WO2021144869A1 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

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WO2021144869A1
WO2021144869A1 PCT/JP2020/000953 JP2020000953W WO2021144869A1 WO 2021144869 A1 WO2021144869 A1 WO 2021144869A1 JP 2020000953 W JP2020000953 W JP 2020000953W WO 2021144869 A1 WO2021144869 A1 WO 2021144869A1
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magnetic pole
unit
pole position
control unit
motor
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PCT/JP2020/000953
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裕一 清水
和徳 畠山
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
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Definitions

  • This disclosure relates to a heat pump device using a compressor.
  • Patent Document 1 discloses a technique in which a heat pump device stably heats a compressor regardless of the stop position of a rotor included in a compressor motor while the compressor operation is stopped during heating of an air conditioner. Has been done.
  • the heat pump device described in Patent Document 1 applies a high-frequency voltage to the motor so that the motor does not rotate, and the iron loss of the motor caused by the application of the high-frequency voltage is the main heating source.
  • Patent Document 1 describes a circuit that detects the current and voltage of the motor in order to detect the stop position of the rotor.
  • a technique for rotating a motor in a heat pump device a vector control method using a motor current is widely known. Motor current is used for more than just estimating the stop position of the rotor.
  • the motor voltage is used only for estimating the stop position of the rotor.
  • the heat pump device described in Patent Document 1 requires a motor voltage detection circuit for estimating the stop position of the rotor, which causes a problem that the circuit scale increases and the device becomes larger. ..
  • the present disclosure has been made in view of the above, and an object of the present disclosure is to obtain a heat pump device capable of efficiently heating a compressor while suppressing an increase in circuit scale.
  • the heat pump device of the present disclosure includes a compression mechanism for compressing an electric current, a compressor including a motor having a rotor and driving the compression mechanism, a heat exchanger, and the like.
  • An inverter that applies a desired voltage to the motor, a current detector that detects the current flowing from the inverter to the motor, a drive signal generator that generates the drive signal of the inverter, and a drive signal generator that cannot drive the motor in rotation.
  • a high-frequency voltage is applied to the motor to heat the compressor, the voltage phase of the voltage command value of the high-frequency voltage expressed by a sinusoidal wave is changed, and the stop position of the rotor is indicated from the current value detected by the current detector.
  • a magnetic pole position estimation unit that estimates the magnetic pole position and estimates the magnetic pole position that obtains the maximum heating amount, and a magnetic pole that obtains the maximum heating amount when a high-frequency voltage is applied to the motor from the drive signal generation unit to heat the compressor. It includes a steady-state heating control unit that determines the amplitude and voltage phase of the voltage command value from the position and the specified required heating amount, and a control switching determination unit that operates either the magnetic pole position estimation unit or the steady-state heating control unit.
  • the heat pump device has the effect of being able to efficiently heat the compressor while suppressing an increase in the circuit scale.
  • FIG. 1 A flowchart showing the operation of the inverter control unit included in the heat pump device according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a main configuration of the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • the heat pump device 100 constitutes, for example, an air conditioner.
  • the heat pump device 100 includes a refrigeration cycle in which a compressor 1, a four-way valve 2, a heat exchanger 3, an expansion mechanism 4, and a heat exchanger 5 are sequentially connected via a refrigerant pipe 6. Inside the compressor 1, a compression mechanism 7 for compressing the refrigerant and a motor 8 for driving the compression mechanism 7 are provided.
  • the motor 8 has a rotor (not shown).
  • the motor 8 is a three-phase motor having three-phase windings of U-phase, V-phase, and W-phase.
  • the heat pump device 100 includes an inverter 9, an inverter control unit 10, a voltage sensor 30, and a current detection unit 31.
  • the inverter 9 is electrically connected to the motor 8.
  • the inverter 9 applies a desired voltage to the motor 8. Specifically, the inverter 9 applies the corresponding three-phase voltages Vu, Vv and Vw to the U-phase, V-phase and W-phase windings of the motor 8, respectively.
  • the inverter control unit 10 is electrically connected to the inverter 9.
  • the inverter control unit 10 generates an inverter drive signal, for example, a PWM (Pulse Width Modulation) signal, which is a drive signal for driving the inverter 9, and outputs the signal to the inverter 9.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the inverter 9 is a circuit including six switching elements 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, and three series connection portions composed of two switching elements are connected in parallel.
  • the inverter 9 uses the bus voltage Vdc as a power source, and the switching elements 9a, 9b, 9c corresponding to the PWM signals UP, UN, VP, VN, WP, and WN, which are the inverter drive signals output from the inverter control unit 10, respectively. , 9d, 9e, 9f are driven.
  • the inverter 9 generates three-phase voltages Vu, Vv, and Vw, and applies a voltage to each of the U-phase, V-phase, and W-phase windings of the motor 8.
  • the switching elements 9a to 9f constituting the inverter 9 are semiconductor switching elements such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
  • the inverter 9 may have a configuration in which a recirculation diode (not shown) is connected in parallel to a semiconductor switching element for the purpose of suppressing a surge voltage due to switching.
  • the recirculation diode may be a parasitic diode of a semiconductor switching element, but in the case of a MOSFET, the same function can be realized by turning it on at the timing of recirculation.
  • the material constituting the semiconductor switching element not only silicon Si but also silicon carbide SiC, gallium nitride GaN, gallium oxide Ga2O3, and diamond, which are wide bandgap semiconductors, are used to reduce loss and achieve high-speed switching. Can be realized.
  • the voltage sensor 30 is provided on the input side of the inverter 9, that is, on the supply side of the bus voltage Vdc, and detects the bus voltage Vdc.
  • the voltage sensor 30 outputs the detected bus voltage Vdc to the inverter control unit 10.
  • the current detection unit 31 is provided on the output side of the inverter 9 and detects the three-phase motor currents iu, iv, and iwa flowing from the inverter 9 to the motor 8.
  • the current detection unit 31 may be configured to detect the current by providing a resistor between the switching element on the lower side of the three phases of the inverter 9 and each connection point, or the connection point and the bus of the switching element on the lower side of the three phases.
  • the current may be detected by providing a resistor between the voltage Vdc and the negative side.
  • the configuration of the current detection unit 31 can be realized not only by the method of detecting from the voltage across the resistor but also by using a current sensor using a current transformer or the like.
  • the current detection unit 31 outputs the detected current values of the three-phase motor currents iu, iv, and iw, that is, the current values for the three phases to the inverter control unit 10.
  • the configuration of the inverter control unit 10 will be described in detail.
  • the inverter control unit 10 includes a normal operation control unit 11, a magnetic pole position estimation unit 12, a steady heating control unit 13, a control switching determination unit 14, and a drive signal generation unit 15. Note that, in FIG. 2, only the components that perform characteristic operations in the heat pump device 100 of the present embodiment are shown, and the description of the normal operation control unit 11 shown in FIG. 1 is omitted. There is.
  • the normal operation control unit 11 is used when the heat pump device 100 performs a normal operation.
  • the normal operation control unit 11 controls the drive signal generation unit 15 to output a PWM signal for rotationally driving the motor 8 as an inverter drive signal.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 applies a high-frequency voltage that cannot be rotationally driven by the motor 8 from the drive signal generation unit 15 to the motor 8 to heat the compressor 1, and the voltage command value of the high-frequency voltage expressed by a sine wave.
  • the voltage phase ⁇ a * of Va * is changed.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 estimates the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor included in the motor 8 from the current value detected by the current detection unit 31, and estimates the magnetic pole position at which the maximum heating amount can be obtained.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 includes an estimation unit 20, an estimation energization phase command unit 21, and an estimation voltage command unit 22.
  • the estimation unit 20 acquires a current value from the current detection unit 31, and estimates a magnetic pole position indicating a stop position of the rotor included in the motor 8 based on the current value detected by the current detection unit 31. Further, the estimation unit 20 estimates the magnetic pole position where the maximum heating amount can be obtained based on the current value detected by the current detection unit 31 and the estimated magnetic pole position. In the following description, the magnetic pole position where the maximum heating amount can be obtained may be expressed as the magnetic pole position where the maximum heating amount can be obtained.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a rotor 120 included in the motor 8 of the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • the rotor 120 of the motor 8 includes an iron core 121 and a magnet 122.
  • the length of the gap that is, the distance between the magnet 122 and the stator (not shown) of the motor 8 changes depending on the stop position of the rotor 120 in the motor 8. Therefore, the winding inductance of the motor 8 when viewed from the stator side changes as shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the characteristics of the winding inductance seen from the stator side of the motor 8 in the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • the horizontal axis indicates the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120 estimated by the estimation unit 20 of the magnetic pole position estimation unit 12, and the vertical axis indicates the winding inductance of the motor 8.
  • Lq indicates the inductance of the motor 8 shown in FIG. 3 in the q-axis direction
  • Ld indicates the inductance of the motor 8 shown in FIG. 3 in the d-axis direction.
  • FIG. 5 is a diagram showing current characteristics corresponding to the winding inductance characteristics shown in FIG. 4 in the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • the horizontal axis represents the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120 estimated by the estimation unit 20 of the magnetic pole position estimation unit 12, and the vertical axis represents the current effective value which is the current value detected by the current detection unit 31. Shows the average value of.
  • the current value detected by the current detection unit 31 also changes as shown in FIG. In this way, the current value detected by the current detection unit 31, that is, the current flowing through the motor 8 also changes depending on the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120.
  • the amount of heat that the inverter 9 can apply to the compressor 1, that is, the amount of heat generated by the compressor 1 also changes.
  • the number of magnets 122 included in the rotor 120 is four, but this is an example and is not limited thereto.
  • the number of magnets 122 included in the rotor 120 may be other than four.
  • the distance between peaks and valleys and the distance between valleys in the sine waves shown in FIGS. 4 and 5 become narrower.
  • the distance between peaks and the distance between valleys increases in the sine waves shown in FIGS. 4 and 5.
  • the estimation energization phase command unit 21 estimates the voltage phase of the voltage command value Va * for outputting a high frequency voltage from the drive signal generation unit 15 when the magnetic pole position estimation unit 12 estimates the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120. Control ⁇ a *.
  • the estimation voltage command unit 22 controls the amplitude of the voltage command value Va * for outputting a high frequency voltage from the drive signal generation unit 15 when the magnetic pole position estimation unit 12 estimates the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120. do.
  • the steady heating control unit 13 is used when heating the compressor 1.
  • the steady heating control unit 13 applies a high frequency voltage to the motor 8 from the drive signal generation unit 15 to heat the compressor 1, the voltage command value is determined from the magnetic pole position where the maximum heating amount can be obtained and the specified required heating amount.
  • the amplitude of Vb * and the voltage phase ⁇ b * are determined.
  • the steady-state heating control unit 13 outputs a high-frequency voltage that the motor 8 cannot follow, and drives the PWM signal for heating the compressor 1 without rotating the motor 8 by an inverter. Output as a signal.
