JP4940881B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。

近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その消費電力を低減する技術の一つとして、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機から動力を回収し、圧縮機を駆動するための補助動力としてその回収した動力を利用する冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献１参照）。

図５に特許文献１の冷凍サイクル装置のシステム構成を示す。この冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒を凝縮する凝縮機３と、冷媒を蒸発する蒸発機４と、凝縮器３と蒸発器４の間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機２の膨張タービン２ａから構成されており、膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｂと直結されている。交流電源１１からの交流電力は第１コンバータ５１で直流電力に変換され、この直流電力はインバータ１６によって交流電力に変換され圧縮機１が駆動される。

一方、冷媒の膨張エネルギーによって駆動された膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｂを駆動し、発電機２ｂから得られる交流電力が第２コンバータ５２へ入力される。この第２コンバータ５２では発電機２ｂから得られた交流電力を直流電力に変換され、この直流電力は圧縮機１を駆動するための補助動力として利用される。

しかしながら、特許文献１の構成では、膨張タービン２ａ（すなわち、動力軸２ｃを介して発電機２ｂ）の回転数を制御する手段がないため、冷凍サイクルにおいて最適となるような回転数で膨張タービン２ａ（すなわち、動力軸２ｃを介して発電機２ｂ）を動作させることが不可能であるという課題を有していた。

そこで、発電機２ｂの回転数を制御する手段が必要となるが、近年、地球環境保護の観点から発電機としては回転子に永久磁石を配した高効率な同期発電機が用いられており、その同期発電機の回転数を制御するためには、回転子の位置情報に基づいてＰＷＭ制御を行う可変速コンバータ（以下、ＰＷＭコンバータと記載）などが必要である。特に特許文献１に記載の冷凍サイクル装置の膨張機における発電機に適用する場合、回転子の磁極位置を検出するための位置センサを取り付けることが困難であるため、同期発電機の固定子巻線に生じる誘起電圧を推定することによって回転子の磁極位置を推定する方法が考案されている（例えば、非特許文献１参照）。

図６に非特許文献１に記載されている風力発電システムの構成を示す。埋込磁石同期発電機６２（図面の記号はＩＰＭＳＧ）はギアを介して接続された風車６１により駆動される。ここで、位置・速度推定部６４では、電流検出器２０ａ、２０ｂからの検出電流ｉｕ、ｉｖを推定位置θで座標変換したγ−δ軸電流と電圧指令値から内部に有する埋込磁石同期発電機６２のモデルを用いて、埋込磁石同期発電機６２の誘起電圧を推定することによって埋込磁石同期発電機６２の回転子の位置・速度を推定する。埋込磁石同期発電機６２の推定速度ωから最大電力追従制御部６５によってトルク指令Ｔｇ＊を導出し、トルク指令Ｔｇ＊から最大効率制御部６６によって埋込磁石同期発電機６２の損失が最小となるような電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を導出する。埋込磁石同期発電機６２に流れる電流は電圧指令作成部６７で電流フィードバック制御され、ＰＷＭコンバータ６３により駆動される。
特開昭６１−２９６４７号公報 平成１４年電気学会全国大会講演論文集（第４分冊）、２０９〜２１０頁

しかしながら、非特許文献１に記載のシステム構成を、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置に適用する場合、冷凍サイクルにおいて最適となる回転数で膨張タービン（すなわち、動力軸を介して発電機）の回転数を制御することが可能となるが、運転状態にある圧縮機が停止しても膨張エネルギーはすぐには消滅せず、膨張エネルギーが存在する間は膨張タービン（すなわち、動力軸を介して発電機）が駆動され続けてしまう。ここで、ＰＷＭコンバータを動作し続ける場合には、発電機の回転数は制御されながら電気エネルギーが取り出されるが、電気エネルギーの消費先である圧縮機が停止していると、取り出される電気エネルギーは蓄積され続けて、万が一、その蓄積された電気エネルギーがＰＷＭコンバータなどの素子の許容値を超えた場合には素子が破壊される恐れがある。

