ES2829903T3 - Dispositivo de bomba de calor - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo (100) de bomba de calor que incluye un compresor que tiene un mecanismo de compresión y un motor de compresor, un inversor (9) que aplica una tensión deseada al motor (8) de compresor, comprendiendo el dispositivo de bomba de calor una unidad (10) de control de inversor configurada para restablecer, en base a tensiones de interfase respectivas, tensiones de fase respectivas, o corrientes de fase respectivas del motor de compresor para una pluralidad de ciclos de energización de alta frecuencia cuando una tensión de alta frecuencia que tiene una frecuencia más alta que la frecuencia durante el funcionamiento normal se suministra al motor de compresor para llevar a cabo energización bloqueada del motor de compresor mientras un compresor (1) está en espera de funcionamiento, las respectivas tensiones de interfase, las respectivas tensiones de fase, o las respectivas corrientes de fase para un intervalo predeterminado de la pluralidad de ciclos de energización de alta frecuencia, y para controlar una tensión que va a aplicarse al motor de compresor en base a al menos uno de los valores de detección respectivos restablecidos para el intervalo predeterminado.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de bomba de calor
La presente invención se refiere a un dispositivo de bomba de calor que incluye una unidad de control de inversor y un compresor que tiene un motor de compresor, y a un acondicionador de aire, un calentador de agua por bomba de calor, un refrigerador, y una máquina de congelar que incluyen el dispositivo de bomba de calor.
Antecedentes
Se conoce una tecnología para impedir que un refrigerante líquido se estanque en un compresor. Con esta tecnología, durante un período de no funcionamiento de un dispositivo de bomba de calor usado en un acondicionador de aire o similar, el bobinado del motor se energiza sin accionar el motor de compresor (en lo que sigue se menciona como “energización bloqueada”) y el compresor se calienta para vaporizar con ello y descargar el refrigerante líquido. Por ejemplo, existe una tecnología para, cuando un compresor está en espera de funcionamiento, suministrar una tensión de corriente alterna que tenga una frecuencia de aproximadamente 20 kilohertzios, la cual es mayor que la frecuencia normal durante un funcionamiento normal, a un motor de compresor para impedir con ello que un refrigerante del compresor sea licuado haciendo uso del calor generado debido a la pérdida de conmutación de los elementos de conmutación a partir de los cuales está configurado el inversor, y del calor generado por el motor (por ejemplo, Documento de patente 1).
En el caso de un motor de IPM (Imán Permanente Interior), la inductancia del bobinado de un rotor cambia en función de la posición del rotor. Por ejemplo, se ha divulgado la tecnología que sigue para impedir que un refrigerante se estanque en un compresor. Con esta tecnología, por ejemplo, cuando transcurre un tiempo predeterminado mientras la temperatura de un ciclo de refrigeración es igual o menor que un valor predeterminado, la tensión de corriente alterna que tiene una frecuencia de 14 kilohertzios o más, la cual es más alta que una frecuencia normal durante un funcionamiento normal, se suministra al motor de compresor mientras cambia la fase de la tensión de corriente alterna para calentar con ello eficientemente el refrigerante líquido (por ejemplo, Documento de patente 2).
Además, por ejemplo, se ha descrito una tecnología para intentar mantener la cantidad de calor del compresor constante con independencia de los efectos debidos a variaciones de fabricación y a cambios medioambientales. Con esta tecnología, una sección donde una corriente eléctrica que fluye hasta el bobinado del motor es relativamente estable cerca de un pico se establece como sección de detección de corriente y, en base al valor de corriente de pico detectado en ese momento, se calcula un valor de comando óptimo de tensión para obtener la potencia necesaria para vaporizar y descargar un refrigerante estancado en el compresor (por ejemplo, Documento de patente 3).
Para mantener la cantidad de calor del compresor constante, es decir, para mantener la cantidad de potencia suministrada al motor de compresor constante y evitar de manera fiable que el refrigerante se estanque en el compresor, es necesario detectar de manera más precisa la corriente eléctrica que circula hasta el bobinado del motor. Sin embargo, cuando la frecuencia con la se realiza la energización bloqueada del motor de compresor se incrementa, la sección donde la corriente eléctrica que fluye hasta el bobinado del motor es relativamente estable cerca del pico disminuye, y empeora la precisión de la detección de corriente. Incluso cuando un valor de corriente analógica detectado en un ciclo de muestreo se somete a una conversión AD con el fin de llevar a cabo la detección de corriente, si la frecuencia con la que se realiza la energización bloqueada del motor de compresor es alta, el número de muestras detectables durante un ciclo disminuye. Por lo tanto, para mejorar la precisión de la detección, se hace necesario un microordenador o similar que sea capaz de realizar el muestreo a una tasa de muestreo alta. Por lo tanto, por ejemplo, se ha divulgado una tecnología para dividir a partes iguales el ciclo de muestreo cuando se realiza la conversión AD en una pluralidad de ciclos de muestreo y llevar a cabo detección de corriente mientras cambian una pluralidad de tiempos de muestreo uno a uno, para detectar potencia con una alta precisión equivalente a la precisión de detección del muestreo realizado a una frecuencia de muestreo que sea doble o mayor (por ejemplo, Documento de patente 4).
El documento JP2004271167A divulga un dispositivo inversor que no presenta a la salida una corriente alterna para un motor, y el dispositivo inversor montado en un compresor genera calor para calentar el compresor. En esta forma de construcción, el motor no se energiza (no se suministra corriente alterna al motor) y de ese modo no se genera nada de ruido. Una fuente de alimentación de CC consume potencia solamente cuando el dispositivo inversor genera calor para calentar el compresor. De ese modo, se obtiene el sistema de acondicionamiento de aire vehicular que tiene una operación de precalentamiento suficiente con ruidos bajos y con ahorro de potencia.
Además, el documento JP2004271167A divulga un dispositivo de bomba de calor que incluye un inversor, una unidad de control de inversor, un compresor que tiene un mecanismo de compresión y un motor de compresor, en donde la unidad de control de inversor controla una tensión a ser alimentada al motor de control.
Lista de citas
Bibliografía de Patentes:
Documento de patente 1: Solicitud de Patente japonesa abierta al público núm. 2004-271167
Documento de patente 2: Solicitud de Patente japonesa abierta al público núm. 2012-82996
Documento de patente 3: documento WO 2009/028053
Documento de patente 4: Solicitud de Patente japonesa abierta al público núm. 2012-225767
Compendio
Problema técnico
Sin embargo, en la tecnología descrita en el documento de patente 4, debido a que el ciclo de muestreo está dividido a partes iguales en una pluralidad de ciclos de muestreo, no existe ninguna relación entre el momento de llevar a cabo detección de corriente y un ciclo de corriente. Por consiguiente, cuando existe un cambio del momento de detección con respecto al ciclo de corriente, la precisión de la detección empeora. Por lo tanto, existe un problema consistente en que la cantidad de potencia alimentada al motor de compresor no se puede mantener constante. La presente invención ha sido ideada en vista de lo anterior, y un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo de bomba de calor que puede mantener constante la cantidad de potencia alimentada al motor de compresor, y mantener constante la cantidad de calor en el compresor cuando se suministra una tensión de alta frecuencia, que tiene una frecuencia más alta que la frecuencia durante el funcionamiento normal, al motor de compresor para llevar a cabo energización bloqueada y por lo tanto poder impedir de manera eficiente y fiable que un refrigerante líquido se estanque en el compresor. Además, un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un acondicionador de aire, un calentador de agua por bomba de calor, un refrigerador y una máquina de congelar, que incluyen el dispositivo de bomba de calor.
Solución al problema
Con el fin de solucionar los problemas anteriores y conseguir el objeto, se proporciona un dispositivo de bomba de calor según la reivindicación 1 independiente. Según un aspecto de la presente invención, es un dispositivo de bomba de calor que incluye un compresor que incluye uh mecanismo de compresión que comprime un refrigerante y un motor de compresor que acciona el mecanismo de compresión, un intercambiador de calor, un inversor que aplica una tensión deseada al motor de compresor, y una unidad de control de inversor que genera una señal de accionamiento para activar el inversor, en donde la unidad de control de inversor incluye una unidad de control de energización bloqueada que presenta a la salida un comando de fase de tensión de alta frecuencia cuando una tensión de alta frecuencia que tiene una frecuencia más alta que la frecuencia durante un funcionamiento normal, se suministra al motor de compresor para llevar a cabo energización bloqueada del motor de compresor mientras el compresor está en espera de funcionamiento, que restablece, sobre la base de tensiones de interfase respectivas, las tensiones de fase respectivas, o las corrientes de fase respectivas del motor de compresor para una pluralidad de ciclos de energización de alta frecuencia cuando se lleva a cabo la energización bloqueada, las respetivas tensiones de interfase, las respectivas tensiones de fase o las respectivas corrientes de fase para un ciclo de energización de alta frecuencia, y que presenta a la salida un comando de tensión de alta frecuencia sobre la base de los respectivos valores de detección restablecidos para un ciclo de energización de alta frecuencia, y una unidad de generación de señal de accionamiento que genera la señal de accionamiento sobre la base del comando de fase de tensión de alta frecuencia y el comando de tensión de alta frecuencia.
Efectos ventajosos de la invención
Según la presente invención, existe un efecto de que, cuando se suministra una tensión de alta frecuencia que tiene una frecuencia más alta que la frecuencia durante un funcionamiento normal al motor de compresor para llevar a cabo energización bloqueada, es posible mantener la cantidad de potencia suministrada al motor de compresor constante, y mantener la cantidad de calor en el compresor constante, y por lo tanto impedir de forma eficiente y fiable que el refrigerante líquido se estanque en el compresor.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración de un dispositivo de bomba de calor según una primera realización;
la FIG. 2 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración de un inversor en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 3 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración de una unidad de control de inversor en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 4 es un diagrama para explicar el funcionamiento de una unidad de generación de comando de potencia de calentamiento en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 5 es un diagrama que ilustra formas de onda de señal para explicar un método de generación de valores de comando de tensión y de señales de PWM;
la FIG. 6 es un diagrama que ilustra ocho patrones de conmutación en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 7 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración de una unidad de generación de comando de fase de tensión de alta frecuencia en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 8 es un diagrama que ilustra formas de onda de señal durante energización bloqueada en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 9 es un diagrama que ilustra estados de CINEXIÓN/DESCONEXIÓN de elementos de conmutación en un inversor correspondientes a vectores de tensión;
la FIG. 10 es un diagrama que ilustra formas de onda respectivas de corriente de fase cuando una fase de referencia 0f es 02, 30° y 60°;
la FIG. 11 es un diagrama que ilustra un ejemplo de la posición de parada de un rotor de un motor de IPM;
la FIG. 12 es un diagrama que ilustra una relación entre la posición del rotor y corrientes de fase respectivas; la FIG. 13 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración detallada de una unidad de cálculo de potencia en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 14 es un diagrama que ilustra formas de onda de señal para explicar un método de detección de tensiones de línea respectivas y de corrientes de fase respectivas en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 15 es un diagrama que ilustra formas de onda de señal cuando un valor de tensión de bus del inversor fluctúa;
la FIG. 16 es un diagrama que ilustra diferencias en la forma de onda de tensión de línea y en la forma de onda de corriente de fase dependiendo de la diferencia en la magnitud del valor de tensión de bus del inversor;
la FIG. 17 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración detallada de una unidad de cálculo de potencia en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 18 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración detallada diferente de la configuración detallada ilustrada en la FIG. 17 de la unidad de cálculo de potencia en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 19 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una configuración detallada de una unidad de generación de comando de tensión de alta frecuencia en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización;
la FIG. 20 es un diagrama que ilustra un ejemplo comparativo de control de tensión constante y de control según la primera realización;
la FIG. 21 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración de un ciclo de refrigeración según una segunda realización;
la FIG. 22 es un diagrama de Mollier que ilustra la transición de estado de un refrigerante en el ciclo de refrigeración ilustrado en la FIG. 21.
