WO2012029099A1 - ヒートポンプ装置、ヒートポンプシステム及び三相インバータの制御方法 - Google Patents

ヒートポンプ装置、ヒートポンプシステム及び三相インバータの制御方法 Download PDF

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voltage
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inverter
compressor
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和徳 畠山
卓也 下麥
真也 松下
尚季 涌田
牧野　勉
真作 楠部
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • This invention relates to a method for heating a compressor used in a heat pump apparatus.
  • Patent Document 1 describes that when a liquid refrigerant amount staying in a compressor exceeds a predetermined value, a weak high-frequency phase loss current is applied to the motor winding to warm the motor winding. Thereby, the liquid compression by the operation start in the state in which the liquid refrigerant stagnated in the compressor is prevented, and the compressor is prevented from being damaged.
  • Patent Document 2 describes that the direction of the current flowing in the stator coil of the motor is periodically reversed by controlling the ON / OFF cycle of the switching element. As a result, heat is generated not only due to resistance loss but also due to hysteresis loss, so that sufficient preheating can be performed with low current consumption, thereby improving power efficiency.
  • JP-A-8-226714 Japanese Patent Laid-Open No. 11-159467
  • An object of the present invention is to efficiently heat the refrigerant staying in the compressor.
  • the heat pump device is A compressor having a compression mechanism for compressing the refrigerant; A motor for operating the compression mechanism of the compressor; A three-phase inverter that applies a predetermined voltage to the motor, and a three-phase inverter that is configured by connecting a series connection circuit of two switching elements in parallel for three phases; and An inverter control unit for controlling the three-phase inverter;
  • the inverter control unit A phase switching unit that switches and outputs a phase ⁇ 1 and a phase ⁇ 2 that is substantially 180 degrees different from the phase ⁇ 1 in synchronization with a reference signal having a predetermined frequency;
  • An adder that outputs a phase ⁇ 3 by changing a value n that is an integer greater than or equal to 0 every predetermined time, and adding a phase ⁇ plus of n times 60 degrees to the phase output by the phase switching unit;
  • a voltage generator that generates and outputs three-phase voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * based on the phase ⁇ 3 output from
  • the heat pump device generates a drive signal based on the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 that are switched and output in synchronization with the carrier signal. Therefore, a high-frequency voltage with high waveform output accuracy can be generated, and the refrigerant staying in the compressor can be efficiently heated while suppressing the generation of noise.
  • the heat pump device generates a drive signal based on the phase ⁇ 3 obtained by adding the phase ⁇ plus changed every predetermined time to the phase ⁇ 1 or the phase ⁇ 2. Therefore, even in the case of an IPM motor, it is possible to appropriately heat the refrigerant staying in the compressor regardless of the stop position of the rotor.
  • the phase ⁇ plus is an integer multiple of 60 degrees, motor noise, motor shaft vibration, and the like due to current waveform distortion and the like can be suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a heat pump device 100 according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the inverter control unit 11.
  • FIG. 5 shows a configuration of a heat pump device 100 according to a second embodiment. 6 is a timing chart when the phase switching unit 19 alternately switches between the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 at the timing of the top and bottom of the carrier signal. Explanatory drawing of the change of the voltage vector shown in FIG. The timing chart when the phase switch part 19 switches phase (theta) 1 and phase (theta) 2 alternately by the timing of the bottom of a carrier signal.
  • FIG. 6 shows a configuration of a heat pump device 100 according to Embodiment 3.
  • the timing chart when (theta) plus is 45 degree
  • the figure showing the electric current which flows into each phase of UVW of a motor when (theta) plus is 0 degree
  • FIG. 6 is a circuit configuration diagram of a heat pump device 100 according to a fourth embodiment.
  • Embodiment 1 FIG. In the first embodiment, a basic configuration and operation of the heat pump apparatus 100 will be described.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a heat pump device 100 according to the first embodiment.
  • 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 by a refrigerant pipe 6.
  • a compression mechanism 7 that compresses the refrigerant and a motor 8 that operates the compression mechanism 7 are provided inside the compressor 1, a compression mechanism 7 that compresses the refrigerant and a motor 8 that operates the compression mechanism 7 are provided.
  • an inverter 9 that applies a voltage to the motor 8 to drive is provided with a bus voltage detector 10 that is electrically connected to the motor 8 and detects a bus voltage that is a power supply voltage of the inverter 9.
  • the control input terminal of the inverter 9 is connected to the inverter control unit 11.
  • the inverter control unit 11 includes a compressor heating permission unit 12 (detection unit), a high-frequency AC voltage generation unit 13, an integrator 14, a rotation speed command output unit 15, an amplitude output unit 16, and a PWM signal generation unit 17 (drive signal generation unit). ).
  • the inverter 9 is a three-phase inverter in which series connection circuits of two switching elements (18a and 18d, 18b and 18e, 18c and 18f) are connected in parallel for three phases.
  • the inverter 9 is switched by the PWM signals UP, VP, WP, UN, VN, and WN (drive signals) sent from the inverter control unit 11 in accordance with the switching elements (UP is 18a, VP is 18b, WP is 18c, UN drives 18d, VN drives 18e, and WN drives 18f).
  • the inverter control unit 11 determines that the compressor heating permission unit 12 is in a state where the liquid refrigerant has accumulated in the compressor 1 (a state in which the refrigerant has stagnated)
  • the inverter high-frequency AC voltage generation unit 13 causes the motor 8 to Command values Vu *, Vv * and Vw * for the applied voltage are obtained.
  • the PWM signal generator 17 generates a PWM signal based on the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * obtained by the high-frequency AC voltage generator 13.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating input / output waveforms of the PWM signal generation unit 17.
  • the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * are defined as cosine waves (sine waves) whose phases are different by 2 ⁇ / 3 as shown in equations (1) to (3).
  • A is the amplitude of the voltage command value
  • ⁇ is the phase of the voltage command value.
  • the high-frequency AC voltage generator 13 includes a voltage phase command ⁇ obtained by integrating the rotational speed command ⁇ * output from the rotational speed command output unit 15 by the integrator 14, and the amplitude output from the amplitude output unit 16. Based on A, the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * are calculated by the equations (1) to (3), and the calculated voltage command values Vu *, Vv *, Vw * are sent to the PWM signal generation unit 17. Output.
  • the PWM signal generation unit 17 compares the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * with a carrier signal (reference signal) having a predetermined frequency and an amplitude Vdc / 2, and determines the PWM signal UP, VP, WP, UN, VN, WN are generated.
  • Vdc is a bus voltage detected by the bus voltage detector 10. For example, when the voltage command value Vu * is larger than the carrier signal, UP outputs a voltage for turning on the switching element 18a, and UN outputs a voltage for turning off the switching element 18d.
  • the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * may be obtained by two-phase modulation, third harmonic superposition modulation, space vector modulation, or the like.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the inverter control unit 11.
  • S1 heating judgment step
  • the compressor heating permission unit 12 determines whether or not the liquid refrigerant is in the compressor 1 while the operation of the compressor 1 is stopped. If it is determined that the liquid refrigerant is in the compressor 1 (YES in S1), the process proceeds to S2, and a preheating PWM signal is generated. On the other hand, when it is determined that the liquid refrigerant does not stay in the compressor 1 (NO in S1), it is determined again whether the liquid refrigerant stays in the compressor 1 after a predetermined time has elapsed.
  • the high-frequency AC voltage generator 13 integrates the rotational speed command ⁇ * output from the rotational speed command output unit 15 by the integrator 14 to obtain a voltage phase command ⁇ . Then, the high-frequency AC voltage generator 13 uses the voltage phase command ⁇ and the amplitude A output by the amplitude output unit 16 to express the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * is calculated and output to the PWM signal generator 17.
  • S3 PWM signal generation step
  • the PWM signal generation unit 17 compares the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * output from the high-frequency AC voltage generation unit 13 with the carrier signal to obtain the PWM signals UP, VP, WP, UN, VN, and WN.
  • the switching elements 18 a to 18 f of the inverter 9 are driven to apply a high frequency voltage to the motor 8.
  • the motor 8 is efficiently heated by the iron loss of the motor 8 and the copper loss generated by the current flowing through the winding.
  • the liquid refrigerant staying in the compressor 1 is heated and vaporized, and leaks to the outside of the compressor 1.
  • the compressor heating permission unit 12 determines whether the refrigerant has leaked from the compressor 1. When the refrigerant has leaked (YES in S4), it is determined that the refrigerant has returned to the normal state, and the voltage application to the motor 8 is terminated. On the other hand, if the refrigerant has not leaked (NO in S4), the process returns to (S2) to continue generating the preheating PWM signal.
  • the compressor heating permission unit 12 determines whether or not the liquid refrigerant is in the compressor 1.
  • the state in which the liquid refrigerant stays in the compressor 1 occurs when the temperature of the compressor 1 is the lowest among the devices constituting the refrigeration cycle.
  • the compressor 1 is made of metal and has the largest heat capacity in the refrigeration cycle and the temperature change is slow. Therefore, when the outside air temperature rises, the compressor 1 has a slower temperature rise than other devices constituting the refrigeration cycle. Therefore, when the outside air temperature rises and a little time elapses, the compressor 1 becomes lower in temperature than the other devices, and the liquid refrigerant stays in the compressor 1. Therefore, the compressor heating permission unit 12 may detect or estimate this state and heat the compressor.
  • the compressor heating permission unit 12 determines that the liquid refrigerant is in the compressor 1 when the outside air temperature rises by a predetermined temperature or more compared to a predetermined time before.
  • the compressor heating permission unit 12 compares the temperature of the equipment other than the compressor 1 constituting the refrigeration cycle and the outside air temperature with the temperature of the compressor 1, and when the temperature of the compressor 1 is low, It may be determined that the liquid refrigerant is in the state 1.
  • the compressor heating permission unit 12 causes the liquid refrigerant to enter the compressor 1 from the early morning to the day. You may judge that it is the state which stayed.
  • the compressor heating permission unit 12 determines that the liquid refrigerant is in the state of being retained in the compressor 1, the liquid refrigerant can be reliably heated by heating the compressor 1 and consumed. Electric power can be reduced.
  • a predetermined time (for example, after the operation of the compressor 1 is stopped) A voltage may be applied every time 12 hours).
  • the rotation speed command ⁇ * output from the rotation speed command output unit 15 in S2 will be described. If a high frequency voltage equal to or higher than the operating frequency during the compression operation is applied to the motor 8, the rotor in the motor 8 cannot follow the frequency, and rotation and vibration are not generated. Therefore, in S2, the rotation speed command output unit 15 may output a rotation speed command ⁇ * that is equal to or higher than the operation frequency during the compression operation. In general, the operating frequency during the compression operation is at most 1 kHz. Therefore, a high frequency voltage of 1 kHz or higher may be applied to the motor 8.
  • the rotation speed command output unit 15 outputs a rotation speed command ⁇ * that provides a high frequency voltage of about 20 kHz.
  • the frequency of the high-frequency voltage exceeds the maximum rated frequency of the switching elements 18a to 18f, a load or a power supply short circuit due to the destruction of the switching elements 18a to 18f may occur, resulting in smoke or fire. Therefore, in order to ensure reliability, it is desirable that the frequency of the high frequency voltage be not more than the maximum rated frequency.
