JP2012147599A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】暖房能力を向上させる空気調和機を得ること。
【解決手段】室外熱交換器３に送風する送風ファン７を駆動する電動機８と、直流電源１０を電源として電動機８に電圧を印加するインバータ９と、直流電源１０とインバータ９間に接続されたシャント抵抗１４と、シャント抵抗１４の両端電圧に基づいて充電し、充電された電圧を所定の時定数で放電する電圧保持部１５と、インバータ９の出力する電圧を制御するインバータ制御部１１と、を備え、インバータ制御部１１は、電圧保持部１５から放電された電圧に基づいてシャント抵抗１４に流れる電流値を検出し、検出した電流値が規定の値を超過した場合、インバータ９から電動機８へ出力する電圧の周波数を低下させ、検出した電流値が規定の値を下回った場合、インバータ９から電動機８へ出力する電圧の周波数を増加させ、一定の電流が流れるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、室外ファン電動機の回転数を制御する空気調和機に関する。

従来の空気調和機では、直流電圧をインバータでスイッチングしてファンの電動機に印加し、電動機を目標回転数に制御している。例えば、下記特許文献１では、インバータの入力電流のピークホールド値および実効値に応じて、目標回転数を所定値だけ可変する技術が開示されている。電流検出回路の後段に設けたピークホールド回路または平均値回路において、電動機の電流の瞬時値の変動を排除する。これにより、安定した電動機の制御を可能にしている。

特開２００１−２８６１７９号公報（第１頁、第１図）

しかしながら、上記従来の技術によれば、電動機の６倍の周波数で発生する電動機電流の脈動成分や、プロペラにかかる外乱から来る負荷変動による電流の脈動に対しては効果が無く、瞬時値の変動を排除できない。そのため、電動機の周波数の振れに起因する騒音を発生するおそれがある、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、暖房運転中の室外熱交換器の着霜や外風による影響に対して、室外ファン電動機を最適かつ安定的に駆動して暖房能力を向上させる空気調和機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、本発明は、室外熱交換器に送風する送風ファンを駆動する電動機と、直流電源を電源として前記電動機に電圧を印加するインバータと、前記直流電源と前記インバータ間に接続されたシャント抵抗と、前記シャント抵抗の両端電圧に基づいて充電する充電手段と、前記充電手段と並列に接続し、前記充電手段に充電された電圧を所定の時定数で放電する放電手段と、前記インバータの出力する電圧を制御するインバータ制御手段と、を備え、前記インバータ制御手段は、前記放電手段から放電された電圧に基づいてシャント抵抗に流れる電流値を検出し、検出した電流値が規定の値を超過した場合、前記インバータから前記電動機へ出力する電圧の周波数を低下させ、検出した電流値が前記規定の値を下回った場合、前記インバータから前記電動機へ出力する電圧の周波数を増加させ、一定の電流が流れるように制御する、ことを特徴とする。

本発明によれば、室外ファンを駆動する電動機の電流を検出し、電流値に応じて電動機を最適な回転数にて制御することで、外風や室外熱交換器の着霜による負荷変動に対して運転が継続可能な強固な制御性を確保でき、また、モータの回転数を制御した結果起こりうる回転数のハンチングに起因するモータのうなり音を抑制することができる、という効果を奏する。

図１は、空気調和機の構成例を示す図である。 図２は、電圧保持部の構成例を示す図である。 図３は、電圧保持部の動作を示す図である。 図４は、インバータ制御部の構成例を示す図である。 図５は、位置速度推定部の動作を示す図である。 図６は、電流検出部の構成例を示す図である。 図７は、回転数指令演算部の構成例を示す図である。 図８は、電圧制御部の構成例を示す図である。 図９は、電圧制御部の動作を示す図である。 図１０は、インバータ制御部の制御処理を示すフローチャートである。 図１１は、空気調和機の動作を示す図である。