また、圧縮機の停止とともにＰＷＭコンバータの動作を停止させる場合には膨張タービンはフリーラン状態となり、冷凍サイクルに存在している膨張エネルギーに応じて駆動され続けてしまうため、万が一、その回転数が膨張タービンの許容値を超えた場合には膨張タービンが破壊される恐れがある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、膨張機に備えられた発電機の回転子の磁極位置を推定することによって発電機の回転数を制御し、かつ停止を含めた信頼性の高い膨張機の駆動を実現するための冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮機と、冷媒を蒸発する蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器を含み、動力軸を介して膨張機と直結されている発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、電力変換器の直流側の電圧値を検出する直流電圧検出手段と、冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路と、バイパス回路を開閉する開閉手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、圧縮機が停止した場合には、直ちに前記開閉手段を開状態にするとともに、圧縮機が停止した直後から所定時間が経過するまでの期間において、直流電圧検出手段によって検出された直流電圧値が所定値を超えるまでは発電機制御手段によって前記発電機の回転数を制御した状態を保ち、直流電圧値が所定値を超えた後は発電機制御手段によって発電機を拘束させるものである。

これによって、圧縮機が停止した際に、冷凍サイクルに存在している膨張エネルギーによって膨張機がフリーラン状態となることや、発電機制御手段による回生運転で得られる電気エネルギーが蓄積されて電力変換器などの素子が破壊されることを防止でき、さらに膨張エネルギーを速やかに減少させることで圧縮機や膨張機の再起動時における負荷を軽減することができる。

本発明の冷凍サイクル装置は、膨張機に備えられた発電機の回転子の磁極位置および速度を推定することによって発電機の回転数を制御し、かつ停止を含めた信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。

第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮機と、冷媒を蒸発する蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器を含み、動力軸を介して膨張機と直結されている発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、電力変換器の直流側の電圧値を検出する直流電圧検出手段と、冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路と、バイパス回路を開閉する開閉手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、圧縮機が停止した場合には、直ちに開閉手段を開状態にするとともに、圧縮機が停止した直後から所定時間が経過するまでの期間において、直流電圧検出手段によって検出された直流電圧値が所定値を超えるまでは発電機制御手段によって発電機の回転数を制御した状態を保ち、直流電圧値が所定値を超えた後は発電機制御手段によって発電機を拘束させるもので、前記直流電圧値が所定値を超える場合には、前記電力変換器の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子をオンさせることで前記発電機を拘束させるので、圧縮機が停止した際に、冷凍サイクルに存在している膨張エネルギーによって膨張機がフリーラン状態となることや、発電機制御手段による回生運転で得られる電気エネルギーが蓄積されて電力変換器などの素子が破壊されることを防止でき、さらに膨張エネルギーを速やかに減少させることで圧縮機や膨張機の再起動時における負荷を軽減することができ、発電機に流れている相電流の方向に関係なく発電機の入力端子を短絡でき、確実に発電機を拘束させることができる。

第２の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮機と、冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器を含み、動力軸を介して前記膨張機と直結されている発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、前記電力変換器の直流側の電圧値を検出する直流電圧検出手段と、冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路と、前記バイパス回路を開閉する開閉手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機が停止した場合には、前記開閉手段を開状態にするとともに、前記圧縮機の停止からの所定期間において、前記直流電圧検出手段によって検出された直流電圧値が所定値を超えるまでは前記発電機制御手段によって前記発電機の回転数を制御した状態を保ち、前記直流電圧値が前記所定値を超えた後は前記発電機制御手段によって前記発電機を拘束させるもので、前記直流電圧値が所定値を超える場合には、前記発電機に所定の大きさの直流電流を流すことで前記発電機を拘束させるので、発電機に必要以上の電流が流れること無く、確実に発電機を拘束させることができる。