Descripción de realizaciones
Un dispositivo de bomba de calor, un acondicionador de aire, un calentador de agua por bomba de calor, un refrigerador y una máquina DE congelador, que incluyen el dispositivo de bomba de calor según realizaciones de la presente invención, van a ser explicados a continuación con referencia a los dibujos que se acompañan. Obsérvese que la presente invención no está limitada por las realizaciones que se explican a continuación.
Primera realización
La FIG. 1 es un diagrama de un ejemplo de configuración de un dispositivo de bomba de calor según una primera realización. Tal y como se ha ilustrado en la FIG. 1, en un dispositivo 100 de bomba de calor conforme a la primera realización, un compresor 1, una válvula 2 de cuatro vías, un intercambiador de calor 3, un mecanismo 4 de expansión y un intercambiador de calor 5 están conectados secuencialmente por medio de un conducto 6 de
refrigerante para formar un ciclo 50 de refrigeración. Obsérvese que en el ejemplo ilustrado en la FIG. 1, se ha ilustrado la configuración básica que forma el ciclo 50 de refrigeración. Algunos componentes han sido omitidos en la FIG. 1.
Un mecanismo 7 de compresión, el cual comprime un refrigerante, y un motor 8 de compresor, el cual acciona el mecanismo 7 de compresión, han sido previstos en el compresor 1. El motor 8 de compresor es un motor trifásico que incluye bobinados de motor para tres fases, a saber, una fase U, una fase V y una fase W.
Un inversor 9 está conectado eléctricamente al motor 8 de compresor. El inversor 9 está conectado a una fuente 11 de tensión de corriente continua y aplica tensiones Vu, Vv y Vw, respectivamente, a los bobinados de la fase U, la fase V y la fase W del motor 8 de compresor usando, como fuente de alimentación, una tensión de corriente continua (una tensión de bus) Vdc alimentada desde la fuente 11 de tensión de corriente continua.
Un unidad 10 de control de inversor está conectada eléctricamente al inversor 9. La unidad 10 de control de inversor presenta a la salida, para el inversor 9, señales de accionamiento para accionar el inversor 9. La unidad 10 de control de inversor tiene dos modos de operación, es decir, un modo de funcionamiento normal y modo de operación de calentamiento.
En el modo de funcionamiento normal, la unidad 10 de control de inversor genera y presenta a la salida señales (señales de activación) de PWM (Modulación por Anchura de Pulso) para accionar rotacionalmente el motor 8 de compresor. En el modo de operación de calentamiento, a diferencia con el modo de funcionamiento normal, la unidad 10 de control de inversor energiza el motor 8 de compresor de tal modo que el motor 8 de compresor no se acciona rotacionalmente cuando el compresor 1 está en espera de funcionamiento (mencionada en lo que sigue como “energización bloqueada”) para calentar el motor 8 de compresor, calentando con ello y vaporizando el refrigerante líquido estancado en el compresor 1 y descargando el refrigerante. En la presente realización, en el modo de operación de calentamiento, la unidad 10 de control de inversor energiza el motor 8 de compresor con una corriente de alta frecuencia que el motor 8 de compresor no puede seguir (mencionada en lo que sigue como “energización de alta frecuencia”) para calentar con ello el refrigerante líquido estancado en el compresor 1 usando el calor generado en el motor 8 de compresor.
Cuando se lleva a cabo la energización de alta frecuencia, si se aplica al motor 8 de compresor una tensión de alta frecuencia que tiene una frecuencia igual o mayor que la frecuencia de funcionamiento durante la operación de compresión, el rotor del motor 8 de compresor no puede seguir la tensión de alta frecuencia; por lo tanto, no se produce la rotación ni tampoco vibración. Por lo tanto, resulta deseable establecer la frecuencia de la salida de tensión desde el inversor 9 de modo que sea igual o mayor que la frecuencia de funcionamiento durante la operación de compresión.
En general, la frecuencia de funcionamiento durante la operación de compresión es de aproximadamente 1 kilohertzio como máximo. Por lo tanto, cuando se lleva a cabo la energización de alta frecuencia mientras el compresor 1 está en espera de funcionamiento, una tensión de alta frecuencia igual o mayor de 1 kilohertzio, que es la frecuencia de funcionamiento durante la operación de compresión, solamente tiene que ser aplicada al motor 8 de compresor. Por ejemplo, si se aplica una tensión de alta frecuencia igual o mayor de 14 kilohertzios al motor 8 de compresor, el sonido de la vibración del núcleo de hierro del motor 8 de compresor se aproxima de forma muy cercana al límite superior de la frecuencia audible. Por lo tanto, existe también un efecto en cuanto a una reducción de ruido. Por ejemplo, si la tensión de alta frecuencia se establece en aproximadamente 20 kilohertzios, la cual está fuera de la frecuencia audible, es posible reducir aún más el ruido. Sin embargo, cuando se lleva a cabo la energización de alta frecuencia, resulta deseable, con el fin de asegurar la fiabilidad, aplicar una tensión de alta frecuencia que tenga una frecuencia igual o menor que la frecuencia nominal máxima de los elementos de conmutación en el inversor 9.
En el caso de que el motor 8 de compresor sea un motor del tipo de imán integrado que tenga una estructura de IPM (Imán Permanente Interior), cuando se lleva a cabo la energización de alta frecuencia, la superficie del rotor, a la que atraviesa un flujo magnético de alta frecuencia, resulta ser también una porción de generación de calor. Por lo tanto, es posible realizar un calentamiento rápido del mecanismo de compresión mediante un incremento de la superficie de contacto del refrigerante. De ese modo, el refrigerante puede ser calentado de una manera más eficiente.
Los componentes y las operaciones para llevar a cabo el modo de operación de calentamiento, van a ser explicados a continuación.
La unidad 10 de control de inversor incluye una unidad 12 de control de energización bloqueada y una unidad 13 de generación de señal de accionamiento, las cuales son componentes para ejecutar el modo de operación de calentamiento. La unidad 12 de control de energización bloqueada incluye una unidad 14 de cálculo de potencia, una unidad 15 de generación de comando de tensión de alta frecuencia, una unidad 16 de generación de comando de fase de tensión de alta frecuencia, y una unidad 17 de generación de comando de potencia de calentamiento. Obsérvese que, en la figura, algunos de los componentes para llevar a cabo el modo de operación normal han sido omitidos.
La FIG. 2 es un diagrama de un ejemplo de configuración del inversor 9 en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización. Según se ha ilustrado en la FIG. 2, el inversor 9 incluye elementos 70a a 70f de conmutación conectados en puente, y diodos 80a a 80f de reflujo conectados respectivamente a los elementos 70a a 70f de conmutación en paralelo. El inversor 9 está conectado a la fuente 11 de tensión de corriente continua. De acuerdo con señales (UP, VP, WP. UN, VN y WN) de PWM enviadas desde la unidad 10 de control de inversor, el inversor 9 activa los elementos de conmutación respectivamente correspondientes a las señales de PWM (UP corresponde al elemento 70a de conmutación, VP corresponde al elemento 70b de conmutación, WP corresponde al elemento 70c de conmutación, UN corresponde al elemento 70d de conmutación, VN corresponde al elemento 70e de conmutación, y WN corresponde al elemento 70f de conmutación) usando la tensión Vdc de bus como fuente de alimentación para generar tensiones Vu, Vv y Vw para tres fases aplicadas respectivamente a los bobinados de la fase U, la fase V y la fase W del motor 8 de compresor.
La FIG. 3 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración de la unidad de control de inversor conforme a la primera realización. La unidad 10 de control de inversor está configurada para incluir, según se ha explicado con anterioridad, la unidad 12 de control de energización bloqueada que incluye la unidad 14 de cálculo de potencia, la unidad 15 de generación de comando de tensión de alta frecuencia, la unidad 16 de generación de comando de fase de tensión de alta frecuencia, y la unidad 17 de generación de comando de potencia de calentamiento y la unidad 13 de generación de señal de accionamiento que incluye una unidad 19 de cálculo de comando de tensión y una unidad 20 de generación de señal de PWM.
La unidad 16 de generación de comando de fase de tensión de alta frecuencia genera y presenta a la salida un comando 0 de fase de tensión de alta frecuencia cuando se lleva a cabo la energización bloqueada.
La unidad 14 de cálculo de potencia restablece, en base a las respectivas tensiones de interfase, tensiones respectivas de fase, o corrientes respectivas de fase (en la FIG. 3, identificadas como “V” e “I”) del motor 8 de compresor para una pluralidad de ciclos de energización de alta frecuencia cuando se realiza la energización bloqueada, las tensiones de interfase respectivas, las tensiones de fase respectivas o las corrientes de fase respectivas para un ciclo de energización de alta frecuencia, y calcula un valor P de potencia suministrada al motor 8 de compresor usando los valores de detección restablecidos para un ciclo de energización de alta frecuencia. Obsérvese que los detectores de tensión o los detectores de corriente que detectan las respectivas tensiones de interfase, las respectivas tensiones de fase o las respectivas corrientes de fase del motor 8 de compresor, no han sido ilustradas en la figura. Sin embargo, solamente se van a usar detectores conocidos como detectores. La presente invención no está limitada por las configuraciones y los tipos de detectores.
La unidad 17 de generación de comando de potencia de calentamiento detecta al menos uno de entre la temperatura de cualquiera de las partes o componentes que configuran el dispositivo 100 de bomba de calor y la temperatura atmosférica (en la FIG. 3, identificada como “T”), estima la cantidad de refrigerante líquido estancado en el compresor 1, y genera un comando P* de potencia de calentamiento necesario para descargar el refrigerante líquido al exterior del compresor 1.
La unidad 15 de generación de comando de tensión de alta frecuencia genera un comando V* de tensión de alta frecuencia tal que el valor P de potencia calculado por la unidad 14 de cálculo de potencia coincide con el comando P* de potencia de calentamiento generado por la unidad 17 de generación de comando de potencia de calentamiento.
La unidad 19 de cálculo de comando de tensión genera valores Vu*, Vv* y Vw* de comando de tensión de tres fases (fase U, fase V y fase W) en base al comando V* de tensión de alta frecuencia y al comando 0 de fase de tensión de alta frecuencia.
La unidas 20 de generación de señal de PWM genera, en base a los valores Vu*, Vv* y Vw* de comando de tensión de tres fases y de la tensión Vdc de bus, las señales (UP, VP, WP, UN, VN y WN) de PWM para activar el inversor 9. La operación de la unidad 17 de generación de comando de potencia de calentamiento en el dispositivo 100 de bomba de calor conforme a la primera realización, se va a explicar con referencia a la FIG. 4. La FIG. 4 es un diagrama para explicar el funcionamiento de la unidad de generación de comando de potencia de calentamiento en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización.