  • the steady-state heating control unit 13 includes a heating energization phase command unit 23 and a heating voltage command unit 24.
  • the heating energization phase command unit 23 is a voltage command for outputting a high frequency voltage from the drive signal generation unit 15 based on the estimation result of the magnetic pole position estimation unit 12 when the compressor 1 is heated by the steady heating control unit 13.
  • the voltage phase ⁇ b * of the value Vb * is controlled.
  • the heating voltage command unit 24 controls the amplitude of the voltage command value Vb * for outputting a high frequency voltage from the drive signal generation unit 15 when the compressor 1 is heated by the steady heating control unit 13.
  • the steady heating control unit 13 controls the voltage phase ⁇ b * of the voltage command value Vb * based on the estimation result in which the magnetic pole position estimation unit 12 estimates the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120 of the motor 8. ,
  • the liquid refrigerant staying in the compressor 1 is warmed in a short time to be vaporized and discharged to the outside of the compressor 1.
  • the control switching determination unit 14 operates either the magnetic pole position estimation unit 12 or the steady heating control unit 13.
  • the control switching determination unit 14 generates and outputs a mode switching signal for selecting whether to operate either the magnetic pole position estimation unit 12 or the steady heating control unit 13.
  • the control switching determination unit 14 has either the voltage phase ⁇ a * and the voltage command value Va * output from the magnetic pole position estimation unit 12 or the voltage phase ⁇ b * and the voltage command value Vb * output from the steady heating control unit 13. Is output to the drive signal generation unit 15 according to the mode switching signal.
  • the control switching determination unit 14 uses the voltage command value Va * and the voltage phase ⁇ a * acquired from the magnetic pole position estimation unit 12 as the voltage command value V * and the high frequency phase command ⁇ k *.
  • the control switching determination unit 14 uses the voltage command value Vb * and the voltage phase ⁇ b * acquired from the steady heating control unit 13 as the voltage command value V * and the high frequency phase command ⁇ k *. Output as.
  • the control switching determination unit 14 determines the content of the mode switching signal based on the current values of the three-phase motor currents iu, iv, and iw detected by the current detection unit 31. Further, the control switching determination unit 14 determines whether or not to switch the operation to the magnetic pole position estimation unit 12 based on the current value detected by the current detection unit 31 while the steady heating control unit 13 is operating. ..
  • the drive signal generation unit 15 includes a voltage command value generation unit 25 and a PWM signal generation unit 26.
  • the voltage command value generation unit 25 is based on the high frequency voltage command Vk * and the high frequency phase command ⁇ k * output from the control switching determination unit 14, and the three-phase voltage command values Vu *, Vv *, Vw for each of the three phases. * Is generated.
  • the PWM signal generation unit 26 generates PWM signals UP, VP, WP, UN, VN, WN based on the three-phase voltage command values Vu *, Vv *, Vw *.
  • the drive signal generation unit 15 outputs PWM signals UP, VP, WP, UN, VN, and WN to the corresponding switching elements 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, and 9f to drive the inverter 9. , A voltage is applied to the motor 8. At this time, the drive signal generation unit 15 can heat the compressor 1 including the motor 8 by applying a high frequency voltage so that the rotor 120 of the motor 8 does not rotate.
  • the drive signal generation unit 15 also generates a PWM signal when the heat pump device 100 operates under the control of the normal operation control unit 11.
  • the method of generating the PWM signal in the drive signal generation unit 15 in this case is the same as the method of generating the PWM signal in the case of performing heating control. That is, the only difference is the information output from the normal operation control unit 11 to the drive signal generation unit 15, and in the above example, the information corresponding to the high frequency voltage command Vk * and the high frequency phase command ⁇ k *.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the inverter control unit 10 included in the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • the flowchart shown in FIG. 6 specifically shows the operations of the magnetic pole position estimation unit 12, the steady heating control unit 13, and the control switching determination unit 14 included in the inverter control unit 10.
  • the control switching determination unit 14 When the inverter control unit 10 starts heating the compressor 1, the control switching determination unit 14 first outputs a mode switching signal instructing the magnetic pole position estimation unit 12 to operate.
  • the estimation voltage command unit 22 sets the amplitude of the voltage command value Va * output to the control switching determination unit 14 to Va * (step S102).
  • the amplitude of the voltage command value Va * is expressed as Va *.
  • the estimation voltage command unit 22 determines the amplitude of the voltage command value Va * based on the characteristics of the heating amount Ha for estimating the magnetic pole position obtained in advance by the user through experiments or the like. As shown in FIG. 7, the amount of heat Ha varies depending on the position of the magnetic pole.
  • FIG. 7 is a diagram showing a heating amount Ha controlled by the magnetic pole position estimation unit 12 and a heating target value Hb of the steady heating control unit 13 in the heat pump device 100 according to the first embodiment. In FIG.
  • the horizontal axis indicates the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120 estimated by the estimation unit 20 of the magnetic pole position estimation unit 12, and the vertical axis indicates the magnitude of the heating amount.
  • the estimation voltage command unit 22 has an amplitude of the voltage command value Va * so that the heating amount Ha controlled by the magnetic pole position estimation unit 12 is equal to or less than the heating target value Hb of the steady heating control unit 13 at any magnetic pole position. To determine. In the present embodiment, it is assumed that the amount of heat generated by the motor 8 under the control of the inverter control unit 10 is the same as the amount of heat generated by the motor 8.
  • the estimation unit 20 acquires the current value detected by the current detection unit 31 in the above settings (step S103).
  • the estimation voltage command unit 22 sets the amplitude of the voltage command value Va * output to the control switching determination unit 14 to ⁇ Va * (step S104).
  • the amplitude when Va * is rotated by 180 ° is expressed as ⁇ Va *.
  • the estimation unit 20 acquires the current value detected by the current detection unit 31 in the above settings (step S105).
  • the estimation energization phase command unit 21 increases the voltage phase ⁇ a * of the voltage command value Va * output to the control switching determination unit 14 (step S106).
  • the estimation energization phase command unit 21 may increase the amount of increase in the voltage phase ⁇ a * by a predetermined amount, or may change the amount of increase according to the current value acquired by the estimation unit 20. ..
  • FIG. 8 is a diagram showing an image of the voltage command value Va * and the voltage phase ⁇ a * output from the magnetic pole position estimation unit 12 of the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 switches the amplitude of the voltage command value Va * between the positive direction and the negative direction and outputs it alternately, and appropriately changes the voltage phase ⁇ a * in the range of 0 to 360 °.
  • the average value of the motor current effective values for each energization phase obtained by such control is affected by the inductance characteristics for each magnetic pole position, and has the characteristics shown in FIG. 5 described above.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 can detect the voltage phase at which the effective motor current value is maximum, that is, the amount of heating is maximum, without excessively heating the compressor 1 and the motor 8.
  • step S107: No the magnetic pole position estimation unit 12 returns to step S102 and performs the same operation as described above.
  • step S107: Yes the estimation unit 20 determines the voltage phase ⁇ b * that maximizes the current value (step S108). ).
  • the magnetic pole position estimation unit 12 may set the amount of change in the voltage phase ⁇ a * in the range of 0 to 180 °. The portion of 180 to 360 ° can be dealt with by reversing the polarity of the voltage command value Va *. Further, as shown in FIGS. 4, 5 and 7, the change in the characteristics of each figure differs depending on the number of magnets 122 included in the rotor 120. Therefore, in the case of the characteristics shown in FIGS.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 may set the amount of change in the voltage phase ⁇ a * in the range of 0 to 90 °.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 can detect, for example, the magnetic pole position that is the maximum heating amount or the magnetic pole position that is 90 ° deviated from the magnetic pole position that is the maximum heating amount in FIG. ..
  • the magnetic pole position estimation unit 12 detects the magnetic pole position that is the maximum heating amount, the magnetic pole position estimation unit 12 is used as it is.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 detects the magnetic pole position that is the minimum heating amount
  • the magnetic pole position that is 90 ° deviated from the magnetic pole position that is the minimum heating amount is used as the magnetic pole position that is the maximum heating amount.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 determines the amplitude of the voltage command value Va * from the required heating amount, changes the voltage phase ⁇ a * of the voltage command value Va * within a specified range, and changes the voltage command value Va *. The positive and negative of are switched and output alternately. Further, the magnetic pole position estimation unit 12 estimates that the magnetic pole position where the current value acquired from the current detection unit 31 is maximum is the magnetic pole position where the maximum heating amount can be obtained.
  • the amplitude of the voltage command value Va * may be referred to as the first amplitude.
  • control switching determination unit 14 Since the control switching determination unit 14 has acquired the voltage phase ⁇ a * from the estimation energization phase command unit 21 of the magnetic pole position estimation unit 12, it can determine whether or not the voltage phase ⁇ a * exceeds 360 °. .. When the voltage phase ⁇ a * exceeds 360 °, the control switching determination unit 14 causes the magnetic pole position estimation unit 12 to perform the processing time for the estimation unit 20 of the magnetic pole position estimation unit 12 to determine the voltage phase ⁇ b * in step S108. On the other hand, the output of the mode switching signal that instructs the operation is stopped.
  • the control switching determination unit 14 outputs a mode switching signal instructing the steady heating control unit 13 to operate.
  • the heating energization phase command unit 23 outputs a voltage command value Vb * to the control switching determination unit 14 based on the voltage phase ⁇ b * acquired from the estimation unit 20 of the magnetic pole position estimation unit 12.
  • the voltage phase ⁇ b * is set as the voltage phase (step S201).
  • the voltage phase ⁇ b * that maximizes the current value in step S108 may be determined by the heating energization phase command unit 23 of the steady-state heating control unit 13.
  • the heating voltage command unit 24 sets the amplitude of the voltage command value Vb * output to the control switching determination unit 14 to Vb * (step S202).
  • the amplitude of the voltage command value Vb * is expressed as Vb *.
  • the steady heating control unit 13 outputs the voltage command value Vb * on the voltage phase ⁇ b * at which the effective motor current value obtained by the magnetic pole position estimation unit 12 is maximized to perform heating control.
  • the specific method of heating control is not limited, and may be the same as the conventional method, for example, the same as the method described in Patent Document 1 described above.
  • the control switching determination unit 14 acquires the current value detected by the current detection unit 31 in the above settings (step S301).
  • the heating voltage command unit 24 sets the amplitude of the voltage command value Vb * output to the control switching determination unit 14 to ⁇ Vb * (step S203).
  • the amplitude when Vb * is rotated by 180 ° is expressed as ⁇ Vb *.
  • the control switching determination unit 14 acquires the current value detected by the current detection unit 31 in the above settings (step S302).
  • the control switching determination unit 14 determines whether or not the current value acquired in steps S301 and S302 is less than a predetermined first threshold value. Determine (step S303). That is, the control switching determination unit 14 determines whether or not the magnetic pole position, which is the stop position of the rotor 120, has changed due to the pressure difference of the compressor 1 or the like during heating by the steady heating control unit 13.