以下に、本発明にかかる空気調和機の実施の形態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発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本実施の形態における空気調和機の構成例を示す図である。ここでは、一例として、セパレート型の空気調和機について説明する。空気調和機は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１から出た冷媒の流れを切り替える四方弁２と、室外において熱交換を行う室外熱交換器３と、冷媒の圧力を下げる膨張弁４と、空調対象の室内において熱交換を行う室内熱交換器５と、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、および室内熱交換器５と接続して冷媒の経路となる冷媒配管６と、室外熱交換器３に送風して熱交換を行う送風ファン７と、送風ファン７を動作させる電動機８と、電動機８に電圧を与えて駆動させるインバータ９と、電源の供給元である直流電源１０と、インバータ９の制御入力端と接続してインバータ９を制御するインバータ制御部１１と、直流電源１０による直流電圧Ｖｄｃを検出する直流電圧検出部１２と、電動機８の磁極位置を検出する磁極位置検出部１３と、インバータ９と直流電源１０の間に設けられたシャント抵抗１４と、シャント抵抗１４の端子電圧Ｖｓｈを保持する電圧保持部１５と、を備える。

つぎに、電圧保持部１５について説明する。図２は、電圧保持部１５の構成例を示す図である。電圧保持部１５は、電流の逆流を防止する逆流防止部１６と、シャント抵抗１４の端子電圧Ｖｓｈにより充電する充電部１７と、充電部１７に充電されたピーク電圧Ｖｃを放電する放電部１８と、を備える。電圧保持部１５は、端子電圧Ｖｓｈを入力して、ピーク値電圧Ｖｃを出力する。

シャント抵抗１４の端子電圧Ｖｓｈは、インバータ９のスイッチングのタイミングと電動機８に流れる電流に応じて間欠的に発生する。そのため、実際の空気調和機において、実装されたマイコン（図１の機能ブロックにおいてはインバータ制御部１１を含む）で検出する場合、スイッチングのタイミングに同期して検出する必要があるため、検出方法が複雑となり、処理速度の高い高価なマイコンが必要となる。

電圧保持部１５は、シャント抵抗１４の端子電圧Ｖｓｈを逆流防止部１６を介して充電部１７に充電し、併せて充電部１７に並列に放電部１８を設けることにより、間欠的に変化する端子電圧Ｖｓｈのピーク値電圧Ｖｃを次のピーク電流によるピーク電圧が発生するまでの間保持する。なお、放電部１８としては、一例として放電抵抗があり、放電部１８が放電するときの時定数は、インバータ９の出力する電圧の周期の１／６倍以上とする。また、充電部１７に充電する方法としては、例えば、図示しないコンデンサに充電する方法がある。これにより、マイコンはどのタイミングで検出しても問題無く、安価なマイコンが使用できる。なお、図１に示す機能ブロックにおいてインバータ制御部１１はマイコンに含まれるが、図１に示す他の機能ブロックを同一のマイコンに含めてもよい。

図３は、電圧保持部１５の動作を示す図である。シャント抵抗１４における電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの合計）、電圧、および電圧保持部１５が出力する電圧の関係を示すものである。シャント抵抗１４に図３の上段に示す電流が流れた場合、シャント抵抗１４の両端には図３の下段に示す端子電圧Ｖｓｈが発生する。電圧保持部１５は、この端子電圧Ｖｓｈを入力として、上記各構成の動作によりピーク値電圧Ｖｃを出力する。

つぎに、インバータ制御部１１について説明する。インバータ制御部１１は、直流電圧検出部１２、磁極位置検出部１３、および電圧保持部１５の出力に基づいて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを生成し、インバータ９内でブリッジ結線されたスイッチング素子９１〜９６を駆動して、電動機８に印加する電圧を制御する。

図４は、インバータ制御部１１の構成例を示す図である。インバータ制御部１１は、位置速度推定部１９と、電流検出部２０と、回転数指令演算部２１と、電圧制御部２２と、を備える。

位置速度推定部１９は、磁極位置検出部１３からの出力信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）に基づいて、電動機８の回転子の回転子位置θおよび回転子速度ωを推定し、推定した回転子位置θおよび回転子速度ωを電圧制御部２２へ出力する。図５は、位置速度推定部１９の動作を示す図である。磁極位置検出部１３からの出力信号と回転子位置θの関係を示すものである。電気１周期ごとに、回転子位置θは０〜３６０°で位置を移動する。このように、位置速度推定部１９では、各制御タイミングにおいて、出力信号（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）の組み合わせにより、回転子位置θを求めることができる。