La unidad 17 de generación de comando de potencia de calentamiento detecta la temperatura Tc atmosférica (p. ej., la temperatura del aire del exterior) en torno al compresor 1 y la temperatura To (temperatura de compresor) del compresor 1, y estima, en base a la tempera Tc atmosférica y a la temperatura To de compresor, la cantidad de refrigerante líquido estancado en el compresor 1. El refrigerante que circula en el ciclo 50 de refrigeración se condensa y se estanca en un lugar donde la temperatura es la más baja entre los componentes que forman el ciclo 50 de refrigeración. El compresor 1 tiene la mayor capacidad de calor entre los componentes que forman el ciclo 50 de refrigeración. Por lo tanto, según se ha ilustrado en la FIG. 4(a), la temperatura To de compresor se eleva más tarde que la elevación de la temperatura Tc atmosférica. De ese modo, el compresor 1 tiene la temperatura más baja. Por lo tanto, el refrigerante líquido se estanca en el compresor 1. En la presente realización, la unidad 17 de generación de comando de potencia de calentamiento estima la cantidad de refrigerante líquido por unidad de
tiempo t según se ha ilustrado en la FIG. 4(b) en base a, por ejemplo, una relación entre la temperatura Tc atmosférica y la temperatura To de compresor obtenida mediante un experimento o similar por anticipado. Obsérvese que cuando la capacidad de calor del compresor 1 es conocida por anticipado, es posible estimar la cantidad de refrigerante líquido por unidad de tiempo t detectando solamente la temperatura Tc atmosférica y estimando el grado de retardo en el cambio de la temperatura To de compresor con respecto al cambio en la temperatura Tc atmosférica. En este caso, es posible reducir el número de sensores para detectar la temperatura To de compresor y reducir de ese modo el coste. No hace falta decir que también es posible estimar la cantidad de refrigerante líquido por unidad de tiempo t detectando, en vez de la temperatura Tc atmosférica, la temperatura del intercambiador de calor 3 o similar que tiene una capacidad calorífica más pequeña que la capacidad calorífica del compresor 1 entre los componentes que forman el ciclo 50 de refrigeración.
La cantidad de refrigerante líquido en el compresor 1 puede ser detectada de forma más directa. Por ejemplo, es posible realizar la detección usando, como sensor para detectar la cantidad de refrigerante líquido en el compresor 1, por ejemplo, un sensor de capacitancia para medir la cantidad de líquido o un sensor para medir la distancia entre la parte superior del compresor 1 y la superficie líquida del refrigerante usando un láser, sonido, ondas electromagnéticas, o similar. Obsérvese que, como método de estimación o detección de la cantidad de refrigerante líquido, se puede usar uno cualquiera de los métodos explicados con anterioridad.
La unidad 17 de generación de comando de potencia de calentamiento calcula, en función de la cantidad de refrigerante líquido estimada o detectada, el comando P* de potencia de calentamiento necesario para descargar el refrigerante líquido estancado en el compresor 1, y presenta a la salida el comando P* de potencia de calentamiento para la unidad 15 de generación de comando de tensión de alta frecuencia. Cuando la cantidad de refrigerante líquido estancado en el compresor 1 es grande, el comando P* de potencia de calentamiento se establece en un valor grande. Cuando la cantidad de refrigerante líquido es cero, el comando P* de potencia de calentamiento se establece en cero o se realiza un control tal que el calentamiento se detiene. Por consiguiente, es posible obtener la potencia necesaria para la cantidad mínima de calor requerida. El comando P* de potencia de calentamiento cambia dependiendo del tipo y del tamaño del compresor 1. Cuando el compresor 1 es grande, esté fabricado en un material de baja conductividad térmica, o tiene una forma de baja conductividad del calor, el comando P* de potencia de calentamiento solamente tiene que ser incrementado. Esto se puede realizar, por ejemplo, manteniendo una pluralidad de tablas indicativas de una relación entre la cantidad de refrigerante líquido y el comando P* de potencia de calentamiento y leyendo, a partir de la tabla correspondiente al tipo o al tamaño del compresor 1, el comando P* de potencia de calentamiento correspondiente a la cantidad de refrigerante líquido estancado en el compresor 1.
Un método de generación de los valores Vu*. Vv* y Vw* de comando de tensión por medio de la unidad 19 de cálculo de comando de tensión, y un método de generación de las señales de PWM por medio de la unidad 20 de generación de señal de PWM, van a ser explicados con referencia a la FIG. 5 y la FIG. 6.
La FIG. 5 es un diagrama que ilustra formas de onda de señal para explicar el método de generación de valores de comando de tensión y de señales de PWM.
Cuando el motor 8 de compresor es un motor trifásico, en general, la fase U, la fase V y la fase W se diferencian entre sí en 120° (=2n/3). Por lo tanto, los valores Vu*, Vv* y Vw* de comando de tensión se definen como ondas coseno (ondas seno) que tienen fases que se diferencian entre sí en 2n/3 según se indica mediante las Ecuaciones (1) a (3) siguientes:
Vu*=V*xcos0 (1)
Vv*=V*xcos (0- (2/3)7t) (2)
Vw*=V*xcos (0+(2/3)7t) (3)
La unidad 19 de cálculo de comando de tensión calcula, en base al comando V* de tensión y al comando 0 de fase de tensión, los valores Vu*, Vv* y Vw* de comando de tensión usando las Ecuaciones (1) a (3), y presenta a la salida los valores Vu*, Vv* y Vw* de comando de tensión para la unidad 20 de generación de señal de PWM. La unidad 20 de generación de señal de PWM compara los valores Vu*, Vv* y Vw* de comando de tensión con una señal portadora (una señal de referencia) que tiene un valor de amplitud de ±(Vdc/2) a una frecuencia predeterminada, y genera las señales UP, VP, WP, UN, VN y WN de PWM en base a la relación de sus magnitudes entre sí.
Obsérvese que, en las Ecuaciones (1) a (3), los comandos Vu*, Vv* y Vw* de tensión se calculan por medio de una simple función trigonométrica; sin embargo, además del método explicado con anterioridad, los valores Vu*, Vv* y Vw* de comando de tensión pueden ser calculados usando otros métodos tal como modulación de dos fases, modulación por superposición de tercer armónico, y modulación de vector espacial.
Cuando el valor Vu* de comando de tensión es mayor que la señal portadora, se establece UP en una tensión para el encendido del elemento 70a de conmutación y se establece UN en una tensión para el apagado del elemento 70d de conmutación. Cuando el valor Vu* de comando de tensión es más pequeño que la señal portadora, por el contrario, se establece UP en una tensión para apagar el elemento 70a de conmutación y se establece UN en una
tensión para encender el elemento 70d de conmutación. Lo mismo se aplica a las otras señales. Específicamente, VP y VN se determinan mediante comparación del valor Vv* de comando de tensión y señal portadora, y WP y WN se determinan mediante comparación del valor Vw* de comando de tensión y la señal portadora.
En el caso de los inversores generales, se adopta un sistema de PWM complementario. Por lo tanto, UP y UN, VP y VN, y WP y WN están en relación de inversión lógica de cada uno con el otro. Por lo tanto, existen ocho patrones de conmutación en total.
La FIG. 6 es un diagrama que ilustra los ocho patrones de conmutación en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización. Obsérvese que, en la FIG. 6, los signos V0 a V7 están unidos a vectores de tensión generados por los respectivos patrones de conmutación. Las direcciones de las tensiones de los respectivos vectores de tensión se han representado mediante ±U, ±V y ±W (y 0 cuando no se genera ninguna tensión). En este caso, ±U indica una tensión para generar una corriente eléctrica en la dirección de la fase U que fluye hacia el motor 8 de compresor a través de la fase U y que fluye hacia fuera del motor 8 de compresor a través de la fase V y de la fase W, y -U indica una tensión para generar una corriente eléctrica en la dirección de la fase -U que fluye hacia el motor 8 de compresor a través de la fase V y de la fase W y que fluye hacia fuera del motor 8 de compresor a través de la fase U. Se aplica la misma interpretación a ±V y ±W.
Combinando los patrones de conmutación ilustrados en la FIG. 6, es posible hacer que el inversor 9 presente a la salida tensiones deseadas. Por ejemplo, en el modo de funcionamiento normal para realizar una operación de compresión normal, una práctica general consiste en cambiar el comando 0 de fase de tensión en las Ecuaciones (1) a (3) anteriores para que esté dentro de un intervalo de varias decenas de hertzios a varias centenas de hertzios, y hacer que el inversor 9 opere dentro de ese intervalo. En la presente realización, en el modo de operación de calentamiento, al cambiar el comando 0 de fase de tensión más rápidamente que en el modo de operación normal, es posible presentar a la salida una tensión de corriente alterna de alta frecuencia que tenga una frecuencia igual o mayor que varios kilohertzios y energice el motor 8 de compresor (energización de alta frecuencia) para realizar una operación bloqueada.
La configuración y el funcionamiento de la unidad 16 de generación de comando de fase de tensión de alta frecuencia en el dispositivo 100 de bomba de calor conforme a la primera realización, se explican con referencia a las FIGS. 7 a 10.
La FIG. 7 es un diagrama que ilustra un ejemplo de configuración de la unidad de generación de comando de fase de tensión de alta frecuencia en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización. La FIG. 8 es un diagrama que ilustra formas de onda de señal durante la energización bloqueada en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización.
Según se ha ilustrado en la FIG. 7, la unidad 16 de generación de comando de fase de tensión de alta frecuencia en la primera realización, incluye una unidad 22 de inversión de fase de tensión de alta frecuencia, la cual invierte el comando 0 de fase de tensión de alta frecuencia en sincronización con una señal portadora, y un sumador 23a, que añade una fase 0f de referencia a la salida de la unidad 22 de inversión de fase de tensión de alta frecuencia.
En el caso de inversores generales, la frecuencia de portadora, que es la frecuencia de la señal portadora, tiene un límite superior debido a la velocidad de conmutación de los elementos de conmutación de los inversores. Por lo tanto, es difícil presentar a la salida una tensión de alta frecuencia que tenga una frecuencia igual o mayor que la frecuencia de portadora, la cual es una onda portadora. Obsérvese que, en el caso de IGBTs (Transistores Bipolares de Puerta Aislada) generales, el límite superior de la velocidad de conmutación es de alrededor de 20 kilohertzios. Cuando la frecuencia de la tensión de alta frecuencia es igual o mayor que alrededor de 1/10 de la frecuencia de portadora, se pueden presentar efectos adversos tal como deterioro de la precisión de salida de la forma de onda de la tensión de alta frecuencia y superposición de componentes de CC. En vista de lo anterior, cuando la frecuencia de portadora se ajusta a 20 kilohertzios, si se establece que la frecuencia de la tensión de alta frecuencia es igual o inferior a 1/10 de la frecuencia de portadora, la frecuencia de la tensión de alta frecuencia es igual o inferior a 2 kilohertzios, entonces la frecuencia de la tensión de alta frecuencia cae dentro del intervalo de frecuencia audible. Por lo tanto, el ruido debido al sonido electromagnético del motor de compresor es un problema.
Por lo tanto, en la presente realización, según se ha ilustrado en la FIG. 8, el comando 0 de fase de tensión de alta frecuencia se invierte 180° cada período de tiempo, el cual va desde el punto superior hasta el punto inferior de la señal portadora, es decir, cada ciclo de una frecuencia fc de portadora (1/fc). Con una configuración de ese tipo, los valores Vu*, Vv* y Vw* de comando de tensión invertidos en cuanto a sincronización con la señal portadora se obtienen en la unidad 19 de cálculo de comando de tensión en una fase posterior. Además, las señales UP, VP, WP, UN, VN y WN de PWM que sincronizan con la señal portadora se generan en la unidad 20 de generación de señal de PWM en una fase aún más tardía. En este punto, el vector de tensión cambia en el orden de 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), .... La FIG. 9 es un diagrama que ilustra los estados de CONEXIÓN/DESCONEXIÓN de los elementos de conmutación en el inversor correspondientes a los vectores de tensión. En los diagramas de circuito ilustrados en la FIG. 9, los elementos de conmutación circundados por líneas discontinuas están ENCENDIDOS y los otros elementos de
conmutación están APAGADOS. La dirección de rotación de la flecha gruesa indicativa del orden de cambio de los vectores de tensión (la dirección de rotación de los vectores de tensión V 0 ^ V 4 ^V 7 ^V 3 ^0 ....) corresponde al ejemplo ilustrado en la FIG. 9.
