한 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치에 있어서, 단상(單相) 또는 3상 교류 상용 전원을 정류하는 변환기를 더 구비하고, 상기 실외기 내의 전동 보충기 또는 상기 실내기의 소비 전력에 대해 상기 PWM 컨버터에서 얻어지는 전 력이 부족한 경우에는, 상기 변환기를 통해 상용 전원으로부터 불측(不測) 전력을 보충하는 동시에, 상기 PWM 컨버터에서 얻어지는 전력이 소비 전력을 상회하는 경우에는, 상기 직류 전력의 직류 전압을 상업 전원으로부터의 유입 전류가 0이 되는 가장 낮은 전압으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

(3) (1)에 기재한 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치에 있어서, 상기 PWM 컨버터를 PWM 인버터로 제어함으로써, 상기 단상 또는 3상 교류 상용 전원측으로부터 유입되는 전력으로 상기 동기 모터를 역행 운전하는 역행 운전 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

다음에, 본 발명에 관한 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치의 일실시예에 대해, 도면을 참조하면서 이하에 설명한다. 도1은 본 실시예의 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치의 구성도이다.

가스 히트 펌프식 공기 조화기는 실외기(10), 실내기(30) 및 실외기(10)와 실내기(30)를 순환하는 냉매 순환 통로(1)로 구성된다.

실외기(10)는 압축기(13A, 13B)를 구동하기 위한 가스 엔진(11)과, 가스상의 냉매와 액상의 냉매를 완전히 분리하는 어큐뮬레이터(12)와, 공조를 위해 냉매의 열교환을 행하는 실외 열교환기(14)를 갖고 있다. 가스 엔진(11)에는 발전기인 동기 모터(52)가 접속되어 있다.

실내기(30)는, 실내 공기와 냉매로 열교환을 행하는 실내 열교환기(31)와 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브(32)를 갖고 있다.

압축기(13)는 가스상의 냉매를 흡입하여 고압의 가스상의 냉매를 토출한다.

다음에, 실내를 냉방할 때의 작용을 설명한다. 연료 가스에 의해 가스 엔진(11)을 구동하여 압축기(13A, 13B)를 구동한다. 압축기(13A, 13B)는 어큐뮬레이터(12)의 가스상의 냉매를 흡인하여 압축하고, 고온 고압 상태의 가스로서 토출한다. 토출된 가스상의 냉매는 오일 세퍼레이터(19)에 있어서, 냉매로부터 오일이 분리된다. 오일이 분리된 냉매는 사방 밸브(17)에 의해 실외 열교환기(14)로 유입된다.

고온 고압의 가스상 냉매는 실외 열교환기(14)에서 냉각되어 액화된다. 액화된 냉매는 필터 드라이어(22), 볼 밸브(23), 스트레이너(31n)를 경유하여 팽창 밸브(32)에 있어서 팽창되어 저온이 된다.

저온이 된 냉매는, 스트레이너(31m)를 경유하여 실내 열교환기(31)에 이르고, 실내 공기를 냉각한다. 다음에 냉매는, 2중관 열교환기(18)를 경유하여 어큐뮬레이터(12)로 복귀된다. 냉매는, 어큐뮬레이터(12)에 있어서 액상의 냉매와 가스상의 냉매로 분리된 상태에서 수납된다.

다음에, 실내를 난방할 때의 작용을 설명한다. 연료 가스에 의해 가스 엔진(11)을 구동하여 압축기(13A, 13B)를 구동한다. 압축기(13A, 13B)는 어큐뮬레이터(12)의 가스상의 냉매를 흡인하여 압축하고, 고온 고압 상태의 가스로서 토출한다. 토출된 가스상의 냉매는 오일 세퍼레이터(19)에 있어서 냉매로부터 오일이 분리된다. 오일이 분리된 냉매는 사방 밸브(17)에 의해 실내 열교환기(31)로 유입된다. 고온 고압의 냉매는 실내 열교환기(17)에서 실내 공기를 가열한다.