第３の発明は、特に第２の発明の冷凍サイクル装置において、発電機に流す直流電流の大きさを経過する時間に対して段階的あるいは連続的に大きくするものであり、発電機に流す直流電流の変化を緩やかにすることで、発電機を拘束させる際に動力軸を介して直結されている膨張機の機構に与える物理的なストレスを軽減することができる。

第４の発明は、特に第２または３の発明の冷凍サイクル装置のおいて、発電機に流す直流電流の大きさが発電機の減磁電流よりも小さくなるように予め設定された上限値を備えるものであり、膨張機を拘束させる際に確実に発電機の減磁を防ぐことができる。

第５の発明は、特に第１〜４のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置において、発電機制御手段は、発電機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、発電機に印加する印加電圧の値と電流検出手段によって検出された電流値とから発電機に発生する誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、誘起電圧推定手段によって推定された誘起電圧値に基づいて発電機の回転子の磁極位置および速度を推定する位置速度推定手段とを備えるものであり、エンコーダやレゾルバといった回転子の磁極位置を検出する位置センサを取り付けることが不要のため、コスト低減と信頼性の向上を図ることができる。

第６の発明は、特に第１〜５のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置において、圧縮機が運転している間は、発電機制御手段によって発電機を回生運転することで膨張機から動力を回収し、回収された動力を圧縮機を駆動するための補助動力として利用するものであり、圧縮機の動力を大幅に低減することで省エネルギー化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置のシステム構成を示す。この冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒を凝縮する凝縮器３と、冷媒を蒸発する蒸発器４と、凝縮器３と蒸発器４の間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機２の膨張タービン２ａと、冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路５と、通常は閉状態にしているバイパス回路５を開閉させる開閉弁６から構成されており、膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｂと直結されている。

交流電源１１からの交流電力は、整流回路１２で直流電力に変換された後、平滑コンデンサ１３により平滑化される。この平滑化された直流電力は、直流電力を交流電力に変換するインバータ１６と、運転指令部１４から出力される圧縮機１の回転数指令値に基づいてインバータ１６を駆動するためのドライブ信号を生成するインバータ制御部１７とから構成される圧縮機制御装置１５によって、圧縮機１を駆動するための交流電力に変換される。

冷媒の膨張エネルギーによって駆動された膨張タービン２ａは、動力軸２ｃを介して発電機２ｂを駆動することで交流電力を発生する。発生した交流電力は、運転指令部１４から出力される発電機２ｂの回転数指令値に基づく発電機制御装置１８による回生運転によって直流電力に変換される。この直流電力は、圧縮機１を駆動するための補助動力として利用されるため、平滑コンデンサ１３の両端に供給されている。

発電機制御装置１８は、目標回転数（発電機２ｂの回転数指令値）と現在の速度ω（位置速度推定部２４により推定された推定速度の現在値）との速度誤差と、電流検出器２０ａ、２０ｂおよび電流検出部２１によって検出された発電機２ｂの相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、位置速度推定部２４によって推定された磁極位置θから発電機２ｂの印加電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を演算する正弦波駆動部２２と、電流検出値と電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいて、発電機２ｂの固定子巻線の各相に生じた誘起電圧を推定する誘起電圧推定部２３と、誘起電圧推定部２３によって推定された誘起電圧を用いて発電機２ｂにおける回転子の磁極位置および速度を推定する位置速度推定部２４と、電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を電力変換器１９を駆動するためのドライブ信号に変換するＰＷＭ信号生成部２５と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器１９とから構成され、発電機を指令通りに回転させる。

ここで、発電機制御装置１８によって発電機２ｂの回転数を制御する場合、膨張エネルギーの大きさに応じて力行運転または回生運転が行われるため、どちらの運転モードでも発電機２ｂにおける回転子の磁極位置が推定できなければならない。以下では、発電機２ｂを力行運転する場合について発電機制御装置１８の具体的な動作を説明した後で、回生運転する場合については力行運転する場合との相違点のみ説明する。