  • the current value to be compared with the first threshold value is the average value of the current effective values. As shown in FIG. 5, when the voltage phase ⁇ b * during heating by the steady heating control unit 13 is at the magnetic pole position where the maximum heating amount is obtained, the average value of the effective motor current values becomes the maximum.
  • the control switching determination unit 14 operates the magnetic pole position estimation unit 12 again to estimate the magnetic pole position again.
  • the first threshold is 0.18 Arms, which is smaller than 0.2 Arms in the example of FIG.
  • the control switching determination unit 14 can detect the change in the magnetic pole position more accurately as the first threshold value is closer to the average value of the current effective values at the magnetic pole position where the maximum heating amount is obtained.
  • step S303: No When the current value is equal to or higher than the first threshold value (step S303: No), the control switching determination unit 14 assumes that the stop position of the rotor 120 of the motor 8 has not changed or the amount of change is small enough to be ignored. The output of the mode switching signal instructing the operation to the heating control unit 13 is continued. The steady heating control unit 13 repeatedly carries out the above-mentioned operation.
  • step S303: Yes When the current value is less than the first threshold value (step S303: Yes), the control switching determination unit 14 instructs the steady heating control unit 13 to operate on the assumption that the stop position of the rotor 120 of the motor 8 has changed. Stops the output of the mode switching signal.
  • the control switching determination unit 14 outputs a mode switching signal instructing the operation to the magnetic pole position estimation unit 12 in order to re-estimate the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120 included in the motor 8.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 repeatedly carries out the above-mentioned operation. In this way, the control switching determination unit 14 stops the operation of the steady heating control unit 13 when the average value of the current values becomes less than the defined first threshold value during the operation of the steady heating control unit 13. , Operate the magnetic pole position estimation unit 12.
  • the control switching determination unit 14 may provide hysteresis in the first threshold value so that hunting does not occur in the transition of the operation between the magnetic pole position estimation unit 12 and the steady heating control unit 13.
  • the steady-state heating control unit 13 stops the output of the voltage phase ⁇ b * and the voltage command value Vb * to the control switching determination unit 14, and stops the operation. (Step S205). In this way, the steady heating control unit 13 determines the amplitude of the voltage command value Vb * from the magnetic pole position where the maximum heating amount is obtained and the required heating amount, and alternately outputs the voltage command value Vb * by switching between positive and negative. ..
  • the amplitude of the voltage command value Vb * may be referred to as a second amplitude.
  • the relationship between the second amplitude and the above-mentioned first amplitude is that the second amplitude ⁇ the first amplitude.
  • the steady heating control unit 13 or the control switching determination unit 14 may determine whether or not the heating of the compressor 1 in step S204 is completed.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a hardware configuration that realizes the inverter control unit 10 included in the heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • the inverter control unit 10 is realized by the processor 91 and the memory 92.
  • the processor 91 is a CPU (Central Processing Unit, central processing unit, processing unit, arithmetic unit, microprocessor, microprocessor, processor, DSP (Digital Signal Processor)), or system LSI (Large Scale Integration).
  • the memory 92 includes a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), and an EEPROM (registered trademark) (Registered Trademark) (Electrically General Memory).
  • a semiconductor memory can be exemplified. Further, the memory 92 is not limited to these, and may be a magnetic disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, or a DVD (Digital Versaille Disc).
  • the magnetic pole position estimation unit 12 estimates the stop position of the rotor 120 from the current value detected by the current detection unit 31, and the maximum heating amount is increased. Estimate the obtained magnetic pole position.
  • the steady heating control unit 13 performs heating control at the magnetic pole position where the maximum heating amount estimated by the magnetic pole position estimation unit 12 can be obtained.
  • the heat pump device 100 can efficiently heat the compressor 1 while suppressing an increase in the circuit scale.
  • the heat pump device 100 can detect a change in the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120 only by the motor current information without using the induced voltage information of the motor 8.
  • the heat pump device 100 can stably obtain the maximum heating amount in the heating control of the compressor 1.
  • the control switching determination unit 14 causes the magnetic pole position estimation unit 12 to estimate the magnetic pole position where the maximum heating amount can be obtained again.
  • the heat pump device 100 can quickly change the voltage phase to the voltage phase at which the maximum heating amount can be obtained.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 estimates the magnetic pole position where the maximum heating amount can be obtained, and then the steady heating control unit 13 heats and controls at the magnetic pole position where the maximum heating amount can be obtained. However, if necessary, the magnetic pole position estimation unit 12 again estimates the magnetic pole position at which the maximum heating amount can be obtained.
  • the heat pump device 100 has an inexpensive circuit configuration, and stably and efficiently heats the compressor 1 to sleep the refrigerant regardless of the stop position of the rotor 120 of the motor 8 of the compressor 1, that is, the magnetic pole position. The dusting phenomenon can be avoided.
  • Embodiment 2 In the second embodiment, a determination method different from that of the first embodiment will be described with respect to the determination method of whether or not the magnetic pole position in the control switching determination unit 14 has changed.
  • the control switching determination unit 14 can detect whether or not the stop position of the rotor 120, that is, the magnetic pole position has changed, by using the amount of change in the current ratio.
  • FIG. 10 is a flowchart showing the operation of the inverter control unit 10 included in the heat pump device 100 according to the second embodiment.
  • the flowchart shown in FIG. 10 replaces the operation of step S303 with the operation of step S304 with respect to the flowchart of the first embodiment shown in FIG.
  • the control switching determination unit 14 determines the maximum current of the motor 8 obtained from the current values based on the current values acquired in steps S301 and S302. It is determined whether or not the current ratio of the other two phases to the phase current is out of the range indicated by the defined second threshold value (step S304).
  • the stop position of the rotor 120 that is, the magnetic pole position changes, the current ratio between the phase in which the maximum current flows in the three-phase current of the motor 8 and the other two phases is the phase in which the maximum current flows.
  • the second threshold value indicates a range with respect to the current ratio.
  • step S304: No When the current ratio is within the range indicated by the second threshold value (step S304: No), the control switching determination unit 14 has such that the stop position of the rotor 120 of the motor 8 has not changed or the amount of change is negligible. Assuming that it is small, the output of the mode switching signal instructing the operation to the steady heating control unit 13 is continued. The steady heating control unit 13 repeatedly carries out the above-mentioned operation.
  • step S304: Yes the control switching determination unit 14 tells the steady heating control unit 13 that the stop position of the rotor 120 of the motor 8 has changed. On the other hand, the output of the mode switching signal that instructs the operation is stopped.
  • control switching determination unit 14 outputs a mode switching signal instructing the operation to the magnetic pole position estimation unit 12 in order to estimate the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120 of the motor 8 again.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 repeatedly carries out the above-mentioned operation.
  • the control switching determination unit 14 has the other two phases with respect to the maximum phase current of the current of the motor 8 obtained from the current value during the operation of the steady heating control unit 13.
  • the operation of the steady heating control unit 13 is stopped and the magnetic pole position estimation unit 12 is operated.
  • the heat pump device 100 can obtain the same effect as that of the first embodiment.
  • Embodiment 3 In the third embodiment, a determination method different from that of the first and second embodiments will be described with respect to the determination method of whether or not the magnetic pole position in the control switching determination unit 14 has changed.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a main part configuration of the heat pump device 100a according to the third embodiment.
  • the heat pump device 100a replaces the inverter control unit 10 with the inverter control unit 10a with respect to the heat pump device 100 according to the first embodiment shown in FIG.
  • the inverter control unit 10a replaces the steady heating control unit 13 with the steady heating control unit 13a with respect to the inverter control unit 10 in the first embodiment shown in FIG.
  • the steady heating control unit 13a includes a heating energization phase command unit 23, a heating current command unit 40, and a current control unit 41.
  • the heating current command unit 40 outputs the current command values Ibu *, Ibv *, and Ibw * for obtaining the heating target value Hb during the operation of the steady heating control unit 13a. Similar to the heating amount characteristics shown in FIG. 7, the current command values Ibu *, Ibv *, and Ibw * are obtained by experimentally obtaining the heating amount characteristics for each current command value Ibu *, Ibv *, and Ibw *, and the desired heating is performed. It may be decided according to the amount.
  • the current control unit 41 acquires the current command values Ibu *, Ibv *, and Ibw * from the heating current command unit 40, and acquires the current value from the current detection unit 31.
  • the current control unit 41 outputs the voltage command values Vbu *, Vbv *, and Vbw * so that the current command values Ibu *, Ibv *, and Ibw * match the current value.
  • the current control unit 41 can obtain voltage command values Vbu *, Vbv *, and Vbw * by, for example, general PI (Proportional Integral) control.
  • the control switching determination unit 14 generates a voltage command value corresponding to the voltage command value Vb * of the first and second embodiments from the voltage command values Vbu *, Vbv *, and Vbw * acquired from the current control unit 41.
  • the heat pump device 100a includes the current control unit 41, it is possible to control the current value to a desired value even if the resistance value of the motor 8 varies, so that the overcurrent generation of the inverter 9 is suppressed. , Stable heating control can be performed. Further, as described above, when the ratio of the current value changes with the change of the stop position of the rotor 120, that is, the magnetic pole position, the current control unit 41 controls according to the current command values Ibu *, Ibv *, and Ibw *. try to. In this case, the voltage command values Vbu *, Vbv *, and Vbw *, which are the outputs of the current control unit 41, also change.
  • the heat pump device 100a may detect a change in the stop position of the rotor 120, that is, a change in the magnetic pole position by using the amount of change in the voltage command values Vbu *, Vbv *, and Vbw *. ..
  • FIG. 12 is a flowchart showing the operation of the inverter control unit 10a included in the heat pump device 100a according to the third embodiment.
  • the flowchart shown in FIG. 12 replaces the operation of step S303 with the operation of step S305 with respect to the flowchart of the first embodiment shown in FIG.
  • the control switching determination unit 14 indicates the amount of change in the voltage command values Vbu *, Vbv *, and Vbw * with a defined third threshold value. It is determined whether or not it is out of the range (step S305).
  • the third threshold value indicates the range with respect to the amount of change.
  • step S305: No When the amount of change is within the range indicated by the third threshold value (step S305: No), the control switching determination unit 14 indicates that the stop position of the rotor 120 of the motor 8 has not changed or the amount of change is negligible. Assuming that it is small, the output of the mode switching signal instructing the operation to the steady heating control unit 13a is continued. The steady heating control unit 13a repeatedly carries out the above-mentioned operation.
  • the control switching determination unit 14 tells the steady heating control unit 13a that the stop position of the rotor 120 of the motor 8 has changed. On the other hand, the output of the mode switching signal that instructs the operation is stopped.