다음에 냉매는 스트레이너(31)를 경유하여 팽창 밸브(32)에서 팽창되고, 볼 밸브(23) 및 필터 드라이어(22)를 경유하여 실외 열교환기(14)에 이른다. 그리고, 사방 밸브(17) 및 2중 열교환기(18)를 경유하여 어큐뮬레이터(12)로 복귀된다.

가스 엔진(11)에 접속된 동기 모터(52)는 가스 엔진(11)에 여력이 있을 때에 발전을 행한다.

본 실시예의 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치에 있어서는, 실외기 내의 보충기로서 실외 열교환기(14)로 송풍하는 제1 송풍기(16) 및 가스 엔진(11)을 냉각하기 위한 냉각수 펌프(21)가 설치되어 있다. 또한 실내기로서, 실내 열교환기(31)로 송풍하는 제2 송풍기(33, 34)가 설치되어 있다.

상기 보충기 이외에, 그 밖의 모터나 전자 밸브, 실외기용 제어 기판, 실내기용 제어 기판, 실내기(30)의 풍향판 변경용 모터가 존재한다.

다음에, 전기 계통의 구성을 시스템 블록도로서 도2에 도시한다.

가스 엔진(11)에는 발전기인 동기 모터(52)가 접속되어 있다. 동기 모터(52)로부터는, 교류 전선(53)이 3개 나와 발전 PWM 컨버터(50)에 접속되어 있다. 교류 전선(53)의 3개 중 2개에는 전류치를 검출하기 위한 전류 변압기(51)가 부착되어 있다. 발전 PWM 컨버터(50)로부터는 직류 전선(54)이 2개 나와 있다.

한편, 교류 상용 전원(41)이 변환기(40)에 입력되어 있다. 변환기는 6개의 다이오드(42)와 전해 컨덴서(44)로 구성되어 있다. 전선에는 전류 센서(43)가 부착되어 있다.

발전 PWM 컨버터(50)로부터 출력되어 있는 직류 전선(54)은, 변환기(40)로부터 출력되어 있는 직류 전선 2개와 각각 접속하여, 부하 인버터(60)에 접속되어 있다. 직류 전선에는 부하 전류 센서(55)가 부착되어 있다. 부하 인버터(60)에는 모터 등의 보충기(90)가 접속되어 있다.

발전 PWM 컨버터(50)를 제어하기 위한 마이크로 컴퓨터인 PWM 컨버터 제어 수단(70)에는, 전류 변압기(51), 전류 센서(43), 직류 전압 검출기(45), 부하 전류 센서(55)가 접속되어 있다.

모터 제어기(80)가 부하 인버터(60)에 접속되어 있다.

도3에 기본 벡터도를 dq선도로 나타낸다. 전압 방정식을[수학식 1]로 나타낸다.

여기서, υa, υb, υc는 각 상의 전기자 전압이다. ia, ib, ic는 각 상의 전기자 전류이다. υd, υq는 전기자 전압의 d, q축 성분이다. id, iq는 전기자 전류의 d, q축 성분이다. Ra는 전기자 코일 저항이다. Ld, Lq는 d, q축 인덕턴스이다. p는 미분 연산자(p = d/dt)이다. ω는 동기 모터(52)의 전기자 각속도이다. ψa는 영구 자석의 전기자 쇄교(鎖交) 자속(磁束)이다.

다음에, 제어를 전류 벡터 제어 시스템도로서 도4에 도시한다. 직류 전압 최적 제어(64)는 토크 계산부(63) 및 벡터 전류 제어 알고리즘(65)과 접속되어 있다. 토크 계산부(63)는 벡터 전류 알고리즘(66) 및 추정 알고리즘(66)에 접속되어 있다.