まず、正弦波駆動部２２は、運転指令部１４から与えられる発電機２ｂの回転数指令値ω＊と推定速度ωとの速度誤差がゼロになるように、速度制御ゲイン（ＫＰＷ：速度制御比例ゲイン、ＫＩＷ：速度制御積分ゲイン）を用いて式（１）で表されるＰＩ制御により電流指令値Ｉ＊を演算する。

Ｉ＊＝ＫＰＷ・（ω＊−ω）＋ＫＩＷ・（ω＊−ω） （１）
次に、正弦波駆動部２２は、演算された電流指令値Ｉ＊と電流指令位相βＴとを用いて式（２）、式（３）の演算によりｄｑ軸電流指令値（ｉｄ＊、ｉｑ＊）を求める。

ｉｄ＊＝−Ｉ＊・ｓｉｎ（βＴ） （２）
ｉｑ＊＝Ｉ＊・ｃｏｓ（βＴ） （３）
また、正弦波駆動部２２では、固定子巻線の相電流指令値（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）が、ｄｑ軸電流指令値（ｉｄ＊、ｉｑ＊）と現在の磁極位置θ（位置速度推定部２４により推定された推定位置の現在値）を用いて式（４）〜式（６）の演算により２相−３相変換を行うことで求める。なお、２相−３相変換については公知のため、その説明は省略する。

ｉｕ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓθ｝
−ｉｑ＊・ｓｉｎθ｝ （４）
ｉｖ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ−１２０°）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ−１２０°）｝ （５）
ｉｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ＋１２０°）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ＋１２０°）｝ （６）
正弦波駆動部２２は、この相電流指令値（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）と、電流検出器２０ａ，２０ｂの出力信号を用いて電流検出部２１により得られる相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）との電流誤差がゼロとなるように、電流制御ゲイン（ＫＰＫｎ、ＫＩＫｎ、ｎ＝１、２、３（３相分））を用いて式（７）〜式（９）で表されるＰＩ制御により電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を演算する。

ｖｕ＊＝ＫＰＫ１・（ｉｕ＊−ｉｕ）＋ＫＩＫ１・Σ（ｉｕ＊−ｉｕ） （７）
ｖｖ＊＝ＫＰＫ２・（ｉｖ＊−ｉｖ）＋ＫＩＫ２・Σ（ｉｖ＊−ｉｖ） （８）
ｖｗ＊＝ＫＰＫ３・（ｉｗ＊−ｉｗ）＋ＫＩＫ３・Σ（ｉｗ＊−ｉｗ） （９）
なお、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を３相−２相変換してｄｑ軸電流検出値（ｉｄ、ｉｑ）を求め、ｄｑ軸電流指令値（ｉｄ＊、ｉｑ＊）とｄｑ軸電流検出値（ｉｄ、ｉｑ）との電流誤差がゼロとなるようにＰＩ制御することによりｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を求めた後、ｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換して相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を求めても良い。ここで、３相−２相変換についても２相−３相変換と同様に公知のため、その説明は省略する。

具体的には、ｄｑ軸電流指令値（ｉｄ、ｉｑ）は式（１０）、式（１１）の演算により求められる。

ｉｄ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｓｉｎ（θ＋６０°）＋ｉｖ・ｓｉｎθ｝
（１０）
ｉｑ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｃｏｓ（θ＋６０°）＋ｉｖ・ｃｏｓθ）｝
（１１）
また、ｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）は、電流制御ゲイン（ＫＰＤ：ｄ軸電流比例ゲイン、ＫＩＤ：ｄ軸電流積分ゲイン、ＫＰＱ：ｑ軸電流比例ゲイン、ＫＩＱ：ｑ軸電流積分ゲイン）を用いて式（１２）、式（１３）の演算により求められる。

