CN103154636B - 热泵装置、热泵***和三相逆变器的控制方法 - Google Patents

热泵装置、热泵***和三相逆变器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于高效地加热滞留于压缩机内的制冷剂。相位切换部（19）与载波信号同步地切换输出相位θ1和与相位θ1大致相差180度的相位θ2。加法器（20）将60度的n倍的相位θplus与相位切换部（19）输出的相位相加，并将其作为电压指令相位θ输出。高频交流电压发生部（13），基于加法器（20）输出的电压指令相位，生成并输出三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。PWM信号生成部（17）将高频交流电压发生部（13）输出的三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*和载波信号进行比较，生成与逆变器（9）的各开关元件（18a~18f）对应的6个驱动信号，并且将所生成的各驱动信号向上述三相逆变器的对应的开关元件输出，由此使逆变器（9）产生高频交流电压。

Description

热泵装置、热泵***和三相逆变器的控制方法
技术领域
本发明涉及热泵装置使用的压缩机的加热方法。
背景技术
在专利文献1中记载：当滞留于压缩机内的液体制冷剂量为规定值以上时，使电动机绕组中流过微弱的高频缺相电流，将电动机绕组加热。由此，防止在液体制冷剂滞留于压缩机内的状态下因开始运转引起的液体压缩，以防止压缩机的破损。
在专利文献2中记载：通过控制开关元件的导通/断开周期，使电动机定子线圈中流过的电流的方向周期性地变成反方向。由此，不仅因欧姆损耗产生发热，而且因磁滞损耗产生发热，能够以较少的消耗电流进行充分的预热，从而实现了电力效率的提高。
专利文献
专利文献1：日本特开平8-226714号公报
专利文献2：日本特开平11-159467号公报
发明内容
在专利文献1记载的技术中，由于流过缺相电流，所以产生不流过电流的绕组，而压缩机的加热不能均匀地进行。此外，在具有凸极比的永久磁铁同步型电动机中要利用逆变器使缺相电流流过的情况下，绕组电感取决于转子位置。因此，由于存在对应于转子位置，而电流在所有相中流过的情况，所以难以使缺相电流流过。
在专利文献2记载的技术中，使一端与电源侧连接的开关元件中的任一个开关元件在规定时间的期间反复进行规定次数的导通/断开。此外，与此同时，一端与接地侧连接的开关元件中的任意两个开关元件在该规定时间的期间为导通状态之后，定子线圈中流过的电流变成反方向电流。因此，不能使绕组中流过的电流的频率高频化，基于高频化产生的铁损有限，而无法实现效率提高。此外，还导致产生噪音。
本发明的目的在于高效地加热滞留于压缩机内的制冷剂。
本发明的热泵装置包括：压缩机，其具有对制冷剂进行压缩的压缩机构；电动机，其使上述压缩机具有的上述压缩机构动作；三相逆变器，其对上述电动机施加规定电压，并且是将2个开关元件串联连接的电路以三相并联连接而构成；以及逆变器控制部，控制上述三相逆变器，上述逆变器控制部包括：相位切换部，其与规定频率的基准信号同步地切换输出相位θ1和与所述相位θ1大致相差180度的相位θ2；加法部，每隔规定时间变更数值n，输出将60度的n倍的相位θplus与上述相位切换部输出的相位相加所得到的相位θ3，所述数值n为0以上的整数；电压发生部，基于上述加法部输出的相位θ3，生成并输出三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*；以及驱动信号生成部，将上述电压发生部输出的三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*和所述基准信号进行比较，生成与上述三相逆变器的各开关元件对应的驱动信号6个，并且向上述三相逆变器的对应的开关元件输出所生成的各驱动信号，由此使上述三相逆变器产生高频交流电压。
发明效果
本发明的热泵装置，基于与载波信号同步地切换输出的相位θ1和相位θ2生成驱动信号。因此，能够生成波形输出精度高的高频电压，且能够抑制噪音的产生，从而高效地加热滞留于压缩机内的制冷剂。
此外，本发明的热泵装置，基于将每隔规定时间变更的相位θplus与相位θ1或相位θ2相加所得到的相位θ3生成驱动信号。因此，即使在IPM电动机的情况下，也与转子的停止位置无关而能够适宜地加热滞留于压缩机内的制冷剂。
特别是，由于相位θplus是60度的整数倍的相位，所以能够抑制由电流波形的失真等引起的电动机噪音和电动机轴振动等。
附图说明
图1是表示实施方式1的热泵装置100的结构的图。
图2是表示PWM信号生成部17的输入输出波形的图。
图3是表示逆变器控制部11的动作的流程图。
图4是表示实施方式2的热泵装置100的结构的图。
图5是相位切换部19在载波信号的峰顶和谷底的定时交替切换相位θ1和相位θ2的情况下的时序图。
图6是图5所示的电压矢量的变化的说明图。
图7是相位切换部19在载波信号的谷底的定时交替切换相位θ1和相位θ2的情况下的时序图。
图8是IPM电动机的转子位置(转子的停止位置)的说明图。
图9是表示转子位置引起的电流变化的图。
图10是表示实施方式3的热泵装置100的结构的图。
图11是表示使θplus与经过的时间一起变化的情况下的施加电压的图。
图12是中间电压的说明图。
图13是相位切换部19在载波信号的峰顶和谷底的定时交替切换相位θ1和相位θ2的情况下θplus为45度时的时序图。
图14是表示θplus为0度、30度、60度时电动机的UVW各相中流过的电流的图。
图15是表示通电相位切换时的电流波形的图。
图16是表示θplus与振幅输出部16输出的振幅A之间的关系的图。
图17是表示通过使振幅A根据θplus的切换而变化来改善电流波形的状况的图。
图18是表示接收来自PWM信号生成部17的PWM信号，驱动逆变器9的各开关元件18的驱动电路21的图。