  • control switching determination unit 14 outputs a mode switching signal instructing the operation to the magnetic pole position estimation unit 12 in order to estimate the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120 of the motor 8 again.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 repeatedly carries out the above-mentioned operation.
  • the control switching determination unit 14 defines the amount of change in the output value of the current control unit 41 included in the heat pump device 100a during the operation of the steady heating control unit 13a.
  • the operation of the steady heating control unit 13a is stopped and the magnetic pole position estimation unit 12 is operated. Even in this case, the heat pump device 100 can obtain the same effect as that of the first embodiment.
  • Embodiment 4 a method of determining whether or not the magnetic pole position of the control switching determination unit 14 has changed, and a case where the slope of the change such as the current value is also used will be described.
  • the resistance, inductance, etc. of the motor 8 may change, and the current flowing through the motor 8, that is, the current value detected by the current detection unit 31 may change.
  • the change in the current value detected by the current detection unit 31 due to the temperature change has a time constant larger than the change in the current value detected by the current detection unit 31 due to the change in the stop position of the rotor 120, that is, the magnetic pole position. long. Therefore, the control switching determination unit 14 accurately determines the stop position of the rotor 120, that is, the magnetic pole position by using the slope of the change such as the current value in addition to the comparison with the threshold value described in the first to third embodiments. The presence or absence of change can be detected.
  • FIG. 13 is a flowchart showing the operation of the inverter control unit 10 included in the heat pump device 100 according to the fourth embodiment.
  • the flowchart shown in FIG. 13 is obtained by adding the operation of step S306 to the flowchart of the first embodiment shown in FIG.
  • step S303: Yes When the current value is less than the first threshold value (step S303: Yes), the control switching determination unit 14 further determines whether or not the slope of the change in the current value is out of the range indicated by the defined fourth threshold value. Determine (step S306). When the slope of change is within the range indicated by the fourth threshold value (step S306: No), the control switching determination unit 14 has not changed the stop position of the rotor 120 of the motor 8, or the amount of change is negligible. The output of the mode switching signal instructing the operation to the steady heating control unit 13 is continued. The steady heating control unit 13 repeatedly carries out the above-mentioned operation.
  • step S306 When the slope of the change deviates from the range indicated by the fourth threshold value (step S306: Yes), the control switching determination unit 14 assumes that the stop position of the rotor 120 of the motor 8 has changed, and the steady heating control unit 13 Stops the output of the mode switching signal that instructs the operation. Then, the control switching determination unit 14 outputs a mode switching signal instructing the operation to the magnetic pole position estimation unit 12 in order to estimate the magnetic pole position indicating the stop position of the rotor 120 of the motor 8 again.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 repeatedly carries out the above-mentioned operation.
  • step S306 is added after step S304: Yes shown in FIG.
  • the target of the slope of change is the current ratio.
  • step S306 is added after step S305: Yes shown in FIG.
  • the target of the slope of change is the amount of change in the voltage command value.
  • control switching determination unit 14 is further a steady heating control unit when the slope of the change in the current value deviates from the range indicated by the defined fourth threshold value. It was decided to stop the operation of 13 and operate the magnetic pole position estimation unit 12. As a result, the heat pump device 100 can accurately detect the presence or absence of a change in the stop position of the rotor 120, that is, the magnetic pole position, as compared with the cases of the first to third embodiments.
  • Embodiment 5 the output method of the voltage command value in the magnetic pole position estimation unit 12 and the steady heating control unit 13 will be described differently from the first to fourth embodiments.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 may output a zero vector between when the polarity of the voltage command value Va * is switched from positive to negative and when switching from negative to positive.
  • the steady-state heating control unit 13 may output a zero vector between when the polarity of the voltage command value Vb * is switched from positive to negative and when switching from negative to positive. The zero vector is obtained when all the switching elements of the upper arm or the lower arm of the inverter 9 are turned on.
  • the heat pump device 100 can change the output current value from a triangular wave to a trapezoidal wave by utilizing the reflux state. As a result, the heat pump device 100 can increase the amount of heat generated by the copper loss component of the motor 8 and can increase the maximum amount of heat.
  • the magnetic pole position estimation unit 12 and the steady heating control unit 13 may be specified to always output a zero vector when switching the polarity of the voltage command value, or may be switched to a specification that does not output a zero vector. May be good. In this case, in the inverter control unit 10, a higher-level control unit (not shown) may output a signal for switching the presence / absence of zero vector output to the magnetic pole position estimation unit 12 and the steady heating control unit 13.
  • the present invention is not limited to this.