ｖｄ＊＝ＫＰＤ・（ｉｄ＊−ｉｄ）＋ＫＩＤ・Σ（ｉｄ＊−ｉｄ） （１２）
ｖｑ＊＝ＫＰＱ・（ｉｑ＊−ｉｑ）＋ＫＩＱ・Σ（ｉｑ＊−ｉｑ） （１３）
ここで、ｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換することで相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）が式（１４）〜式（１６）の演算により求められる。

ｖｕ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓθ
−ｖｑ＊・ｓｉｎθ｝ （１４）
ｖｖ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ−１２０°）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ−１２０°）｝ （１５）
ｖｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ＋１２０°）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ＋１２０°）｝ （１６）
次に、本発明の第１の実施の形態における発電機２ｂの誘起電圧の推定方法について説明する。各相の巻線に誘起される誘起電圧値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）は、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を用いて式（１７）〜式（１９）の演算により求められる。

ｅｕ＝ｖｕ＊−Ｒ・ｉｕ−Ｌ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ （１７）
ｅｖ＝ｖｖ＊−Ｒ・ｉｖ−Ｌ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ （１８）
ｅｗ＝ｖｗ＊−Ｒ・ｉｗ−Ｌ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ （１９）
ここで、Ｒは発電機２ｂの巻線一相あたりの抵抗、Ｌはそのインダクタンスである。また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔはそれぞれｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間微分であり、式（１７）〜式（１９）を展開すると次式を得る。

ｅｕ＝ｖｕ＊− Ｒ・ｉｕ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―１２０°）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ―１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋１２０°）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋１２０°）｝／ｄｔ （２０）
ｅｖ＝ｖｖ＊−Ｒ・ｉｖ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋１２０°）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―１２０°）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ―１２０°）｝／ｄｔ （２１）
ｅｗ＝ｖｗ＊−Ｒ・ｉｗ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―１２０°）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ−１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋１２０°）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ （２２）
ここで、Ｒは巻線一相あたりの抵抗、ｌａは巻線一相あたりの漏れインダクタンス、Ｌａは巻線一相あたりの有効インダクタンスの平均値、Ｌａｓは巻線一相あたりの有効インダクタンスの振幅である。また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔは、１次オイラー近似で求められる。なお、ｕ相電流ｉｕは、ｖ相電流ｉｖとｗ相電流ｉｗとの和の符号を変えたものとする。さらに、式（２０）〜式（２２）を簡略化すると、以下に示す式（２３）〜式（２５）を得る。ここでは、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）が正弦波であると仮定し、電流指令振幅Ｉ＊と電流指令位相βＴとから相電流検出値
（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を作成して簡略化した。本実施の形態において、誘起電圧推定部２３では、式（２３）〜式（２５）により誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）が求められる。

ｅｕ＝ｖｕ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ） （２３）
ｅｖ＝ｖｖ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ−１２０°）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ−１２０°）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ−１２０°） （２４）
ｅｗ＝ｖｗ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋１２０°）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ＋１２０°）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ＋１２０°） （２５）
次に、位置速度推定部２４は、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）を用いて発電機２ｂにおける回転子の磁極位置および速度を推定する。位置速度推定部２４では、発電機制御装置１８が認識している推定位置θを誘起電圧の誤差を用いて補正することにより、推定位置θが真値に収束させて求められる。また、そこから、推定速度ωが生成される。そこで、各相の誘起電圧基準値（ｅｕｍ、ｅｖｍ、ｅｗｍ）が次式により求められる。ただし、誘起電圧振幅値ｅｍは、ｅｕ、ｅｖ、ｅｗの振幅値と一致させることにより求められる。

ｅｕｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ） （２６）
ｅｖｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ−１２０°） （２７）
ｅｗｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋１２０°） （２８）
このようにして求められた誘起電圧基準値ｅｓｍ（ｓ＝ｕ、ｖ、ｗ（ｓは相を表す））と誘起電圧推定値ｅｓとの偏差εが求められ、この偏差εが０になれば推定位置θが真値になるので、偏差εを０に収斂させるように、偏差εを用いたＰＩ演算などを行って推定位置θが求められる。また、推定位置θの変動値を演算することにより、推定速度ωが求められる。