图19是表示θplus与充电脉冲的产生之间的关系的图。
图20是实施方式4的热泵装置100的回路结构图。
图21是关于图20所示的热泵装置100的制冷剂的状态的莫里尔图。
[符号的说明]
1 压缩机；2 四通阀；3 热交换器；4 膨胀机构；5 热交换器；6 制冷剂配管；7 压缩机构；8 电动机；9 逆变器；10 母线电压检测部；11逆变器控制部；12 压缩机加热许可部；13 高频交流电压发生部；14 积分器；15 转速指令输出部；16 振幅输出部；17 PWM信号生成部；18 开关元件；19 相位切换部；20 加法器；21 驱动电路；22 开关电源；23 电阻；24 二极管；25 电容器；26 电荷泵电路；27 负电压侧开关元件驱动电路；28 正电压侧开关元件驱动电路；31 压缩机；32、37 热交换器；33、36、41 膨胀机构；34 接收器；35 内部热交换器；38 主制冷剂回路；39 四通阀；40 风扇；42 喷射回路；43 水回路；100 热泵装置。
具体实施方式
(实施方式1)
在实施方式1中，对热泵装置100的基本结构和动作进行说明。
图1是表示实施方式1的热泵装置100的结构的图。
热泵装置100具备通过制冷剂配管6将压缩机1、四通阀2、热交换器3、膨胀机构4、热交换器5依次连接而成的制冷循环。在压缩机1的内部设置有对制冷剂进行压缩的压缩机构7和使压缩机构7动作的电动机8。
此外，对电动机8供给电压将其驱动的逆变器9与电动机8电连接，并具备母线电压检测部10，该母线电压检测部10用于检测作为逆变器9的电源电压的母线电压。逆变器9的控制输入端与逆变器控制部11连接。逆变器控制部11具备压缩机加热许可部12(检测部)、高频交流电压发生部13、积分器14、转速指令输出部15、振幅输出部16、PWM信号生成部17(驱动信号生成部)。
逆变器9是2个开关元件(18a和18d、18b和18e、18c和18f)串联连接的电路以三相并联连接而成的三相逆变器。逆变器9通过由逆变器控制部11传送的PWM信号UP、VP、WP、UN、VN、WN(驱动信号)，对与这些信号分别对应的开关元件(UP对应18a，VP对应18b，WP对应18c，UN对应18d，VN对应18e，WN对应18f)进行驱动。
逆变器控制部11在压缩机加热许可部12判断为是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态(制冷剂处于静止状态)的情况下，由高频交流电压发生部13求取对电动机8施加的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。然后，基于高频交流电压发生部13求出的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*，由PWM信号生成部17生成PWM信号。
对PWM信号生成部17生成PWM信号的生成方法进行说明。
图2是表示PWM信号生成部17的输入输出波形的图。
例如如式(1)～式(3)所示将电压指令值Vu*、Vv*、Vw*定义为相位各相差2π/3的余弦波(正弦波)。其中，A是电压指令值的振幅，θ是电压指令值的相位。
(1)Vu*＝Acosθ
(2)Vv*＝Acos(θ－(2/3)π)
(3)Vw*＝Acos(θ+(2/3)π)
高频交流电压发生部13基于积分器14对由转速指令输出部15输出的转速指令ω*进行积分而得到的电压相位指令θ和由振幅输出部16输出的振幅A，根据式(1)～式(3)计算电压指令值Vu*、Vv*、Vw*，将计算出的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*输出到PWM信号生成部17。PWM信号生成部17将电压指令值Vu*、Vv*、Vw*与规定频率且振幅为Vdc/2的载波信号(基准信号)进行比较，基于相互的大小关系生成PWM信号UP、VP、WP、UN、VN、WN。此外，Vdc是由母线电压检测部10检测到的母线电压。
例如在电压指令值Vu*比载波信号大的情况下，UP输出使开关元件18a导通的电压，UN输出使开关元件18d断开的电压。此外，在电压指令值Vu*比载波信号小的情况下则相反，UP输出使开关元件18a断开的电压，UN输出使开关元件18d导通的电压。其他信号也同样，通过比较电压指令值Vv*与载波信号，决定VP、VN，通过比较电压指令值Vw*与载波信号，决定WP、WN。
通常的逆变器的情况下，由于采用互补PWM方式，所以UP与UN、VP与VN、WP与WN成为相互相反的关系。因此，开关模式全部为8种，通过组合8种开关模式，由此逆变器输出电压。
此外，除式(1)～式(3)以外，也可以通过两相调制、三次谐波叠加调制、空间矢量调制等来求取电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。
接着，对逆变器控制部11的动作进行说明。
图3是表示逆变器控制部11的动作的流程图。
(S1：加热判断步骤)
压缩机加热许可部12在压缩机1的运转停止期间判断是否是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态。
在判断为是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态的情况下(S1为“是”)，使处理前进至S2，产生用于预热的PWM信号。另一方面，在判断为不是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态的情况下(S1为“否”)，在经过规定时间之后，再次判断是否是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态。
(S2：电压指令值生成步骤)