발전 PWM 컨버터(50)는 제1 운전 모드인 직류 전압 최적 제어 또는 제2 운전 모드인 출력 제한 제어 중 어느 하나의 제어에 의해 동작한다. 직류 전압 최적 제어에서는, 부하 인버터(60)가 필요로 하는 전체 전력을 동기 모터(52)로부터 공급한다. 한편, 출력 제한 제어에서는 필요 전력을 동기 모터(52)와 상용 전원(41)으로 협동하여 공급한다.

우선, 제1 운전 모드인 직류 전압 최적 제어에 대해 설명한다.

직류 전압 최적 제어(64)에는 상용 전류 유입치[IO(n)], 직류 전압 실측치[Vdc(n)], 직류 전압 지령 초기치[Vdc(0)]가 입력된다. 여기서 직류 전압은, 부하에 인가되는 전압을 AC 20O V의 실효치로 하기 위해 DC 282 V 이상일 필요가 있다.

그것을 달성하는 방법으로서는 3가지의 방법이 있다. 제1 방법은, 상용 전원으로부터의 유입 전류가 0이 되도록 항상 감시하는 방법이다.

제2 방법은, 발전 PWM 컨버터(50) 시동시에 상용 전원으로부터의 유입 전류가 0이 되도록 직류 전압을 1 V/초 정도로 전압을 상승시키고, 그 값으로 일정하게 제어하고, 그 후 상용 전원으로부터의 유입 전류가 있으면 마찬가지로 1 V/초 정도로 전압을 상승시키는 방법이다. 단, 이 경우 DC 282 V 이상인 것을 필요로 한다.

제3 방법은, 기동시의 발전 PWM 컨버터(50) 정지로 전부하 정지시의 직류 전압을 검출하고, 이 값에 5 내지 6 V 더한 전압으로 일정 제어하는 방법이다. 즉, 동기 모터(52) 정지 상태에서 상용 전원으로부터의 전압을 측정하고, 그 값에 5 내지 6 V 더하는 것이다.

제3 방법이, 여분의 센서를 필요로 하지 않으므로 가장 적당한 방법이다.

상기 어느 하나의 방법에 의해 직류 전압 최적 제어(64)로부터 직류 전압 지령치[Vdc*]가 출력된다.

다음에, 토크 계산부(63)에 대해 설명한다. 토크 계산부(63)에는 직류 전압 최적 제어(64)로부터 직류 전압 지령치[Vdc*]가 입력되고, 또한 부하측의 직류 전류 실측치[Idc(n)]가 입력된다. 또한, 추정 알고리즘(66)으로부터 동기 모터(52)의 회전자 각속도[ωm(n)]가 입력된다. 이들 값으로부터 동기 모터(52)로부터의 취출 출력[P(M)]을,[수학식 2]를 이용하여 산출한다.

Idc(n)은 부하측의 직류 전류 실측치이고, (n)은 처리 시점의 샘플치를 나타낸다.

동기 모터(52)의 출력[P(M)]은, 후술하는 바와 같이 예를 들어 여름철에 공조용 압축기의 부하가 클 때에는, 항시 출력 제한될 가능성이 있다. 즉, 발전기로부터의 취출 전력이 제한되어 있지 않은 경우에는,「동기 모터로부터의 취출 전력 = 부하측 모터 총 필요 전력」이 된다. 한편, 발전기로부터의 취출 전력이 제한되어 있는 경우에는,「동기 모터로부터의 취출 전력 + 상용 전원으로부터의 전력 = 부하측 모터 총 필요 전력」이 된다.

다음에,[수학식 3]을 이용하여 iq를 id의 함수로서 표현한 식을 구하여, Iq*로서 출력한다.

여기서, T*는 토크이다. Pn은 극대수이다. ψa는 유도 전압이며, 상수이다. (Ld - Lq)는 고정치이다.

동기 모터(52)로부터의 출력 전류는 [수학식 4]에 나타낸 바와 같은 동기 모터(52)의 한계 전류(Ia)에 의한 제한을 항상 가하고 있다.