  • the amplitude A output from the amplitude output unit 16 in S2 will be described.
  • the heating amount can be adjusted.
  • the required heating amount varies depending on the size of the compressor 1 and environmental conditions such as the outside air temperature.
  • the size of the compressor 1 is determined at the time of product shipment. Therefore, a rough range of the amplitude A can be determined according to the size of the compressor 1 at the time of product shipment.
  • Environmental conditions vary depending on the location, time, and time of installation. Therefore, a rough range of the amplitude A determined according to the size of the compressor 1 at the time of product shipment is stored in the storage device.
  • the amplitude output unit 16 measures the outside air temperature and the like with a temperature sensor, and controls the magnitude of the amplitude A to be output within a range determined at the time of product shipment according to the measured environmental conditions such as the outside air temperature.
  • the compressor heating permission unit 12 determines whether the refrigerant has leaked. As described above, when the temperature of the compressor is the lowest among the devices constituting the refrigeration cycle, the liquid refrigerant stays in the compressor 1. Conversely, if the temperature of the compressor 1 is not the lowest among the devices constituting the refrigeration cycle, the refrigerant leaks. Therefore, for example, the compressor heating permission unit 12 compares the temperature of the equipment other than the compressor 1 constituting the refrigeration cycle or the outside air temperature with the temperature of the compressor 1, and the temperature of the compressor 1 is different from that of the other equipment. When the state higher than the outside air temperature continues for a predetermined time or more, it is determined that the refrigerant has leaked.
  • the heat pump device 100 when the liquid refrigerant is in the compressor 1, the high-frequency voltage is applied to the motor 8.
  • the motor 8 can be heated. Thereby, the refrigerant staying in the compressor 1 can be efficiently heated, and the staying refrigerant can be leaked to the outside of the compressor 1.
  • motors of compressors for heat pump devices are widely used for high efficiency, such as motors with an IPM structure and concentrated winding motors with small coil ends and low winding resistance. Since the concentrated winding motor has a small winding resistance and a small amount of heat generated by copper loss, a large amount of current needs to flow through the winding. When a large amount of current is passed through the windings, the current flowing through the inverter 9 also increases and the inverter loss increases. Therefore, when heating is performed by applying the above-described high frequency voltage, an inductance component due to a high frequency is increased, and the winding impedance is increased.
  • the current flowing through the winding is reduced and the copper loss is reduced, the iron loss due to the application of the high frequency voltage is generated and heating can be performed effectively. Furthermore, since the current flowing through the winding is reduced, the current flowing through the inverter is also reduced, the loss of the inverter 9 can be reduced, and more efficient heating is possible. Further, when heating is performed by applying the high-frequency voltage described above, when the compressor is an IPM motor, the rotor surface where the high-frequency magnetic flux is linked also becomes a heat generating portion. For this reason, an increase in the refrigerant contact surface and rapid heating of the compression mechanism are realized, so that the refrigerant can be efficiently heated.
  • the switching elements 18a to 18f constituting the inverter 9 and the diode elements connected in parallel to the switching elements 18a to 18f generally use a semiconductor made of silicon (Si) as a mainstream.
  • a wide gap semiconductor made of silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), or diamond may be used.
  • a switching element or a diode element formed of such a wide band gap semiconductor has a high withstand voltage and a high allowable current density. Therefore, the switching element and the diode element can be reduced in size, and by using these reduced switching element and diode element, the semiconductor module incorporating these elements can be reduced in size.
  • the switching element and the diode element formed by such a wide band gap semiconductor have high heat resistance.
  • the heat sink fins of the heat sink can be miniaturized and the water cooling part can be air cooled, so that the semiconductor module can be further miniaturized.
  • switching elements and diode elements formed of such a wide band gap semiconductor have low power loss. For this reason, it is possible to increase the efficiency of the switching element and the diode element, and to increase the efficiency of the semiconductor module.
  • both the switching element and the diode element are preferably formed of a wide band gap semiconductor, either one of the elements may be formed of a wide band gap semiconductor, and the effects described in this embodiment are achieved. Obtainable.
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
  • the compressor with the scroll mechanism it is difficult for the compressor with the scroll mechanism to perform high-pressure relief of the compression chamber. Therefore, compared to other types of compressors, when liquid compression is performed, there is a high possibility that the compression mechanism will be overstressed and damaged.
  • the compressor in the heat pump device 100 of the first embodiment, the compressor can be heated efficiently, and the liquid refrigerant in the compressor can be prevented from staying. Therefore, since liquid compression can be prevented, it is effective even when a scroll compressor is used as the compressor 1.
  • the amplitude of the voltage command value may be adjusted in advance so as not to exceed 50 W, or the feedback control may be performed so that the flowing current or voltage is detected to be 50 W or less.
  • Embodiment 2 a method for generating a high-frequency voltage will be described.
  • the upper limit of the carrier frequency that is the frequency of the carrier signal is determined by the switching speed of the switching element of the inverter.
  • the upper limit of the switching speed is about 20 kHz. For this reason, it is difficult to output a high-frequency voltage equal to or higher than the carrier frequency that is a carrier wave. Further, when the frequency of the high frequency voltage is about 1/10 of the carrier frequency, the waveform output accuracy of the high frequency voltage is deteriorated, and there is a risk that a direct current component is superimposed.
  • the carrier frequency is set to 20 kHz
  • the frequency of the high frequency voltage is set to 2 kHz, which is 1/10 of the carrier frequency
  • the frequency of the high frequency voltage becomes an audible frequency region, and there is a concern about noise deterioration.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the heat pump device 100 according to the second embodiment.
  • the heat pump apparatus 100 in the second embodiment is the same as the heat pump apparatus 100 in the first embodiment shown in FIG. 1 except that it includes a phase switching unit 19 instead of the integrator 14 and the rotation speed command output unit 15. For this reason, the same reference numerals are used and description thereof is omitted, and only the changes are described.
  • the rotational speed command ⁇ * is integrated by the integrator 14 to obtain the phase ⁇ of the voltage command value.
  • the phase switching unit 19 alternately switches two types of phases, ie, the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 that is approximately 180 degrees different from the phase ⁇ 1, to obtain the phase of the voltage command value.
  • ⁇ 1 0 [degree]
  • ⁇ 2 180 [degree].
  • the phase switching unit 19 alternately switches between the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 at the timing of the top (peak) or bottom (valley) of the carrier signal, or at the timing of the top and bottom,
  • the phase ⁇ is output to the high-frequency AC voltage generator 13.
  • the high-frequency AC voltage generator 13 uses the voltage phase command ⁇ and the amplitude A output from the amplitude output unit 16 to calculate the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * using the equations (1) to (3).
  • the phase switching unit 19 switches the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 at the timing of the peak (peak) or valley (bottom), peak, and valley of the carrier signal, so that a PWM signal synchronized with the carrier signal can be output.
  • FIG. 5 is a timing chart when the phase switching unit 19 alternately switches between the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 at the top and bottom timings of the carrier signal. It should be noted that UP and UN, VP and VN, and WP and WN are on / off states opposite to each other, and if one is known, the other is also known, so only UP, VP, and WP are shown here. As shown in FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of changes in the voltage vector shown in FIG.
  • the switching element 18 surrounded by a broken line is turned on, and the switching element 18 not surrounded by a broken line is turned off.
  • no current flows when the V0 vector and the V7 vector are applied.
  • a current in the U-phase direction (current of + Iu) flows into the motor 8 via the U phase and flows out of the motor 8 via the V phase and the W phase.
  • a current in the ⁇ U phase direction ( ⁇ Iu current) flowing into the motor 8 via the phase and the W phase and flowing out of the motor 8 via the U phase flows in the winding of the motor 8.
  • a current in the reverse direction flows through the winding of the motor 8 when the V4 vector is applied and when the V3 vector is applied. Since the voltage vector changes in the order of V0, V4, V7, V3, V0,..., + Iu current and ⁇ Iu current flow alternately in the winding of the motor 8. In particular, as shown in FIG. 5, since the V4 vector and the V3 vector appear during one carrier period (1 / fc), an AC voltage synchronized with the carrier frequency fc can be applied to the winding of the motor 8. It becomes. Further, since the V4 vector (+ Iu current) and the V3 vector ( ⁇ Iu current) are alternately output, the forward and reverse torques are instantaneously switched. Therefore, it is possible to apply a voltage that suppresses the vibration of the rotor by canceling the torque.
  • FIG. 7 is a timing chart when the phase switching unit 19 switches the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 alternately at the bottom timing of the carrier signal.
  • the PWM signal changes, and the voltage vector changes in the order of V0, V4, V7, V7, V3, V0, V0, V3, V7, V7, V4, V0,. Since the V4 vector and the V3 vector appear during a two-carrier cycle, an AC voltage having a 1 ⁇ 2 carrier frequency can be applied to the winding of the motor 8.
  • the voltage command value is obtained by alternately switching the two types of phase ⁇ 1 and phase ⁇ 2 that is substantially 180 degrees different from the phase ⁇ 1 in synchronization with the carrier signal. Of the phase. Thereby, a high frequency voltage synchronized with the carrier frequency can be applied to the winding of the motor 8.
  • Embodiment 3 FIG. In the third embodiment, a method of making the heating amount constant even in the case of an IPM motor will be described.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of the rotor position (rotor stop position) of the IPM motor.
  • the rotor position ⁇ of the IPM motor is represented by the magnitude of the angle at which the direction of the N pole of the rotor deviates from the U-phase direction.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a change in current depending on the rotor position.
  • the winding inductance depends on the rotor position. Therefore, the winding impedance represented by the product of the electrical angular frequency ⁇ and the inductance value varies according to the rotor position. Therefore, even when the same voltage is applied, the current flowing through the winding of the motor 8 fluctuates and the amount of heating changes.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the heat pump apparatus 100 according to the third embodiment.
  • the heat pump apparatus 100 in the third embodiment is the same as the heat pump apparatus 100 in the second embodiment shown in FIG. 4 except that an adder 20 (addition unit) is added. For this reason, the same reference numerals are used and description thereof is omitted, and only the changes are described.
  • the phase switching unit 19 alternately switches the two types of phases ⁇ 1 and ⁇ 2 to the phase of the voltage command value, so that the AC voltage of the carrier frequency or 1/2 carrier frequency is converted to the motor. Applied to 8 windings.
  • the energization phase is limited to two of the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 having a phase difference of 180 degrees with respect to the phase ⁇ 1. Therefore, even when the same voltage is applied, the current flowing through the winding of the motor 8 varies depending on the rotor position, and the amount of heating changes. As a result, depending on the rotor position, a large amount of electric power may be consumed in order to obtain a necessary heating amount.
  • the phase switching unit 19 alternately switches and outputs the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 at the top or bottom timing of the carrier signal or at the top and bottom timings.
  • the adder 20 adds the phase change component ⁇ plus that changes over time to the phase output by the phase switching unit 19 to obtain the phase ⁇ 3, and outputs the phase ⁇ 3 as the voltage phase command ⁇ to the high-frequency AC voltage generation unit 13. .