ε＝ｅｓ−ｅｓｍ （ｓ＝ｕ、ｖ、ｗ） （２９）
最後に、ＰＷＭ信号生成部２５は、正弦波駆動部２２で導出された相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいて電力変換器１９を駆動するためのドライブ信号を出力する。このドライブ信号により電力変換器１９が動作する。

なお、発電機２ｂに印加する電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）の位相を変化させることで、力行運転から回生運転への切り替えが可能であり、具体的には力行運転時の電流指令位相βＴの代わりに（−βＴ）を用いることで、回生運転時でも発電機２ｂにおける磁極位置および速度を推定することができる。ただし、圧縮機制御装置１５によって圧縮機１が駆動された後で、膨張エネルギーによって膨張タービン２ａが駆動され始めると推定速度ωが大きくなっていくため、電流指令値Ｉ＊が減少してその符号が逆転した時点で、力行運転から回生運転への切り替えが行われるため、そのタイミングに応じて電流指令位相βＴの符号を変える必要がある。

以上の構成により、発電機制御装置１８は、相電圧方程式に基づいたモデルにより導出された誘起電圧推定値と誘起電圧基準値との偏差εを用いて推定位置θを生成し、正弦波状の相電流を流すことで力行運転および回生運転ができる位置センサレス正弦波駆動を実現しており、エンコーダやレゾルバといった回転子の磁極位置を検出する位置センサを取り付けることが不要のため、コスト低減と信頼性の向上を図ることができる。

また、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置は、図１における運転指令部１４から、圧縮機制御装置１５への圧縮機回転数指令、開閉弁６への開閉弁開閉指令、および発電機制御装置１８への発電機回転数指令、発電機拘束指令をそれぞれ出力するものである。

図２は、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の圧縮機停止時の動作説明図である。図２に示すように、時刻Ｔ０にて圧縮機１が停止した場合（図２の（ａ）を参照）、直ちに開閉弁６を開状態として冷媒の膨張エネルギーをバイパス回路５で減少させる（図２の（ｂ）を参照）とともに、圧縮機１が停止した直後から所定時間Ｔｓが経過するまでの期間内（時刻Ｔ０〜Ｔ２）において、抵抗器２６ａ、２６ｂおよび直流電圧検出部２７によって検出された直流電圧値が所定値Ｖｓを超える時刻Ｔ１までは発電機制御装置１８によって発電機２ｂの回転数を制御した状態に保ち、直流電圧値が所定値を超えた後（時刻Ｔ１〜Ｔ２）は発電機制御装置１８によって発電機２ｂを拘束させる（図２の（ｃ）〜（ｅ）を参照）。これによって、圧縮機が停止した際に、冷凍サイクルに存在している膨張エネルギーによって膨張機がフリーラン状態となることや、発電機制御手段による回生運転で得られる電気エネルギーが蓄積されて電力変換器などの素子が破壊されることを防止でき、さらに膨張エネルギーを速やかに減少させることで圧縮機や膨張機の再起動時における負荷を軽減することができる。

次に、発電機２ｂを拘束させる具体的な方法について説明する。本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の発電機制御装置１８では、図２において直流電圧値が所定値Ｖｓを超える場合には、電力変換器１９の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子を一括オンさせることで発電機２ｂを拘束させる。

図３は電力変換器１９の構成図である。図３に示すように、電力変換器１９はスイッチング素子３１ａ〜３１ｆとダイオード３２ａ〜３２ｆから構成されている。図３では発電機２ｂの入力端子に流れる各相電流の方向を矢印で示してあり、上側アームのスイッチング素子３１ａ、３１ｃ、３１ｅを一括オンさせる場合には、スイッチング素子３１ａ、３１ｃおよびダイオード３２ｅによって短絡回路が構成され、発電機２ｂに短絡電流が流れることで確実に発電機２ｂを拘束させることができる。なお、下側アームのスイッチング素子３１ｂ、３１ｄ、３１ｆを一括オンさせても短絡回路が構成され、同様の効果が得られる。