  • the PWM signal generation unit 26 of the drive signal generation unit 15 switches from the PWM signal generated based on the positive voltage command value to the PWM signal generated based on the negative voltage command value and outputs it. All switching of the upper arm or lower arm of the inverter 9 when the PWM signal generated based on the negative voltage command value is switched to the PWM signal generated based on the positive voltage command value and output.
  • a PWM signal that turns on the element may be output.
  • the PWM signal generation unit 26 outputs a zero vector when the output direction of the drive signal, which is a PWM signal generated from the voltage command value generated by the magnetic pole position estimation unit 12 or the steady heating control unit 13, changes. ..
  • the PWM signal generation unit 26 may have a specification that always outputs a zero vector when the output direction of the drive signal that is a PWM signal changes, or may be switched to a specification that does not output a zero vector. good.
  • a higher-level control unit (not shown) may output a signal for switching the presence / absence of zero vector output to the PWM signal generation unit 26.
  • the configuration shown in the above embodiments is an example, and can be combined with another known technique, can be combined with each other, and does not deviate from the gist. It is also possible to omit or change a part of the configuration.

Abstract

圧縮機構（７）およびモータ（８）を含む圧縮機（１）と、熱交換器（３）と、モータ（８）に所望の電圧を印加するインバータ（９）と、モータ（８）に流れる電流を検出する電流検出部（３１）と、インバータ（９）の駆動信号を生成する駆動信号生成部（１５）と、駆動信号生成部（１５）から高周波電圧をモータ（８）に印加して圧縮機（１）を加熱する際、高周波電圧の電圧指令値の電圧位相を変化させ、最大加熱量が得られる磁極位置を推定する磁極位置推定部（１２）と、駆動信号生成部（１５）から高周波電圧をモータ（８）に印加して圧縮機（１）を加熱する際、最大加熱量が得られる磁極位置および規定された必要加熱量から、電圧指令値の振幅および電圧位相を決定する定常加熱制御部（１３）と、磁極位置推定部（１２）または定常加熱制御部（１３）の一方を動作させる制御切替判定部（１４）と、を備える。

Description

ヒートポンプ装置
　本開示は、圧縮機を用いたヒートポンプ装置に関する。
　従来、ヒートポンプ装置には、空気調和機の暖房開始時の立ち上がりスピードを向上させるため、圧縮機を加熱することで冷媒寝こみ現象を回避するものがある。例えば、特許文献１には、ヒートポンプ装置が、空気調和機の暖房時の圧縮機運転停止中に、圧縮機のモータが備えるロータの停止位置によらず安定的に圧縮機を加熱する技術が開示されている。特許文献１に記載のヒートポンプ装置は、モータに対してモータが回転しない程度の高周波電圧を印加し、高周波電圧の印加によって生じるモータの鉄損を主な加熱源としている。
国際公開第２０１３／１０２９９９号
　モータ鉄損による加熱を行う場合、加熱量は、ロータのインダクタンスに応じて変化する。ロータのインダクタンスは、ロータの停止位置に応じて変化する。そのため、最大加熱量を得るためには、ロータの停止位置を検出または推定し、ロータの停止位置に応じて適切に通電する必要がある。また、圧縮機停止中の加熱制御においては、冷凍サイクルの配管間に接続される弁の開閉によって圧縮機の吐出口および吸込口間に圧力差が生じている場合、および圧力差が変化する場合、ロータにトルクが発生し、ロータの停止位置が変化する可能性がある。そのため、最大加熱量を得るためには、ロータの停止位置を常時推定することが望ましい。
　特許文献１には、ロータの停止位置を検出するため、モータの電流および電圧を検出する回路が記載されている。ここで、ヒートポンプ装置においてモータを回転させるための技術として、モータ電流を用いたベクトル制御手法が広く知られている。モータ電流は、ロータの停止位置の推定以外にも使用される。一方、モータ電圧は、ロータの停止位置の推定のみに使用される。このように、特許文献１に記載のヒートポンプ装置は、ロータの停止位置を推定するためのモータ電圧検出回路が必要であり、回路規模が増大し、装置の大型化につながる、という問題があった。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、回路規模の増大を抑制しつつ、効率的に圧縮機を加熱可能なヒートポンプ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、本開示のヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機構、およびロータを有し圧縮機構を駆動するモータを含む圧縮機と、熱交換器と、モータに所望の電圧を印加するインバータと、インバータからモータに流れる電流を検出する電流検出部と、インバータの駆動信号を生成する駆動信号生成部と、駆動信号生成部からモータが回転駆動不可能な高周波電圧をモータに印加して圧縮機を加熱する際、正弦波で表現される高周波電圧の電圧指令値の電圧位相を変化させ、電流検出部で検出された電流値からロータの停止位置を示す磁極位置を推定し、最大加熱量が得られる磁極位置を推定する磁極位置推定部と、駆動信号生成部から高周波電圧をモータに印加して圧縮機を加熱する際、最大加熱量が得られる磁極位置および規定された必要加熱量から、電圧指令値の振幅および電圧位相を決定する定常加熱制御部と、磁極位置推定部または定常加熱制御部の一方を動作させる制御切替判定部と、を備える。
　本開示に係るヒートポンプ装置は、回路規模の増大を抑制しつつ、効率的に圧縮機を加熱できる、という効果を奏する。
実施の形態１に係るヒートポンプ装置の構成例を示す図 実施の形態１に係るヒートポンプ装置の要部構成の一例を示す図 実施の形態１に係るヒートポンプ装置のモータが備えるロータの構成例を示す図 実施の形態１に係るヒートポンプ装置においてモータの固定子側から見た巻線インダクタンスの特性を示す図 実施の形態１に係るヒートポンプ装置において図４に示す巻線インダクタンス特性に対応する電流特性を示す図 実施の形態１に係るヒートポンプ装置が備えるインバータ制御部の動作を示すフローチャート 実施の形態１に係るヒートポンプ装置における磁極位置推定部の制御による加熱量および定常加熱制御部の加熱目標値を示す図 実施の形態１に係るヒートポンプ装置の磁極位置推定部から出力される電圧指令値および電圧位相のイメージを示す図 実施の形態１に係るヒートポンプ装置が備えるインバータ制御部を実現するハードウェア構成の一例を示す図 実施の形態２に係るヒートポンプ装置が備えるインバータ制御部の動作を示すフローチャート 実施の形態３に係るヒートポンプ装置の要部構成の一例を示す図 実施の形態３に係るヒートポンプ装置が備えるインバータ制御部の動作を示すフローチャート 実施の形態４に係るヒートポンプ装置が備えるインバータ制御部の動作を示すフローチャート
　以下に、本開示の実施の形態に係るヒートポンプ装置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開示が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の構成例を示す図である。図２は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の要部構成の一例を示す図である。ヒートポンプ装置１００は、例えば、空気調和機を構成する。ヒートポンプ装置１００は、圧縮機１、四方弁２、熱交換器３、膨張機構４、および熱交換器５が、冷媒配管６を介して順次接続された冷凍サイクルを備える。圧縮機１の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構７と、圧縮機構７を駆動するモータ８と、が設けられている。モータ８は、図示しないロータを有する。モータ８は、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の三相の巻線を有する三相モータである。
　また、ヒートポンプ装置１００は、インバータ９、インバータ制御部１０、電圧センサ３０、および電流検出部３１を備える。インバータ９は、モータ８と電気的に接続されている。インバータ９は、モータ８に所望の電圧を印加する。具体的には、インバータ９は、モータ８のＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線に、対応する三相電圧Ｖｕ、ＶｖおよびＶｗをそれぞれ印加する。インバータ９には、インバータ制御部１０が電気的に接続されている。インバータ制御部１０は、インバータ９を駆動するための駆動信号であるインバータ駆動信号、例えば、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成してインバータ９へ出力する。
　インバータ９は、６つのスイッチング素子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆを備え、２つのスイッチング素子からなる直列接続部が並列に３個接続された回路である。インバータ９は、母線電圧Ｖｄｃを電源として、インバータ制御部１０から出力されたインバータ駆動信号であるＰＷＭ信号ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮに従って、それぞれに対応したスイッチング素子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆを駆動する。これにより、インバータ９は、三相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、およびＶｗを発生させ、モータ８のＵ相、Ｖ相、およびＷ相の巻線それぞれに電圧を印加する。
　インバータ９を構成するスイッチング素子９ａ～９ｆは、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチング素子である。インバータ９は、スイッチングによるサージ電圧を抑制する目的で、図示しない環流ダイオードを半導体スイッチング素子に並列に接続した構成としてもよい。なお、環流ダイオードについては、半導体スイッチング素子の寄生ダイオードであってもよいが、ＭＯＳＦＥＴの場合は環流のタイミングでＯＮ状態とすることにより同様の機能を実現することも可能である。また、半導体スイッチング素子を構成する材料は、ケイ素Ｓｉだけでなく、ワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素ＳｉＣ、窒化ガリウムＧａＮ、酸化ガリウムＧａ２Ｏ３、ダイヤモンドのものを用いることで、低損失化、高速スイッチング化を実現できる。
　電圧センサ３０は、インバータ９の入力側、すなわち母線電圧Ｖｄｃの供給側に設けられ、母線電圧Ｖｄｃを検出する。電圧センサ３０は、検出した母線電圧Ｖｄｃをインバータ制御部１０へ出力する。
　電流検出部３１は、インバータ９の出力側に設けられ、インバータ９からモータ８に流れる三相モータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する。電流検出部３１は、インバータ９の三相下側のスイッチング素子と各接続点との間に抵抗を設けることで電流を検出する構成でもよいし、三相下側のスイッチング素子の接続点と母線電圧Ｖｄｃの負側との間に抵抗を設けることで電流を検出する構成でもよい。電流検出部３１の構成については、抵抗の両端電圧から検出する方法の他、カレントトランスなどを用いた電流センサを用いることでも実現できる。電流検出部３１は、検出した三相モータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの電流値、すなわち三相分の電流値をインバータ制御部１０へ出力する。
　インバータ制御部１０の構成について詳細に説明する。インバータ制御部１０は、通常運転制御部１１と、磁極位置推定部１２と、定常加熱制御部１３と、制御切替判定部１４と、駆動信号生成部１５と、を備える。なお、図２においては、本実施の形態のヒートポンプ装置１００において特徴的な動作を行う構成要素のみを記載するようにしており、図１に示した通常運転制御部１１については記載を省略している。
　通常運転制御部１１は、ヒートポンプ装置１００が通常の動作を行う場合に使用される。通常運転制御部１１は、駆動信号生成部１５を制御することによって、モータ８を回転駆動させるためのＰＷＭ信号をインバータ駆動信号として出力させる。