図６は、電流検出部２０の構成例を示す図である。電流検出部２０は、入力したピーク値電圧Ｖｃを電流値に変換する電圧電流変換部２３と、変換後の電流値に基づいて母線電流Ｉを出力する制限部２４と、を備える。電流検出部２０は、ピーク値電圧Ｖｃを入力として、電圧保持部１５の放電部１８から放電された電圧（ピーク値電圧Ｖｃ）とシャント抵抗１４の抵抗値に基づいて、母線電流Ｉを求めて回転数指令演算部２１へ出力する。

また、電流検出部２０では、検出した母線電流値を図示しない記憶部（具体的には、実装されたマイコン等）に記憶し、次に検出した母線電流値との比較を行って値の大きい方の値を保持する動作を一定期間繰り返し、その期間内の最も高い母線電流値を電動機８に流れる電流とする。このとき、保持する期間は、電動機８の減速処理を行った時に回転数制御の最低制御単位の回転数だけ変動するために必要な時間とする。

図７は、回転数指令演算部２１の構成例を示す図である。回転数指令演算部２１は、母線電流Ｉと現在の制御状態に応じた電流指令値Ｉ＊に基づいて回転数を演算する定電流回転数演算部２５と、前記回転数に基づいて速度指令値ω＊を出力する回転数指令制限部２６と、を備える。回転数指令演算部２１は、母線電流Ｉを入力として、速度指令値ω＊を求めて電圧制御部２２へ出力する。

図８は、電圧制御部２２の構成例を示す図である。電圧制御部２２は、速度指令値ω＊および回転子速度ωから電動機８を駆動するための電圧指令値Ｖ＊を求める電圧指令振幅演算部２７と、電圧指令値Ｖ＊、直流電源１０の直流電圧Ｖｄｃ、および回転子位置θの情報に基づいて、電送機８を駆動するための三相状態での電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める三相電圧指令演算部２８と、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊から、インバータ９のスイッチング素子９１〜９６のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを求めるＰＷＭ生成部２９と、を備える。電圧制御部２２は、直流電圧検出部１２からの直流電圧Ｖｄｃ、位置速度推定部１９からの回転子位置θおよび回転子速度ω、回転数指令演算部２１からの速度指令値ω＊を入力とし、ＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを出力する。

図９は、電圧制御部２２の動作を示す図である。中段に示すキャリアと電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の関係から下段に示すＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを求める方式は従来からの既存の方法で行うことが可能である。図９の上段は回転子位置θを示しており、図９の上段と中段は、三相電圧指令演算部２８における関係を示すものである。なお、電圧制御部２２では、電流検出部２０において母線電流値の最大値を保持する期間を満了後、次の電流検出開始から一定の期間は電動機８の加速を禁止する制御を行う。例えば、加速を禁止する期間の長さを電動機８の回転周期の１／６以上にする。

つづいて、電圧保持部１５で検出されたピーク値電圧Ｖｃに対して、インバータ制御部１１が行う処理について説明する。図１０は、インバータ制御部１１における制御処理を示すフローチャートである。

まず、インバータ制御部１１では、送風ファン７駆動用の電動機８が運転しているかどうかを判断する（ステップＳ１）。運転しているかどうかは、電流検出部２０へのピーク値電圧Ｖｃの入力によって行うことができる。電動機８が運転している場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、インバータ制御部１１は、電流ピーク値保持タイマー（ｔｉｍｅ＿ｈｏｌｄ）がカウント中であるかを判断する（ステップＳ２）。電流ピーク値保持タイマー（ｔｉｍｅ＿ｈｏｌｄ）は、電流検出部２０が備えてもよく、図４において図示しない他の構成が備えてもよい。

電流ピーク値保持タイマー（ｔｉｍｅ＿ｈｏｌｄ）がカウント中の場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、インバータ制御部１１は、ｔｉｍｅ＿ｈｏｌｄのカウント値が電流ピーク値保持時間（ｔｉｍｅ ｒｅｆｒｅｓｈ）以上かどうかを判断する（ステップＳ３）。電流ピーク値保持時間以上の場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、インバータ制御部１１は、ｔｉｍｅ＿ｈｏｌｄをリセットし、０からカウントを再開すると共に、電動機８の加速禁止タイマーのカウントを開始する（ステップＳ４）。加速禁止タイマーは、電圧制御部２２が備えてもよく、図４において図示しない他の構成が備えてもよい。なお、電流ピーク値保持時間未満の場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、ステップＳ４を省略する。