  • the high-frequency AC voltage generator 13 uses the voltage phase command ⁇ and the amplitude A output from the amplitude output unit 16 to calculate the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * using the equations (1) to (3). Is output to the PWM signal generation unit 17. By adding the phase change component ⁇ plus to the phases ⁇ 1 and ⁇ 2 by the adder 18 and changing the phase of the voltage command value over time, the compressor 1 can be heated uniformly regardless of the rotor position.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an applied voltage when ⁇ plus is changed over time.
  • ⁇ plus is changed by 45 degrees as time passes, 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 135 degrees,.
  • the phase ⁇ of the voltage command value is 0 degrees and 180 degrees
  • ⁇ plus is 45 degrees
  • the phase ⁇ of the voltage command value is 45 degrees and 225 degrees
  • ⁇ plus is 90 degrees.
  • the phase ⁇ of the voltage command value is 90 degrees and 270 degrees
  • if ⁇ plus is 135 degrees the phase ⁇ of the voltage command value is 135 degrees and 315 degrees.
  • ⁇ plus is set to 0 degrees, and the phase ⁇ of the voltage command value is switched between 0 degrees and 180 degrees in synchronization with the carrier signal for a predetermined time. Thereafter, ⁇ plus is switched to 45 degrees, and the phase ⁇ of the voltage command value is switched between 45 degrees and 225 degrees in synchronization with the carrier signal for a predetermined time. Then, ⁇ plus is switched to 90 degrees, and so on at predetermined time intervals, such as 0 degrees and 180 degrees, 45 degrees and 225 degrees, 90 degrees and 270 degrees, 135 degrees and 315 degrees,. And the phase ⁇ of the voltage command value are switched. As a result, the energization phase of the high-frequency AC voltage changes with time, so that the compressor 1 can be heated uniformly regardless of the rotor position.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram of the intermediate voltage.
  • the intermediate voltage is a voltage having a phase different from the direction of each phase (U phase, -U phase, V phase, -V phase, W phase, -W phase).
  • the inverter 9 can only perform switching of 8 patterns of V0 to V7. Therefore, when the energization phase is switched as shown in FIG. 11, for example, when ⁇ plus is 45 degrees, the intermediate voltage shown in FIG. 12 is created by the voltage vectors of V4 and V6 or V3 and V1. Similarly, when ⁇ plus is 90 degrees other than 45 degrees, 135 degrees, or the like, an intermediate voltage is similarly generated by two voltage vectors.
  • FIG. 13 is a timing chart when ⁇ plus is 45 degrees when the phase switching unit 19 switches the phase ⁇ 1 and the phase ⁇ 2 alternately at the timing of the top and bottom of the carrier signal.
  • two voltage vectors V4 and V6, or V3 and V1 are output between V0 and V7. In this manner, the above-described intermediate voltage is created by outputting two different voltage vectors between V0 and V7.
  • FIG. 14 is a diagram showing the current flowing in each phase of the UVW of the motor when ⁇ plus is 0 degree (the U phase (V4) direction is 0 degree), 30 degrees, and 60 degrees.
  • ⁇ plus is 0 degree
  • another voltage vector one positive voltage side and two negative voltage sides of the switching elements 18a to 18f, or two positive voltage sides
  • the current waveform has a trapezoidal shape and has a low harmonic component.
  • ⁇ plus is 30 degrees
  • two different voltage vectors are generated between V0 and V7 as shown in FIG. In this case, the current waveform is distorted, resulting in a current with many harmonic components.
  • This distortion of the current waveform may cause adverse effects such as motor noise and motor shaft vibration.
  • ⁇ plus is 60 degrees
  • only one other voltage vector is generated between V0 and V7, similarly to the case where ⁇ plus is 0 degrees.
  • the current waveform is trapezoidal, and the current has less harmonic components.
  • ⁇ plus is a value of n times 60 degrees (n is an integer of 0 or more), motor noise and motor shaft vibration due to current waveform distortion reduction can be suppressed. Therefore, for example, ⁇ plus may be changed every 60 degrees or 120 degrees, which is a phase n times 60 degrees, every predetermined time. However, since it is necessary to prevent the heating amount from changing depending on the stop position of the rotor, it is meaningless to change ⁇ plus by 180 degrees. That is, it is necessary to change ⁇ plus by 60 degrees or 120 degrees, for example, which can make the current uniform.
  • the processing by the microcomputer may be limited so as not to output a voltage vector whose output is small (output time is short) of the two voltage vectors.
  • the amplitude output unit 16 gradually decreases the amplitude A immediately before the change of ⁇ plus, and gradually increases the amplitude A immediately after the change of ⁇ plus.
  • the amplitude output unit 16 gradually decreases the amplitude A immediately before the change of ⁇ plus so that the amplitude becomes 0 at the change timing of ⁇ plus, and returns the amplitude A to the original size immediately after the change of ⁇ plus. .
  • the amplitude output unit 16 may decrease the amplitude A at a time immediately before the change of ⁇ plus, and gradually increase the amplitude A immediately after the change of ⁇ plus.
  • FIG. 18 is a diagram showing a drive circuit 21 that receives the PWM signal from the PWM signal generation unit 17 and drives each switching element 18 of the inverter 9.
  • the drive circuit 21 includes a charge pump circuit 26, a negative voltage side switching element drive circuit 27, and a positive voltage side switching element drive circuit 28.
  • the charge pump circuit 26 is configured by sequentially connecting a switching power supply 22, a resistor 23, a diode 24, and a capacitor 25.
  • the end of the charge pump circuit 26 on the switching power supply 22 side is connected to the negative voltage side of the inverter 9, and the end of the charge pump circuit 26 on the capacitor 25 side is the positive voltage side of the U-phase series connection circuit in the inverter 9.
  • the switching element 18a and the negative voltage side switching element 18d are connected.
  • the negative voltage side switching element drive circuit 27 is connected between the switching power supply 22 and the resistor 23 of the charge pump circuit 26.
  • the negative voltage side switching element driving circuit 27 receives the PWM signal UN from the PWM signal generation unit 17 and drives the negative voltage side switching element 18d of the inverter 9 when the voltage UN turns on.
  • the positive voltage side switching element driving circuit 28 is connected between the diode 24 of the charge pump circuit 26 and the capacitor 25.
  • the positive voltage side switching element drive circuit 28 receives the PWM signal UP from the PWM signal generation unit 17 and drives the positive voltage side switching element 18a of the inverter 9 when UP is a voltage to be turned on.
  • the negative voltage side switching element driving circuit 27 and the positive voltage side switching element driving circuit 28 need to be driven by separate power sources.
  • the negative voltage side switching element drive circuit 27 is driven by the switching power supply 22, and the positive voltage side switching element drive circuit 28 is driven by the voltage charged in the capacitor 25.
  • the amplitude output unit 16 changes the amplitude to 0 when ⁇ plus changes and is not energized
  • the voltage charged in the capacitor 25 decreases. Therefore, there is a possibility that the switching element 18a cannot be normally driven by the positive voltage side switching element driving circuit 28. Accordingly, as shown in FIG. 19, every time ⁇ plus changes, the negative voltage side switching element drive circuit 27 is driven to generate a charge pulse.
  • the voltage is charged in the capacitor 25 through the path indicated by the arrow in FIG. 18, and a power source for driving the positive voltage side switching element driving circuit 28 is secured.
  • a power source for driving the positive voltage side switching element driving circuit 28 is secured.
  • the phase of the voltage command value is obtained by adding the phase change component ⁇ plus that changes over time to the phase output by the phase switching unit 19.
  • the energization phase of the high-frequency AC voltage changes with time, so that the compressor 1 can be heated uniformly regardless of the rotor position.
  • the phase change component ⁇ plus is set to n times 60 degrees. Thereby, distortion of a current waveform can be reduced, and motor noise, motor shaft vibration, and the like can be suppressed.
  • Embodiment 4 FIG.
  • the heat pump device 100 in which the compressor 1, the four-way valve 2, the heat exchanger 3, the expansion mechanism 4, and the heat exchanger 5 are sequentially connected by piping is illustrated.
  • a heat pump device 100 having a more specific configuration will be described.
  • FIG. 20 is a circuit configuration diagram of the heat pump device 100 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 21 is a Mollier diagram of the refrigerant state of the heat pump apparatus 100 shown in FIG.
  • the horizontal axis represents specific enthalpy and the vertical axis represents refrigerant pressure.
  • a compressor 31, a heat exchanger 32, an expansion mechanism 33, a receiver 34, an internal heat exchanger 35, an expansion mechanism 36, and a heat exchanger 37 are sequentially connected by piping, and a refrigerant Is provided with a main refrigerant circuit.
  • a four-way valve 39 is provided on the discharge side of the compressor 31, and the circulation direction of the refrigerant can be switched.
  • a fan 40 is provided in the vicinity of the heat exchanger 37.
  • the compressor 31 is the compressor 1 described in the above embodiment, and includes the motor 8 driven by the inverter 9 and the compression mechanism 7.
  • the heat pump apparatus 100 includes an injection circuit 42 that connects between the receiver 34 and the internal heat exchanger 35 to the injection pipe of the compressor 31 by piping.
  • An expansion mechanism 41 and an internal heat exchanger 35 are sequentially connected to the injection circuit 42.
  • a water circuit 43 through which water circulates is connected to the heat exchanger 32.
  • the heating operation includes not only heating used for air conditioning, but also hot water supply that heats water to make hot water.
  • the gas-phase refrigerant (point 1 in FIG. 21) that has become high-temperature and high-pressure in the compressor 31 is discharged from the compressor 31, and is heat-exchanged and liquefied by a heat exchanger 32 that is a condenser and a radiator (FIG. 21). Point 2). At this time, the water circulating through the water circuit 43 is warmed by the heat radiated from the refrigerant and used for heating and hot water supply. The liquid-phase refrigerant liquefied by the heat exchanger 32 is decompressed by the expansion mechanism 33 and becomes a gas-liquid two-phase state (point 3 in FIG. 21).
  • the refrigerant in the gas-liquid two-phase state by the expansion mechanism 33 is heat-exchanged with the refrigerant sucked into the compressor 31 by the receiver 34, cooled, and liquefied (point 4 in FIG. 21).
  • the liquid-phase refrigerant liquefied by the receiver 34 branches and flows into the main refrigerant circuit 38 and the injection circuit 42.
  • the liquid phase refrigerant flowing through the main refrigerant circuit 38 is heat-exchanged by the internal heat exchanger 35 with the refrigerant flowing through the injection circuit 42 that has been decompressed by the expansion mechanism 41 and is in a gas-liquid two-phase state, and further cooled (FIG. 21). Point 5).
  • the liquid-phase refrigerant cooled by the internal heat exchanger 35 is decompressed by the expansion mechanism 36 and becomes a gas-liquid two-phase state (point 6 in FIG. 21).
  • the refrigerant that has been in the gas-liquid two-phase state by the expansion mechanism 36 is heated and exchanged with the outside air by the heat exchanger 37 serving as an evaporator (point 7 in FIG. 21).
  • the refrigerant heated by the heat exchanger 37 is further heated by the receiver 34 (point 8 in FIG. 21) and sucked into the compressor 31.