　磁極位置推定部１２は、駆動信号生成部１５からモータ８が回転駆動不可能な高周波電圧をモータ８に印加して圧縮機１を加熱する際、正弦波で表現される高周波電圧の電圧指令値Ｖａ＊の電圧位相θａ＊を変化させる。磁極位置推定部１２は、電流検出部３１で検出された電流値からモータ８が備えるロータの停止位置を示す磁極位置を推定し、最大加熱量が得られる磁極位置を推定する。磁極位置推定部１２は、推定部２０と、推定用通電位相指令部２１と、推定用電圧指令部２２と、を備える。推定部２０は、電流検出部３１から電流値を取得し、電流検出部３１で検出された電流値に基づいて、モータ８が備えるロータの停止位置を示す磁極位置を推定する。また、推定部２０は、電流検出部３１で検出された電流値、および推定した磁極位置に基づいて、最大加熱量が得られる磁極位置を推定する。以降の説明において、最大加熱量が得られる磁極位置のことを最大加熱量取得可能磁極位置のように表現する場合がある。
　ここで、モータ８が備えるロータの構成について説明する。図３は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００のモータ８が備えるロータ１２０の構成例を示す図である。モータ８のロータ１２０は、鉄心１２１および磁石１２２を含んで構成される。このようなロータ１２０の構成では、モータ８でのロータ１２０の停止位置によって、空隙の長さ、すなわち磁石１２２とモータ８の図示しない固定子との距離が変化する。そのため、固定子側から見た場合のモータ８の巻線インダクタンスは、図４に示すように変化する。
　図４は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００においてモータ８の固定子側から見た巻線インダクタンスの特性を示す図である。図４において、横軸は磁極位置推定部１２の推定部２０で推定されたロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を示し、縦軸はモータ８の巻線インダクタンスを示す。また、図４において、Ｌｑは図３に示すモータ８のｑ軸方向のインダクタンスを示し、Ｌｄは図３に示すモータ８のｄ軸方向のインダクタンスを示す。図４に示すように巻線インダクタンスが変化すると、モータ８の巻線に流れる電流値も図５に示すように変化する。
　図５は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００において図４に示す巻線インダクタンス特性に対応する電流特性を示す図である。図５において、横軸は磁極位置推定部１２の推定部２０で推定されたロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を示し、縦軸は電流検出部３１で検出された電流値である電流実効値の平均値を示す。ヒートポンプ装置１００では、図４のように巻線インダクタンスが変化すると、電流検出部３１で検出される電流値も図５のように変化する。このように、ロータ１２０の停止位置を示す磁極位置によって、電流検出部３１で検出される電流値、すなわちモータ８に流れる電流も変化する。モータ８に流れる電流が変化すると、インバータ９が圧縮機１に印加できる加熱量、すなわち圧縮機１の発熱量も変化することになる。
　なお、本実施の形態では、図３に示すように、ロータ１２０が備える磁石１２２の数が４つの場合を想定しているが、一例であり、これに限定されない。ロータ１２０が備える磁石１２２の数は４つ以外でもよい。ロータ１２０が備える磁石１２２の数が多くなるほど、図４および図５に示す正弦波において、山と山との間隔および谷と谷との間隔は狭くなる。また、ロータ１２０が備える磁石１２２の数が少なくなるほど、図４および図５に示す正弦波において、山と山との間隔および谷と谷との間隔は広くなる。
　図１および図２の説明に戻る。推定用通電位相指令部２１は、磁極位置推定部１２においてロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を推定する際、駆動信号生成部１５から高周波電圧を出力させるための電圧指令値Ｖａ＊の電圧位相θａ＊を制御する。推定用電圧指令部２２は、磁極位置推定部１２においてロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を推定する際、駆動信号生成部１５から高周波電圧を出力させるための電圧指令値Ｖａ＊の振幅を制御する。
　定常加熱制御部１３は、圧縮機１を加熱する場合に使用される。定常加熱制御部１３は、駆動信号生成部１５から高周波電圧をモータ８に印加して圧縮機１を加熱する際、最大加熱量が得られる磁極位置および規定された必要加熱量から、電圧指令値Ｖｂ＊の振幅および電圧位相θｂ＊を決定する。定常加熱制御部１３は、駆動信号生成部１５を制御することによって、モータ８が追従できない高周波電圧を出力させ、モータ８を回転駆動させることなく圧縮機１を加熱するためのＰＷＭ信号をインバータ駆動信号として出力させる。定常加熱制御部１３は、加熱用通電位相指令部２３と、加熱用電圧指令部２４と、を備える。加熱用通電位相指令部２３は、定常加熱制御部１３において圧縮機１を加熱する際、磁極位置推定部１２の推定結果に基づいて、駆動信号生成部１５から高周波電圧を出力させるための電圧指令値Ｖｂ＊の電圧位相θｂ＊を制御する。加熱用電圧指令部２４は、定常加熱制御部１３において圧縮機１を加熱する際、駆動信号生成部１５から高周波電圧を出力させるための電圧指令値Ｖｂ＊の振幅を制御する。このように、定常加熱制御部１３は、磁極位置推定部１２がモータ８のロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を推定した推定結果に基づいて電圧指令値Ｖｂ＊の電圧位相θｂ＊を制御し、圧縮機１に滞留した液冷媒を短時間で温めて気化させ、圧縮機１の外部へ排出させる。
　制御切替判定部１４は、磁極位置推定部１２または定常加熱制御部１３の一方を動作させる。制御切替判定部１４は、磁極位置推定部１２または定常加熱制御部１３のどちらか一方を動作させるかを選択するためのモード切替信号を生成して出力する。制御切替判定部１４は、磁極位置推定部１２から出力される電圧位相θａ＊および電圧指令値Ｖａ＊、または定常加熱制御部１３から出力される電圧位相θｂ＊および電圧指令値Ｖｂ＊のそれぞれどちらを駆動信号生成部１５に対して出力するのかをモード切替信号に応じて切り替える。制御切替判定部１４は、磁極位置推定部１２を動作させている場合、磁極位置推定部１２から取得した電圧指令値Ｖａ＊および電圧位相θａ＊を、電圧指令値Ｖ＊および高周波位相指令θｋ＊として出力する。制御切替判定部１４は、定常加熱制御部１３を動作させている場合、定常加熱制御部１３から取得した電圧指令値Ｖｂ＊および電圧位相θｂ＊を、電圧指令値Ｖ＊および高周波位相指令θｋ＊として出力する。制御切替判定部１４は、電流検出部３１で検出された三相モータ電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの電流値に基づいて、モード切替信号の内容を決定する。また、制御切替判定部１４は、定常加熱制御部１３が動作中に電流検出部３１で検出された電流値に基づいて、磁極位置推定部１２への動作の切替を行うか否かを判定する。
　駆動信号生成部１５は、制御切替判定部１４からの出力である電圧指令値Ｖ＊と、電圧センサ３０で検出された母線電圧Ｖｄｃとに基づいて、高周波電圧指令Ｖｋ＊を生成する。具体的には、駆動信号生成部１５は、以下の式（１）によって高周波電圧指令Ｖｋ＊を生成する。
　　Ｖｋ＊＝Ｖ＊×√２／Ｖｄｃ　…（１）
　駆動信号生成部１５は、電圧指令値生成部２５と、ＰＷＭ信号生成部２６と、を備える。電圧指令値生成部２５は、高周波電圧指令Ｖｋ＊、および制御切替判定部１４からの出力である高周波位相指令θｋ＊に基づいて、三相それぞれの三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。ＰＷＭ信号生成部２６は、三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて、ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを生成する。駆動信号生成部１５は、ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを、それぞれに対応したスイッチング素子９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆへ出力してインバータ９を駆動することによって、モータ８に電圧を印加させる。このとき、駆動信号生成部１５は、モータ８のロータ１２０が回転しないような高周波電圧を印加させることで、モータ８を備える圧縮機１を加熱することができる。
　なお、駆動信号生成部１５は、ヒートポンプ装置１００が通常運転制御部１１の制御で動作する場合にもＰＷＭ信号を生成する。この場合の駆動信号生成部１５におけるＰＷＭ信号の生成方法は、加熱制御を行う場合の生成方法と同様である。すなわち、通常運転制御部１１から駆動信号生成部１５へ出力される情報、上記の例では高周波電圧指令Ｖｋ＊および高周波位相指令θｋ＊に相当する情報が異なるだけである。
　インバータ制御部１０の動作について説明する。図６は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００が備えるインバータ制御部１０の動作を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートは、詳細には、インバータ制御部１０が備える磁極位置推定部１２、定常加熱制御部１３、および制御切替判定部１４の動作を示すものである。
　インバータ制御部１０において圧縮機１の加熱を開始する際、まず、制御切替判定部１４は、磁極位置推定部１２に対して動作を指示するモード切替信号を出力する。磁極位置推定部１２において、推定用通電位相指令部２１は、制御切替判定部１４へ出力する電圧指令値Ｖａ＊の電圧位相として電圧位相θａ＊＝０°を設定する（ステップＳ１０１）。また、推定用電圧指令部２２は、制御切替判定部１４へ出力する電圧指令値Ｖａ＊の振幅をＶａ＊に設定する（ステップＳ１０２）。ここでは、電圧指令値Ｖａ＊の振幅をＶａ＊と表記する。
　ここで、推定用電圧指令部２２による電圧指令値Ｖａ＊の振幅の決定方法について説明する。推定用電圧指令部２２は、ユーザが実験などによって予め求めた磁極位置推定用の加熱量Ｈａの特性に基づいて、電圧指令値Ｖａ＊の振幅を決定する。加熱量Ｈａは、図７に示すように、磁極位置によって大きさが変化する。図７は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００における磁極位置推定部１２の制御による加熱量Ｈａおよび定常加熱制御部１３の加熱目標値Ｈｂを示す図である。図７において、横軸は磁極位置推定部１２の推定部２０で推定されたロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を示し、縦軸は加熱量の大きさを示す。推定用電圧指令部２２は、どの磁極位置においても磁極位置推定部１２の制御による加熱量Ｈａが定常加熱制御部１３の加熱目標値Ｈｂ以下の大きさになるような電圧指令値Ｖａ＊の振幅を決定する。なお、本実施の形態では、インバータ制御部１０の制御によるモータ８への加熱量は、モータ８における発熱量と同じであるとする。
　図６のフローチャートの説明に戻る。推定部２０は、上記の設定において電流検出部３１で検出された電流値を取得する（ステップＳ１０３）。推定用電圧指令部２２は、制御切替判定部１４へ出力する電圧指令値Ｖａ＊の振幅を－Ｖａ＊に設定する（ステップＳ１０４）。電圧指令値Ｖａ＊の振幅については、Ｖａ＊を１８０°回転させたときの振幅を－Ｖａ＊と表記する。推定部２０は、上記の設定において電流検出部３１で検出された電流値を取得する（ステップＳ１０５）。推定用通電位相指令部２１は、制御切替判定部１４へ出力する電圧指令値Ｖａ＊の電圧位相θａ＊を増加する（ステップＳ１０６）。推定用通電位相指令部２１は、電圧位相θａ＊の増加量について、予め規定された量を増加させてもよいし、推定部２０で取得された電流値に応じて増加量を変えてもよい。
　図８は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００の磁極位置推定部１２から出力される電圧指令値Ｖａ＊および電圧位相θａ＊のイメージを示す図である。磁極位置推定部１２は、電圧指令値Ｖａ＊の振幅を正方向および負方向に切り替えて交互に出力し、かつ、０～３６０°の範囲で適宜電圧位相θａ＊を変化させていく。このような制御によって得られる通電位相ごとのモータ電流実効値の平均値は、磁極位置ごとのインダクタンス特性の影響を受けて、前述の図５に示すような特性となる。これにより、磁極位置推定部１２は、圧縮機１およびモータ８を過剰に加熱させることなく、モータ電流実効値が最大、すなわち加熱量が最大となる電圧位相を検出することができる。
　図６のフローチャートの説明に戻る。推定用通電位相指令部２１で増加された電圧位相θａ＊が３６０°以下の場合（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、磁極位置推定部１２は、ステップＳ１０２に戻って前述と同様の動作を行う。推定用通電位相指令部２１で増加された電圧位相θａ＊が３６０°を超えた場合（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、推定部２０は、電流値が最大となる電圧位相θｂ＊を決定する（ステップＳ１０８）。
　なお、磁極位置推定部１２は、電圧指令値Ｖａ＊の極性を反転させているため、電圧指令値Ｖａ＊の振幅を１８０°回転させて出力していることと同じことをしている。そのため、磁極位置推定部１２は、電圧位相θａ＊の変化量については０～１８０°の範囲にしてもよい。１８０～３６０°の部分については、電圧指令値Ｖａ＊の極性を反転させることで対応可能である。また、図４、図５および図７などに示すように、各図の特性の変化は、ロータ１２０が備える磁石１２２の数によって異なってくる。そのため、図４、図５および図７などに示す特性の場合、磁極位置推定部１２は、電圧位相θａ＊の変化量については０～９０°の範囲にしてもよい。この場合、磁極位置推定部１２は、例えば、図５において最大加熱量となる磁極位置、または最大加熱量となる磁極位置から９０°ずれた磁極位置、すなわち最小加熱量となる磁極位置を検出できる。磁極位置推定部１２は、最大加熱量となる磁極位置を検出した場合はそのまま使用する。磁極位置推定部１２は、最小加熱量となる磁極位置を検出した場合、最小加熱量となる磁極位置から９０°ずれた磁極位置を最大加熱量となる磁極位置として使用する。