高频交流电压发生部13通过积分器14对由转速指令输出部15输出的转速指令ω*进行积分，得到电压相位指令θ。然后，高频交流电压发生部13使用电压相位指令θ和由振幅输出部16输出的振幅A，根据式(1)～式(3)计算电压指令值Vu*、Vv*、Vw*，并输出到PWM信号生成部17。
(S3：PWM信号生成步骤)
PWM信号生成部17将高频交流电压发生部13输出的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*与载波信号进行比较，得到PWM信号UP、VP、WP、UN、VN、WN，输出到逆变器9。由此，驱动逆变器9的开关元件18a～18f，对电动机8施加高频电压。
通过对电动机8施加高频电压，利用电动机8的铁损和因绕组中流过的电流而产生的铜损来高效地加热电动机8。通过加热电动机8，将滞留于压缩机1内的液体制冷剂加热而使其气化，向压缩机1的外部流出。
(S4：完成判断步骤)
压缩机加热许可部12判断是否从压缩机1已流出制冷剂。
在制冷剂已流出的情况下(S4为“是”)，判断为恢复正常状态，结束对电动机8施加电压。另一方面，在制冷剂未流出的情况下(S4为“否”)，使处理返回到(S2)，继续产生用于预热的PWM信号。
对在S1中压缩机加热许可部12判断是否是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态的方法进行说明。
一般而言，液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态，在构成制冷循环的设备中压缩机1的温度为最低的情况下发生。此外，压缩机1由金属构成，在制冷循环中热容量最大而温度变化慢。因此，在外部气温上升的情况下，压缩机1与构成制冷循环的其他设备相比温度上升较慢。因此，当外部气温上升并经过少许时间后，压缩机1与其他设备相比温度较低，处于液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态。因此，压缩机加热许可部12检测或推断该状态，对压缩机进行加热即可。
例如压缩机加热许可部12在与规定时间之前相比外部气温上升规定温度以上的情况下，判断为是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态。此外，压缩机加热许可部12将构成制冷循环的压缩机1以外的设备的温度和外部气温与压缩机1的温度进行比较，在压缩机1的温度较低的情况下，可以判断为是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态。进而，由于从早晨到中午温度会上升，而压缩机1的温度在构成制冷循环的设备中最低，所以压缩机加热许可部12也可以判断为从早晨到中午是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态。
这样，在压缩机加热许可部12判断为是液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态的情况下，通过对压缩机1进行加热，能够可靠地加热液体制冷剂，而能够削减消耗电力。
此外，考虑到因检测误差而压缩机加热许可部12不能正确判断液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态的情况，可以从停止压缩机1的运转起每经过规定时间(例如12小时)就施加电压。由此，能够抑制因压缩液体制冷剂造成的压缩机损坏和因润滑油稀释造成的电动机烧焦。
对在S2中由转速指令输出部15输出的转速指令ω*进行说明。
如果对电动机8施加压缩动作时的运转频率以上的高频电压，则电动机8内的转子无法跟随频率，不再发生旋转和振动。因此，在S2中，转速指令输出部15输出达到压缩动作时的运转频率以上的转速指令ω*即可。
一般而言，压缩动作时的运转频率最高是1kHz。因此，对电动机8施加1kHz以上的高频电压即可。此外，如果对电动机8施加14kHz以上的高频电压，则电动机8的铁芯的振动音大致接近可听见音频上限，在降低噪音方面也具有效果。因此，例如转速指令输出部15输出可达到20kHz左右的高频电压的转速指令ω*。
然而，当高频电压的频率超过开关元件18a～18f的最大额定频率时，存在由于开关元件18a～18f损坏，导致发生负载或电源短路，以至于冒烟或起火的可能性。因此，为了确保可靠性，优选高频电压的频率为最大额定频率以下。
对在S2中振幅输出部16输出的振幅A进行说明。
能够根据振幅A的大小调整加热量。所需要的加热量根据压缩机1的大小和外部气温等环境条件的不同而不同。
这里，压缩机1的大小在产品出厂时已确定。因此，在产品出厂时能够根据压缩机1的大小决定振幅A的大致范围。环境条件根据设置的场所、时期、时间的不同而不同。因此，在存储装置中预先存储在产品出厂时根据压缩机1的大小决定的振幅A的大致范围。然后，振幅输出部16通过温度传感器测量外部气温等，根据测量出的外部气温等环境条件，在产品出厂时所决定的范围内控制输出的振幅A的大小。
对在S4中压缩机加热许可部12判断制冷剂的流出的方法进行说明。
如上所述，在构成制冷循环的设备中压缩机的温度为最低的情况下，处于液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态。相反地，如果在构成制冷循环的设备中使压缩机1的温度不为最低的状态，则制冷剂流出。
因此，例如压缩机加热许可部12将构成制冷循环的压缩机1以外的设备的温度和外部气温与压缩机1的温度进行比较，在压缩机1的温度比其他设备和外部气温高的状态持续了规定时间以上的情况下，判断为制冷剂已流出。
如上所述，在实施方式1的热泵装置100中，在为液体制冷剂滞留于压缩机1内的状态的情况下，由于对电动机8施加高频电压，所以能够抑制噪音，高效地加热电动机8。由此，能够高效地加热滞留于压缩机1内的制冷剂，能够使滞留的制冷剂流出到压缩机1的外部。