여기서, Ie는 상(相)전류 실효치이다. a 및 b는 동기 모터(52)의 모터 특성으로부터 결정되는 계수이다. 즉, 동기 모터(52)가 과도하게 가열되는 것을 방지하기 위해, 동기 모터(52)로부터의 출력 전류를 제한하고 있는 것이다.

[수학식 4]의 의미는, 얻어진 id와 iq의 제곱 합의 제곱근 √(id² + iq²)이 √3(a·ω + b)보다도 클 때에는, √3(a·ω + b)로 결정되는 Ia를 기초로 하여 id 및 iq를 결정하는 것이다.

즉, 부하측의 필요 전력을 기초로 하여 산출한 id 및 iq가 발전기인 동기 모터(52)의 제한치를 넘고 있으면,[수학식 5],[수학식 2],[수학식 3]을 충족시키는 조건이 존재하지 않는다고 판단하여 출력이 제한된 상태와 동일해진다.

단,[수학식 5]와[수학식 4]의 연립 방정식으로부터 구할 수 있다.

발전기만으로는 부하측 총 전력을 조달할 수 없으므로, 직류 전압을 낮추어 상용 전원으로부터 전력을 취하기 위해 [수학식 5]의 Vdc는 출력 제한 제어와 마찬가지로, Vdc* = Vdc(n)이 된다.

다음에, 벡터 전류 제어 알고리즘(65)에 대해 설명한다. 벡터 전류 제어 알고리즘(65)에는 직류 전압 최적 제어(64)로부터 직류 전압 지령치(Vdc*)가 입력된다. 또한, 토크 계산부(63)로부터 Iq*가 입력된다. 또한, 추정 알고리즘(66)으로부터 동기 모터(52)의 회전자 각속도[ωm(n)]가 입력된다.

벡터 전류 제어 알고리즘(65)은, [수학식 5]를 기초로 하여 id를 구한다.

여기서, Vdc*는 직류 전압 지령치이며, Vdc(IO = 0)이다. 또한, Vdc(0)는 전류 전압 지령 초기치이며, 본 실시예에서는 282 V이다. 또한, IO(n)은 상용 전원 유입 전류 실측치이며, (n)은 처리 시점의 샘플치이다.

Vdc*는 초기치를 282 V로 하고, IO(n)의 목표치와의 편차를 더하는 형태로, IO(n) = 0이 되도록 PI 제어한다. 단, Vdc* = 282 내지 320 V로 한다.

다음에, 직류 전압 최적 제어의 구체적 순서에 대해 설명한다.

(a) Vdc(0) = 282 V(초기치)로 설정한다.

(b) 1초 간격으로 IO(n)을 실측한다.

(c) IO(n)이 0보다 큰 경우에는, Vdc를 1 V 상승시킨다.

(d) (b)와 (c)를 반복하고, IO(n)이 0이 된 경우의 Vdc를 직류 전압 지령치 (Vdc*)로 한다. Vdc* = Vdc[IO(n) = O]

(e) 이와 같이 하여 얻어진 Vdc*와 부하측이 요구하는 직류 전압 실측치[Idc(n)]로부터,[수학식 2]로부터 취출한 전력[P(M)*]을 산출한다.

(f) 동기 모터(52)의 각속도(ω)와 P(M)*로부터 토크(T*)를 계산한다.

T* = P(M)*/ω

(g)[수학식 5]와 [수학식 3]에, 이와 같이 하여 얻어진 Vdc*, ω 및 그 밖의 정수를 대입함으로써, id와 iq의 연립 방정식을 만들어 이들로부터 id와 iq를 구한다.

여기서, (e)에 있어서 Vdc*·Idc(n)이 P(M)Lim과 비교된다. 비교 결과가 Vdc*·Idc(n) > P(M)Lim인 경우는, 모터 출력이 제한된다. 이 경우, Vdc*는 실측치(부하측이 실제로 필요한 전압치)가 된다.