つぎに、インバータ制御部１１は、現在保持している電動機８の電流ピーク値と、最新の検出されたＶｃに基づく電流値とを比較する（ステップＳ５）。最新のＶｃに基づく電流値の方が大きい場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、インバータ制御部１１は、保持する電流値を更新し、最新のＶｃに基づく電流値を保持する（ステップＳ６）。なお、初回は保持している値がゼロなので、無条件に検出したＶｃに基づく電流値を保持する。また、最新のＶｃに基づく電流値の方が小さい場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、ステップＳ６を省略する。

つぎに、インバータ制御部１１は、保持している最新の電動機８の電流ピーク値と、減速の閾値とを比較する（ステップＳ７）。保持している電流ピーク値が減速閾値以上であり、かつ、減速が完了している場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、回転数指令を減速にするため、電動機８に印加しているインバータ電圧の周波数を下げる処理を行う（ステップＳ８）。具体的には、電圧制御部２２で処理を行う。

なお、ステップＳ１において、運転していない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、インバータ制御部１１は、電動機８制御に使用する関連タイマーを停止させて本処理を終了する（ステップＳ９）。

また、ステップＳ２において、カウントしていない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、インバータ制御部１１は、該当タイマーのカウントをスタートさせる（ステップＳ１０）。その後、ステップＳ５へ進む。

また、ステップＳ７において、保持している電流ピーク値が減速閾値未満の場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、インバータ制御部１１は、保持している電流ピーク値が加速許可閾値未満であるか判断する（ステップＳ１１）。保持している電流ピーク値が加速許可閾値以上の場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、そのまま本処理を終了する。保持している電流ピーク値が加速許可閾値未満の場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、インバータ制御部１１は、ステップＳ４でカウントを開始させた加速禁止タイマーが禁止時間を経過しているかどうかを判断する（ステップＳ１２）。タイマーカウント値が禁止時間以下の場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、そのまま本処理を終了する。タイマーカウント値が禁止時間を超えていた場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、インバータ制御部１１は、回転数指令を加速にするため、電動機８に印加するインバータ電圧の周波数を上昇する処理を行う（ステップＳ１３）。このとき、加速禁止タイマーをクリアする。

具体的に、インバータ制御部１１は、電動機８が失速したことにより電動機８に流れる電流が低下し、電流が所定のレベルを下回った場合、また、電動機８の回転周波数を固定させ、予め設定してある周波数上昇許可判定用の電流値レベルまで前述の電流ピーク値が低下した場合、電動機８に印加する電圧の周波数を上昇させる制御を行う。これにより、電動機８の回転数が不安定になることを回避することができる。なお、一度周波数を低下させた場合、最低でも電動機８の回転周波数の１／６の間は、回転数の上昇を禁止させる。これにより、より安定性の高い制御を行うことができる。

空気調和機を暖房運転する場合、一般的に室外機の周囲温度は低く、空気密度が高い為、送風ファン７の運転に必要な電動機８の出力トルクが大きくなり、流れる電流が高くなる。加えて、室外熱交換器３に霜が発生し、熱交換器をふさぐため送風ファン７を駆動するのに必要なトルクが運転の時間経過と共に増加する。

図１１は、空気調和機の動作を示す図である。従来の制御では、インバータ制御部１１は、回転数一定で電動機８を制御するように動作するため、図１１（左側）に示すように時間の経過と共に進行する着霜量に応じて電流値がＩ０からＩ１に増加する（電流増加可能範囲）。そのため着霜が生じても、過電流遮断値に達しないよう電動機８の回転数Ｎ０に設定する必要があり、回転数増加による暖房能力向上が図れなかった。

そこで、本実施の形態における制御では、図１１（右側）に示すように、インバータ制御部１１は、着霜が進んでいない軽負荷時にＩ１まで電流を使用する制御（電流一定制御）を行い、その分回転数を増加させて暖房能力を向上させる。これにより、過電流遮断値に到達しない範囲で電流値一定（例えばＩ１一定）となるよう制御を行うことで、着霜が進行していない軽負荷時の回転数をＮ０から最大Ｎ１まで増加させることが可能となり、室外熱交換器３において効率よく熱交換が可能となり、暖房能力を向上させることが可能な空気調和機を得ることができる。