　このように、磁極位置推定部１２は、必要加熱量から電圧指令値Ｖａ＊の振幅を決定し、電圧指令値Ｖａ＊の電圧位相θａ＊を規定された範囲で変化させ、電圧指令値Ｖａ＊の正負を切り替えて交互に出力する。また、磁極位置推定部１２は、電流検出部３１から取得した電流値が最大となる磁極位置を最大加熱量が得られる磁極位置と推定する。以降の説明において、電圧指令値Ｖａ＊の振幅のことを第１の振幅と称することがある。
　制御切替判定部１４は、磁極位置推定部１２の推定用通電位相指令部２１から電圧位相θａ＊を取得しているので、電圧位相θａ＊が３６０°を超えたか否かを判定することができる。制御切替判定部１４は、電圧位相θａ＊が３６０°を超えた場合、磁極位置推定部１２の推定部２０がステップＳ１０８で電圧位相θｂ＊を決定する処理時間経過後、磁極位置推定部１２に対して動作を指示するモード切替信号の出力を停止する。
　つぎに、制御切替判定部１４は、定常加熱制御部１３に対して動作を指示するモード切替信号を出力する。定常加熱制御部１３において、加熱用通電位相指令部２３は、磁極位置推定部１２の推定部２０から取得した電圧位相θｂ＊に基づいて、制御切替判定部１４へ出力する電圧指令値Ｖｂ＊の電圧位相として電圧位相θｂ＊を設定する（ステップＳ２０１）。なお、ステップＳ１０８における電流値が最大となる電圧位相θｂ＊の決定については、定常加熱制御部１３の加熱用通電位相指令部２３が行うようにしてもよい。加熱用電圧指令部２４は、制御切替判定部１４へ出力する電圧指令値Ｖｂ＊の振幅をＶｂ＊に設定する（ステップＳ２０２）。ここでは、電圧指令値Ｖｂ＊の振幅をＶｂ＊と表記する。このように、定常加熱制御部１３は、磁極位置推定部１２で得られたモータ電流実効値が最大となる電圧位相θｂ＊上に電圧指令値Ｖｂ＊を出力して加熱制御を行う。なお、加熱制御の具体的な方法は限定されず、従来同様の方法、例えば、前述の特許文献１に記載の方法と同様でもよい。
　制御切替判定部１４は、上記の設定において電流検出部３１で検出された電流値を取得する（ステップＳ３０１）。加熱用電圧指令部２４は、制御切替判定部１４へ出力する電圧指令値Ｖｂ＊の振幅を－Ｖｂ＊に設定する（ステップＳ２０３）。電圧指令値Ｖｂ＊の振幅については、Ｖｂ＊を１８０°回転させたときの振幅を－Ｖｂ＊と表記する。制御切替判定部１４は、上記の設定において電流検出部３１で検出された電流値を取得する（ステップＳ３０２）。
　圧縮機１の加熱が完了していない場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、制御切替判定部１４は、ステップＳ３０１およびステップＳ３０２で取得した電流値が、予め規定された第１の閾値未満か否かを判定する（ステップＳ３０３）。すなわち、制御切替判定部１４は、定常加熱制御部１３による加熱中に圧縮機１の圧力差などによりロータ１２０の停止位置である磁極位置が変化したか否かを判定する。第１の閾値と比較する対象の電流値は、電流実効値の平均値とする。図５に示すように、定常加熱制御部１３による加熱中の電圧位相θｂ＊が最大加熱量となる磁極位置にある場合、モータ電流実効値の平均値は最大となる。そのため、圧縮機１の圧力差などによって磁極位置が変化した場合、電圧位相θｂ＊が最大加熱量となる磁極位置から外れる、すなわちモータ電流の実効値が小さくなる方向に変化する。そのため、制御切替判定部１４は、モータ電流実効値が第１の閾値未満になった場合、再度磁極位置推定部１２を動作させ、磁極位置を再度推定させる。第１の閾値は、図５の例では、０．２Ａｒｍｓより小さい０．１８Ａｒｍｓである。制御切替判定部１４は、第１の閾値が最大加熱量となる磁極位置での電流実効値の平均値に近いほど、精度良く磁極位置の変化を検出することができる。
　電流値が第１の閾値以上の場合（ステップＳ３０３：Ｎｏ）、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置が変化していない、または変化量が無視できる程度に小さいとして、定常加熱制御部１３に対して動作を指示するモード切替信号の出力を継続する。定常加熱制御部１３は、前述の動作を繰り返し実施する。電流値が第１の閾値未満の場合（ステップＳ３０３：Ｙｅｓ）、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置が変化しているとして、定常加熱制御部１３に対して動作を指示するモード切替信号の出力を停止する。そして、制御切替判定部１４は、モータ８が備えるロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を再度推定するため、磁極位置推定部１２に対して動作を指示するモード切替信号を出力する。磁極位置推定部１２は、前述の動作を繰り返し実施する。このように、制御切替判定部１４は、定常加熱制御部１３の動作中において、電流値の平均値が規定された第１の閾値未満になった場合、定常加熱制御部１３の動作を停止させ、磁極位置推定部１２を動作させる。なお、制御切替判定部１４は、磁極位置推定部１２と定常加熱制御部１３との間の動作の遷移でハンチングが発生しないように、第１の閾値にヒステリシスを設けてもよい。
　圧縮機１の加熱が完了した場合（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、定常加熱制御部１３は、制御切替判定部１４への電圧位相θｂ＊および電圧指令値Ｖｂ＊の出力を停止し、動作を停止する（ステップＳ２０５）。このように、定常加熱制御部１３は、最大加熱量が得られる磁極位置および必要加熱量から、電圧指令値Ｖｂ＊の振幅を決定し、電圧指令値Ｖｂ＊の正負を切り替えて交互に出力する。以降の説明において、電圧指令値Ｖｂ＊の振幅のことを第２の振幅と称することがある。第２の振幅と前述の第１の振幅との関係は、第２の振幅≧第１の振幅となる。
　なお、ステップＳ２０４における圧縮機１の加熱が完了したか否かの判定については、定常加熱制御部１３が行ってもよいし、制御切替判定部１４が行ってもよい。
　つづいて、ヒートポンプ装置１００が備えるインバータ制御部１０のハードウェア構成について説明する。図９は、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００が備えるインバータ制御部１０を実現するハードウェア構成の一例を示す図である。インバータ制御部１０は、プロセッサ９１及びメモリ９２により実現される。
　プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）、またはシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）である。メモリ９２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）といった不揮発性または揮発性の半導体メモリを例示できる。また、メモリ９２は、これらに限定されず、磁気ディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）でもよい。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、ヒートポンプ装置１００において、磁極位置推定部１２は、電流検出部３１で検出された電流値からロータ１２０の停止位置を推定し、最大加熱量が得られる磁極位置を推定する。定常加熱制御部１３は、磁極位置推定部１２で推定された最大加熱量が得られる磁極位置で加熱制御を行う。これにより、ヒートポンプ装置１００は、回路規模の増大を抑制しつつ、効率的に圧縮機１を加熱することができる。ヒートポンプ装置１００は、モータ８の誘起電圧情報を用いることなく、モータ電流情報のみでロータ１２０の停止位置を示す磁極位置の変化を検出することができる。ヒートポンプ装置１００は、圧縮機１の加熱制御において安定して最大加熱量を得ることができる。
　また、ヒートポンプ装置１００において、制御切替判定部１４は、磁極位置が変化した場合、再度、磁極位置推定部１２に最大加熱量が得られる磁極位置を推定させることとした。これにより、ヒートポンプ装置１００は、電圧位相を最大加熱量が得られる電圧位相に速やかに変更することが可能となる。本実施の形態では、ヒートポンプ装置１００において、磁極位置推定部１２が、最大加熱量が得られる磁極位置を推定し、その後、定常加熱制御部１３が、最大加熱量が得られる磁極位置で加熱制御を行うが、必要に応じて、磁極位置推定部１２が、再度、最大加熱量が得られる磁極位置を推定する。このように、ヒートポンプ装置１００は、安価な回路構成で、圧縮機１のモータ８のロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置によらず、安定的かつ効率的に圧縮機１を加熱して冷媒寝こみ現象を回避できる。
実施の形態２．
　実施の形態２では、制御切替判定部１４における磁極位置が変化したか否かの判定方法について、実施の形態１と異なる判定方法を説明する。
　定常加熱制御部１３による加熱中に圧縮機１の圧力差などによってロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置が変化した場合、変化したときの回転速度によってモータ８の誘起電圧が変化する。また、ロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置の変化に伴い、図４に示すように、モータ８の巻線インダクタンスが変化する。誘起電圧および巻線インダクタンスの変化によって、モータ８の三相電流における最大電流が流れている相と、それ以外の他の２相との電流比率が変化する。そのため、制御切替判定部１４は、電流比率の変化量を用いることで、ロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置が変化したか否かを検出することができる。
　図１０は、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００が備えるインバータ制御部１０の動作を示すフローチャートである。図１０に示すフローチャートは、図６に示す実施の形態１のときのフローチャートに対して、ステップＳ３０３の動作をステップＳ３０４の動作に置き換えたものである。
　圧縮機１の加熱が完了していない場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、制御切替判定部１４は、ステップＳ３０１およびステップＳ３０２で取得した電流値に基づいて、電流値から得られるモータ８の電流の最大相電流に対する他の２相の電流比率が規定された第２の閾値で示される範囲から外れたか否かを判定する（ステップＳ３０４）。ロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置が変化した場合、モータ８の三相電流における最大電流が流れている相と、それ以外の他の２相との電流比率は、最大電流が流れている相によって、大きくなることも小さくなることもある。そのため、本実施の形態において、第２の閾値は電流比率に対する範囲を示すものとする。
　電流比率が第２の閾値で示される範囲内の場合（ステップＳ３０４：Ｎｏ）、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置が変化していない、または変化量が無視できる程度に小さいとして、定常加熱制御部１３に対して動作を指示するモード切替信号の出力を継続する。定常加熱制御部１３は、前述の動作を繰り返し実施する。電流比率が第２の閾値で示される範囲から外れた場合（ステップＳ３０４：Ｙｅｓ）、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置が変化しているとして、定常加熱制御部１３に対して動作を指示するモード切替信号の出力を停止する。そして、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を改めて推定するため、磁極位置推定部１２に対して動作を指示するモード切替信号を出力する。磁極位置推定部１２は、前述の動作を繰り返し実施する。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、制御切替判定部１４は、定常加熱制御部１３の動作中において、電流値から得られるモータ８の電流の最大相電流に対する他の２相の電流の比率が規定された第２の閾値で示される範囲から外れた場合、定常加熱制御部１３の動作を停止させ、磁極位置推定部１２を動作させることとした。この場合においても、ヒートポンプ装置１００は、実施の形態１のときと同様の効果を得ることができる。
実施の形態３．
　実施の形態３では、制御切替判定部１４における磁極位置が変化したか否かの判定方法について、実施の形態１，２と異なる判定方法を説明する。
　図１１は、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１００ａの要部構成の一例を示す図である。ヒートポンプ装置１００ａは、図２に示す実施の形態１のときのヒートポンプ装置１００に対して、インバータ制御部１０をインバータ制御部１０ａに置き換えたものである。インバータ制御部１０ａは、図２に示す実施の形態１のときのインバータ制御部１０に対して、定常加熱制御部１３を定常加熱制御部１３ａに置き換えたものである。定常加熱制御部１３ａは、加熱用通電位相指令部２３と、加熱用電流指令部４０と、電流制御部４１と、を備える。
　加熱用電流指令部４０は、定常加熱制御部１３ａ動作時の加熱目標値Ｈｂを得るための電流指令値Ｉｂｕ＊，Ｉｂｖ＊，Ｉｂｗ＊を出力する。電流指令値Ｉｂｕ＊，Ｉｂｖ＊，Ｉｂｗ＊は、図７に示す加熱量特性と同様、電流指令値Ｉｂｕ＊，Ｉｂｖ＊，Ｉｂｗ＊ごとの加熱量特性を実験により予め求めておき、所望の加熱量に応じて決定すればよい。
　電流制御部４１は、加熱用電流指令部４０から電流指令値Ｉｂｕ＊，Ｉｂｖ＊，Ｉｂｗ＊を取得し、電流検出部３１から電流値を取得する。電流制御部４１は、電流指令値Ｉｂｕ＊，Ｉｂｖ＊，Ｉｂｗ＊と電流値とが一致するように、電圧指令値Ｖｂｕ＊，Ｖｂｖ＊，Ｖｂｗ＊を出力する。電流制御部４１は、例えば、一般的なＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御によって、電圧指令値Ｖｂｕ＊，Ｖｂｖ＊，Ｖｂｗ＊を求めることができる。
　制御切替判定部１４は、電流制御部４１から取得した電圧指令値Ｖｂｕ＊，Ｖｂｖ＊，Ｖｂｗ＊から、実施の形態１，２の電圧指令値Ｖｂ＊に相当する電圧指令値を生成する。