En el ejemplo ilustrado en la FIG. 9, las señales UP, VP, WP, UN, VN y WN de PWM giran en torno a cuatro estados de circuito ilustrados en la FIG. 9 una vez durante un ciclo de portadora. Por consiguiente, se alimenta una corriente eléctrica que tiene un ciclo equivalente a un ciclo de portadora al motor 8 de compresor.
Según se ha ilustrado en la FIG. 9, cuando se aplica el vector V0 o el vector V7, las líneas del motor 8 de compresor son cortocircuitadas y no hay tensión alguna en la salida. En este caso, la energía acumulada en la inductancia del motor 8 de compresor se convierte en una corriente eléctrica y fluye a través de un cortocircuito. Cuando se aplica el vector V4, fluye una corriente eléctrica (+Iu) en la dirección de la fase U que fluye hacia el motor 8 de compresor a través de la fase U y que fluye hacia fuera del motor 8 de compresor a través de la fase V y de la fase W. Cuando se aplica el vector V3, una corriente eléctrica (-Iu) en la dirección de la fase -U que fluye hacia el motor 8 de compresor a través de la fase V y de la fase W, y que fluye hacia fuera del motor 8 de compresor a través de la fase U, fluye hasta los bobinados del motor 8 de compresor. Es decir, cuando se aplica el vector V4, la corriente eléctrica fluye hasta los bobinados del motor 8 de compresor en la dirección opuesta al caso en el que se aplica el vector V3. Puesto que los vectores de tensión cambian en el orden de V0, V4, V7, V3, V0, ...., Iu y -Iu fluyen alternativamente hasta los bobinados del motor 8 de compresor. Como resultado, según se ha ilustrado en la FIG. 9, el vector V4 y el vector V3 aparecen durante un ciclo de portadora. Por lo tanto, es posible aplicar una tensión de alta frecuencia que sincronice con la frecuencia de la señal portadora en los bobinados del motor 8 de compresor.
Puesto que el vector V4 y el vector V3 están presentes a la salida de forma alternada, Iu y -Iu fluyen alternadamente en los bobinados del motor 8 de compresor. Por lo tanto, el par torsor positivo y el par torsor negativo son conmutados de forma instantánea. Por lo tanto, el par torsor positivo y el par torsor negativo se anulan mutuamente. Por lo tanto, es posible aplicar una tensión que suprima las vibraciones del rotor.
La fase 0f de referencia con respecto a la señal portadora del comando 0 de fase de tensión de alta frecuencia es deseablemente un múltiplo de 60°. La razón de todo esto se explica más adelante.
La FIG. 10 es un diagrama que ilustra formas de onda de corriente de fase respectivas, obtenidas cuando la fase 0f de referencia es 0°, 30° y 60°. La FIG. 10(a) ilustra formas de onda respectivas de corriente de fase obtenidas cuando 0f = 0°. La FIG. 10(b) ilustra formas de onda respectivas de corriente de fase obtenidas cuando 0f = 30°. La FIG. 10(c) ilustra formas de onda respectivas de corriente de fase obtenidas cuando 0f = 60°.
Cuando 0f = 0°, según se ha ilustrado en la FIG. 9, solamente se genera otro vector de tensión (un vector de tensión con el que un elemento de conmutación en el lado de la tensión positiva y dos elementos de conmutación en el lado de la tensión negativa, o dos elementos de conmutación en el lado de la tensión positiva y un elemento de conmutación en el lado de la tensión negativa están en estado de CONEXIÓN) entre el vector V0 y el vector V7. En ese caso, según se ha ilustrado en la FIG. 10(a), se forman las respectivas formas de onda de corriente de fase con una forma trapezoidal y se obtiene una corriente eléctrica que tiene un pequeño número de componentes armónicos. Cuando 0f = 60°, como en el caso de 0f = 0°, se genera solamente otro vector de tensión entre el vector V0 y el vector V7. Por lo tanto, según se ha ilustrado en la FIG. 10(c), se forman las respectivas formas de onda de corriente de fase con una forma trapezoidal y se obtiene una corriente eléctrica que tiene un pequeño número de componentes armónicos.
Sin embargo, cuando 0f = 30°, se generan dos vectores de tensión diferentes entre el vector V0 y el vector V7. Según se ha ilustrado en la FIG. 10(b), las formas de onda respectivas de corriente de fase están distorsionadas y se obtiene una corriente eléctrica que tiene muchos componentes armónicos. La distorsión de las formas de onda respectivas de corriente de fase puede ocasionar ruido de motor, vibración del eje del motor, y similares.
Es decir, si la fase 0f de referencia es un múltiplo de 60° y el comando 0 de fase de tensión de alta frecuencia es siempre un múltiplo de 60°, solamente se genera otro vector de tensión entre el vector V0 y el vector V7. Por lo tanto, las formas de onda respectivas de corriente de fase son formas trapezoidales y se obtiene una corriente eléctrica con un pequeño número de componentes de alta frecuencia. Por el contrario, cuando la fase 0f de referencia es distinta de un múltiplo de 60°, el comando 0 de fase de tensión de alta frecuencia no es un múltiplo de 60°. Por lo tanto, se generan otros dos vectores de tensión entre el vector V0 y el vector V7. De ese modo, las formas de onda respectivas de corriente de fase están distorsionadas y se obtiene una corriente eléctrica con muchas componentes de alta frecuencia. Por lo tanto, la fase 0f de referencia es deseablemente un múltiplo de 60° tal como 0°, 60°, 120°, ....
La relación entre la posición de parada del rotor del motor 8 de compresor y la cantidad de calor durante la energización bloqueada, se explica con referencia a las FIGS. 11 y 12.
La FIG. 11 es un diagrama que ilustra un ejemplo de la posición de parada del rotor de un motor de IPM. Caudino el motor 8 de compresor es un motor de IPM (Motor de Imán Permanente Interior), según se ha ilustrado en la FIG. 11,
la posición de parada del rotor del motor 8 de compresor está representada por la magnitud de un ángulo O del cambio de dirección del polo N del rotor desde la dirección de fase U.
La FIG. 12 es un diagrama que ilustra una relación entre la posición del rotor y las corrientes de fase respectivas. En el caso del motor de IPM, el valor de la inductancia del bobinado durante la energización de alta frecuencia depende de la posición del rotor. Por lo tanto, la impedancia del bobinado representada por el producto de una frecuencia angular w eléctrica y el valor de la inductancia del bobinado fluctúa en función de la posición del rotor. Por lo tanto, cuando la energización bloqueada del motor 8 de compresor se lleva a cabo mientras el compresor está en espera de funcionamiento, incluso cuando se aplica la misma tensión, la corriente eléctrica que fluye en los bobinados del motor 8 de compresor fluctúa en función de la posición de parada del rotor. Por lo tanto, la cantidad de calor cambia. Como resultado, dependiendo de la posición de parada del rotor, se puede consumir una gran cantidad de energía para obtener la cantidad de calor necesaria. Además, es probable que el refrigerante líquido no pueda ser descargado desde el interior del compresor 1 debido a un calentamiento insuficiente y a que la unidad 10 de control de inversor cambia al modo de operación normal en un estado en el que el refrigerante líquido está estancado en el compresor 1. Por lo tanto, cuando se realiza la energización bloqueada del motor 8 de compresor, es necesario mantener constante la cantidad de potencia suministrada al motor 8 de compresor y mantener la cantidad de calor del compresor 1 constante con independencia de la posición de parada del rotor.
Como método para mantener la cantidad de potencia alimentada al motor 8 de compresor constante, cuando son detectadas las tensiones de interfase respectivas, las tensiones de fase respectivas o las corrientes de fase respectivas del motor 8 de compresor y el valor de potencia obtenido a partir de los valores de detección está controlado de modo que sea fijo, resulta necesario detectar de manera altamente precisa los valores de detección. Sin embargo, en un micrordenador o similar usado en general como unidad 10 de control de inversor, incluso cuando se obtiene una precisión de detección suficiente dentro de un intervalo de varias decenas de hertzios a varias centenas de hertzios durante la operación normal, según se ha explicado con anterioridad, es probable que no se obtenga la precisión de detección suficiente cuando se suministra al motor 8 de compresor una tensión de alta frecuencia que tiene una frecuencia más alta que la frecuencia durante la operación normal y se lleva a cabo la energización bloqueada del motor 8 de compresor, por ejemplo, cuando se lleva a cabo la energización de alta frecuencia que sincroniza con la señal portadora.
Por ejemplo, cuando se asume que la frecuencia de energización de alta frecuencia cuando se lleva a cabo la energización bloqueada es de 20 kilohertzios, un ciclo de energización de alta frecuencia es de 50 microsegundos. Sin embargo, cuando el tiempo de conversión de A/D (analógico/digital) del microordenador es de varios microsegundos, los puntos de detección por ciclo de energización de alta frecuencia son varios puntos; por lo tanto, la precisión de la detección se deteriora.
Por lo tanto, en la presente realización, según se ha explicado con anterioridad, en base a las tensiones de interfase respectivas, las tensiones de fase respectivas o las corrientes de fase respectivas del motor 8 de compresor, para una pluralidad de ciclos de energización de alta frecuencia cuando se realiza energización bloqueada, se restablecen las tensiones de interfase respectivas, las tensiones de fase respectivas o las corrientes de fase respectivas para un ciclo de energización de alta frecuencia. Por consiguiente, incluso cuando la unidad 10 de control de inversor se configura usando el microordenador que tiene un tiempo de conversión de A/D largo con respecto a la frecuencia de energización de alta frecuencia cuando se lleva a cabo energización bloqueada, es posible mejorar la precisión de detección de los valores de detección para un ciclo de energización de alta frecuencia. El valor de la potencia suministrada al motor 8 de compresor se calcula usando los valores de detección restablecidos para un ciclo de energización de alta frecuencia. El valor de potencia está controlado de tal modo que coincide con el comando de potencia de calentamiento necesario para descargar el refrigerante líquido estancado en el compresor 1 hacia fuera del compresor 1. En consecuencia, es posible mantener la cantidad de potencia suministrada al motor 8 de compresor constante, y mantener la cantidad de calor del compresor 1 constante con independencia de la posición de detención del rotor. Es posible descargar de manera más fiable el refrigerante líquido estancado en el compresor 1 desde el interior del compresor 1 con potencia mínima.
Las configuraciones y las operaciones detalladas de las secciones de la unidad 12 de control de energización bloqueada para realizar el control explicado con anterioridad, se explican con referencia a las FIGS. 13 a 20.
La FIG. 13 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una configuración detallada de la unidad de cálculo de potencia en el dispositivo de bomba de calor conforme a la primera realización. En el ejemplo ilustrado en la FIG. 13, la unidad 14 de cálculo de potencia incluye una unidad 24 de detección, una unidad 25 de determinación de reintento y una unidad 26 de operación de potencia.
En primer lugar, se explica un ejemplo en el que se usa un método de medidor de dos potencias, usado en general como método de medición para potencia de tres fases.
Cuando se usa el método de medidor de dos potencias, el valor P de potencia se representa como en la Ecuación (4) que sigue usando, por ejemplo, con independencia de las tensiones Vuv y Vwv de línea respectivas, una corriente Iu de fase U, y una corriente Iw de fase W.
P=VuvxIu+VwxIw (4)
La configuración es tal que, conforme a la Ecuación (4) anterior, la unidad 24 de detección detecta las tensiones Vuv y Vwv de línea respectivas, la corriente Iu de fase U y la corriente Iw de fase W.