此外，近年来用于热泵装置的压缩机的电动机，为了高效率化，广泛采用IPM构造的电动机、或线圈端小且绕组电阻低的集中绕组电动机。集中绕组电动机由于绕组电阻小且铜损引起的发热量少，所以需要在绕组中流过大量的电流。当绕组中流过大量的电流时，逆变器9中流过的电流也增加，逆变器损耗增加。
因此，当如上所述通过施加高频电压进行加热时，高频引起的电感成分变大，绕组阻抗变高。因此，虽然绕组中流过的电流减小且铜损减少，但是相应地产生因施加高频电压引起的铁损，从而能够有效地进行加热。进而，由于绕组中流过的电流减小，所以逆变器中流过的电流也减小，逆变器9的损耗也能够降低，能够更高效地进行加热。
此外，当如上所述通过施加高频电压进行加热时，在压缩机为IPM构造的电动机的情况下，高频磁通交链的转子表面也成为发热部分。因此，实现制冷剂接触面增加及对压缩机构的快速加热，所以能够高效地对制冷剂进行加热。
此外，构成逆变器9的开关元件18a～18f和与其并联连接的二极管元件，现在一般而言使用以硅(Si)为材料的半导体是主流。然而，也可以取而代之，使用以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、或金刚石为材料的宽禁带半导体。
由这样的宽禁带半导体形成的开关元件和二极管元件，耐电压性高，且容许电流密度也高。因此，开关元件和二极管元件能够小型化，通过使用这些小型化的开关元件和二极管元件，能够使装载这些元件的半导体模块小型化。
此外，由这样的宽禁带半导体形成的开关元件和二极管元件耐热性也高。因此，能够使散热器的散热片小型化，能够进行水冷部的空气冷却，所以能够使半导体模块进一步小型化。
进而，由这样的宽禁带半导体形成的开关元件和二极管元件的电力损耗低。因此，能够使开关元件和二极管元件高效率化，进而能够使半导体模块高效率化。
此外，虽然优选开关元件和二极管元件双方都由宽禁带半导体形成，但是任一方的元件由宽禁带半导体形成，也能够得到记载于该实施例中的效果。
除此以外，使用作为高效率的开关元件公知的超级结构造的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，也能够得到同样的效果。
此外，涡旋机构的压缩机中，压缩室的高压释放难以进行。因此，与其他方式的压缩机相比，在液体压缩的情况下对压缩机构施加过大的压力而发生破损的可能性较高。然而，在实施方式1的热泵装置100中，由于能够对压缩机进行高效率的加热，而能够抑制压缩机内的液体制冷剂的滞留。因此，能够防止液体压缩，所以在使用涡旋式压缩机作为压缩机1的情况下也是有效的。
进而，还存在频率10kHz、输出超过50W的加热设备受到法令限制的情况。因此，可以事先调整电压指令值的振幅以使输出不超过50W，或者检测流过的电流或电压，进行反馈控制以使输出在50W以下。
(实施方式2)
在实施方式2中对高频电压的生成方法进行说明。
在通常的逆变器的情况下，作为载波信号的频率即载波频率由逆变器的开关元件的切换速率决定上限。在通常的IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的情况下，切换速率的上限是20kHz左右。因此，难以输出载波的载波频率以上的高频电压。
此外，当高频电压的频率达到载波频率的1/10左右时，存在造成高频电压的波形输出精度劣化、直流成分重叠等恶劣影响的可能性。考虑到这一点，在使载波频率为20kHz的情况下，当使高频电压的频率为载波频率的1/10即2kHz以下时，高频电压的频率为可听见音频区域，可能导致噪音恶化。
图4是表示实施方式2的热泵装置100的结构的图。
实施方式2中的热泵装置100，除了具备相位切换部19来取代积分器14和转速指令输出部15以外，与图1所示的实施方式1中的热泵装置100相同。因此，标注相同的标号并省略说明，仅说明变更点。
在实施方式1中，利用积分器14对转速指令ω*进行积分，求出电压指令值的相位θ。与此相对，在实施方式2中，相位切换部19交替切换相位θ1和与相位θ1大致相差180度的相位θ2这两种相位，将其作为电压指令值的相位。
此外，在以下的说明中，设θ1＝0[度]、θ2＝180[度]，进行说明。
接着，对逆变器控制部11的动作进行说明。
此外，除了图3所示的S2的动作以外，与实施方式1中的逆变器控制部11相同，因此省略说明。
在S2中，相位切换部19在载波信号的顶(峰)或底(谷)的定时或者在峰顶和谷底的定时交替切换相位θ1和相位θ2，作为电压指令值的相位θ输出到高频交流电压发生部13。高频交流电压发生部13使用电压相位指令θ和由振幅输出部16输出的振幅A，根据式(1)～式(3)得到电压指令值Vu*、Vv*、Vw*，并输出到PWM信号生成部17。
通过相位切换部19在载波信号的顶(峰)或底(谷)、或者在峰顶和谷底的定时切换相位θ1和相位θ2，能够输出与载波信号同步的PWM信号。
图5是相位切换部19在载波信号的峰顶和谷底的定时交替切换相位θ1和相位θ2的情况下的时序图。此外，UP与UN、VP与VN、WP与WN的导通/断开状态分别相反，如果知道一方的状态，则也就知道另一方的状态，所以这里仅示出UP、VP、WP。
如图5所示，PWM信号变化，电压矢量按V0(UP＝VP＝WP＝0)、V4(UP＝1，VP＝WP＝0)、V7(UP＝VP＝WP＝1)、V3(UP＝0，VP＝WP＝1)、V0(UP＝VP＝WP＝0)、…的顺序变化。
图6是图5所示的电压矢量的变化的说明图。此外，在图6中表示被虚线包围的开关元件18是导通的状态，未被虚线包围的开关元件18是断开的状态。
如图6所示，在V0矢量、V7矢量施加时无电流流过。此外，在V4矢量施加时，通过U相流入电动机8，通过V相和W相从电动机8流出的U相方向的电流(+Iu的电流)流过，在V3矢量施加时，通过V相和W相流入电动机8，通过U相从电动机8流出的-U相方向的电流(-Iu的电流)在电动机8的绕组中流过。即，在V4矢量施加时，和在V3矢量施加时，分别在电动机8的绕组中流过互为反向的电流。而且，由于电压矢量按V0、V4、V7、V3、V0、…的顺序变化，所以+Iu的电流和-Iu的电流交替在电动机8的绕组中流过。特别是，如图5所示，由于V4矢量和V3矢量在1个载波周期(1/fc)的期间内出现，所以能够对电动机8的绕组施加与载波频率fc同步的交流电压。