さらに、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の発電機制御装置１８では、別の方法として、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、発電機２ｂに所定の大きさの直流電流を流すことで発電機２ｂを拘束させても良い。この場合、発電機２ｂに必要以上の電流を流すことなく、確実に発電機を拘束させることができる。

ここで、図４は、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の発電機拘束時の動作説明図であり、図４（ａ）では、直流電圧値が所定値Ｖｓを超えた時刻Ｔ１から所定時間Ｔｓが経過するまでの期間（時刻Ｔ１〜Ｔ２）において、発電機２ｂに一定の直流電流Ｉｓ０を流し続けることで発電機２ｂを拘束させるものであり、例えば、固定子巻線の相電流指令値（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）を、ｉｕ＊＝Ｉｓ、ｉｖ＊＝ｉｗ＊＝−Ｉｓ／２と設定し、式（７）〜式（９）を用いて直流電流を流すのに必要な電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を導出する。

また、図４（ｂ）に示すように、直流電圧値が所定値Ｖｓを超えた時刻Ｔ１から経過する時間に対して段階的に直流電流を大きくする場合には、発電機２ｂに流す直流電流の変化が緩やかになるため、発電機２ｂを拘束させる際に膨張機２の機構に与える物理的なストレスを軽減することができる。なお、図４（ｂ）は直流電流値をＩｓ１（時刻Ｔ１〜Ｔ
ａ）→Ｉｓ２（時刻Ｔａ〜Ｔｂ）→Ｉｓ３（時刻Ｔｂ〜Ｔ２）と３段階としているが、さらに段数を増やしても良いことは言うまでもない。

また、図４（ｃ）に示すように、直流電圧値が所定値Ｖｓを超えた時刻Ｔ１から経過する時間に対して連続的に直流電流を大きくする場合には、発電機２ｂに流す直流電流の変化がさらに緩やかになるため、発電機２ｂを拘束させる際に膨張機２の機構に与える物理的なストレスを図４（ｂ）の場合よりもさらに軽減することができる。なお、図４（ｃ）は、直流電流値をＩｓ４（時刻Ｔ１）→Ｉｓ５（時刻Ｔｃ）と一次関数的に変化させているが、特に限定しているわけでなく一次関数以外の形態を取っても良いことは言うまでもない。

なお、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、発電機２ｂに流す直流電流の大きさは、発電機２ｂの減磁電流よりも小さくなるように予め設定された上限値を備えるものであり、これによって、発電機２ｂを拘束させる際に確実に発電機２ｂの減磁を防ぐことができる。

さらに、圧縮機制御装置１５によって圧縮機１が運転している間は、発電機制御装置１８によって発電機２ｂを回生運転することで膨張機２から動力を回収し、回収された動力を圧縮機１を駆動するための補助動力として利用することで圧縮機１の動力を大幅に低減し、省エネルギー化を図ることができる。

なお、図１では発電機２ｂの電流を検出する２つの電流検出器２０ａ、２０ｂを備え、回転子の磁極位置および速度の推定に使用しているが、電力変換器１９の直流電流（電力変換器１９と平滑コンデンサ１３との配線に流れる電流）から発電機２ｂの電流を検出するなどの手段を用いても良い。

また、図１では運転指令部１４から与えられた発電機２ｂの回転数指令値に対して、発電機２ｂの回転数が追従するように回転数制御が行われているが、発電機２ｂのトルクを制御するなどの形態を取っても良い。

さらに、図１では膨張機タービン２ａの入出力側の冷媒を短絡するようにバイパス回路５を設けているが、特に限定しているわけでなく、冷媒の高圧側と低圧側とが短絡できれば良いため、圧縮機１の入出力側の冷媒を短絡するなどの形態を取っても良い。