La FIG. 14 es un diagrama que ilustra formas de onda de señal para explicar un método de detección de tensiones de línea respectivas y de corrientes de fase respectivas en el dispositivo de bomba de calor conforme a la primera realización. Según se ha explicado con anterioridad, en la presente realización, los comandos Vu*, Vv* y Vw* de tensión durante el modo de operación de calentamiento, se sincronizan con una señal portadora, la cual es una señal de referencia. Por lo tanto, según se ha ilustradlo en la FIG. 14, las tensiones Vuv y Vwv de línea respectivas, la corriente Iu de fase U, y la corriente Iw de fase W, tienen formas de onda de señal que sincronizan con la señal portadora.
En la presente realización, la unidad 24 de detección detecta las tensiones Vuv y Vwv de línea respectivas, la corriente Iu de fase U, y la corriente Iw de fase W mientras se cambia una fase en (1/n) ciclo de portadora a la vez sobre n ciclos de portadora (en el ejemplo ilustrado en la FIG. 14, diez ciclos de potadora) y calcula el valor P de potencia para un ciclo de portadora usando esos valores de detección.
De manera más concreta, según se ha ilustrado en la FIG. 14, en el primer ciclo, la unidad 24 de detección realiza conversión A/D en el punto inferior de la señal portadora y detecta valores Vuv [1] y Vwv [1] instantáneos de las respectivas tensiones de línea, un valor Iu [1] instantáneo de la corriente de fase U, y un valor Iw [1] instantáneo de la corriente de fase W. Posteriormente, en el segundo ciclo, la unidad 24 de detección realiza conversión A/D en el momento en que es un (1/n) ciclo de portadora posterior al punto inferior de la señal de portadora y detecta valores Vuv [2] y Vwv [2] instantáneos de las respectivas tensiones de línea, un valor Iu [2] instantáneo de la corriente de fase U, y un valor Iw [2] instantáneo de la corriente de fase W. A continuación, en el ciclo mésimo (m es un número entero de 1 a (n-1)), la unidad 24 de detección realiza conversión A/D en el momento en que es un (m/n) ciclo de portadora posterior al punto inferior de la señal de portadora y detecta valores Vuv[m] y Vwv[m] instantáneos de las respectivas tensiones de línea, un valor Iu[m] instantáneo de la corriente de fase U, y un valor Iw[m] instantáneo de la corriente de fase W. De esta manera, la unidad 24 de detección cambia el momento de conversión A/D por el (1/n) ciclo de portadora en un instante a lo largo de los n ciclos de portadora y obtiene una matriz Vuv [n], Vwv [n]. Iu [n] e Iw [n] de datos de un ciclo de portadora. Por consiguiente, es posible restablecer las respectivas tensiones Vuv y Vwv de línea, la corriente Iu de fase U y la corriente Iw de fase W para un ciclo de portadora, es decir, un ciclo de energización de alta frecuencia.
Ahora se explica una operación llevada a cabo cuando el valor de tensión de bus del inversor 9, es decir, el valor Vdc de la tensión de la fuente 11 de tensión de corriente continua que se ha ilustrado en la FIG. 1, fluctúa. La FIG. 15 es un diagrama que ilustra formas de onda de señal cuando el valor de tensión de bus del inversor fluctúa. La FIG. 16 es un diagrama que ilustra diferencias en la forma de onda de tensión de línea y la forma de onda de corriente de fase en función de la diferencia de magnitud del valor de tensión de bus del inversor. La FIG. 16(a) ilustra la forma de onda de la tensión Vuv de línea y la forma de onda de la corriente Iu de fase U obtenida cuando el valor Vdc de tensión de bus del inversor es pequeño. La FIG. 16(b) ilustra la forma de onda de la tensión Vuv de línea y la forma de onda de la corriente Iu de fase U obtenida cuando el valor Vdc de tensión de bus del inversor es grande.
Si el valor Vdc de tensión de bus del inversor 9 fluctúa mientras la unidad 24 de detección está detectando los valores de detección desde el primer ciclo de portadora hasta el nésimo ciclo, los valores respectivos de tensión de línea y los valores respectivos de corriente de fase también fluctúan en función de la fluctuación del valor Vdc de tensión de bus del inversor 9 según se ha ilustrado en la FIG. 15. Por lo tanto, empeora la precisión de restablecimiento de los valores de detección para un ciclo de portadora.
Según se ha ilustrado en la FIG. 16, la tensión Vuv de línea está controlada de tal modo que el valor de Va x tva ilustrado en la FIG. 16(a) y el valor de Vb x tvb ilustrado en la FIG. 16(b), coinciden sustancialmente entre sí. Por otra parte, con relación a la corriente de fase U, el valor de Ia ilustrado en la FIG. 16(a) y el valor de Ib ilustrado en la FIG. 16(b), coinciden sustancialmente entre sí y se cumple Ia x t0a < Ib x t0b. Es decir, dado que la corriente de fase se hace mayor según se hace mayor el valor Vdc de tensión de bus, la entrada de potencia al motor 8 de compresor fluctúa en función de la magnitud del valor Vdc de tensión de bus.
Por lo tanto, en la presente realización, cuando la unidad 25 de determinación de reintento detecta que el valor Vdc de tensión de bus fluctúa por encima de un intervalo predeterminado (p. ej., ±10%) durante la detección de los valores de detección, la unidad 24 de detección descarta los valores de detección que hayan sido detectados y restablece la detección de valores de detección desde el primer ciclo de portadora. Con la realización de un control de ese tipo, es posible suprimir la influencia de la fluctuación en el valor Vdc de tensión de bus sobre la precisión de detección del valor P de potencia.
Obsérvese que, en el ejemplo explicado con anterioridad, la fluctuación en el valor Vdc de tensión de bus del inversor 9 se detecta y se procesa de nuevo la operación de restablecimiento para los valores de detección para un ciclo de portadora. Sin embargo, es posible detectar, aparte de la fluctuación en el valor Vdc de tensión de bus del
inversor 9, un evento que cause la fluctuación en los valores de detección y reprocesar la operación de restablecimiento para los valores de detección para un ciclo de portadora.
La FIG. 17 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una configuración detallada de la unidad de cálculo de potencia en el dispositivo de bomba de calor conforme a la primera realización. En el ejemplo ilustrado en la FIG. 17, se ha ilustrado una configuración en la que se usa el método de medidor de dos potencias. La unidad 26 de operación de potencia está configurada para incluir multiplicadores 28a y 28b, unidades 29a y 29b de cálculo de suma, divisores 30a y 30b, y un sumador 23b.
Los valores Vuv[m] y Vwv[m] instantáneos de las respectivas tensiones de línea, el valor Iu[m] instantáneo de la corriente de fase U, y el valor Iw[m] instantáneo de la corriente de fase W detectados por la unidad 24 de detección, se introducen en la unidas 26 de operación de potencia.
El multiplicador 28a calcula un producto de Vuv[m] y Iu[m]. La unidad 29a de cálculo de suma calcula la suma de la muestra m = 1 a n. El divisor 30a divide el producto de Vuv[m] y Iu[m] por el número de muestras n para calcular el valor medio del producto.
El multiplicador 28b calcula un producto de Vwv[m] y Iw[m]. La unidad 29b de cálculo de suma calcula la suma de las muestras m = 1 a n. El divisor 30b divide el producto de Vwv[m] y Iw[m] por el número de muestras n para calcular el valor medio del producto.
El sumador 23b suma la salida del divisor 30a y la salida del divisor 30b para calcular el valor P de potencia introducido en el motor 8 de compresor.
La FIG. 18 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una configuración detallada diferente de la FIG. 17 de la unidad de cálculo de potencia en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización.
Además del método de usar el método de medidor de dos potencias que se ha explicado con anterioridad, por ejemplo, también se puede representar un método de medición de potencia de tres fases como en la Ecuación (5) que sigue, usando las tensiones Vu, Vv y Vw de fase respectivas y las corrientes Iu, Iv y Iw de fase respectivas:
P=VuxIu+VvxIv+VwxIw (5)
En este caso, existe la desventaja de que se incrementan los parámetros de detección. Cuando se usa la ley de Kirchhoff que indica que la suma de los valores Iu[m], Iv[m] y Iw[m] instantáneos de las respectivas corrientes de fase es cero en la potencia de tres fases, por ejemplo, se detectan la corriente Iu de fase U y la corriente Iw de fase W y el valor Iv[m] instantáneo de la corriente de fase V puede ser representada usando el valor Iu[m] instantáneo de la corriente de fase U y el valor Iw[m] instantáneo de la corriente de fase W según se ha indicado mediante la Ecuación (6).
Iv [m]=-Iu [m]-Iw [m] (6)
El valor P de potencia introducida en el motor 8 de compresor se determina de manera única con respecto al valor medio Iave de los valores de la raíz cuadrática media de las corrientes de fase respectivas.
Es decir, el valor P de potencia introducida en el motor 8 de compresor puede ser calculado usando las corrientes de fase para dos fases (en este ejemplo, la corriente Iu de fase Uy la corriente Iw de fase W).
En el ejemplo ilustrado en la FIG. 18, se ha ilustrado una configuración en la que se usa la Ecuación (6) anterior y una relación entre el valor medio Iave de los valores de raíz cuadrática media de las respectivas corrientes de fase y el valor P de potencia introducida en el motor 8 de compresor. La unidad 26 de operación de potencia está configurada para incluir un sumador 23c, multiplicadores 28c a 28f, unidades 29c a 29e de cálculo de suma, divisores 30c a 30e, unidades 31a a 31c de cálculo de raíz cuadrada, una unidad 32 de cálculo de valor medio, y un convertidor 33 de corriente/potencia.
El convertidor 33 de corriente/potencia mantiene, a modo de tabla de conversión, la relación entre el valor medio Iave de los valores de raíz cuadrática media de las respectivas corrientes de fase obtenidas mediante un experimento, una simulación o similar por anticipado y el valor P de potencia introducido en el motor 8 de compresor. El valor Iu[m] instantáneo de la corriente de fase U y el valor Iw[m] instantáneo de la corriente de fase W detectados por la unidad 24 de detección, se introducen en la unidad 26 de operación de potencia.
El sumador 23c suma Iu [m] y Iw [m]. El multiplicador 28c invierte un signo para obtener el valor Iv [m] instantáneo de la corriente de fase V.
El multiplicador 28d eleva Iu [m] al cuadrado. La unidad 29c de cálculo de suma calcula la suma de los valores de las muestras m = 1 a n. El divisor 30c divide la suma por el número de muestras n. La unidad 31a de cálculo de raíz cuadrada obtiene una raíz cuadrada. Por consiguiente, se calcula el valor Iu_rms de la raíz cuadrática media de la corriente de fase U.
El multiplicador 28e eleva al cuadrado Iv [m]. La unidad 29d de cálculo de suma calcula la suma de los valores de las muestras m = 1 a n. El divisor 30d divide la suma por el número de muestras n. La unidad 31 b de cálculo de raíz cuadrada obtiene una raíz cuadrada. En consecuencia, se calcula un valor Iv_rms de raíz cuadrática media de la corriente de fase V.
El multiplicador 28f eleva al cuadrado Iw[m]. La unidad 29e de calculo de suma calcula la suma de los valores de las muestras m = 1 a n. El divisor 30e divide la suma por el número de muestras n. La unidad 31c de cálculo de raíz cuadrada obtiene una raíz cuadrada. En consecuencia, se calcula un valor Iw_rms de raíz cuadrática media de la corriente de fase W.