또한, (g)에서 구한 id 및 iq가 √(id² + iq²) > √3(a·ω + b)가 되면, 모터의 한계 전류 이상의 전류가 흐르게 되므로 전류 제한된다. 이 경우,[수학식 5]와 √(id² + iq²) = √3(a·ω + b)와의 연립 방정식으로부터 id와 iq를 구한다.

이와 같이 하여 구한 id 및 iq를 최적 전류 지령치(id* 및 iq*)로서 출력한다. 다음에, PI 제어에 있어서 id* 및 iq*를[수학식 1]에 대입함으로써, υd 및 υq를 얻어 2상/3상 및 회전/정지(靜止) 변환(62)에 입력한다.

2상/3상 및 회전/정지 변환(62)에 있어서, υd 및 υq가 υa, υb, υc로 변환되고, 3상 전류(ia, ib, ic)로서 PWM 컨버터(52)에 입력된다. 즉, υa, υb, υc를 3상 변조파로 하고, 삼각 반송파와의 비교에 의해 PWM 컨버터 내의 IGBT(절연 게이트·바이폴러 트랜지스터 : 반도체 스위칭 소자)를 스위칭 제어하는 게이트 신호로서 작용한다.

id* 및 iq*에는 계측기(51)에 의해 ia 및 ic를 계측하여 3상/2상·정지/회전 변환(67)에 의해 변환된 id(n) 및 iq(n)이 피드백되어 있어, 입력 id* 및 iq*에 대해 출력 id(n) 및 iq(n)의 편차가 0이 되도록 제어하고 있다.

제2 운전 모드인 출력 제한 제어에 대해 설명한다. 출력 제한 제어에서는, 필요 전력에 대해 동기 모터(52)의 발전 출력에서는 부족한 만큼을 상용 전원으로부터 보충하는 형태로 운전한다.

도5에 엔진 출력 제한치의 그래프를 나타낸다. 횡축이 외부 제한 지령치(Vs)를 나타내고, 종축이 엔진 출력[P(E/G)]의 백분율을 나타낸다. Vs는 GHP의 주제어기로부터 발전기용 제어기인 PWM 컨버터 제어 수단(70)에 부여되는 지령치이다. 지령치는, 0 내지 5 V의 아날로그 입력으로서 10초 이상의 간격으로 부여된다. P(E/G)는 엔진 전체 동력의 비율이 아닌, 발전기에 부여되어 있는 비율이다. 20마력의 GHP에서는, 엔진 출력은 약 15 kW이지만 발전기에 부여되는 것은 최대 2 kW 정도이다. 즉, P(E/G) = 100 ％라 함은 2 kW가 된다.

여름철 공조의 수요가 커 압축기의 부하가 클 때에는, 공조를 우선시키기 위해 발전을 중지하고 있다.

동기 모터(52)의 출력[P(M)] = P(E/G)·η(M)이다. 여기서, η(M)은 모터 효율이다.

동기 모터(52)의 출력 제한치[P(M)Lim]는, P(E/G)에 의한 제한과 [Vdc*·Idc(n)] 중 작은 쪽에 제한된다.

다음에, 벡터 제어 알고리즘(65)에 대해 설명한다.

Vdc*·Idc(n) > P(M)Lim의 경우에는,[수학식 5]에 있어서 Vdc* = Vdc(n)으로 한다. 또한,[수학식 2] 는[수학식 3]에 있어서 P(M)* = P(M)Lim으로 한다. 여기서, Vdc(n)는 직류 전류의 실측치이다. (n)은 처리 시점의 샘플치이다. 이에 의해, 엔진 토크 변동을 고려하여 P(M)치의 상승 또는 하강 속도를 제한하고 있다.

한편, Vdc*·Idc(n) < P(M)Lim의 경우에는[수학식 5]에 있어서 Vdc* = Vdc(IO = 0)로 한다. 또한,[수학식 2]또는[수학식 3]에 있어서 P(M)* = Vdc*·Idc(n)으로 한다.