此外，由于交替输出V4矢量(+Iu的电流)和V3矢量(-Iu的电流)，所以正反转矩瞬间转换。因此，通过转矩相抵，能够施加抑制转子振动的电压。
图7是相位切换部19在载波信号的谷底的定时交替切换相位θ1和相位θ2的情况下的时序图。
如图7所示，PWM信号变化，电压矢量按V0、V4、V7、V7、V3、V0、V0、V3、V7、V7、V4、V0、…的顺序变化。由于V4矢量和V3矢量在2个载波周期的期间内出现，所以能够对电动机8的绕组施加1/2载波频率的交流电压。
如上所述，在实施方式2的热泵装置100中，与载波信号同步地交替切换相位θ1和与相位θ1大致相差180度的相位θ2这两种相位，作为电压指令值的相位。由此，能够对电动机8的绕组施加与载波频率同步的高频电压。
(实施方式3)
在实施方式3中，对即使在IPM电动机的情况下，也能够使加热量稳定的方法进行说明。
图8是IPM电动机的转子位置(转子的停止位置)的说明图。这里，IPM电动机的转子位置φ通过转子的N极的朝向从U相方向偏移的角度的大小来表示。
图9是表示转子位置引起的电流变化的图。在IPM的电动机的情况下，绕组电感取决于转子位置。因此，由电气角频率ω与电感值的积表示的绕组阻抗与转子位置相应地变动。从而，即使在施加相同电压的情况下，电动机8的绕组中流过的电流也产生变动，而加热量发生变化。
图10是表示实施方式3中的热泵装置100的结构的图。
实施方式3中的热泵装置100，除了追加了加法器20(加法部)以外，与图4所示的实施方式2中的热泵装置100相同。因此，标注相同的标号并省略说明，仅说明变更点。
在实施方式2中，通过相位切换部19交替切换相位θ1和相位θ2这两种相位，将其作为电压指令值的相位，对电动机8的绕组施加载波频率或1/2载波频率的交流电压。在这种情况下，通电相位被限制于相位θ1和与相位θ1具有180度相位差的相位θ2这两种相位。因此，即使在施加相同电压的情况下，电动机8的绕组中流过的电流也因转子位置而变动，所以加热量发生变化。其结果，存在根据转子位置，为了得到所需要的加热量而消耗大量电力的可能性。
接着，对逆变器控制部11的动作进行说明。
此外，除了图3所示的S2的动作以外，与实施方式1、2中的逆变器控制部11相同，因此省略说明。
在S2中，相位切换部19在载波信号的峰顶或谷底的定时或者在峰顶和谷底的定时交替切换并输出相位θ1和相位θ2。加法器20将与经过的时间一起变化的相位变化成分θplus与相位切换部19输出的相位相加而作为相位θ3，将相位θ3作为电压相位指令θ输出到高频交流电压发生部13。高频交流电压发生部13使用电压相位指令θ和由振幅输出部16输出的振幅A，根据式(1)～式(3)得到电压指令值Vu*、Vv*、Vw*，输出到PWM信号生成部17。
通过由加法器20将相位变化成分θplus与相位θ1和相位θ2相加，使电压指令值的相位与经过的时间一起变化，而能够不依赖于转子位置均匀地加热压缩机1。
图11是表示使θplus与经过的时间一起变化的情况下的施加电压的图。
这里，使θplus与经过的时间一起按0度、45度、90度、135度、…每次45度地变化。如果θplus是0度，则电压指令值的相位θ是0度、180度，如果θplus是45度，则电压指令值的相位θ是45度、225度，如果θplus是90度，则电压指令值的相位θ是90度、270度，如果θplus是135度，则电压指令值的相位θ是135度、315度。
也就是说，开始，将θplus设定为0度，在规定时间内将电压指令值的相位θ与载波信号同步地在0度和180度切换。然后，将θplus切换为45度，在规定时间内将电压指令值的相位θ与载波信号同步地在45度和225度切换。然后，将θplus切换为90度…如上所述那样，每隔规定时间将电压指令值的相位θ切换为0度和180度、45度和225度、90度和270度、135度和315度…。
由此，由于高频交流电压的通电相位与经过的时间一起变化，所以能够不依赖于转子位置，均匀地加热压缩机1。
图12是中间电压的说明图。中间电压是与各相(U相、-U相、V相、-V相、W相、-W相)的方向不同的相位的电压。
逆变器9仅能进行V0～V7这8种模式的切换。因此，如图11所示，切换通电相位时，例如在θplus为45度的情况下，基于V4和V6、或者V3和V1的电压矢量，而产生图12所示的中间电压。
在θplus为45度以外的90度、135度等情况下，也同样地基于2个电压矢量，而产生中间电压。
图13是相位切换部19在载波信号的峰顶和谷底的定时交替切换相位θ1和相位θ2的情况下θplus为45度时的时序图。
如图13所示，在V0和V7之间输出2个电压矢量(V4和V6、或V3和V1)。这样，通过在V0和V7之间输出2个不同的电压矢量，产生上述的中间电压。
图14是表示θplus为0度(U相(V4)方向为0度)、30度、60度时电动机的UVW各相中流过的电流的图。
在θplus为0度的情况下，如图5所示，在V0和V7之间仅发生1个其他的电压矢量(开关元件18a～f的正电压侧1个和负电压侧2个、或者正电压侧2个和负电压侧1个为导通状态的电压矢量)。在这种情况下，电流波形为梯形，成为谐波分量较少的电流。
然而，在θplus为30度的情况下，如图13所示，在V0和V7之间发生2个不同的电压矢量。在这种情况下，电流波形失真，成为谐波分量较多的电流。该电流波形的失真可能造成电动机噪音和电动机轴振动等恶劣影响。
此外，在θplus为60度的情况下，与θplus为0度的情况同样，在V0和V7之间仅发生1个其他的电压矢量。在这种情况下，电流波形为梯形，成为谐波分量较少的电流。