La unidad 32 de cálculo de valor medio calcula el valor medio Iave de Iu_rms, Iv_rms y Iw_rms. El convertidor 33 de corriente/potencia convierte el valor medio Iave en el valor P de potencia usando la tabla de conversión que se ha explicado con anterioridad.
La FIG. 19 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una configuración detallada de la unidad de generación de comando de tensión de alta frecuencia en el dispositivo de bomba de calor según la primera realización. En el ejemplo ilustrado en la FIG. 19, la unidad 15 de generación de comando de tensión de alta frecuencia está configurada de modo que incluye un sustractor 34 y un controlador 35.
El valor P de potencia calculado por la unidad 14 de cálculo de potencia y el comando P* de potencia de calentamiento generado por la unidad 17 de generación de comando de potencia de calentamiento, se introducen en la unidad 15 de generación de comando de tensión de alta frecuencia.
El sustractor 34 calcula una desviación entre el valor P de potencia y el comando P* de potencia de calentamiento. El controlador 35 controla el comando V* de tensión de alta frecuencia de tal modo que la desviación se hace cero. Obsérvese que no hace falta decir que el controlador 35 puede estar configurado por medio de un controlador proporcional, un controlador integral, o un controlador diferencial usado en general en el control o en una combinación de controladores. La presente invención no está limitada por la configuración del controlador 35.
La FIG. 20 es un diagrama que ilustra un ejemplo comparativo de control de tensión constante y el control conforme a la primera realización. En la FIG. 20, el eje horizontal indica una posición O del rotor del motor 8 de compresor y el eje vertical indica la potencia suministrada al motor 8 de compresor. El carácter “A” ilustrado en la FIG. 20 indica un ejemplo en el que se lleva a cabo la energización bloqueada del motor 8 de compresor por medio del control de tensión constante. El carácter “B” ilustrado en la FIG. 20 indica un ejemplo en el que la energización bloqueada del motor 8 de compresor se lleva a cabo mediante el control de potencia constante que se ha explicado en la presente realización.
En un motor que usa de manera efectiva un par de reluctancia, tal como un motor de IPM o un motor de reluctancia síncrono, la inductancia fluctúa considerablemente en función de la posición O del rotor. Por lo tanto, la impedancia cambia considerablemente en función de la posición O del rotor. Por lo tanto, cuando se lleva a cabo la energización bloqueada del motor 8 de compresor por medio de control de tensión constante (A en la FIG. 20), la potencia suministrada al motor 8 de compresor fluctúa considerablemente. Dependiendo de la posición O del rotor, se suministra un exceso de potencia al motor 8 de compresor o la potencia es menor que la potencia mínima requerida para la descarga del refrigerante líquido estancado en el compresor 1.
Por el contrario, en la presente realización (B en la FIG. 20), la potencia suministrada al motor 8 de compresor está controlada de modo que sea fija. Por lo tanto, es posible calentar de manera eficiente y fiable el refrigerante líquido estancado en el compresor 1 y descargar el refrigerante líquido hacia fuera del compresor 1 con independencia de la posición O del rotor.
Según se ha explicado con anterioridad, con el dispositivo de bomba de calor de la primera realización, mientras el compresor está en espera de funcionamiento, la tensión de alta frecuencia que sincroniza con la señal portadora se suministra al motor de compresor para llevar a cabo la energización bloqueada del motor de compresor. A partir de las tensiones de interfase respectivas, las tensiones de fase respectivas o las corrientes de fase respectivas, detectadas mientras cambia la fase en un (1/n) de ciclo a la vez sobre los n ciclos (n es un número entero igual o mayor que 2) de la señal portadora, se restablecen las respectivas tensiones de interfase, las respectivas tensiones de fase o las respectivas corrientes de fase para un ciclo de portadora. El valor de potencia calculado usando los valores de detección restablecidos para un ciclo de portadora está controlado de modo que coincide con el comando de potencia de calentamiento necesario para descargar el refrigerante líquido estancado en el compresor hacia fuera del compresor. Por lo tanto, incluso cuando la unidad de control de inversor se configura usando el microordenador que tiene un tiempo de conversión de A/D largo con respecto a la frecuencia de energización de alta frecuencia cuando se realiza la energización bloqueada, es posible mantener la cantidad de calor en el compresor constante, e impedir de manera eficiente y fiable que el refrigerante líquido se estanque en el compresor con independencia de la posición del rotor del motor de compresor.
Obsérvese que, en la primera realización explicada con anterioridad, se explica el ejemplo en el que las respectivas tensiones de interfase, las respectivas tensiones de fase o las respectivas corrientes de fase son detectadas
mientras cambia la fase el (1/n) de ciclo a la vez sobre los n ciclos (n es un número entero igual o mayor que 2) de la señal portadora y el valor de potencia se calcula usando los valores de detección para un ciclo de la señal portadora. Sin embargo, el orden de detección de los valores de detección y el número de valores de detección, no se limitan a lo anterior. Cuando los valores de detección son detectados sobre los n ciclos de la señal portadora, por ejemplo, los valores de detección pueden ser detectados por fases correspondiendo cada una de ellas a un (m/n) de ciclo (m es un número natural igual o menor que n) para k ciclos (k es cualquier número igual o menor que n), tal como los ciclos de número par o los ciclos de número impar, y los valores de detección pueden ser considerados como valores de detección para un ciclo de la señal portadora para calcular un valor de potencia. Es decir, cuando los valores de detección se detectan cinco veces en diez ciclos de la señal portadora, por ejemplo, los valores de detección pueden ser detectados respectivamente en una fase correspondiente a (4/10) de ciclo en un primer ciclo, en una fase correspondiente a (2/10) de ciclo en un cuarto cielo, en una fase correspondiente a (6/10) de ciclo en un sexto ciclo, en una fase correspondiente a (10/10) de ciclo en un octavo ciclo, y en una fase correspondiente a un (8/10) de ciclo en un décimo ciclo.
En la primera realización, explicada con anterioridad, se ha explicado el ejemplo en el que la energización bloqueada se realiza invirtiendo el comando de fase de tensión de alta frecuencia en sincronización con la señal portadora del inversor y los valores de detección para un ciclo de portadora se restablecen. Sin embargo, no hace falta decir que se pueden obtener efectos similares a los anteriores incluso con una configuración en la que se restablecen valores de detección para un intervalo predeterminado que sincroniza con un ciclo de portadora, por ejemplo, un semiciclo de portadora o una pluralidad de ciclos. No hace falta decir que se pueden obtener efectos similares a los anteriores incluso con una configuración en la que se lleva a cabo el ciclo de energización de alta frecuencia cuando se realiza la energización bloqueada, es decir, el comando de fase de tensión de alta frecuencia no sincroniza con la señal portadora o incluso con una configuración en la que, a partir de las tensiones de interfase respectivas, las tensiones de fase respectivas o las corrientes de fase respectivas del motor de compresor para una pluralidad de ciclos de energización de alta frecuencia, los valores de detección para un ciclo de energización de alta frecuencia o un intervalo predeterminado que sincroniza con el ciclo de energización de alta frecuencia, se restablecen.
En la primera realización que se ha explicado en lo que antecede, se ha explicado un ejemplo en el que la energización bloqueada del motor de compresor se lleva a cabo mediante energización de alta frecuencia. Sin embargo, en el caso de la energización de alta frecuencia, cuando la impedancia es demasiado alta, resulta difícil obtener la cantidad de calor necesaria. Por lo tanto, cuando se hace necesaria una gran cantidad de calor, la configuración puede ser tal que la energización bloqueada del motor de compresor puede ser llevada a cabo usando energización de corriente continua junto con la energización de alta frecuencia. Con una configuración de ese tipo, es posible vaporizar de manera más fiable el refrigerante líquido estancado en el compresor y descargar el refrigerante líquido hacia fuera del compresor.
Existe la característica de que, cuando se aplica una tensión de alta frecuencia al motor de compresor, la corriente eléctrica fluye menos fácilmente debido a que la impedancia se incrementa con la componente de inductancia de los bobinados del motor de compresor. Por ejemplo, en el modo de funcionamiento normal, las corrientes de fase respectivas que fluyen hasta el motor de compresor son, en general, de aproximadamente, varias decenas de amperios. Por otra parte, en el modo de operación de calentamiento, las corrientes de fase son iguales o menores que varios amperios. Es decir, en el modo de funcionamiento normal y en el modo de operación de calentamiento, las características de ganancia y frecuencia requeridas de los detectores de corriente son diferentes. Por lo tanto, en el caso de la detección de las corrientes de fase cuando se realiza la energización bloqueada del motor de compresor con la energización de alta frecuencia usando el detector de corriente utilizado en el modo de funcionamiento normal, la precisión de la detección puede empeorar. Por lo tanto, es preferible que el detector de corriente usado para la detección de corriente de fase en el modo de operación normal y el detector de corriente usado para la detección de corriente de fase en el modo de operación de calentamiento, sean detectores de corriente separados que tengan características de ganancia y frecuencia diferentes. Alternativamente, cuando se usa un detector de corriente en el modo de funcionamiento normal y en el modo de operación de calentamiento, se puede proporcionar a los modos dos tipos de características de ganancia y dos tipos de características de frecuencia para los modos respectivos, y éstas pueden ser cambiadas dependiendo de si el modo es el modo de funcionamiento normal o el modo de operación de calentamiento. La precisión de detección de las corrientes de fase puede ser mejorada tomando medidas para, por ejemplo, cambiar el número de bits de la detección A/D del microordenador que configura la unidad de control de inversor, por ejemplo, de diez bits a doce bits.
Obsérvese que, con relación a la detección de tensiones de línea y de tensiones de fase, debido a que la diferencia de los valores de tensión es pequeña entre el modo de funcionamiento normal y el modo de operación de calentamiento, la necesidad de tomar medidas para, por ejemplo, proporcionar un detector de tensión para el modo de operación de calentamiento que sea diferente de un detector de tensión para el modo de funcionamiento normal, es baja. Sin embargo, mientras que la frecuencia de la tensión en el modo de funcionamiento normal es de varias decenas a varios cientos de hertzios, la frecuencia de la tensión en el modo de operación de calentamiento es de varios kilohertzios. Por lo tanto, cuando se añade un LPF (Filtro Pasa Bajo) para eliminar el ruido de alta frecuencia y similar, resulta deseable diseñar el LPF en función de la frecuencia en el modo de operación de calentamiento, es decir, una frecuencia de energización de alta frecuencia cuando se lleva a cabo la energización bloqueada del motor de compresor.
Además, cuando las tensiones de línea y las corrientes de fase son detectadas por el mismo microordenador, existe una preocupación en torno al incremento de costes debido a que es necesario usar un microordenador que tenga una alta funcionalidad debido a un incremento de la velocidad de procesamiento del microordenador con ocasión de un incremento en el número de líneas de tensión y de corrientes de fase detectadas, y a una escasez de puertos de detección A/D. En este caso, por ejemplo, es posible reducir el número de tensiones de línea y de corrientes de fase detectadas por el microordenador proporcionando un circuito de multiplicación para calcular un producto de las tensiones de línea y de las corrientes de fase fuera del microordenador. Por lo tanto, es posible suprimir el incremento de costes del microordenador. En este caso, es posible realizar fácilmente la supresión del incremento de coste usando, como circuito de multiplicación, por ejemplo, un circuito de multiplicación que incluye un amplificador operacional, un IC para multiplicación que esté disponible normalmente en el mercado, o uno similar. Segunda realización
En la presente realización, se explica un acondicionador de aire, un calentador de agua por bomba de calor, un refrigerador, y una máquina de congelar a los que se puede aplicar el dispositivo de bomba de calor descrito en la primera realización.