발전기인 동기 모터(52)의 부족분을 발전 PWM 컨버터(50)가 보충하고, 직류(초기치를 282 V로 한 부분)의 전해 컨덴서(44)를 통해 부하에 전력을 공급하고 있다. 전해 컨덴서(44)가 부착되어 있는 전선이 직류 중간 모선으로 되어 있다.

모터 출력이 제한되면 발전 PWM 컨버터(50)로부터 전해 컨덴서(44)로 공급하는 전류(전하)만으로는 부하 전류가 부족해져, 전해 컨덴서(44)의 전압이 저하된다. 전해 컨덴서(44)의 전압이 저하되면, 상용 전원으로부터 전류가 유입되어 밸런스가 유지된 시점에서 전압이 결정된다. 이를 Vdc로서 사용한다.

단, 모터 출력이 제한되어도 한 번에 모터 출력을 저하시키면 엔진으로의 부 하 변동과 함께 전압 밸런스도 헌팅을 일으킬 가능성이 있으므로, 엔진 토크를 고려하여 P(M)치의 상승 또는 하강 속도를 제한하고 있다. 실제로는 상당히 천천히 발전기 출력을 저하시키고 있다.

상기 구성을 갖는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치의 타임 차트를 설명한다. 우선, 시동시 제어에 대해 설명한다.

도6에 시동시의 타이밍 차트를 나타낸다. GHP 운전 지령이 있으면, 상용 전원을 입력하여 냉각 펌프(Wp)를 구동한다. 다음에, 가스 밸브를 개방하여 엔진(11)을 시동한다. 여기서, 발전 PWM 컨버터(50)를 PWM 인버터로 제어함으로써 교류 상용 전원(41)으로부터 유입하는 전류로 동기 모터(52)를 역행 운전하는 PWM 컨버터 제어 수단(70)을 갖는다. 동기 모터(52)를 시동 장치로서 사용하기 위해 고토크 제어를 행하고, PWM 컨버터 제어 수단(70)으로부터 소정의 패턴으로 게이트 제어함으로써 발전 PWM 컨버터(50)를 PWM 인버터로서 동작시킬 수 있다.

즉, 엔진 시동용 시동 장치 모터를 동기 모터(52)로 겸용함으로써, 시동 장치 모터와 시동 장치 모터용 전원 유닛을 삭감시킬 수 있다.

엔진을 시동한 후 35 내지 160초 경과한 후에, 압축기(13) 및 제1 송풍기(16)를 구동한다. 그 후, 60초 이내에 사방 밸브를 제어한다. 압축기 절환 5초 후, 또는 사방 밸브 절환 10초 후에 발전 컨버터 PWM(50)의 운전을 지령한다.

발전기 출력이 나오는 동시에 상용 전원의 입력이 저하되어, 기본적으로는 0이 된다.

즉, 발전 PWM 컨버터(50)는 전술한 바와 같이 제1 운전 모드인 직류 전압 최 적 제어 또는 제2 운전 모드인 출력 제한 제어 중 어느 하나의 제어에 의해 동작한다. 직류 전압 최적 제어에서는, 부하 인버터(60)가 필요로 하는 전체 전력을 동기 모터(52)로부터 공급한다. 한편, 출력 제한 제어에서는 필요 전력을 동기 모터(52)와 상용 전원(41)으로 협동하여 공급한다.

다음에, 통상 정지시 제어에 대해 설명한다.

도7에 정지시의 타이밍 차트를 나타낸다. GHP 정지 지령이 있으면, 즉시 발전 PWM 컨버터(50)의 운전 정지를 지령한다. 발전기가 정지되는 동시에 상용 전원이 증가하여, 냉각 펌프 및 압축기 등에 전력을 공급한다.

다음에, 압축기를 정지시키고 가스 밸브를 폐쇄한다. 이에 의해, 엔진이 정지한다. 가스 밸브를 폐쇄한 후, 최대 180초간 팬을 구동하여 정지시킨다. 그 10초 후에, 냉각수 펌프를 정지한다.