如上所述，如果输出图12所示的六边形的对角线上的电压，在为零矢量的电压矢量V0和V7之间仅输出1个其他的电压矢量，能够减少电流波形的失真。因此，如果使θplus为60度的n倍(n为0以上的整数)的数值，则能够通过减少电流波形的失真而抑制电动机噪音和电动机轴振动等。
因此，例如每隔规定时间使θplus每次以60度的n倍的相位即60度或120度变化即可。但是，由于需要防止加热量依赖于转子的停止位置而发生变化，所以使θplus每次以180度变化则没有意义。即，需要使θplus每次以例如60度或120度等变化以使电流能够均匀化。
此外，在使用以微型计算机为代表的运算处理装置的情况下，存在在量化的关系上不能精确地实现60度，而稍稍产生偏离的可能性。在这种情况下，通过微型计算机的处理进行限制以不输出2个电压矢量中的输出较小(输出的时间较短)的电压矢量即可。
这里，如图15所示，使θplus变化时，通电相位急剧变化。因此，电动机8中流过的电流急剧变化，产生脉动等。因此，在使θplus变化时，可能产生电动机噪音和电动机轴振动。
因此，如图16所示，振幅输出部16在θplus即将变化之前使振幅A逐渐减少，并且在θplus刚变化之后使振幅A逐渐增加。例如，振幅输出部16在θplus即将变化之前使振幅A逐渐减少，使得在θplus变化的定时振幅为0，在θplus刚变化之后使振幅A恢复原来的大小。由此，如图17所示，由于在变化θplus的定时，电流值变小，所以能够抑制电动机中流过的电流的急剧变化。
此外，振幅输出部16也可以在θplus即将变化之前使振幅A一次性减少，并且在θplus刚变化之后使振幅A逐渐增加。
图18是表示接收来自PWM信号生成部17的PWM信号，驱动逆变器9的各开关元件18的驱动电路21的图。此外，这里，为了简便起见，仅表示驱动开关元件18a、18d的U相的驱动电路21。实际上，与图18所示的驱动电路21相同结构的驱动电路也设置于V相、W相。
驱动电路21包括电荷泵电路26、负电压侧开关元件驱动电路27和正电压侧开关元件驱动电路28。
电荷泵电路26是将开关电源22、电阻23、二极管24和电容器25依次连接而构成的。电荷泵电路26的开关电源22一侧的端部与逆变器9的负电压侧连接，电荷泵电路26的电容器25一侧的端部连接在逆变器9中U相的串联连接电路的正电压侧开关元件18a和负电压侧开关元件18d之间。
负电压侧开关元件驱动电路27连接在电荷泵电路26的开关电源22和电阻23之间。负电压侧开关元件驱动电路27从PWM信号生成部17接收PWM信号UN，在UN为进行导通的电压的情况下，将逆变器9的负电压侧开关元件18d驱动。
正电压侧开关元件驱动电路28连接在电荷泵电路26的二极管24和电容器25之间。正电压侧开关元件驱动电路28从PWM信号生成部17接收PWM信号UP，在UP为进行导通的电压的情况下，将逆变器9的正电压侧开关元件18a驱动。
需要用不同的电源对负电压侧开关元件驱动电路27和正电压侧开关元件驱动电路28进行驱动。这里，负电压侧开关元件驱动电路27由开关电源22驱动，正电压侧开关元件驱动电路28由对电容器25充电产生的电压驱动。
这里，如上所述，振幅输出部16在θplus变化时使振幅为0且为不通电时，电容器25中充电产生的电压减少。因此，存在正电压侧开关元件驱动电路28不能正常驱动开关元件18a的可能性。
因此，如图19所示，每次θplus变化时，对负电压侧开关元件驱动电路27进行驱动，产生充电脉冲。于是，按照如图18的箭头所示的路径，对电容器25充电产生电压，而用于对正电压侧开关元件驱动电路28进行驱动的电源得以确保。由此，能够正常地对正电压侧开关元件驱动电路28进行驱动，减少故障和不良状况。
如上所述，在实施方式3的热泵装置100中，对相位切换部19输出的相位加上与经过的时间一起变化的相位变化成分θplus，来作为电压指令值的相位。由此，由于高频交流电压的通电相位与经过的时间一起变化，所以能够不依赖于转子位置，均匀地加热压缩机1。
特别是，在实施方式3的热泵装置100中，使相位变化成分θplus为60度的n倍。由此，能够减少电流波形的失真，并能够抑制电动机噪音和电动机轴振动等。
实施方式4
在实施方式4中，对一例热泵装置100的回路结构进行说明。
此外，例如在图1等中，示出了通过配管将压缩机1、四通阀2、热交换器3、膨胀机构4、热交换器5依次连接而成的热泵装置100。在实施方式4中，对热泵装置100的更具体的结构进行说明。
图20是实施方式4的热泵装置100的回路结构图。
图21是关于图20所示的热泵装置100的制冷剂的状态的莫里尔图。在图21中，横轴表示比焓，纵轴表示制冷剂压力。
热泵装置100具备通过配管将压缩机31、热交换器32、膨胀机构33、接收器34、内部热交换器35、膨胀机构36和热交换器37依次连接而成且使制冷剂循环的主制冷剂回路38。此外，在主制冷剂回路38中，在压缩机31的喷出侧设置有四通阀39，其能够切换制冷剂的循环方向。此外，在热交换器37的附近，设置有风扇40。此外，压缩机31是上述实施方式中进行了说明的压缩机1，且是具有由逆变器9驱动的电动机8和压缩机构7的压缩机。
进而，热泵装置100具备通过配管从接收器34和内部热交换器35之间连接到压缩机31的喷射管的喷射回路42。在喷射回路42中，依次连接膨胀机构41、内部热交换器35。
水在其中循环的水回路43与热交换器32连接。
首先，对热泵装置100的制暖运转时的动作进行说明。在制暖运转时，四通阀39沿实线方向设定。此外，该制暖运转不仅指空调中使用的制暖，还包含对水进行加热来生成热水的供应热水。
在压缩机31成为高温高压的气相制冷剂(图21的点1)，从压缩机31喷出，在作为冷凝器且作为散热器的热交换器32进行热交换而被液化(图21的点2)。此时，利用从制冷剂放出的热，将在水回路43中循环的水加热，用于供暖和供应热水。
通过热交换器32被液化的液相制冷剂，在膨胀机构33被减压，成为气液两相状态(图21的点3)。通过膨胀机构33成为气液两相状态的制冷剂，在接收器34与被吸入至压缩机31的制冷剂进行热交换，被冷却而液化(图21的点4)。通过接收器34被液化的液相制冷剂，分岔流向主制冷剂回路38和喷射回路42。