  • the refrigerant flowing through the injection circuit 42 is decompressed by the expansion mechanism 41 (point 9 in FIG. 21) and is heat-exchanged by the internal heat exchanger 35 (point 10 in FIG. 21).
  • the gas-liquid two-phase refrigerant (injection refrigerant) heat-exchanged by the internal heat exchanger 35 flows into the compressor 31 from the injection pipe of the compressor 31 in the gas-liquid two-phase state.
  • the refrigerant (point 8 in FIG. 21) sucked from the main refrigerant circuit 38 is compressed and heated to an intermediate pressure (point 11 in FIG. 21).
  • the refrigerant that has been compressed and heated to the intermediate pressure (point 11 in FIG. 21) joins the injection refrigerant (point 10 in FIG. 21), and the temperature drops (point 12 in FIG. 21).
  • coolant (point 12 of FIG. 21) in which temperature fell is further compressed and heated, becomes high temperature high pressure, and is discharged (point 1 of FIG. 21).
  • the opening degree of the expansion mechanism 41 is fully closed. That is, when the injection operation is performed, the opening degree of the expansion mechanism 41 is larger than the predetermined opening degree. However, when the injection operation is not performed, the opening degree of the expansion mechanism 41 is larger than the predetermined opening degree. Make it smaller. Thereby, the refrigerant does not flow into the injection pipe of the compressor 31.
  • the opening degree of the expansion mechanism 41 is controlled by electronic control by a control unit such as a microcomputer.
  • the cooling operation includes not only cooling used for air conditioning but also making cold water by taking heat from water, freezing and the like.
  • the gas-phase refrigerant (point 1 in FIG. 21) that has become high-temperature and high-pressure in the compressor 31 is discharged from the compressor 31, and is heat-exchanged and liquefied in a heat exchanger 37 that is a condenser and a radiator (FIG. 21).
  • Point 2 The liquid-phase refrigerant liquefied by the heat exchanger 37 is depressurized by the expansion mechanism 36 and becomes a gas-liquid two-phase state (point 3 in FIG. 21).
  • the refrigerant in the gas-liquid two-phase state by the expansion mechanism 36 is heat-exchanged by the internal heat exchanger 35, cooled and liquefied (point 4 in FIG. 21).
  • the refrigerant that has become a gas-liquid two-phase state by the expansion mechanism 36 and the liquid-phase refrigerant that has been liquefied by the internal heat exchanger 35 have been decompressed by the expansion mechanism 41, and have become a gas-liquid two-phase state.
  • Heat is exchanged with the refrigerant (point 9 in FIG. 21).
  • the liquid refrigerant (the point 4 in FIG. 21) heat-exchanged by the internal heat exchanger 35 branches and flows into the main refrigerant circuit 38 and the injection circuit 42.
  • the liquid-phase refrigerant flowing through the main refrigerant circuit 38 is heat-exchanged with the refrigerant sucked into the compressor 31 by the receiver 34 and further cooled (point 5 in FIG.
  • the liquid-phase refrigerant cooled by the receiver 34 is decompressed by the expansion mechanism 33 and becomes a gas-liquid two-phase state (point 6 in FIG. 21).
  • the refrigerant in the gas-liquid two-phase state by the expansion mechanism 33 is heat-exchanged and heated by the heat exchanger 32 serving as an evaporator (point 7 in FIG. 21).
  • the heat exchanger 32 serving as an evaporator
  • the refrigerant absorbs heat the water circulating in the water circuit 43 is cooled and used for cooling and freezing.
  • the refrigerant heated by the heat exchanger 32 is further heated by the receiver 34 (point 8 in FIG. 21) and sucked into the compressor 31.
  • the refrigerant flowing through the injection circuit 42 is decompressed by the expansion mechanism 41 (point 9 in FIG. 21) and is heat-exchanged by the internal heat exchanger 35 (point 10 in FIG. 21).
  • the gas-liquid two-phase refrigerant (injection refrigerant) heat-exchanged by the internal heat exchanger 35 flows from the injection pipe of the compressor 31 in the gas-liquid two-phase state.
  • the compression operation in the compressor 31 is the same as in the heating operation.
  • the opening degree of the expansion mechanism 41 is fully closed so that the refrigerant does not flow into the injection pipe of the compressor 31 as in the heating operation.
  • the heat exchanger 32 has been described as a heat exchanger such as a plate heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant and the water circulating in the water circuit 43.
  • the heat exchanger 32 is not limited to this and may exchange heat between the refrigerant and the air.
  • the water circuit 43 may be a circuit in which other fluid circulates instead of a circuit in which water circulates.
  • the heat pump device 100 can be used for a heat pump device using an inverter compressor such as an air conditioner, a heat pump water heater, a refrigerator, or a refrigerator.
  • an inverter compressor such as an air conditioner, a heat pump water heater, a refrigerator, or a refrigerator.

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Abstract

　この発明は、圧縮機内に滞留した冷媒を効率よく加熱することを目的とする。位相切換部１９は、キャリア信号に同期して、位相θ１と、位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２とを切り替えて出力する。加算器２０は、６０度のｎ倍の位相θｐｌｕｓを位相切換部１９が出力した位相に加え、電圧指令位相θとして出力する。高周波交流電圧発生部１３は、加算器２０が出力した電圧指令位相に基づき、三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成して出力する。ＰＷＭ信号生成部１７は、高周波交流電圧発生部１３が出力した三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊とキャリア信号とを比較して、インバータ９の各スイッチング素子１８ａ～１８ｆに対応する６つの駆動信号を生成し、生成した各駆動信号を前記三相インバータの対応するスイッチング素子へ出力することにより、インバータ９に高周波交流電圧を発生させる。

Description

ヒートポンプ装置、ヒートポンプシステム及び三相インバータの制御方法
　この発明は、ヒートポンプ装置に使用される圧縮機の加熱方法に関する。
　特許文献１には、圧縮機内に滞留する液冷媒量が所定値以上になると、モータの巻線に微弱の高周波欠相電流を通電してモータの巻線を暖めることについての記載がある。これにより、圧縮機内に液冷媒が滞留した状態での運転開始による液圧縮を防止して圧縮機の破損を防止している。
　特許文献２には、スイッチング素子のオン／オフ周期を制御することにより、モータのステータコイルに流れる電流の向きを周期的に逆方向にすることについての記載がある。これにより、抵抗損による発熱だけでなく、ヒステリシス損による発熱を行い、少ない消費電流で十分な予熱を行えるようにし、電力効率の向上を図っている。
特開平８－２２６７１４号公報 特開平１１－１５９４６７号公報
　特許文献１に記載された技術では、欠相電流を流すため電流が流れない巻線が発生してしまい、均一に圧縮機の加熱ができない。また、突極比を持つ永久磁石同期形モータにインバータを用いて欠相電流を流そうとする場合、巻線インダクタンスがロータ位置に依存する。そのため、ロータ位置に応じて全相に電流が流れることがあるため、欠相電流を流すことが困難である。
　特許文献２に記載された技術では、一端が電源側に接続されたスイッチング素子のいずれか１つを所定時間の間に所定の回数オン／オフを繰り返させる。また、これと同時に、一端がアース側に接続されたスイッチング素子の何れか２つを当該所定時間の間オン状態した後、ステータコイルに流れる電流が逆方向となるようにする。そのため、巻線に流す電流の周波数を高周波化できず、高周波化による鉄損発生に限界があり効率向上が図れない。また、騒音が発生してしまう。