이상, 상세하게 설명한 바와 같이 본 실시예의 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치에 따르면, 가스 엔진(11)에 의해 구동되는 압축기(13)와, 전동 보충기인 제1 송풍기(16), 냉각수 펌프(21) 등을 구비하여 실외에 설치되는 실외기와, 실내에 설치되는 실내기인 제2 송풍기(33, 34) 등을 갖는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치이며, 가스 엔진(11)에 의해 구동되는 동기 모터(52)와, 동기 모터(52)를 회생 제어하여 직류 전력을 얻는 PWM 컨버터(50)와, 2상 또는 3상 교류 상용 전원을 정류하고 또한 평활하게 하여 직류 전력을 얻는 변환기(40)와, 변환기(40)에서 얻어진 직류 전력을 검출하면서 PWM 컨버터(50)에서 얻어진 전력을 실외기 내의 전동 보충기 또는 상기 실내기의 전원으로서 공급하는 제어 수단인 PWM 컨버터 제어 수단 (70)을 가지므로, 교류 상용 전원으로 가동되는 외부 전기 기기에 전기적 영향을 줄 우려가 감소된다. 또한, 계통 연계하기 위한 전압이나 주파수 등에 동기시키는 동기 기능이나 보호 장치를 없앨 수 있어 비용 절감을 실현할 수 있다.

또한, 본 실시예의 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치는 교류 상용 전원(41)으로부터 유입되는 전류를 검출하는 전류 검출 수단인 전류 센서(43)와, 전류 검출 수단이 유입 전류를 검출하였을 때에 상기 유입 전류를 감소시키도록, 상기 PWM 컨버터가 발생하는 직류 전력의 직류 전압을 제어하는 직류 전압 제어 수단을 가지므로, 가스 히트 펌프의 실외기 내의 전동 보충기, 또는 실내기를 구동하기 위해 필요한 최저한의 전압을 얻을 수 있으므로 특히 모터의 철손(鐵損)을 저감시킬 수 있고, 또한 스위칭용 디바이스 및 그 밖의 부품에서의 손실도 감소시킬 수 있다.

이와 같이, 종래 직류 전압을 일정하게 제어함으로써, 평균적으로 증가하고 있던 손실을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 실시예의 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치는 PWM 컨버터를 PWM 인버터로 제어함으로써, 교류 상용 전원으로부터 유입되는 전류로 동기 모터를 역행 운전하는 역행 운전 제어 수단인 PWM 컨버터 제어 수단(70)을 가지므로, 엔진 시동용 시동 장치 모터를 동기 모터(52)로 겸용할 수 있어 시동 장치 모터용 전원 유닛을 삭감할 수 있다. 특히 동기 모터(52)는, 시동 토크가 높아 저속이면서 고출력 토크가 필요한 시동 장치에 적합하다. 종래, 유도 모터를 시동 장치와 겸용하는 사례는 있었지만 유도 모터는 시동 토크가 낮아 시동 장치로서 사용하면 상용 전원으로부터 큰 시동 전류를 필요로 하고 인버터의 요령도 커져 대형화해야만 하는 문 제가 있었지만, 본 실시예에 따르면 그 문제를 해결할 수 있다.

이상, 본 발명에 관한 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치의 일실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 일 없이 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.

예를 들어, 실시예에서는 보충기로서 압축기 및 송풍기를 구동하고 있지만, 다른 보충기인 전자 밸브 등을 구동해도 된다.

본 발명의 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치는, 다음과 같은 작용 및 효과를 갖는다.

압축기를 구동하고 있는 가스 엔진은 필요 공조 능력에 대한 여분의 능력을 갖고 있고, 가스 엔진의 여분의 능력에 의해 발전을 행하고 있다.