Una configuración más detallada de un ciclo de refrigeración y de operaciones en modo de funcionamiento normal del acondicionador de aire, del calentador de agua por bomba de calor, del refrigerador y de la máquina de congelar, conforme a la segunda realización, se van a explicar con referencia a la FIG. 21 y la FIG. 22.
La FIG. 21 es un diagrama de un ejemplo de configuración del ciclo de refrigeración conforme a la segunda realización. La FIG. 22 es un diagrama de Mollier de una transición de estado de un refrigerante en el ciclo de refrigeración ilustrado en la FIG. 21. En la FIG. 22, el eje horizontal indica una entalpía h específica, y el eje vertical indica una presión P de refrigerante.
En un ciclo 50a de refrigeración conforme a la segunda realización, un compresor 51, un intercambiador de calor 52, un mecanismo 53 de expansión, un receptor 54, un intercambiador de calor 55 interno, un mecanismo 56 de expansión, y un intercambiador de calor 57, están conectados secuencialmente por medio de un conducto para formar un circuito 58 principal de refrigerante a través del cual circula un refrigerante. Obsérvese que, en el circuito 58 principal de refrigerante, se ha previsto una válvula 59 de cuatro vías en el lado de descarga del compresor 51; por lo tanto, la dirección de circulación del refrigerante puede ser conmutada. Se ha previsto un ventilador 60 cerca del intercambiador de calor 57. El mecanismo de compresión que comprime el refrigerante y el motor de compresor que acciona el mecanismo de compresión, han sido proporcionados en el compresor 51. Además, el ciclo 50a de refrigeración incluye un circuito 62 de inyección que está conectado, mediante un conducto, desde una posición entre el receptor 54 y el intercambiador de calor 55 interno hasta un conducto de inyección del compresor 51. Un mecanismo 61 de expansión y el intercambiador de calor 55 interno están conectados secuencialmente al circuito 62 de inyección.
Un circuito 63 de agua, a través del cual circula el agua, está conectado al intercambiador de calor 52. Obsérvese que, un dispositivo que utiliza agua, tal como un calentador de agua (no representado), un radiador (no representado) o un radiador para calentamiento de suelo (no representado), se encuentra conectado al circuito 63 de agua.
En primer lugar se explica una operación durante la operación de calentamiento en el ciclo 50a de refrigeración. Durante la operación de calentamiento, la válvula 59 de cuatro vías está establecida en la dirección de la línea con trazo continuo en la FIG. 21. Obsérvese que la operación de calentamiento incluye no solo una operación de calentamiento en el acondicionador de aire sino también una operación de calentamiento de agua para aplicar calor a agua y hacer que el agua se caliente en el calentador de agua de la bomba de calor.
En la FIG. 22, un refrigerante en fase gaseosa (en el punto A de la FIG. 22), calentado y comprimido hasta alta temperatura y alta presión por medio del compresor 51, se descarga desde el compresor 51, intercambia calor en el intercambiador de calor 52 que funciona como condensador y en un radiador, y se licúa (en el punto B de la FIG. 22). En este punto, el agua que circula a través del circuito 63 de agua se calienta por medio del calor radiado desde el refrigerante y se usa para la operación de calentamiento en el acondicionador de aire y para la operación de calentamiento de agua en el calentador de agua por bomba de calor.
El refrigerante en fase líquida que ha sido licuado por medio del intercambiador de calor 52, se descomprime y se cambia a un estado de dos fases gas-líquido por medio del mecanismo 53 de expansión (en el punto C de la FIG. 22). El refrigerante cambiado al estado de dos fases gas-líquido por medio del mecanismo 53 de expansión intercambia calor con el refrigerante arrastrado hacia el compresor 51 en el receptor 54 a efectos de ser enfriado y licuado (en el punto D de la FIG. 22). El refrigerante en fase líquida que ha sido licuado por el receptor 54 se divide entre el circuito 58 principal de refrigerante y el circuito 62 de inyección y circula por los mismos.
El refrigerante en fase líquida que fluye a través del circuito 58 principal de refrigerante intercambia calor con el refrigerante descomprimido y que ha cambiado al estado de dos fases gas-líquido por medio del mecanismo 61 de expansión y que fluye a través del circuito 62 de inyección y que es enfriado aún más por medio del intercambiador de calor 55 interno (en el punto E de la FIG. 22). El refrigerante en fase líquida enfriado por el intercambiador de
calor 55 interno se descomprime y se hace que cambie al estado de dos fases gas-líquido por medio del mecanismo 56 de expansión (en el punto F de la FIG. 22). El refrigerante que ha cambiado al estado de dos fases gas-líquido por medio del mecanismo 56 de expansión intercambia calor con el aire del exterior en el intercambiador de calor 57 que funciona como evaporador y se calienta (en el punto G de la FIG. 22). El refrigerante calentado por el intercambiador de calor 57 se calienta aún más por medio del receptor 54 (en el punto H de la FIG. 22) y es arrastrado hacia el compresor 51.
Por otra parte, según se ha explicado con anterioridad, el refrigerante que fluye a través del circuito 62 de inyección se descomprime por medio del mecanismo 61 de expansión (en el punto I de la FIG. 22) e intercambia calor en el intercambiador de calor 55 interno (en el punto J de la FIG. 22). El refrigerante (un refrigerante de inyección) en el estado de dos fases gas-líquido que ha intercambiado calor en el intercambiador de calor 55 interno fluye hacia el compresor 51 desde el conducto de inyección del compresor 51 mientras mantiene el estado de dos fases gaslíquido.
En el compresor 51, el refrigerante arrastrado desde el circuito 58 principal de refrigerante (en el punto H de la FIG. 22) se comprime y se calienta a una presión intermedia (en el punto K de la FIG. 22). El refrigerante de inyección (en el punto J de la FIG. 22) se fusiona con el refrigerante comprimido y calentado a la presión intermedia (en el punto K de la FIG. 22); por lo tanto, la temperatura del refrigerante cae (en el punto L de la FIG. 22). El refrigerante que tiene la temperatura baja (en el punto L de la FIG. 22) se comprime más y se calienta hasta alta temperatura y alta presión, y se descarga (en el punto A de la FIG. 22).
Obsérvese que, cuando no se realiza la operación de inyección, el mecanismo 61 de expansión está totalmente cerrado. Es decir, cuando se realiza la operación de inyección, el grado de apertura del mecanismo 61 de expansión es mayor que un grado de apertura predeterminado. Sin embargo, cuando no se realiza la operación de inyección, el grado de apertura del mecanismo 61 de expansión se establece en un valor más pequeño que el grado de apertura predeterminado. En consecuencia, el refrigerante no fluye hacia el conducto de inyección del compresor 51. Obsérvese que el grado de apertura del mecanismo 61 de expansión está controlado mediante control electrónico por medio de una unidad de control (no representada), tal como un microordenador.
Ahora se explica el funcionamiento durante una operación de enfriamiento en el ciclo 50a de refrigeración. Durante la operación de enfriamiento, la válvula 59 de cuatro vías está ajustada en la dirección indicada por medio de la línea discontinua en la FIG. 21. Obsérvese que, la operación de enfriamiento incluye no solo una operación de enfriamiento en el acondicionador de aire sino también el arrastre del calor del agua para hacer que el agua se enfríe en el refrigerador, y una operación de congelación en la máquina de congelar.
El refrigerante en fase gas (en el punto A de la FIG. 22) calentado y comprimido a alta temperatura y alta presión por medio del compresor 51, se descarga desde el compresor 51, intercambia calor en el intercambiador de calor 57 que funciona como condensador y como radiador, y se licúa (en el punto B de la FIG. 22). El refrigerante en fase líquida que ha sido licuado por medio del intercambiador de calor 57, se descomprime y se cambia al estado de dos fases gas-líquido por medio del mecanismo 56 de expansión (en el punto C de la FIG. 22). El refrigerante cambiado al estado de dos fases gas-líquido por medio del mecanismo 56 de expansión intercambia calor en el intercambiador de calor 55 interno de modo que se enfría y se licúa (en el punto D de la FIG. 22). En el intercambiador de calor 55 interno, el refrigerante cambiado al estado de dos fases gas-líquido por medio del mecanismo 56 de expansión intercambia calor con el refrigerante cambiado al estado de dos fases gas-líquido por descompresión del refrigerante en fase líquida que ha sido licuado en el intercambiador de calor 55 interno, en el mecanismos 61 de expansión (en el punto I de la FIG. 22). El calor intercambiado del refrigerante en fase líquido en el intercambiador de calor 55 interno (en el punto D de la FIG. 22) se divide entre el circuito 58 principal de refrigerante y el circuito 62 de inyección, y fluye por los mismos.
El refrigerante líquido que fluye a través del circuito 58 principal de refrigerante intercambia calor con el refrigerante arrastrado hacia el compresor 51 y se enfría aún más por medio del receptor 54 (en el punto E de la FIG. 22). El refrigerante en fase líquida enfriado por el receptor 54 se descomprime y se cambia al estado de dos fases gaslíquido por medio del mecanismo 53 de expansión (en el punto F de la FIG. 22). El refrigerante cambiado al estado de dos fases gas-líquido por el mecanismo 53 de expansión intercambia calor y se calienta por medio del intercambiador de calor 52 que funciona como evaporador (en el punto G de la FIG. 22). En este punto, el refrigerante absorbe calor, con lo que el agua que circula a través del circuito 63 de agua se enfría y se usa para la operación de enfriamiento en el acondicionador de aire y en la operación de congelación en la máquina de congelar. El refrigerante calentado por el intercambiador de calor 52 se calienta además por medio del receptor 54 (en el punto H de la FIG. 22) y es arrastrado hacia el compresor 51.
Por el contrario, según se ha explicado con anterioridad, el refrigerante que circula a través del circuito 62 de inyección se descomprime por medio del mecanismo 61 de expansión (en el punto I de la FIG. 22) e intercambia calor en el intercambiador de calor 55 interno (en el punto J de la FIG. 22). El refrigerante (el refrigerante de inyección) en el estado de dos fases gas-líquido que ha intercambiado calor en el intercambiador de calor 55 interno, fluye hacia el compresor 51 desde el conducto de inyección del compresor 51 mientras mantiene el estado de dos fases gas-líquido.
Una operación de compresión en el compresor 51 es similar a la compresión durante la operación de calentamiento. Por lo tanto, se omite la explicación de la misma.
Obsérvese que, cuando no se realiza la operación de inyección, al igual que en la operación de calentamiento, el mecanismo 61 de expansión está completamente cerrado para impedir que el refrigerante fluya hacia el conducto de inyección del compresor 51.
En la explicación que antecede, el intercambiador de calor 52 se explica como un intercambiador de calor a modo de intercambiador de calor del tipo de placa que intercambia calor entre el refrigerante y el agua que circula en el circuito 63 de agua. El intercambiador de calor 52 no se limita a ese caso y puede ser de otros tipos de intercambiadores de calor que intercambien calor entre un refrigerante y el aire.
El circuito 63 de agua puede no ser un circuito a través del cual circule agua, sino que puede ser un circuito a través del cual circule un fluido distinto del agua.
Según se ha explicado con anterioridad, con el acondicionador de aire, el calentador de agua por bomba de calor, el refrigerador y la máquina de congelar de la segunda realización, por aplicación del dispositivo de bomba de calor descrito en la primera realización, es posible obtener los efectos explicados en la primera realización.
Obsérvese que, como elementos de conmutación que configuran el inversor en las realizaciones y como diodos de reflujo conectados a los elementos de conmutación en paralelo, en general, se usa principalmente un semiconductor de Si fabricado con silicio (Si). Sin embargo, se puede usar un semiconductor de amplia banda prohibida (WBG) fabricado con carburo de silicio (SiC), nitruro de galio (GaN) o diamante.