　ヒートポンプ装置１００ａは、電流制御部４１を備えることによって、モータ８の抵抗値などにばらつきがあった場合においても、所望の電流値に制御が可能となるため、インバータ９の過電流発生を抑制し、安定した加熱制御を行うことができる。また、前述のようにロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置の変化に伴って電流値の比率が変化した場合、電流制御部４１は、電流指令値Ｉｂｕ＊，Ｉｂｖ＊，Ｉｂｗ＊のとおりに制御しようとする。この場合、電流制御部４１の出力である電圧指令値Ｖｂｕ＊，Ｖｂｖ＊，Ｖｂｗ＊も変化する。そのため、ヒートポンプ装置１００ａは、電流制御を実施している場合、電圧指令値Ｖｂｕ＊，Ｖｂｖ＊，Ｖｂｗ＊の変化量を用いてロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置の変化を検出してもよい。
　図１２は、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１００ａが備えるインバータ制御部１０ａの動作を示すフローチャートである。図１２に示すフローチャートは、図６に示す実施の形態１のときのフローチャートに対して、ステップＳ３０３の動作をステップＳ３０５の動作に置き換えたものである。
　圧縮機１の加熱が完了していない場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、制御切替判定部１４は、電圧指令値Ｖｂｕ＊，Ｖｂｖ＊，Ｖｂｗ＊の変化量が規定された第３の閾値で示される範囲から外れたか否かを判定する（ステップＳ３０５）。ロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置が変化した場合、電圧指令値Ｖｂｕ＊，Ｖｂｖ＊，Ｖｂｗ＊の変化量は、大きくなることも小さくなることもある。そのため、本実施の形態において、第３の閾値は変化量に対する範囲を示すものとする。
　変化量が第３の閾値で示される範囲内の場合（ステップＳ３０５：Ｎｏ）、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置が変化していない、または変化量が無視できる程度に小さいとして、定常加熱制御部１３ａに対して動作を指示するモード切替信号の出力を継続する。定常加熱制御部１３ａは、前述の動作を繰り返し実施する。変化量が第３の閾値で示される範囲から外れた場合（ステップＳ３０５：Ｙｅｓ）、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置が変化しているとして、定常加熱制御部１３ａに対して動作を指示するモード切替信号の出力を停止する。そして、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を改めて推定するため、磁極位置推定部１２に対して動作を指示するモード切替信号を出力する。磁極位置推定部１２は、前述の動作を繰り返し実施する。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、制御切替判定部１４は、定常加熱制御部１３ａの動作中において、ヒートポンプ装置１００ａが備える電流制御部４１の出力値の変化量が規定された第３の閾値で示される範囲から外れた場合、定常加熱制御部１３ａの動作を停止させ、磁極位置推定部１２を動作させることとした。この場合においても、ヒートポンプ装置１００は、実施の形態１のときと同様の効果を得ることができる。
実施の形態４．
　実施の形態４では、制御切替判定部１４における磁極位置が変化したか否かの判定方法について、さらに電流値などの変化の傾きも用いる場合について説明する。
　圧縮機１およびモータ８の温度上昇によって、モータ８の抵抗、インダクタンスなどが変化し、モータ８に流れる電流、すなわち電流検出部３１で検出される電流値が変化する場合がある。一般的に、温度変化による電流検出部３１で検出される電流値の変化は、ロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置の変化による電流検出部３１で検出される電流値の変化よりも時定数が長い。そのため、制御切替判定部１４は、実施の形態１から３で説明した閾値との比較に加えて、電流値などの変化の傾きを用いることによって、精度よくロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置の変化の有無を検出することができる。
　図１３は、実施の形態４に係るヒートポンプ装置１００が備えるインバータ制御部１０の動作を示すフローチャートである。図１３に示すフローチャートは、図６に示す実施の形態１のときのフローチャートに対して、ステップＳ３０６の動作を追加したものである。
　電流値が第１の閾値未満の場合（ステップＳ３０３：Ｙｅｓ）、制御切替判定部１４は、さらに、電流値の変化の傾きが規定された第４の閾値で示される範囲から外れたか否かを判定する（ステップＳ３０６）。変化の傾きが第４の閾値で示される範囲内の場合（ステップＳ３０６：Ｎｏ）、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置が変化していない、または変化量が無視できる程度に小さいとして、定常加熱制御部１３に対して動作を指示するモード切替信号の出力を継続する。定常加熱制御部１３は、前述の動作を繰り返し実施する。変化の傾きが第４の閾値で示される範囲から外れた場合（ステップＳ３０６：Ｙｅｓ）、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置が変化しているとして、定常加熱制御部１３に対して動作を指示するモード切替信号の出力を停止する。そして、制御切替判定部１４は、モータ８のロータ１２０の停止位置を示す磁極位置を改めて推定するため、磁極位置推定部１２に対して動作を指示するモード切替信号を出力する。磁極位置推定部１２は、前述の動作を繰り返し実施する。
　なお、実施の形態１を例にして説明したが、実施の形態２，３にも適用可能である。実施の形態２に適用する場合、図１０に示すステップＳ３０４：Ｙｅｓの後にステップＳ３０６の動作を追加する。この場合、変化の傾きの対象は電流比率になる。また、実施の形態３に適用する場合、図１２に示すステップＳ３０５：Ｙｅｓの後にステップＳ３０６の動作を追加する。この場合、変化の傾きの対象は電圧指令値の変化量になる。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、制御切替判定部１４は、さらに、電流値の変化の傾きが規定された第４の閾値で示される範囲から外れた場合、定常加熱制御部１３の動作を停止させ、磁極位置推定部１２を動作させることとした。これにより、ヒートポンプ装置１００は、実施の形態１から３の場合と比較して、精度よくロータ１２０の停止位置、すなわち磁極位置の変化の有無を検出することができる。
実施の形態５．
　実施の形態５では、磁極位置推定部１２および定常加熱制御部１３における電圧指令値の出力方法について、実施の形態１から４と異なる出力方法を説明する。
　磁極位置推定部１２は、電圧指令値Ｖａ＊の極性を、正から負に切り替える際、および負から正に切り替える際、間にゼロベクトルを出力してもよい。同様に、定常加熱制御部１３は、電圧指令値Ｖｂ＊の極性を、正から負に切り替える際、および負から正に切り替える際、間にゼロベクトルを出力してもよい。ゼロベクトルは、インバータ９の上アームまたは下アームの全てのスイッチング素子をオンにした場合に得られるものである。
　これにより、ヒートポンプ装置１００は、還流状態を活用して出力電流値を三角波から台形波状にすることができる。この結果、ヒートポンプ装置１００は、モータ８の銅損成分による加熱量を増加させることができ、最大加熱量を増加することができる。なお、磁極位置推定部１２および定常加熱制御部１３は、電圧指令値の極性を切り替える際に常にゼロベクトルを出力する仕様であってもよいし、ゼロベクトルを出力しない仕様と切り替えられるようにしてもよい。この場合、インバータ制御部１０において、図示しない上位の制御部が、ゼロベクトル出力の有無を切り替える信号を磁極位置推定部１２および定常加熱制御部１３へ出力するようにしてもよい。
　磁極位置推定部１２および定常加熱制御部１３で電圧指令値の極性を正から負または負から正に切り替える際にゼロベクトルを出力する場合について説明したが、これに限定されない。インバータ制御部１０では、駆動信号生成部１５のＰＷＭ信号生成部２６が、正の電圧指令値に基づいて生成されたＰＷＭ信号から負の電圧指令値に基づいて生成されたＰＷＭ信号に切り替えて出力する際、または負の電圧指令値に基づいて生成されたＰＷＭ信号から正の電圧指令値に基づいて生成されたＰＷＭ信号に切り替えて出力する際、インバータ９の上アームまたは下アームの全てのスイッチング素子をオンにするＰＷＭ信号を出力してもよい。すなわち、ＰＷＭ信号生成部２６は、磁極位置推定部１２または定常加熱制御部１３で生成された電圧指令値から生成されるＰＷＭ信号である駆動信号の出力方向が変化する際にゼロベクトルを出力する。なお、ＰＷＭ信号生成部２６は、ＰＷＭ信号である駆動信号の出力方向が変化する際に常にゼロベクトルを出力する仕様であってもよいし、ゼロベクトルを出力しない仕様と切り替えられるようにしてもよい。この場合、インバータ制御部１０において、図示しない上位の制御部が、ゼロベクトル出力の有無を切り替える信号をＰＷＭ信号生成部２６へ出力するようにしてもよい。
　以上の実施の形態に示した構成は、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、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、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　圧縮機、２　四方弁、３，５　熱交換器、４　膨張機構、６　冷媒配管、７　圧縮機構、８　モータ、９　インバータ、９ａ～９ｆ　スイッチング素子、１０，１０ａ　インバータ制御部、１１　通常運転制御部、１２　磁極位置推定部、１３，１３ａ　定常加熱制御部、１４　制御切替判定部、１５　駆動信号生成部、２０　推定部、２１　推定用通電位相指令部、２２　推定用電圧指令部、２３　加熱用通電位相指令部、２４　加熱用電圧指令部、２５　電圧指令値生成部、２６　ＰＷＭ信号生成部、３０　電圧センサ、３１　電流検出部、４０　加熱用電流指令部、４１　電流制御部、１００，１００ａ　ヒートポンプ装置、１２０　ロータ、１２１　鉄心、１２２　磁石。

Claims (8)

  1. 　冷媒を圧縮する圧縮機構、およびロータを有し前記圧縮機構を駆動するモータを含む圧縮機と、
    　熱交換器と、
    　前記モータに所望の電圧を印加するインバータと、
    　前記インバータから前記モータに流れる電流を検出する電流検出部と、
    　前記インバータの駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
    　前記駆動信号生成部から前記モータが回転駆動不可能な高周波電圧を前記モータに印加して前記圧縮機を加熱する際、正弦波で表現される前記高周波電圧の電圧指令値の電圧位相を変化させ、前記電流検出部で検出された電流値から前記ロータの停止位置を示す磁極位置を推定し、最大加熱量が得られる磁極位置を推定する磁極位置推定部と、
    　前記駆動信号生成部から前記高周波電圧を前記モータに印加して前記圧縮機を加熱する際、前記最大加熱量が得られる磁極位置および規定された必要加熱量から、前記電圧指令値の振幅および電圧位相を決定する定常加熱制御部と、
    　前記磁極位置推定部または前記定常加熱制御部の一方を動作させる制御切替判定部と、
    　を備えるヒートポンプ装置。
  2. 　前記磁極位置推定部は、前記必要加熱量から前記電圧指令値の第１の振幅を決定し、前記第１の振幅の電圧指令値の電圧位相を規定された範囲で変化させ、前記第１の振幅の電圧指令値の正負を切り替えて交互に出力し、前記電流値が最大となる磁極位置を前記最大加熱量が得られる磁極位置と推定する、
    　請求項１に記載のヒートポンプ装置。
  3. 　前記定常加熱制御部は、前記最大加熱量が得られる磁極位置および前記必要加熱量から、前記第１の振幅以上の第２の振幅を決定し、前記第２の振幅の電圧指令値の正負を切り替えて交互に出力する、
    　請求項２に記載のヒートポンプ装置。
  4. 　前記制御切替判定部は、前記定常加熱制御部の動作中において、前記電流値の平均値が規定された第１の閾値未満になった場合、前記定常加熱制御部の動作を停止させ、前記磁極位置推定部を動作させる、
    　請求項１から３のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
  5. 　前記制御切替判定部は、前記定常加熱制御部の動作中において、前記電流値から得られる前記モータの電流の最大相電流に対する他の２相の電流の比率が規定された第２の閾値で示される範囲から外れた場合、前記定常加熱制御部の動作を停止させ、前記磁極位置推定部を動作させる、
    　請求項１から３のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
  6. 　前記制御切替判定部は、前記定常加熱制御部の動作中において、前記ヒートポンプ装置が備える電流制御部の出力値の変化量が規定された第３の閾値で示される範囲から外れた場合、前記定常加熱制御部の動作を停止させ、前記磁極位置推定部を動作させる、
    　請求項１から３のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
  7. 　前記制御切替判定部は、さらに、前記電流値の変化の傾きが規定された第４の閾値で示される範囲から外れた場合、前記定常加熱制御部の動作を停止させ、前記磁極位置推定部を動作させる、
    　請求項４から６のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
  8. 　前記駆動信号生成部は、前記電圧指令値から生成される駆動信号の出力方向が変化する際にゼロベクトルを出力する、
    　請求項１から７のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
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