　この発明は、圧縮機内に滞留した冷媒を効率よく加熱することを目的とする。
　この発明に係るヒートポンプ装置は、
　冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
　前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
　前記モータに所定の電圧を印加する三相インバータであって、２つのスイッチング素子の直列接続回路を三相分並列接続して構成された三相インバータと、
　前記三相インバータを制御するインバータ制御部と
を備え、
　前記インバータ制御部は、
　所定の周波数の基準信号に同期して、位相θ１と、前記位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２とを切り替えて出力する位相切替部と、
　０以上の整数である値ｎを所定の時間毎に変更して、６０度のｎ倍の位相θｐｌｕｓを前記位相切替部が出力した位相に加えた位相θ３を出力する加算部と、
　前記加算部が出力した位相θ３に基づき、三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成して出力する電圧発生部と、
　前記電圧発生部が出力した三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と前記基準信号とを比較して、前記三相インバータの各スイッチング素子に対応する６つの駆動信号を生成し、生成した各駆動信号を前記三相インバータの対応するスイッチング素子へ出力することにより、前記三相インバータに高周波交流電圧を発生させる駆動信号生成部と
を備えることを特徴とする。
　この発明に係るヒートポンプ装置は、キャリア信号に同期して切り替えて出力された位相θ１と位相θ２とに基づき駆動信号を生成する。そのため、波形出力精度の高い高周波電圧を生成することができ、騒音の発生を抑えつつ、圧縮機内に滞留した冷媒を効率よく加熱することができる。
　また、この発明に係るヒートポンプ装置は、所定の時間毎に変更される位相θｐｌｕｓを位相θ１又は位相θ２に加算した位相θ３に基づき駆動信号を生成する。そのため、ＩＰＭモータの場合であっても、ロータの停止位置に関係なく適切に圧縮機内に滞留した冷媒を加熱することができる。
　特に、位相θｐｌｕｓが６０度の整数倍の位相であるため、電流波形の歪み等によるモータ騒音やモータ軸振動等を抑えることができる。
実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図。 ＰＷＭ信号生成部１７の入出力波形を示す図。 インバータ制御部１１の動作を示すフローチャート。 実施の形態２におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図。 位相切換部１９がキャリア信号の頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合のタイミングチャート。 図５に示す電圧ベクトルの変化の説明図。 位相切換部１９がキャリア信号の底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合のタイミングチャート。 ＩＰＭモータのロータ位置（ロータの停止位置）の説明図。 ロータ位置による電流変化を示す図。 実施の形態３におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図。 θｐｌｕｓを時間の経過とともに変化させた場合の印加電圧を示す図。 中間電圧の説明図。 位相切換部１９がキャリア信号の頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合における、θｐｌｕｓが４５度のときのタイミングチャート。 θｐｌｕｓが０度、３０度、６０度の時のモータのＵＶＷの各相に流れる電流を表した図。 通電位相切替時の電流波形を示す図。 θｐｌｕｓと、振幅出力部１６が出力する振幅Ａとの関係を示す図。 θｐｌｕｓの切り替えに合わせて振幅Ａを変化させることにより電流波形が改善される様子を示す図。 ＰＷＭ信号生成部１７からのＰＷＭ信号を受けて、インバータ９の各スイッチング素子１８を駆動する駆動回路２１を示す図。 θｐｌｕｓと、チャージパルスの発生との関係を示す図。 実施の形態４に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図。 図２０に示すヒートポンプ装置１００の冷媒の状態についてのモリエル線図。
　実施の形態１．
　実施の形態１では、ヒートポンプ装置１００の基本的な構成及び動作について説明する。
　図１は、実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図である。
　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、熱交換器５が冷媒配管６によっ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を動作させるモータ８とが設けられている。
　また、モータ８に電圧を与え駆動させるインバータ９は、モータ８と電気的に接続され、インバータ９の電源電圧である母線電圧を検出する母線電圧検出部１０を備える。インバータ９の制御入力端は、インバータ制御部１１と接続されている。インバータ制御部１１は、圧縮機加熱許可部１２（検出部）、高周波交流電圧発生部１３、積分器１４、回転数指令出力部１５、振幅出力部１６、ＰＷＭ信号生成部１７（駆動信号生成部）を備える。
　インバータ９は、２つのスイッチング素子（１８ａと１８ｄ、１８ｂと１８ｅ、１８ｃと１８ｆ）の直列接続回路が、三相分並列接続された三相インバータである。インバータ９は、インバータ制御部１１より送られたＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ（駆動信号）により、それぞれに対応したスイッチング素子（ＵＰは１８ａ、ＶＰは１８ｂ、ＷＰは１８ｃ、ＵＮは１８ｄ、ＶＮは１８ｅ、ＷＮは１８ｆ）を駆動する。
　インバータ制御部１１は、圧縮機加熱許可部１２が圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態（冷媒が寝込んだ状態）であると判断した場合に、高周波交流電圧発生部１３にてモータ８に印加する電圧の指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める。そして、高周波交流電圧発生部１３が求めた電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を元に、ＰＷＭ信号生成部１７にてＰＷＭ信号を生成する。
　ＰＷＭ信号生成部１７のＰＷＭ信号の生成方法について説明する。
　図２は、ＰＷＭ信号生成部１７の入出力波形を示す図である。
　例えば、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を式（１）～式（３）のように位相が２π／３づつ異なる余弦波（正弦波）と定義する。但し、Ａは電圧指令値の振幅、θは電圧指令値の位相である。
　（１）Ｖｕ＊＝Ａｃｏｓθ
　（２）Ｖｖ＊＝Ａｃｏｓ（θ－（２／３）π）
　（３）Ｖｗ＊＝Ａｃｏｓ（θ＋（２／３）π）
　高周波交流電圧発生部１３は、回転数指令出力部１５によって出力された回転数指令ω＊を積分器１４にて積分して得られた電圧位相指令θと、振幅出力部１６によって出力された振幅Ａとに基づき、式（１）～式（３）により電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を計算し、計算した電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をＰＷＭ信号生成部１７へ出力する。ＰＷＭ信号生成部１７は、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と、所定の周波数で振幅Ｖｄｃ／２のキャリア信号（基準信号）とを比較し、相互の大小関係に基づきＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを生成する。なお、Ｖｄｃは、母線電圧検出部１０にて検出される母線電圧である。
　例えば、電圧指令値Ｖｕ＊がキャリア信号よりも大きい場合には、ＵＰはスイッチング素子１８ａをオンにする電圧を出力し、ＵＮはスイッチング素子１８ｄをオフにする電圧を出力する。また、電圧指令値Ｖｕ＊がキャリア信号よりも小さい場合には、逆に、ＵＰはスイッチング素子１８ａをオフにする電圧を出力し、ＵＮはスイッチング素子１８ｄをオンにする電圧を出力する。他の信号についても同様であり、電圧指令値Ｖｖ＊とキャリア信号との比較によりＶＰ、ＶＮが決定され、電圧指令値Ｖｗ＊とキャリア信号との比較によりＷＰ、ＷＮが決定される。
　一般的なインバータの場合、相補ＰＷＭ方式を採用しているため、ＵＰとＵＮ、ＶＰとＶＮ、ＷＰとＷＮは互いに逆の関係となる。そのため、スイッチングパターンは全部で８通りとなり、８通りのスイッチングパターンを組み合わせることでインバータは電圧を出力する。
　なお、式（１）～式（３）以外にも二相変調や、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調等により電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求めてもよい。
　次に、インバータ制御部１１の動作について説明する。
　図３は、インバータ制御部１１の動作を示すフローチャートである。
　（Ｓ１：加熱判断ステップ）
　圧縮機加熱許可部１２は、圧縮機１の運転停止中に、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であるかを判断する。
　圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断した場合（Ｓ１でＹＥＳ）、処理をＳ２へ進め、予熱用のＰＷＭ信号を発生させる。一方、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態でないと判断した場合（Ｓ１でＮＯ）、所定時間経過後に、再び圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であるかを判断する。
　（Ｓ２：電圧指令値生成ステップ）
　高周波交流電圧発生部１３は、回転数指令出力部１５によって出力された回転数指令ω＊を積分器１４にて積分して電圧位相指令θを得る。そして、高周波交流電圧発生部１３は、電圧位相指令θと、振幅出力部１６によって出力された振幅Ａとを用いて式（１）～式（３）にて電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を計算し、ＰＷＭ信号生成部１７へ出力する。
　（Ｓ３：ＰＷＭ信号生成ステップ）
　ＰＷＭ信号生成部１７は、高周波交流電圧発生部１３が出力した電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をキャリア信号と比較して、ＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを得て、インバータ９へ出力する。これにより、インバータ９のスイッチング素子１８ａ～１８ｆを駆動してモータ８に高周波電圧を印加する。
　モータ８に高周波電圧を印加することにより、モータ８の鉄損と、巻線に流れる電流にて発生する銅損とで効率よくモータ８が加熱される。モータ８が加熱されることにより、圧縮機１内に滞留する液冷媒が加熱されて気化し、圧縮機１の外部へと漏出する。
　（Ｓ４：終了判断ステップ）
　圧縮機加熱許可部１２は、圧縮機１から冷媒が漏出したかを判断する。
　冷媒が漏出した場合（Ｓ４でＹＥＳ）、正常状態へ復帰したと判断し、モータ８への電圧印加を終了させる。一方、冷媒が漏出していない場合（Ｓ４でＮＯ）、処理を（Ｓ２）へ戻して、予熱用のＰＷＭ信号の発生を継続させる。
　Ｓ１において、圧縮機加熱許可部１２が圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であるかを判断する方法について説明する。
　一般的に圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態は、冷凍サイクルを構成する機器の中で圧縮機１の温度が最も低い場合に発生する。また、圧縮機１は金属で構成され、冷凍サイクルの中で最も熱容量が大きく温度変化が遅い。そのため、圧縮機１は、外気温度が上昇した場合に、冷凍サイクルを構成するその他の機器よりも温度の上昇が遅い。したがって、外気温度が上昇して少し時間が経過すると、圧縮機１はその他の機器よりも温度が低くなり、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態となる。そこで、圧縮機加熱許可部１２は、この状態を検出もしくは推定して圧縮機を加熱させればよい。
　例えば、圧縮機加熱許可部１２は、所定の時間前に比べ、外気温度が所定の温度以上上昇した場合に、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断する。また、圧縮機加熱許可部１２は、冷凍サイクルを構成する圧縮機１以外の機器の温度や外気温度と、圧縮機１の温度とを比較し、圧縮機１の温度が低い場合に、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断してもよい。さらに、圧縮機加熱許可部１２は、温度が上昇する早朝から昼にかけて圧縮機１の温度が冷凍サイクルを構成する機器の中で最も低くなるため、早朝から昼にかけて圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断してもよい。
　このように、圧縮機加熱許可部１２が圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断した場合に圧縮機１を加熱することで、確実に液冷媒を加熱することが可能となり消費電力の削減できる。
　また、検出誤差により、圧縮機加熱許可部１２が圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態を正しく判断できなかった場合を考慮し、圧縮機１の運転を停止してから所定時間（例えば、１２時間）経過する毎に電圧を印加するようにしてもよい。これにより、液冷媒圧縮による圧縮機破壊や潤滑油希釈によるモータ焼きつきを抑制することができる。