가스 엔진은 발전용 동기 모터의 회전축을 회전 구동한다. PWM 컨버터는 동기 모터를 회생 제어하여 직류 전력을 얻는다. 이 직류 전력을 실외기의 전동 보충기 또는 실내기의 전원으로서 공급함으로써 발전 작용이 행해진다. 본 발명은, 영구 자석을 내장한 고효율의 동기 모터를 가장 적절하게 제어할 수 있는 PWM 컨버터를 이용하여 제어함으로써 한층 고효율 발전을 실현할 수 있다.

또한, PWM 컨버터에서 얻어진 교류 전력을 교류 상용 전원과 계통 연계시키지 않고 가스 히트 펌프의 실외기 내의 전동 보충기, 또는 실내기의 전원으로서 공급하고 있으므로, 교류 상용 전원으로 가동되는 외부 전기 기기에 전기적 영향을 줄 우려가 감소되는 데다가, 계통 연계하기 위한 전압이나 주파수 등에 동기시키는 동기 기능이나 보호 장치를 없앨 수 있어 비용 절감을 실현할 수 있다. 또한, 이 경우에 있어서 PWM 컨버터에서 얻어진 직류 전력은 부하 인버터 등에 의해 교류 전력으로 변환하여 전동 보충기 등으로 공급할 수 있다.

또한, 전류 검출 수단이 교류 상용 전원으로부터의 유입 전류를 검출하였을 때에, 상기 유입 전류를 감소시켜 0으로 하도록 PWM 컨버터가 발생하는 직류 전력의 직류 전압을 제어하기 때문에, 가스 히트 펌프의 실외기 내의 전동 보충기 또는 실내기를 구동하는 데 필요한 최저한의 전압을 얻을 수 있으므로 모터의 특히 철손을 저감시킬 수 있고, 또한 스위칭용 디바이스 및 기타 부품에서의 손실도 감소시킬 수 있다. 따라서, 종래의 직류 전압 일정 제어에 비해, 상기한 바와 같은 손실을 감소시킬 수 있다.

또한, PWM 컨버터를 PWM 인버터로 제어함으로써 교류 상용 전원으로부터 유입되는 전류로 동기 모터를 역행 운전하는 역행 운전 제어 수단을 가지므로, 가스 엔진의 기동시에 가스 엔진의 출력 부하를 저감시킬 수 있다. 여기서, 동기 모터는 시동 토크가 높아 저속이면서 고출력 토크가 필요한 시동 장치 모터에 적합하므로, 가스 엔진의 시동 안정성을 향상시킬 수 있다.

Claims

가스 엔진에 의해 구동되는 압축기와, 전동 보충기를 구비하여 실외에 설치되는 실외기와, 실내에 설치되는 실내기를 갖는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치에 있어서,

상기 가스 엔진에 의해 구동되는 동기 모터와,

상기 동기 모터를 회생 제어하여 직류 전력을 얻는 PWM 컨버터를 구비하고,

상기 PWM 컨버터에서 얻어진 전력을 상기 실외기 내의 전동 보충기, 또는 상기 실내기의 전원으로서 공급하는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치.
제1항에 있어서, 단상 또는 3상 교류 상용 전원을 정류하는 변환기를 더 구비하고,

상기 실외기 내의 전동 보충기 또는 상기 실내기의 소비 전력에 대해 상기 PWM 컨버터에서 얻어지는 전력이 부족한 경우에는, 상기 변환기를 통해 상용 전원으로부터 불측 전력을 보충하는 동시에, 상기 PWM 컨버터에서 얻어지는 전력이 소비 전력을 상회하는 경우에는, 상기 직류 전력의 직류 전압을 상업 전원으로부터의 유입 전류가 0이 되는 가장 낮은 전압으로 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치.
제2항에 있어서, 상기 PWM 컨버터를 PWM 인버터로 제어함으로써 상기 단상 또는 3상 교류 상용 전원측으로부터 유입되는 전력으로 상기 동기 모터를 역행 운전하는 역행 운전 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프식 공기 조화 장치.