以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、膨張機に備えられた発電機の回転子の磁極位置を推定することによって発電機の回転数を制御し、かつ停止を含めた信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができるため、炭酸ガス冷媒のヒートポンプ式給湯器等の製品にも応用することができる。

本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置のシステム構成図 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の圧縮機停止時の動作説明図 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の電力変換器の構成図 本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の発電機拘束時の動作説明図 従来の冷凍サイクル装置のシステム構成図 従来の風力発電システムのシステム構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 膨張機
２ａ 膨張タービン
２ｂ 発電機
２ｃ 動力軸
２ｄ 発電機
３ 凝縮器
４ 蒸発器
５ バイパス回路
６ 開閉弁
１１ 交流電源
１２ 整流回路
１３ 平滑コンデンサ
１４ 運転指令部
１５ 圧縮機制御装置
１６ インバータ
１７ インバータ制御部
１８ 発電機制御装置
１９ 電力変換器
２０ａ、２０ｂ 電流検出器
２１ 電流検出部
２２ 正弦波駆動部
２３ 誘起電圧推定部
２４ 位置速度推定部
２５ ＰＷＭ信号生成部
２６ａ、２６ｂ 抵抗器
２７ 直流電圧検出部
３１ａ〜３１ｆ スイッチング素子
３２ａ〜３２ｆ ダイオード
５１ 第１コンバータ
５２ 第２コンバータ
６１ 風車
６２ 埋込磁石同期発電機（ＩＰＭＳＧ）
６３ ＰＷＭコンバータ
６４ 位置・速度推定部
６５ 最大電力追従制御部
６６ 最大効率制御部
６７ 電圧指令作成部

Claims (6)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮機と、冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器を含み、動力軸を介して前記膨張機と直結されている発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、前記電力変換器の直流側の電圧値を検出する直流電圧検出手段と、冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路と、前記バイパス回路を開閉する開閉手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機が停止した場合には、前記開閉手段を開状態にするとともに、前記圧縮機の停止からの所定期間において、前記直流電圧検出手段によって検出された直流電圧値が所定値を超えるまでは前記発電機制御手段によって前記発電機の回転数を制御した状態を保ち、前記直流電圧値が前記所定値を超えた後は前記発電機制御手段によって前記発電機を拘束させるもので、前記直流電圧値が所定値を超える場合には、前記電力変換器の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子をオンさせることで前記発電機を拘束させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮機と、冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器を含み、動力軸を介して前記膨張機と直結されている発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、前記電力変換器の直流側の電圧値を検出する直流電圧検出手段と、冷媒の高圧側と低圧側とを短絡するバイパス回路と、前記バイパス回路を開閉する開閉手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機が停止した場合には、前記開閉手段を開状態にするとともに、前記圧縮機の停止からの所定期間において、前記直流電圧検出手段によって検出された直流電圧値が所定値を超えるまでは前記発電機制御手段によって前記発電機の回転数を制御した状態を保ち、前記直流電圧値が前記所定値を超えた後は前記発電機制御手段によって前記発電機を拘束させるもので、前記直流電圧値が所定値を超える場合には、前記発電機に所定の大きさの直流電流を流すことで前記発電機を拘束させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 時間の経過に伴って、前記発電機に流す直流電流の大きさを大きくすることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記発電機に流す直流電流の大きさが前記発電機の減磁電流よりも小さくなるように予め設定された上限値を有することを特徴とする請求項２または３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記発電機制御手段は、前記発電機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記発電機に印加する印加電圧の値と前記電流検出手段によって検出された電流値とから前記発電機に発生する誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、前記誘起電圧推定手段によって推定された誘起電圧値に基づいて前記発電機の回転子の磁極位置および速度を推定する位置速度推定手段とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記圧縮機が運転している間は、前記発電機制御手段によって前記発電機を回生運転することで前記膨張機から動力を回収し、回収された動力を前記圧縮機を駆動するための補助動力として利用することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷凍サイクル装置。

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