　Ｓ２において、回転数指令出力部１５が出力する回転数指令ω＊について説明する。
　圧縮動作時の運転周波数以上の高周波電圧をモータ８に印加すれば、モータ８内のロータが周波数に追従できなくなり、回転や振動が発生することが無くなる。そこで、Ｓ２において、回転数指令出力部１５は、圧縮動作時の運転周波数以上となる回転数指令ω＊を出力するのがよい。
　一般に、圧縮動作時の運転周波数は、高々１ｋＨｚである。そのため、１ｋＨｚ以上の高周波電圧をモータ８に印加すればよい。また、１４ｋＨｚ以上の高周波電圧をモータ８に印加すれば、モータ８の鉄心の振動音がほぼ可聴周波数上限に近づくため、騒音の低減にも効果がある。そこで、例えば、回転数指令出力部１５は、２０ｋＨｚ程度の高周波電圧となるような回転数指令ω＊を出力する。
　但し、高周波電圧の周波数はスイッチング素子１８ａ～１８ｆの最大定格周波数を超えるとスイッチング素子１８ａ～１８ｆの破壊による負荷もしくは電源短絡を起こし、発煙や発火に至る可能性がある。そのため、信頼性を確保するため高周波電圧の周波数は最大定格周波数以下にすることが望ましい。
　Ｓ２において、振幅出力部１６が出力する振幅Ａについて説明する。
　振幅Ａの大きさによって、加熱量を調整することができる。必要な加熱量は、圧縮機１の大きさと、外気温度等の環境条件によって異なる。
　ここで、圧縮機１の大きさは、製品出荷時には決まっている。そのため、製品出荷時には圧縮機１の大きさに応じて振幅Ａの大まかな範囲が決定できる。環境条件は、設置された場所や、時期、時刻によって変化するものである。そこで、製品出荷時に圧縮機１の大きさに応じて決定された振幅Ａの大まかな範囲を記憶装置に記憶しておく。そして、振幅出力部１６は、温度センサにより外気温度等を計測し、計測した外気温度等の環境条件に応じて、出力する振幅Ａの大きさを製品出荷時に決定された範囲内で制御する。
　Ｓ４において、圧縮機加熱許可部１２が冷媒の漏出を判断する方法について説明する。
　上述したように、冷凍サイクルを構成する機器の中で圧縮機の温度が最も低い場合に、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態となる。逆に、冷凍サイクルを構成する機器の中で圧縮機１の温度が最も低い状態でなくすれば、冷媒が漏出する。
　そこで、例えば、圧縮機加熱許可部１２は、冷凍サイクルを構成する圧縮機１以外の機器の温度や外気温度と、圧縮機１の温度とを比較し、圧縮機１の温度が他の機器や外気温度よりも高い状態が所定の時間以上継続した場合に、冷媒が漏出したと判断する。
　以上のように、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００では、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態である場合に、高周波電圧をモータ８へ印加するため、騒音を抑えつつ、効率的にモータ８を加熱できる。これにより、圧縮機１内に滞留した冷媒を効率的に加熱することができ、滞留した冷媒を圧縮機１の外部へ漏出させることができる。
　なお、近年のヒートポンプ装置用の圧縮機のモータには高効率化のためＩＰＭ構造のモータや、コイルエンドが小さく巻線抵抗の低い集中巻きモータが広く用いられる。集中巻きモータは、巻線抵抗が小さく銅損による発熱量が少ないため、巻線に多量の電流を流す必要がある。巻線に多量の電流を流すと、インバータ９に流れる電流も多くなり、インバータ損失が大きくなる。
　そこで、上述した高周波電圧印加による加熱を行うと、高周波数によるインダクタンス成分が大きくなり、巻線インピーダンスが高くなる。そのため、巻線に流れる電流が小さくなり銅損は減るものの、その分高周波電圧印加による鉄損が発生し効果的に加熱することができる。さらに、巻線に流れる電流が小さくなるため、インバータに流れる電流も小さくなり、インバータ９の損失も低減でき、より効率の高い加熱が可能となる。
　また、上述した高周波電圧印加による加熱を行うと、圧縮機がＩＰＭ構造のモータである場合、高周波磁束が鎖交するロータ表面も発熱部となる。そのため、冷媒接触面増加や圧縮機構への速やかな加熱が実現されるため効率の良い冷媒の加熱が可能となる。
　また、インバータ９を構成するスイッチング素子１８ａ～１８ｆと、これに並列に接続されたダイオード素子には、現在一般的には珪素（Ｓｉ）を材料とする半導体を用いるのが主流である。しかし、これに代えて、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドを材料とするワイドギャップ半導体を用いても良い。
　このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。そのため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。
　また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐熱性も高い。そのため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。
　さらに、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、電力損失が低い。そのため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。
　なお、スイッチング素子及びダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、この実施例に記載の効果を得ることができる。
　その他、高効率なスイッチング素子として知られているスーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることでも同様の効果を得ることが可能である。
　また、スクロール機構の圧縮機は、圧縮室の高圧リリーフが困難である。そのため、他の方式の圧縮機に比べ、液圧縮した場合に圧縮機構に過大なストレスが掛かり破損する可能性が高い。しかし、実施の形態１のヒートポンプ装置１００では、圧縮機の効率の良い加熱が可能であり、圧縮機内の液冷媒の滞留を抑制することできる。そのため、液圧縮を防止することができるので、圧縮機１としてスクロール圧縮機を用いた場合にも効果的である。
　さらに、周波数１０ｋＨｚ、出力５０Ｗを超える加熱機器の場合、法令による制約を受ける場合もある。そのため、事前に５０Ｗを超えないよう電圧指令値の振幅の調整や、流れる電流や電圧を検出して５０Ｗ以下となるようフィードバック制御を行うようにしてもよい。
　実施の形態２．
　実施の形態２では、高周波電圧の生成方法について説明する。
　一般的なインバータの場合、キャリア信号の周波数であるキャリア周波数はインバータのスイッチング素子のスイッチングスピードにより上限が決まっている。一般的なＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の場合、スイッチングスピードの上限は２０ｋＨｚ程度である。そのため、搬送波であるキャリア周波数以上の高周波電圧を出力することは困難である。
　また、高周波電圧の周波数がキャリア周波数の１／１０程度になると、高周波電圧の波形出力精度が悪化し直流成分が重畳するなど悪影響を及ぼす虞がある。この点を考慮し、キャリア周波数を２０ｋＨｚとした場合に、高周波電圧の周波数をキャリア周波数の１／１０の２ｋＨｚ以下とすると、高周波電圧の周波数は可聴周波数領域となり、騒音悪化が懸念される。
　図４は、実施の形態２におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図である。
　実施の形態２におけるヒートポンプ装置１００は、積分器１４及び回転数指令出力部１５に代えて位相切換部１９を備えることを除き、図１に示す実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００と同じである。そのため、同一の符号を付して説明は省略し、変更点のみ説明する。
　実施の形態１では、回転数指令ω＊を積分器１４にて積分して電圧指令値の位相θを求めていた。これに対し、実施の形態２では、位相切換部１９が位相θ１と、位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２との二種類の位相を交互に切り換えて、電圧指令値の位相とする。
　なお、以下の説明では、θ１＝０［度］、θ２＝１８０［度］として説明する。
　次に、インバータ制御部１１の動作について説明する。
　なお、図３に示すＳ２の動作以外は、実施の形態１におけるインバータ制御部１１と同じであるため、説明を省略する。
　Ｓ２では、位相切換部１９が、キャリア信号の頂（山）又は底（谷）のタイミングで、あるいは、頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えて、電圧指令値の位相θとして高周波交流電圧発生部１３へ出力する。高周波交流電圧発生部１３は、電圧位相指令θと、振幅出力部１６によって出力された振幅Ａとを用いて式（１）～式（３）にて電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を得て、ＰＷＭ信号生成部１７へ出力する。
　位相切換部１９が位相θ１と位相θ２とを、キャリア信号の山（頂）もしくは谷（底）、山および谷のタイミングで切り替えることで、キャリア信号に同期したＰＷＭ信号を出力することが可能となる。
　図５は、位相切換部１９がキャリア信号の頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合のタイミングチャートである。なお、ＵＰとＵＮ、ＶＰとＶＮ、ＷＰとＷＮはそれぞれオン／オフ状態が逆であり、一方がわかれば他方もわかるため、ここではＵＰ、ＶＰ、ＷＰのみを示している。
　図５に示すようにＰＷＭ信号が変化し、電圧ベクトルは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）、・・・の順で変化する。
　図６は、図５に示す電圧ベクトルの変化の説明図である。なお、図６では、破線で囲まれたスイッチング素子１８がオン、破線で囲まれていないスイッチング素子１８がオフの状態であることを表している。
　図６に示すように、Ｖ０ベクトル、Ｖ７ベクトル印加時は電流が流れない。また、Ｖ４ベクトル印加時には、Ｕ相を介してモータ８へ流入し、Ｖ相及びＷ相を介してモータ８から流出するＵ相方向の電流（＋Ｉｕの電流）が流れ、Ｖ３ベクトル印加時には、Ｖ相及びＷ相を介してモータ８へ流入し、Ｕ相を介してモータ８から流出する－Ｕ相方向の電流（－Ｉｕの電流）がモータ８の巻線に流れる。つまり、Ｖ４ベクトル印加時と、Ｖ３ベクトル印加時とでは逆方向の電流がモータ８の巻線に流れる。そして、電圧ベクトルがＶ０、Ｖ４、Ｖ７、Ｖ３、Ｖ０、・・・の順で変化するため、＋Ｉｕの電流と－Ｉｕの電流とが交互にモータ８の巻線に流れることになる。特に、図５に示すように、Ｖ４ベクトルとＶ３ベクトルとが１キャリア周期（１／ｆｃ）の間に現れるため、キャリア周波数ｆｃに同期した交流電圧をモータ８の巻線に印加することが可能となる。
　また、Ｖ４ベクトル（＋Ｉｕの電流）とＶ３ベクトル（－Ｉｕの電流）とが交互に出力されるため、正逆のトルクが瞬時切り替わる。そのため、トルクが相殺されることによりロータの振動を抑えた電圧の印加が可能となる。
　図７は、位相切換部１９がキャリア信号の底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合のタイミングチャートである。
　図７に示すようにＰＷＭ信号が変化し、電圧ベクトルはＶ０、Ｖ４、Ｖ７、Ｖ７、Ｖ３、Ｖ０、Ｖ０、Ｖ３、Ｖ７、Ｖ７、Ｖ４、Ｖ０、・・・の順で変化する。Ｖ４ベクトルとＶ３ベクトルとが２キャリア周期の間に現れるため、１／２キャリア周波数の交流電圧をモータ８の巻線に印加することが可能となる。
　以上のように、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００では、位相θ１と、位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２との二種類の位相をキャリア信号に同期させて交互に切り換えて、電圧指令値の位相とした。これにより、キャリア周波数に同期した高周波電圧をモータ８の巻線へ印加することができる。
　実施の形態３．
　実施の形態３では、ＩＰＭモータの場合であっても、加熱量を一定にする方法について説明する。
　図８は、ＩＰＭモータのロータ位置（ロータの停止位置）の説明図である。ここでは、ＩＰＭモータのロータ位置φは、ロータのＮ極の向きがＵ相方向からずれた角度の大きさによって表される。
　図９は、ロータ位置による電流変化を示す図である。ＩＰＭモータの場合、巻線インダクタンスはロータ位置に依存する。そのため、電気角周波数ωとインダクタンス値との積で表される巻線インピーダンスは、ロータ位置に応じて変動する。したがって、同一電圧を印加した場合においても、モータ８の巻線に流れる電流が変動してしまい、加熱量が変化してしまう。
　図１０は、実施の形態３におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図である。
　実施の形態３におけるヒートポンプ装置１００は、加算器２０（加算部）が追加されたことを除き、図４に示す実施の形態２におけるヒートポンプ装置１００と同じである。そのため、同一の符号を付して説明は省略し、変更点のみ説明する。
　実施の形態２では、位相切換部１９が位相θ１と位相θ２との二種類の位相を交互に切り換えて電圧指令値の位相とすることで、キャリア周波数もしくは１／２キャリア周波数の交流電圧をモータ８の巻線へ印加した。この場合、通電位相が位相θ１と、位相θ１に対し１８０度の位相差を有する位相θ２との二つに限られる。そのため、同一電圧を印加した場合であっても、ロータ位置によってモータ８の巻線に流れる電流が変動してしまい、加熱量が変化してしまう。その結果、ロータ位置によっては、必要な加熱量を得るために、多くの電力が消費される虞がある。
　次に、インバータ制御部１１の動作について説明する。
　なお、図３に示すＳ２の動作以外は、実施の形態１，２におけるインバータ制御部１１と同じであるため、説明を省略する。