在主制冷剂回路38中流动的液相制冷剂与通过膨胀机构41被减压而成为气液两相状态且在喷射回路42中流动的制冷剂在内部热交换器35进行热交换，被进一步冷却(图21的点5)。通过内部热交换器35被冷却的液相制冷剂，在膨胀机构36被减压而成为气液两相状态(图21的点6)。通过膨胀机构36成为气液两相状态的制冷剂，在作为蒸发器的热交换器37与外部空气进行热交换而被加热(图21的点7)。然后，通过热交换器37被加热的制冷剂，在接收器34被进一步加热(图21的点8)，并被吸入压缩机31。
另一方面，在喷射回路42中流动的制冷剂，如上所述，通过膨胀机构41被减压(图21的点9)后，在内部热交换器35进行热交换(图21的点10)。通过内部热交换器35进行了热交换的气液两相状态的制冷剂(喷射制冷剂)，维持气液两相状态从压缩机31的喷射管流入至压缩机31内。
在压缩机31，从主制冷剂回路38吸入的制冷剂(图21的点8)，被压缩至中间压力并被加热(图21的点11)。喷射制冷剂(图21的点10)与被压缩至中间压力并被加热的制冷剂(图21的点11)合流，温度降低(图21的点12)。然后，温度降低后的制冷剂(图21的点12)进一步被压缩、加热，成为高温高压而被喷出(图21的点1)。
此外，在不进行喷射运转的情况下，使膨胀机构41的开度为全闭。即，在进行喷射运转的情况下，膨胀机构41的开度比规定开度大，但是在不进行喷射运转时，使膨胀机构41的开度比规定开度小。由此，制冷剂不流入至压缩机31的喷射管。
这里，膨胀机构41的开度由微型计算机等控制部通过电子控制来控制。
接着，对热泵装置100的制冷运转时的动作进行说明。在制冷运转时，四通阀39沿虚线方向设定。此外，该制冷运转不仅指空调中使用的制冷，还包含从水中吸收热来生成冷水和进行冷冻等。
通过压缩机31成为高温高压的气相制冷剂(图21的点1)，从压缩机31喷出，在作为冷凝器且作为散热器的热交换器37进行热交换而被液化(图21的点2)。通过热交换器37被液化的液相制冷剂，在膨胀机构36被减压，成为气液两相状态(图21的点3)。通过膨胀机构36成为气液两相状态的制冷剂，在内部热交换器35进行热交换，被冷却而液化(图21的点4)。在内部热交换器35中，通过膨胀机构36成为气液两相状态的制冷剂与由膨胀机构41将通过内部热交换器35被液化的液相制冷剂减压而成为气液两相状态的制冷剂(图21的点9)进行热交换。通过内部热交换器35进行了热交换的液相制冷剂(图21的点4)，分岔流向主制冷剂回路38和喷射回路42。
在主制冷剂回路38中流动的液相制冷剂，与在接收器34被吸入至压缩机31的制冷剂进行热交换，被进一步冷却(图21的点5)。在接收器34冷却后的液相制冷剂，在膨胀机构33被减压而成为气液两相状态(图21的点6)。在膨胀机构33成为气液两相状态的制冷剂，在作为蒸发器的热交换器32进行热交换而被加热(图21的点7)。此时，通过制冷剂吸收热，将在水回路43中循环的水冷却，用于制冷和冷冻。
然后，在热交换器32被加热的制冷剂，在接收器34被进一步加热(图21的点8)，并被吸入至压缩机31。
另一方面，在喷射回路42中流动的制冷剂，如上所述，在膨胀机构41被减压(图21的点9)后，在内部热交换器35进行热交换(图21的点10)。在内部热交换器35进行了热交换的气液两相状态的制冷剂(喷射制冷剂)，维持气液两相状态从压缩机31的喷射管流入。
关于在压缩机31内的压缩动作，与制暖运转时相同。
此外，在不进行喷射运转时，与制暖运转时相同，使膨胀机构41的开度为全闭，使得制冷剂不流入至压缩机31的喷射管。
此外，在上述说明中，热交换器32是使制冷剂与在水回路43中循环的水进行热交换的板式热交换器这样的热交换器并进行了说明。热交换器32并不限定于此，也可以是使制冷剂与空气进行热交换的热交换器。
此外，水回路43也可以不是水循环的回路，而是其他流体循环的回路。
如上所述，热泵装置100能够用作空气调和机(空调)、热泵式热水器、冷藏柜、冷冻机等使用了逆变器压缩机的热泵装置。

Claims (15)

1.一种热泵装置，其特征在于包括：
压缩机，其具有对制冷剂进行压缩的压缩机构；
电动机，其使所述压缩机具有的所述压缩机构动作；
三相逆变器，其对所述电动机施加规定电压，并且是将2个开关元件串联连接的电路以三相并联连接而构成；以及
逆变器控制部，其控制所述三相逆变器，
所述逆变器控制部包括：
相位切换部，其与规定频率的基准信号同步地切换输出相位θ1和与所述相位θ1大致相差180度的相位θ2；
加法部，每隔规定时间变更数值n，输出将60度的n倍的相位θplus与所述相位切换部输出的相位相加所得到的相位θ3，所述数值n为0以上的整数；
电压发生部，基于所述加法部输出的相位θ3，生成并输出三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*；以及
驱动信号生成部，将所述电压发生部输出的三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*和所述基准信号进行比较，生成与所述三相逆变器的各开关元件对应的6个驱动信号，并且将所生成的各驱动信号向所述三相逆变器的对应的开关元件输出，由此使所述三相逆变器产生高频交流电压。
2.根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：
所述驱动信号生成部，输出使所述三相逆变器的各串联连接电路的2个开关元件中的一个开关元件导通、另一个开关元件断开的驱动信号，并且将使所述三相逆变器的正电压侧的开关元件中的1个或2个开关元件为导通状态的开关模式的驱动信号在所述基准信号的半周期间中仅输出一个模式。
3.根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于还包括：