また、送風ファン７に送風方向と逆方向の風が吹いた場合、電動機８の負荷が増大し、電流値が増大することがある。従来の制御では、電流値を制御することが困難であるため、電流値増大により電動機８が過電流遮断により停止し、効率よく熱交換ができなくなるため、暖房能力が低下する。本実施の形態では、インバータ制御部１１は、電流値を一定に制御しているため、風が発生した場合においても回転数を低下させて、風が止まった場合には回転数を増加させて暖房運転を継続させることが可能となり、信頼性が高く、暖房能力向上が可能な空気調和機を得ることができる。

更に、室外機熱交換器３は経年劣化や埃などの体積により塞ぎ状態となり、送風ファン７を駆動するために必要なトルクが増大する場合においても、電流値一定となる最適な回転数で運転可能であるため、信頼性が高く暖房能力向上が可能な空気調和機を得ることができる。

また、モータの回転数を制御した結果起こりうる回転数のハンチングに起因するモータのうなり音を抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態では、空気調和機において、送風ファン７の電動機８を駆動するインバータ９を制御するインバータ制御部１１が、電動機８の電流を検知し、電流値が一定になるように電動機８を駆動するインバータ９を制御することとした。これにより、送風ファン７の着霜等により負荷が生じた場合において、従来と比較して暖房能力を向上させることができる。また、送風ファン７に送風方向と逆方向の風が吹いた場合においても、風が止まった場合には回転数を増加させて暖房運転を継続させることができ、従来と比較して、信頼性が高く、暖房能力を向上させることができる。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 膨張弁
５ 室内熱交換器
６ 冷媒配管
７ 送風ファン
８ 電動機
９ インバータ
１０ 直流電源
１１ インバータ制御部
１２ 直流電圧検出部
１３ 磁極位置検出部
１４ シャント抵抗
１５ 電圧保持部
１６ 逆流防止部
１７ 充電部
１８ 放電部
１９ 位置速度推定部
２０ 電流検出部
２１ 回転数指令演算部
２２ 電圧制御部
２３ 電圧電流変換部
２４ 制限部
２５ 定電流回転数演算部
２６ 回転数指令制限部
２７ 電圧指令振幅演算部
２８ 三相電圧指令演算部
２９ ＰＷＭ生成部
９１、９２、９３、９４、９５、９６ スイッチング素子

Claims (8)

1. 室外熱交換器に送風する送風ファンを駆動する電動機と、
   直流電源を電源として前記電動機に電圧を印加するインバータと、
   前記直流電源と前記インバータ間に接続されたシャント抵抗と、
   前記シャント抵抗の両端電圧に基づいて充電する充電手段と、
   前記充電手段と並列に接続し、前記充電手段に充電された電圧を所定の時定数で放電する放電手段と、
   前記インバータの出力する電圧を制御するインバータ制御手段と、
   を備え、
   前記インバータ制御手段は、前記放電手段から放電された電圧に基づいてシャント抵抗に流れる電流値を検出し、検出した電流値が規定の値を超過した場合、前記インバータから前記電動機へ出力する電圧の周波数を低下させ、一方、検出した電流値が前記規定の値を下回った場合、前記インバータから前記電動機へ出力する電圧の周波数を増加させ、一定の電流が流れるように制御する、
   ことを特徴とする空気調和機。
2. 前記充電手段は、コンデンサを備え、ダイオードを介して当該コンデンサに充電する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記所定の時定数を、前記インバータの出力する電圧の周期の１／６倍以上とする、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機。
4. 前記インバータ制御手段は、前記放電手段から放電された電圧と前記シャント抵抗の抵抗値に基づいて電流値を検出する、
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の空気調和機。
5. 前記インバータ制御手段は、検出された電流値を記憶し、次に検出した電流値との比較を行って値の大きい方の電流値を保持する動作を一定期間繰り返し、その期間内の最も高い電流値を電動機に流れる電流とする、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の空気調和機。
6. 前記電流値の最大値を保持する期間を、前記電動機の減速処理を行った時に回転数制御の最低制御単位の回転数だけ変動するために必要な時間とする、
   ことを特徴とする請求項５に記載の空気調和機。
7. 前記インバータ制御手段は、前記電流値の最大値を保持する期間を満了後、次の電流検出開始から一定の期間は、前記電動機の加速を禁止する、
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の空気調和機。
8. 前記電動機の加速を禁止する期間の長さを、当該電動機の回転周期の１／６以上にする、
   ことを特徴とする請求項７に記載の空気調和機。

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