Los elementos de conmutación y los elementos de diodo formados por medio de dicho semiconductor WBG tienen una alta resistencia a la tensión y también admiten una alta densidad de corriente. Por lo tanto, es posible reducir el tamaño de los elementos de conmutación y de los elementos de diodo. Con el uso de los elementos de conmutación y los elementos de diodo de tamaño reducido, es posible reducir el tamaño de un módulo semiconductor que incorpore estos elementos.
Los elementos de conmutación y los elementos de diodo formados por medio de dicho semiconductor WBG tienen también una alta resistencia al calor. Por lo tanto, es posible reducir de tamaño las aletas de radiación de calor de un sumidero de calor, y cambiar una sección de enfriamiento de agua a enfriamiento de aire. Por lo tanto, es posible reducir aún más el tamaño del módulo semiconductor.
Además, los elementos de conmutación y los elementos de diodo formados mediante dicho semiconductor WBG tienen una pérdida de potencia baja. Por lo tanto, los elementos de conmutación y los elementos de diodo pueden estar realizados de modo que tengan una alta eficiencia, permitiendo con ello que un módulo semiconductor sea altamente eficiente.
La conmutación a una frecuencia más alta resulta posible. Así, es posible alimentar una corriente eléctrica que tenga una frecuencia más alta al motor de compresor. Por lo tanto, es posible reducir la corriente eléctrica que fluye hasta el inversor mediante una reducción de la corriente de un bobinado mediante un incremento de la impedancia del bobinado del motor de compresor. Por lo tanto, es posible obtener un dispositivo de bomba de calor que tenga una eficiencia más alta. Además, puesto que es fácil incrementar la frecuencia, existe la ventaja de que, por ejemplo, es posible establecer una frecuencia igual o mayor que la banda de frecuencia audible y resulta fácil adoptar medidas contra el ruido.
Cuando se usa energización de corriente continua junto con la energización de alta frecuencia, por ejemplo, no solo existe la ventaja de que la generación de calor se reduce debido a que la pérdida de potencia disminuye, sino también la ventaja de que, incluyo aunque fluya una corriente elevada, se puede obtener un dispositivo de bomba de calor con una alta fiabilidad debido a que el comportamiento de resistencia al calor es alto.
Obsérvese que, resulta deseable que tanto los elementos de conmutación como los elementos de diodo estén formados por el semiconductor WBG. Sin embargo, al menos uno de los elementos puede estar formado por el semiconductor WBG. Es posible obtener los efectos en las realizaciones.
Además del semiconductor WBG, cuando se usa un MOSFET (Transistor de Efecto de Campo de Semiconductor de Óxido Metálico) con una estructura de super unión conocido como elemento de conmutación de alta eficiencia, también es posible obtener los mismos efectos.
En un compresor de un mecanismo de desplazamiento, resulta difícil el aligeramiento de la presión de una cámara de compresión. Por lo tanto, en comparación con compresores de otros sistemas, es altamente probable que se aplique un esfuerzo excesivamente grande a un mecanismo de compresión cuando se realiza una compresión de líquido. Sin embargo, el dispositivo de bomba de calor según las realizaciones, es posible que caliente eficazmente el compresor y suprima el estancamiento de refrigerante líquido en el compresor. Por lo tanto, puesto que es posible impedir la compresión del líquido, el dispositivo de bomba de calor es también eficaz cuando se usa el compresor de mecanismo de desplazamiento.
Además, cuando se lleva a cabo energización de alta frecuencia, en el caso de un dispositivo de calentamiento que exceda una frecuencia de 10 kilohertzios y una salida de 50 vatios, el dispositivo de calentamiento está a veces limitado por ley. Por lo tanto, el comando V* de tensión puede ser ajustado de antemano de tal modo que la potencia no supere los 50 vatios, o que la corriente circulante y la tensión puedan ser detectadas para realizar un control de realimentación tal que la potencia sea igual o menor de 50 vatios.
Obsérvese que la unidad de control de inversor puede ser configurada por medio de un sistema discreto de una CPU (Unidad Central de Proceso), un DSP (Procesador de Señal Digital), o un microordenador. Además, la unidad de control de inversor puede ser configurada por medio de un elemento de circuito eléctrico tal como un circuito analógico o un circuito digital.
Las configuraciones ilustradas en las realizaciones anteriores son ejemplos de configuración de la presente invención, y resulta obvio que las configuraciones pueden ser combinadas con otras tecnologías públicamente conocidas, y las configuraciones pueden ser cambiadas, por ejemplo, omitiendo una parte de las mismas sin apartarse del alcance de la presente invención, según se define en las reivindicaciones anexas.
Aplicabilidad industrial
Según se ha explicado con anterioridad, la presente invención es útil como tecnología para impedir que un refrigerante líquido se estanque en un compresor cuando el compresor está en espera de funcionamiento en un dispositivo de bomba de calor y en un acondicionador de aire, un calentador de agua por bomba de calor, un refrigerador y una máquina de congelar, que incluyen el dispositivo de bomba de calor y, en particular, adecuado para una configuración en la que una tensión de alta frecuencia que tiene una frecuencia más alta que la frecuencia durante un funcionamiento normal, se suministra al motor de compresor para llevar a cabo energización bloqueada.
Lista de signos de referencia
1 compresor, 2 válvula de cuatro vías, 3 intercambiador de calor, 4 mecanismo de expansión, 5 intercambiador de calor, 6 conducto de refrigerante, 7 mecanismo de compresión, 8 motor de compresor, 9 inversor, 10 unidad de control de inversor, 11 fuente de tensión de corriente continua, 12 unidad de control de energización bloqueada, 13 unidad de generación de señal de accionamiento, 14 unidad de cálculo de potencia, 15 unidad de generación de comando de tensión de alta frecuencia, 16 unidad de generación de comando de fase de tensión de alta frecuencia, 17 unidad de generación de comando de potencia de calentamiento, 19 unidad de cálculo de comando de tensión, 20 unidad de generación de señal de PWM, 22 unidad de inversión de fase de tensión de alta frecuencia, 23a a 23c sumador, 24 unidad de detección, 25 unidad de determinación de reintento, 26 unidad de cálculo de potencia, 28a a 28f multiplicador, 29a a 29e unidad de cálculo de suma, 30a a 30e divisor, 31a a 31c unidad de cálculo de raíz cuadrada, 32 unidad de cálculo de valor medio, 33 convertidor de corriente/potencia, 50, 50a ciclo de refrigeración, 51 compresor, 52, 57 intercambiador de calor, 53, 56, 61 mecanismo de expansión, 54 receptor, 55 intercambiador de calor interno, 58 circuito principal de refrigerante, 59 válvula de cuatro vías, 60 ventilador, 62 circuito de inyección, 63 circuito de agua, 70a a 70f elementos de conmutación, 80a a 80f diodos de reflujo, 100 dispositivo de bomba de calor.
Claims (17)
1. Un dispositivo (100) de bomba de calor que incluye un compresor que tiene un mecanismo de compresión y un motor de compresor, un inversor (9) que aplica una tensión deseada al motor (8) de compresor, comprendiendo el dispositivo de bomba de calor una unidad (10) de control de inversor configurada para restablecer, en base a tensiones de interfase respectivas, tensiones de fase respectivas, o corrientes de fase respectivas del motor de compresor para una pluralidad de ciclos de energización de alta frecuencia cuando una tensión de alta frecuencia que tiene una frecuencia más alta que la frecuencia durante el funcionamiento normal se suministra al motor de compresor para llevar a cabo energización bloqueada del motor de compresor mientras un compresor (1) está en espera de funcionamiento, las respectivas tensiones de interfase, las respectivas tensiones de fase, o las respectivas corrientes de fase para un intervalo predeterminado de la pluralidad de ciclos de energización de alta frecuencia, y para controlar una tensión que va a aplicarse al motor de compresor en base a al menos uno de los valores de detección respectivos restablecidos para el intervalo predeterminado.
2. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 1, en donde la unidad (10) de control de inversor está configurada para detectar, en cada uno de los ciclos desde el ciclo uno hasta el ciclo n de los ciclos de energización de alta frecuencia, en donde n es un número entero igual a o mayor de 2, las respectivas tensiones de interfase, las respectivas tensiones de fase, o las respectivas corrientes de fase en una fase que es un m/n de ciclo posterior a un punto de inicio de uno correspondiente de los ciclos, y que es diferente para cada uno de los ciclos, en donde m es un número natural igual a o menor de n, para calcular un valor de potencia usando los valores de detección respectivos para un ciclo de energización de alta frecuencia, para generar un comando de potencia de calentamiento necesario para descargar un refrigerante líquido estancado en el compresor (1) hacia fuera del compresor, y controlar de tal manera que el valor de potencia coincida con el comando de potencia de calentamiento.
3. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 2, en donde la unidad (10) de control de inversor está configurada para detectar las respectivas tensiones de interfase, las respectivas tensiones de fase, o las respectivas corrientes de fase mientras cambia una fase en 1/n de ciclo a la vez sobre los n ciclos de energización de alta frecuencia, en donde n es un número entero igual a o mayor de 2.
4. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 2, en donde, mientras la unidad (10) de control de inversor está detectando los valores de detección respectivos para un ciclo de energización de alta frecuencia, cuando un valor de tensión de bus del inversor (9) fluctúa por encima de un intervalo predeterminado, la unidad (10) de control de inversor está configurada para desechar los valores de detección respectivos que hayan sido detectados, y para reiniciar la detección de los valores de detección respectivos a partir de un primer ciclo de energización de alta frecuencia.
5. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 2, en donde la unidad (10) de control de inversor está configurada para invertir una fase de la tensión de alta frecuencia en sincronización con una señal portadora del inversor (9).
6. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 5, en donde la unidad (10) de control de inversor está configurada para establecer una fase de referencia de la tensión de alta frecuencia en un múltiplo de 60° con respecto a la señal portadora del inversor (9).
7. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 2, en donde la unidad (10) de control de inversor está configurada para detectar al menos una de la temperatura de cualquiera de las partes o los componentes que configuran el dispositivo de bomba de calor y la temperatura atmosférica, y para estimar la cantidad de refrigerante líquido.
8. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 2, en donde la unidad (10) de control de inversor está configurada para percibir una cantidad de líquido o una superficie líquida del refrigerante líquido estancado en el compresor (1), y para detectar la cantidad de refrigerante líquido.
9. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 2, en donde la unidad (10) de control de inversor está configurada para generar el comando de potencia de calentamiento según una característica del compresor (1).
10. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 2, en donde la unidad (10) de control de inversor está configurada para tener, como característica de ganancia y de frecuencia cuando detecta las corrientes de fase, al menos dos clases de características de ganancia y dos clases de características de frecuencia para la energización bloqueada y para un funcionamiento normal para el accionamiento del motor (8) de compresor.
11. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 1, en donde al menos uno de los elementos de conmutación que constituyen el inversor (9) está formado a partir de un semiconductor de amplia banda prohibida.
12. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 1, en donde un diodo que constituye el inversor (9) está formado a partir de un semiconductor de amplia banda prohibida.
13. El dispositivo (100) de bomba de calor según la reivindicación 11 o 12, en donde el semiconductor de amplia banda prohibida es cualquiera de carburo de silicio, un material de nitruro de galio, y diamante.
14. Un acondicionador de aire que comprende el dispositivo (100) de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
15. Un calentador de agua por bomba de calor que comprende el dispositivo (100) de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
16. Un refrigerador que comprende el dispositivo (100) de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
17. Una máquina de congelar que comprende el dispositivo (100) de bomba de calor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
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