　Ｓ２では、位相切換部１９が、キャリア信号の頂または底のタイミングで、あるいは、頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えて出力する。加算器２０は、時間の経過とともに変化する位相変化成分θｐｌｕｓを、位相切換部１９が出力した位相に加算して位相θ３とし、位相θ３を電圧位相指令θとして高周波交流電圧発生部１３へ出力する。高周波交流電圧発生部１３は、電圧位相指令θと、振幅出力部１６によって出力された振幅Ａとを用いて式（１）～式（３）にて電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を得て、ＰＷＭ信号生成部１７へ出力する。
　加算機１８により位相変化成分θｐｌｕｓを位相θ１及び位相θ２に加算し、電圧指令値の位相を時間の経過と共に変化させることで、ロータ位置によらず均一な圧縮機１の加熱が可能となる。
　図１１は、θｐｌｕｓを時間の経過とともに変化させた場合の印加電圧を示す図である。
　ここでは、θｐｌｕｓを時間の経過とともに、０度、４５度、９０度、１３５度、・・・と４５度づつ変化させている。θｐｌｕｓが０度であれば、電圧指令値の位相θは０度、１８０度となり、θｐｌｕｓが４５度であれば、電圧指令値の位相θは４５度、２２５度となり、θｐｌｕｓが９０度であれば、電圧指令値の位相θは９０度、２７０度となり、θｐｌｕｓが１３５度であれば、電圧指令値の位相θは１３５度、３１５度となる。
　つまり、初めに、θｐｌｕｓが０度に設定され、所定の時間、電圧指令値の位相θがキャリア信号に同期して０度と１８０度とで切り替えられる。その後、θｐｌｕｓが４５度に切り替えられ、所定の時間、電圧指令値の位相θがキャリア信号に同期して４５度と２２５度とで切り替えられる。その後、θｐｌｕｓが９０度に切り替えられ、・・・というように、所定の時間毎に、０度と１８０度、４５度と２２５度、９０度と２７０度、１３５度と３１５度、・・・と電圧指令値の位相θが切り替えられる。
　これにより、時間の経過とともに、高周波交流電圧の通電位相が変化するため、ロータ位置に依存せず均一な圧縮機１の加熱が可能となる。
　図１２は、中間電圧の説明図である。中間電圧とは、各相（Ｕ相、－Ｕ相、Ｖ相、－Ｖ相、Ｗ相、－Ｗ相）の方向とは異なる位相の電圧である。
　インバータ９は、Ｖ０～Ｖ７の８パターンのスイッチングしか行えない。そのため、図１１に示すように通電位相を切り替えていくと、例えば、θｐｌｕｓが４５度の場合に、Ｖ４及びＶ６、又は、Ｖ３及びＶ１の電圧ベクトルにより図１２に示す中間電圧が作成される。
　θｐｌｕｓが４５度以外の９０度、１３５度等の場合にも、同様に、２つの電圧ベクトルにより中間電圧が作成される。
　図１３は、位相切換部１９がキャリア信号の頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合における、θｐｌｕｓが４５度のときのタイミングチャートである。
　図１３に示すように、Ｖ０とＶ７の間には、２つの電圧ベクトル（Ｖ４及びＶ６、又は、Ｖ３及びＶ１）が出力される。このように、Ｖ０とＶ７との間に２つの異なる電圧ベクトルが出力されることにより、上述した中間電圧が作成される。
　図１４は、θｐｌｕｓが０度（Ｕ相（Ｖ４）方向が０度）、３０度、６０度の時のモータのＵＶＷの各相に流れる電流を表した図である。
　θｐｌｕｓが０度の場合には、図５に示すようにＶ０とＶ７との間に他の電圧ベクトル（スイッチング素子１８ａ～ｆの正電圧側１つと負電圧側２つ、又は、正電圧側２つと負電圧側１つがオン状態となる電圧ベクトル）が１つのみ発生する。この場合、電流波形は台形状となり高調波成分の少ない電流となる。
　しかし、θｐｌｕｓが３０度の場合には、図１３に示すように、Ｖ０とＶ７との間に異なる２つの電圧ベクトルが発生する。この場合、電流波形が歪み、高調波成分の多い電流となる。この電流波形の歪みはモータ騒音やモータ軸振動などの悪影響を与える虞がある。
　また、θｐｌｕｓが６０度の場合も、θｐｌｕｓが０度の場合と同様に、Ｖ０とＶ７との間に他の電圧ベクトルが１つのみ発生する。この場合、電流波形は台形状となり、高調波成分が少ない電流となる。
　以上のように、図１２に示す六角形の対角線上の電圧を出力すれば、ゼロベクトルである電圧ベクトルＶ０とＶ７間に他の電圧ベクトルが１つのみ出力され、電流波形の歪みが低減できる。したがって、θｐｌｕｓは６０度のｎ倍（ｎは０以上の整数）の値とすれば、電流波形の歪み低減によるモータ騒音やモータ軸振動などを抑制可能となる。
　そこで、例えば、所定の時間毎に、θｐｌｕｓを６０度のｎ倍の位相である６０度や１２０度づつ変化させればよい。但し、ロータの停止位置に依存して加熱量が変化することを防止する必要があるため、θｐｌｕｓを１８０度づつ変化させても意味がない。つまり、電流の均一化が可能な例えば６０度や１２０度等づつθｐｌｕｓを変化させる必要がある。
　なお、マイクロコンピュータに代表される演算処理装置を用いた場合には、量子化の関係上正確に６０度を実現できず、わずかにずれが生じる虞がある。この場合には、２つの電圧ベクトルのうち出力が小さい（出力される時間が短い）電圧ベクトルを出力しないようマイクロコンピュータによる処理で制限すればよい。
　ここで、図１５に示すように、θｐｌｕｓを変化させると通電位相が急激に変化する。そのため、モータ８に流れる電流が急激に変化し、脈動等が発生する。そのため、θｐｌｕｓを変化させた際、モータ騒音の発生やモータ軸の振動が発生する虞がある。
　そこで、図１６に示すように、振幅出力部１６は、θｐｌｕｓの変化直前に振幅Ａを徐々に減少させるとともに、θｐｌｕｓの変化直後に振幅Ａを徐々に増加させるようにする。例えば、振幅出力部１６は、θｐｌｕｓの変化のタイミングで、振幅が０になるように、θｐｌｕｓの変化直前に振幅Ａを徐々に減少させ、θｐｌｕｓの変化直後に振幅Ａを元の大きさに戻す。これにより、図１７に示すように、θｐｌｕｓを変化させるタイミングにおける電流値が小さくなるため、モータに流れる電流の急変を抑制することが可能となる。
　なお、振幅出力部１６は、θｐｌｕｓの変化直前に振幅Ａを一度に減少させ、θｐｌｕｓの変化直後に振幅Ａを徐々に増加させてもよい。
　図１８は、ＰＷＭ信号生成部１７からのＰＷＭ信号を受けて、インバータ９の各スイッチング素子１８を駆動する駆動回路２１を示す図である。なお、ここでは、簡単のため、スイッチング素子１８ａ、１８ｄを駆動するＵ相の駆動回路２１のみを示す。実際には、図１８に示す駆動回路２１と同一構成の駆動回路が、Ｖ相、Ｗ相にも設けられている。
　駆動回路２１は、チャージポンプ回路２６と、負電圧側スイッチング素子駆動回路２７と、正電圧側スイッチング素子駆動回路２８とを備える。
　チャージポンプ回路２６は、スイッチング電源２２と、抵抗２３と、ダイオード２４と、コンデンサ２５とが順次接続されて構成される。チャージポンプ回路２６のスイッチング電源２２側の端部は、インバータ９の負電圧側に接続され、チャージポンプ回路２６のコンデンサ２５側の端部は、インバータ９におけるＵ相の直列接続回路の正電圧側スイッチング素子１８ａと負電圧側スイッチング素子１８ｄとの間に接続される。
　負電圧側スイッチング素子駆動回路２７は、チャージポンプ回路２６のスイッチング電源２２と抵抗２３との間に接続される。負電圧側スイッチング素子駆動回路２７は、ＰＷＭ信号生成部１７からＰＷＭ信号ＵＮを受け、ＵＮがオンにする電圧の場合にインバータ９の負電圧側のスイッチング素子１８ｄを駆動させる。
　正電圧側スイッチング素子駆動回路２８は、チャージポンプ回路２６のダイオード２４と、コンデンサ２５との間に接続される。正電圧側スイッチング素子駆動回路２８は、ＰＷＭ信号生成部１７からＰＷＭ信号ＵＰを受け、ＵＰがオンにする電圧の場合にインバータ９の正電圧側のスイッチング素子１８ａを駆動させる。
　負電圧側スイッチング素子駆動回路２７と正電圧側スイッチング素子駆動回路２８とは、別電源で駆動する必要がある。ここでは、負電圧側スイッチング素子駆動回路２７はスイッチング電源２２で駆動され、正電圧側スイッチング素子駆動回路２８はコンデンサ２５に充電された電圧で駆動される。
　ここで、上述したように、振幅出力部１６がθｐｌｕｓの変化時に振幅を０とし、不通電とすると、コンデンサ２５に充電された電圧が減少する。そのため、正電圧側スイッチング素子駆動回路２８により、スイッチング素子１８ａを正常に駆動できなくなる虞がある。
　そこで、図１９に示すように、θｐｌｕｓが変化する度に、負電圧側スイッチング素子駆動回路２７を駆動させ、チャージパルスを発生させる。すると、図１８の矢印により示す経路でコンデンサ２５に電圧が充電され、正電圧側スイッチング素子駆動回路２８を駆動するための電源が確保される。これにより、正常に正電圧側スイッチング素子駆動回路２８を駆動させることが可能となり、故障や不具合の少なくすることができる。
　以上のように、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１００では、位相切換部１９が出力した位相に、時間の経過とともに変化する位相変化成分θｐｌｕｓを加えて、電圧指令値の位相とした。これにより、時間の経過とともに、高周波交流電圧の通電位相が変化するため、ロータ位置に依存せず均一な圧縮機１の加熱が可能となる。
　特に、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１００では、位相変化成分θｐｌｕｓを６０度のｎ倍とした。これにより、電流波形の歪みを低減することができ、モータ騒音やモータ軸振動などを抑制することができる。
　実施の形態４．
　実施の形態４では、ヒートポンプ装置１００の回路構成の一例について説明する。
　なお、例えば、図１等では、圧縮機１と、四方弁２と、熱交換器３と、膨張機構４と、熱交換器５とが配管により順次接続されたヒートポンプ装置１００について示した。実施の形態４では、より具体的な構成のヒートポンプ装置１００について説明する。
　図２０は、実施の形態４に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図である。
　図２１は、図２０に示すヒートポンプ装置１００の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図２１において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。
　ヒートポンプ装置１００は、圧縮機３１と、熱交換器３２と、膨張機構３３と、レシーバ３４と、内部熱交換器３５と、膨張機構３６と、熱交換器３７とが配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路３８を備える。なお、主冷媒回路３８において、圧縮機３１の吐出側には、四方弁３９が設けられ、冷媒の循環方向が切り替え可能となっている。また、熱交換器３７の近傍には、ファン４０が設けられる。また、圧縮機３１は、上記実施の形態で説明した圧縮機１であり、インバータ９によって駆動されるモータ８と圧縮機構７とを有する圧縮機である。
　さらに、ヒートポンプ装置１００は、レシーバ３４と内部熱交換器３５との間から、圧縮機３１のインジェクションパイプまでを配管により繋ぐインジェクション回路４２を備える。インジェクション回路４２には、膨張機構４１、内部熱交換器３５が順次接続される。
　熱交換器３２には、水が循環する水回路４３が接続される。
　まず、ヒートポンプ装置１００の暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁３９は実線方向に設定される。なお、この暖房運転とは、空調で使われる暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。
　圧縮機３１で高温高圧となった気相冷媒（図２１の点１）は、圧縮機３１から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器３２で熱交換されて液化する（図２１の点２）。このとき、冷媒から放熱された熱により、水回路４３を循環する水が温められ、暖房や給湯に利用される。
　熱交換器３２で液化された液相冷媒は、膨張機構３３で減圧され、気液二相状態になる（図２１の点３）。膨張機構３３で気液二相状態になった冷媒は、レシーバ３４で圧縮機３１へ吸入される冷媒と熱交換され、冷却されて液化される（図２１の点４）。レシーバ３４で液化された液相冷媒は、主冷媒回路３８と、インジェクション回路４２とに分岐して流れる。
　主冷媒回路３８を流れる液相冷媒は、膨張機構４１で減圧され気液二相状態となったインジェクション回路４２を流れる冷媒と内部熱交換器３５で熱交換されて、さらに冷却される（図２１の点５）。内部熱交換器３５で冷却された液相冷媒は、膨張機構３６で減圧されて気液二相状態になる（図２１の点６）。膨張機構３６で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器３７で外気と熱交換され、加熱される（図２１の点７）。そして、熱交換器３７で加熱された冷媒は、レシーバ３４でさらに加熱され（図２１の点８）、圧縮機３１に吸入される。
　一方、インジェクション回路４２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構４１で減圧されて（図２１の点９）、内部熱交換器３５で熱交換される（図２１の点１０）。内部熱交換器３５で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま圧縮機３１のインジェクションパイプから圧縮機３１内へ流入する。
　圧縮機３１では、主冷媒回路３８から吸入された冷媒（図２１の点８）が、中間圧まで圧縮、加熱される（図２１の点１１）。中間圧まで圧縮、加熱された冷媒（図２１の点１１）に、インジェクション冷媒（図２１の点１０）が合流して、温度が低下する（図２１の点１２）。そして、温度が低下した冷媒（図２１の点１２）が、さらに圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出される（図２１の点１）。
　なお、インジェクション運転を行わない場合には、膨張機構４１の開度を全閉にする。つまり、インジェクション運転を行う場合には、膨張機構４１の開度が所定の開度よりも大きくなっているが、インジェクション運転を行わない際には、膨張機構４１の開度を所定の開度より小さくする。これにより、圧縮機３１のインジェクションパイプへ冷媒が流入しない。
　ここで、膨張機構４１の開度は、マイクロコンピュータ等の制御部により電子制御により制御される。