振幅输出部，输出规定幅度的振幅A，在所述加法部变更数值n的情况下使所述振幅A变小，在所述加法部变更数值n之后使所述振幅A逐渐变大，恢复到原来的所述规定幅度进行输出，
所述电压发生部基于所述加法部输出的相位θ3和所述振幅输出部输出的振幅A，生成三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。
4.根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：所述三相逆变器的每个串联连接电路具备驱动电路，所述驱动电路对该串联连接电路中的开关元件进行驱动，
驱动电路包括：负电压侧驱动电路，由开关电源的电压驱动，对所述三相逆变器的负电压侧的开关元件进行驱动；以及
正电压侧驱动电路，由通过对所述负电压侧驱动电路进行驱动而被充电的电容器的电压驱动，对所述三相逆变器的正电压侧的开关元件进行驱动，
所述逆变器控制部在所述加法部变更数值n的情况下对所述负电压侧驱动电路进行驱动，并对所述电容器充电产生电压。
5.根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：
所述电压发生部输出频率比所述电动机的压缩动作时的运转频率高的交流的电压指令值。
6.根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：
所述相位切换部在所述基准信号的峰顶和谷底中的至少任一个定时切换所述相位。
7.根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：
所述电动机的转子是内置永磁构造。
8.根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：
所述逆变器控制部还包括：
检测部，对与规定时间之前相比外部气温上升了规定温度以上的状态进行检测，
所述电压发生部在所述检测部检测出所述状态的情况下，输出所述三相的电压指令值。
9. 根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于包括：
检测部，对所述压缩机的温度比外部气温低的状态经过了规定时间的情况进行检测，
所述电压发生部在所述检测部检测出所述状态的情况下，输出所述三相的电压指令值。
10. 根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：
所述电压发生部从停止压缩机的运转起每经过规定时间，输出所述三相的电压指令值。
11. 根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：
构成所述三相逆变器的开关元件是宽禁带半导体。
12. 根据权利要求11所述的热泵装置，其特征在于：
所述宽禁带半导体是SiC、GaN和金刚石中的任一种。
13. 根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：
构成所述三相逆变器的开关元件是超级结构造的MOSFET。
14. 一种热泵***，其特征在于包括：热泵装置，具备用配管将压缩机、第一热交换器、膨胀机构和第二热交换器依次连接而成的制冷剂回路；以及流体利用装置，对在连接于所述制冷剂回路的所述第一热交换器与制冷剂进行热交换的流体进行利用，
所述热泵装置包括：
压缩机，其具有对制冷剂进行压缩的压缩机构；
电动机，其使所述压缩机具有的所述压缩机构动作；
三相逆变器，其对所述电动机施加规定电压，并且是将2个开关元件串联连接的电路以三相并联连接而构成；以及
逆变器控制部，其控制所述三相逆变器，
所述逆变器控制部包括：
相位切换部，与规定频率的基准信号同步地切换输出相位θ1和与所述相位θ1大致相差180度的相位θ2；
加法部，每隔规定时间变更数值n，输出将60度的n倍的相位θplus与所述相位切换部输出的相位相加所得到的相位θ3，所述数值n为0以上的整数；
电压发生部，基于所述加法部输出的相位θ3，生成并输出三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*；以及
驱动信号生成部，将所述电压发生部输出的三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*和所述基准信号进行比较，生成与所述三相逆变器的各开关元件对应的6个驱动信号，并且将所生成的各驱动信号向所述三相逆变器的对应的开关元件输出，由此使所述三相逆变器产生高频交流电压。
15. 一种三相逆变器的控制方法，其特征在于，用于对热泵装置中的所述三相逆变器进行控制，所述热泵装置包括：压缩机，其具有对制冷剂进行压缩的压缩机构；电动机，其使所述压缩机具有的所述压缩机构动作；以及三相逆变器，其对所述电动机施加规定电压，并且是将2个开关元件串联连接的电路以三相并联连接而构成，
所述三相逆变器的控制方法包括：
相位切换步骤，与规定频率的基准信号同步地切换输出相位θ1和与所述相位θ1大致相差180度的相位θ2；
加法步骤，每隔规定时间变更数值n，输出将60度的n倍的相位θplus与在所述相位切换步骤中输出的相位相加所得到的相位θ3，所述数值n为0以上的整数；
电压发生步骤，基于在所述加法步骤中输出的相位θ3，生成并输出三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*；以及
驱动信号生成步骤，将在所述电压发生步骤中输出的三相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*和所述基准信号进行比较，生成与所述三相逆变器的各开关元件对应的6个驱动信号，并且将所生成的各驱动信号向所述三相逆变器的对应的开关元件输出，由此使所述三相逆变器产生高频交流电压。
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