　次に、ヒートポンプ装置１００の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁３９は破線方向に設定される。なお、この冷房運転とは、空調で使われる冷房だけでなく、水から熱を奪って冷水を作ることや、冷凍等も含む。
　圧縮機３１で高温高圧となった気相冷媒（図２１の点１）は、圧縮機３１から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器３７で熱交換されて液化する（図２１の点２）。熱交換器３７で液化された液相冷媒は、膨張機構３６で減圧され、気液二相状態になる（図２１の点３）。膨張機構３６で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器３５で熱交換され、冷却され液化される（図２１の点４）。内部熱交換器３５では、膨張機構３６で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器３５で液化された液相冷媒を膨張機構４１で減圧させて気液二相状態になった冷媒（図２１の点９）とを熱交換させている。内部熱交換器３５で熱交換された液相冷媒（図２１の点４）は、主冷媒回路３８と、インジェクション回路４２とに分岐して流れる。
　主冷媒回路３８を流れる液相冷媒は、レシーバ３４で圧縮機３１に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される（図２１の点５）。レシーバ３４で冷却された液相冷媒は、膨張機構３３で減圧されて気液二相状態になる（図２１の点６）。膨張機構３３で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器３２で熱交換され、加熱される（図２１の点７）。このとき、冷媒が吸熱することにより、水回路４３を循環する水が冷やされ、冷房や冷凍に利用される。
　そして、熱交換器３２で加熱された冷媒は、レシーバ３４でさらに加熱され（図２１の点８）、圧縮機３１に吸入される。
　一方、インジェクション回路４２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構４１で減圧されて（図２１の点９）、内部熱交換器３５で熱交換される（図２１の点１０）。内部熱交換器３５で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま圧縮機３１のインジェクションパイプから流入する。
　圧縮機３１内での圧縮動作については、暖房運転時と同様である。
　なお、インジェクション運転を行わない際には、暖房運転時と同様に、膨張機構４１の開度を全閉にして、圧縮機３１のインジェクションパイプへ冷媒が流入しないようにする。
　また、上記説明では、熱交換器３２は、冷媒と、水回路４３を循環する水とを熱交換させるプレート式熱交換器のような熱交換器であるとして説明した。熱交換器３２は、これに限らず、冷媒と空気を熱交換させるものであってもよい。
　また、水回路４３は、水が循環する回路ではなく、他の流体が循環する回路であってもよい。
　以上のように、ヒートポンプ装置１００は、空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、冷凍機等のインバータ圧縮機を用いたヒートポンプ装置に利用することができる。
　１　圧縮機、２　四方弁、３　熱交換器、４　膨張機構、５　熱交換器、６　冷媒配管、７　圧縮機構、８　モータ、９　インバータ、１０　母線電圧検出部、１１　インバータ制御部、１２　圧縮機加熱許可部、１３　高周波交流電圧発生部、１４　積分器、１５　回転数指令出力部、１６　振幅出力部、１７　ＰＷＭ信号生成部、１８　スイッチング素子、１９　位相切換部、２０　加算器、２１　駆動回路、２２　スイッチング電源、２３　抵抗、２４　ダイオード、２５　コンデンサ、２６　チャージポンプ回路、２７　負電圧側スイッチング素子駆動回路、２８　正電圧側スイッチング素子駆動回路、３１　圧縮機、３２，３７　熱交換器、３３，３６，４１　膨張機構、３４　レシーバ、３５　内部熱交換器、３８　主冷媒回路、３９　四方弁、４０　ファン、４２　インジェクション回路、４３　水回路、１００　ヒートポンプ装置。

Claims (15)

  1. 　冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
    　前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
    　前記モータに所定の電圧を印加する三相インバータであって、２つのスイッチング素子の直列接続回路を三相分並列接続して構成された三相インバータと、
    　前記三相インバータを制御するインバータ制御部と
    を備え、
    　前記インバータ制御部は、
    　所定の周波数の基準信号に同期して、位相θ１と、前記位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２とを切り替えて出力する位相切替部と、
    　０以上の整数である値ｎを所定の時間毎に変更して、６０度のｎ倍の位相θｐｌｕｓを前記位相切替部が出力した位相に加えた位相θ３を出力する加算部と、
    　前記加算部が出力した位相θ３に基づき、三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成して出力する電圧発生部と、
    　前記電圧発生部が出力した三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と前記基準信号とを比較して、前記三相インバータの各スイッチング素子に対応する６つの駆動信号を生成し、生成した各駆動信号を前記三相インバータの対応するスイッチング素子へ出力することにより、前記三相インバータに高周波交流電圧を発生させる駆動信号生成部と
    を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
  2. 　前記駆動信号生成部は、
    　前記三相インバータの各直列接続回路における２つのスイッチング素子の一方がオン、他方がオフとなる駆動信号を出力するとともに、
    　前記三相インバータの正電圧側のスイッチング素子のうち、１つ又は２つのスイッチング素子をオン状態とするスイッチングパターンの駆動信号を、前記基準信号の半周期間に１パターンのみ出力する
    ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
  3. 　前記ヒートポンプ装置は、さらに、
    　所定の幅の振幅Ａを出力する振幅出力部であって、前記加算部が値ｎを変更する場合に前記振幅Ａを小さくし、前記加算部が値ｎを変更した後に前記振幅Ａを徐々に大きくして元の前記所定の幅に戻して出力する振幅出力部
    を備え、
    　前記電圧発生部は、前記加算部が出力した位相θ３と、前記振幅出力部が出力した振幅Ａとに基づき、三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ装置。
  4. 　前記ヒートポンプ装置は、さらに、
    　前記三相インバータの直列接続回路毎に、その直列接続回路におけるスイッチング素子を駆動させる駆動回路を備え、
    　各駆動回路は、
    　スイッチング電源の電圧により駆動して、前記三相インバータの負電圧側のスイッチング素子を駆動させる負電圧側駆動回路と、
    　前記負電圧側駆動回路を駆動させることにより充電されたコンデンサの電圧により駆動して、前記三相インバータの正電圧側のスイッチング素子を駆動させる正電圧側駆動回路と
    を備え、
    　前記インバータ制御部は、前記加算部が値ｎを変更する場合に、前記負電圧側駆動回路を駆動させ、前記コンデンサに電圧を充電する
    ことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
  5. 　前記電圧発生部は、前記モータの圧縮動作時の運転周波数よりも高い周波数の交流の電圧指令値を出力する
    ことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
  6. 　前記位相切替部は、前記基準信号の頂と底との少なくともいずれかのタイミングで前記位相θ１と前記位相θ２とを切り替える
    ことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
  7. 　前記モータの回転子はＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）構造である
    ことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
  8. 　前記インバータ制御部は、さらに、
    　所定の時間前に比べて、外気温度が所定の温度以上上昇した状態を検出する検出部
    を備え、
    　前記電圧発生部は、前記検出部が前記状態を検出した場合に、電圧指令値を出力する
    ことを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
  9. 　外気温度に比べて、前記圧縮機の温度が低い状態が所定の時間経過したことを検出する検出部を備え、
    　前記電圧発生部は、前記検出部が前記状態を検出した場合に、電圧指令値を出力する
    ことを特徴とする請求項１から８までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
  10. 　前記電圧発生部は、圧縮機の運転を停止してから所定時間経過する毎に、電圧指令値を出力する
    ことを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
  11. 　前記インバータを構成するスイッチング素子は、ワイドギャップ半導体である
    ことを特徴とする請求項１から１０までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
  12. 　前記ワイドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドのいずれかである
    ことを特徴とする請求項１１に記載のヒートポンプ装置。
  13. 　前記インバータを構成するスイッチング素子は、スーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴである
    ことを特徴とする請求項１から１０までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
  14. 　圧縮機と、第１熱交換器と、膨張機構と、第２熱交換器とが配管により順次接続された冷媒回路を備えるヒートポンプ装置と、前記冷媒回路に接続された前記第１熱交換器で冷媒と熱交換された流体を利用する流体利用装置とを備えるヒートポンプシステムであり、
    　前記ヒートポンプ装置は、
    　冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
    　前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
    　前記モータに所定の電圧を印加する三相インバータであって、２つのスイッチング素子の直列接続回路を三相分並列接続して構成された三相インバータと、
    　前記三相インバータを制御するインバータ制御部と
    を備え、
    　前記インバータ制御部は、
    　所定の周波数の基準信号に同期して、位相θ１と、前記位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２とを切り替えて出力する位相切替部と、
    　０以上の整数である値ｎを所定の時間毎に変更して、６０度のｎ倍の位相θｐｌｕｓを前記位相切替部が出力した位相に加えた位相θ３を出力する加算部と、
    　前記加算部が出力した位相θ３に基づき、三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成して出力する電圧発生部と、
    　前記電圧発生部が出力した三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と前記基準信号とを比較して、前記三相インバータの各スイッチング素子に対応する６つの駆動信号を生成し、生成した各駆動信号を前記三相インバータの対応するスイッチング素子へ出力することにより、前記三相インバータに高周波交流電圧を発生させる駆動信号生成部と
    を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
  15. 　冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
    　前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
    　前記モータに所定の電圧を印加する三相インバータであって、２つのスイッチング素子の直列接続回路を三相分並列接続して構成された三相インバータと
    を備えるヒートポンプ装置における前記三相インバータの制御方法であり、
    　所定の周波数の基準信号に同期して、位相θ１と、前記位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２とを切り替えて出力する位相切替工程と、
    　０以上の整数である値ｎを所定の時間毎に変更して、６０度のｎ倍の位相θｐｌｕｓを前記位相切替工程で出力した位相に加えた位相θ３を出力する加算工程と、
    　前記加算工程で出力した位相θ３に基づき、三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成して出力する電圧発生工程と、
    　前記電圧発生工程で出力した三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と前記基準信号とを比較して、前記三相インバータの各スイッチング素子に対応する６つの駆動信号を生成し、生成した各駆動信号を前記三相インバータの対応するスイッチング素子へ出力することにより、前記三相インバータに高周波交流電圧を発生させる駆動信号生成工程と
    を備えることを特徴とする三相インバータの制御方法。
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