JP2013242081A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流を抑制しつつ、より大きい容量の平滑コンデンサを用いずにコストダウンを図る。
【解決手段】室外機１はブリッジダイオード１３と、平滑コンデンサ１４と、直流電源の電圧を検出する電圧検出部１６と、モータ１８と、インバータ１７と、交流電源３の接続／切断を行うパワーリレー１２と、平滑コンデンサ１４の容量を推測するコンデンサ容量推測手段２０と、記憶部１９ｂと、室外機制御部１９とを備えている。記憶部１９ｂには平滑コンデンサ１４の容量減少に対応して規定した連続運転可能な直流電源の電圧限度値である瞬断閾値を格納した瞬断閾値テーブルが予め記憶されており、室外機制御部１９は、コンデンサ容量推測手段２０で得られた平滑コンデンサ１４の容量に対する瞬断閾値を瞬断閾値テーブルから抽出し、抽出した瞬断閾値よりも直流電源の電圧が低下した時、パワーリレー１２を切断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機に係わり、より詳細には、空気調和機に供給される交流電源が一時的に切断されたり、交流電源の電圧が空気調和機の定格電圧以下に一時的に低下する瞬断や瞬時電圧変動に対応する制御に関する。

従来、空気調和機は交流電源を整流して平滑コンデンサで平滑し、この平滑された直流電圧でインバータを駆動して圧縮機を運転するようになっている。この交流電源が一時的に切断されたり電圧が機器の定格以下に低下する瞬断や瞬時電圧変動が発生しても一定時間以内の瞬断（数十ミリセカンド）では、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を用いて圧縮機の運転を継続するようになっている。そして、一定時間以上の瞬断では圧縮機などの動作を一旦停止させ、あらためて再起動するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
なお、本願では瞬断や瞬時電圧変動を総称して瞬断と呼称する。

この瞬断が発生した場合、圧縮機に供給される電源用の平滑コンデンサの電圧が低下し、交流電源が復帰した時に平滑コンデンサへの突入電流が発生して、このコンデンサやリレーなどの部品が破壊されるおそれがある。このため、瞬断による再起動では、交流電源を供給／切断するパワーリレーをオフすると共に、平滑コンデンサへ流れる電流を抑制する突入電流防止抵抗によってコンデンサを徐々に充電することで部品の破壊を防止するようになっている。

図６はこのような突入電流防止回路を備えた空気調和機の室外機のブロック図である。
交流電源８１の２本の電源ラインはブリッジダイオード８３の入力端に接続されており、ブリッジダイオード８３で整流された後、平滑コンデンサ８４で平滑されて直流電圧としてインバータ部８５へ供給されて圧縮機のモータ８７を駆動するようになっている。一方、交流電源８１とブリッジダイオード８３との間の２本の電源ラインの一方にはパワーリレー９２が直列に配置され、このパワーリレー９２と並列に突入電流防止抵抗９１が接続されている。そして、パワーリレー９２はドライブ回路９３を介して、また、インバータ部８５はドライブ回路９０を介して、それぞれ制御装置８９によって制御される構成になっている。

空気調和機の運転開始により交流電源８１を供給する、もしくは運転中の瞬断により空気調和機の定格電圧以下の状態から定格電圧以内の電圧に復帰する場合、制御装置８９はパワーリレー９２を所定時間だけオフ状態としておく。この間に交流電源８１による入力電流は突入電流防止抵抗９１とブリッジダイオード８３とを介して平滑コンデンサ８４に流れ込み、この電圧を徐々に上昇させる。そして、制御装置８９は所定時間が経過して突入電流が規定値以下になったと思われるタイミングでパワーリレー９２をオンにする。このようにしてインバータ部８５には規定の電圧が印加され、制御装置８９はインバータ部８５の駆動を開始してモータ８７の運転を開始する（例えば、特許文献２参照。）。

瞬断や瞬時電圧変動の発生を検出するためには、交流電源からの入力電圧、又は、平滑コンデンサ両端の直流電圧を監視する方法があるが、廉価な機器では平滑コンデンサの両端電圧を監視する方法が一般的である。この場合、直流電圧の閾値を設けて一定電圧以下になった時、つまり、規定時間以上の瞬断や瞬時電圧変動の発生によって一旦空気調和機の運転を停止し、その後、再起動処理を実行する構成となっている。

しかしながら、平滑コンデンサは経年変化や周囲温度、充放電電流の量、つまり、モータの運転状態など、様々な要因によって容量が減少するという特性がある。このため、この特性によって瞬断が発生しても空気調和機の運転を継続可能な時間が短くなってしまう。このため、平滑コンデンサの容量にマージンを持たせ、より大きい容量の平滑コンデンサを用いねばならないためコストが上昇してしまう問題がある。また、平滑コンデンサの容量を大きくすると突入電流が増加するという問題もあった。

特開平４−３０２９８号公報（第２−３頁、図１） 特開平５−１６８２４８号公報（第２−３頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、突入電流を抑制しつつ、より大きい容量の平滑コンデンサを用いずにコストダウンを図ることを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発明は、交流電源を整流する整流器と、整流された電圧を平滑して直流電源にするコンデンサと、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、前記直流電源を入力しモータを駆動するインバータと、前記交流電源と前記整流器との間に直列に配置されたスイッチ手段と、前記コンデンサの容量を推測するコンデンサ容量推測手段と、記憶部と、前記電圧検出手段と前記コンデンサ容量推測手段からの信号を入力すると共に、前記インバータと前記スイッチ手段を制御し、所定の前記直流電源の電圧値である瞬断閾値よりも検出した前記直流電源の電圧が低下した時に前記スイッチ手段を切断する制御部とを備え、
前記記憶部には前記コンデンサの容量に対応して、前記モータが連続運転可能な前記直流電源の電圧限度値である前記瞬断閾値を格納した瞬断閾値テーブルが予め記憶されており、
前記制御部は、前記コンデンサ容量推測手段で得られたコンデンサ容量に対する前記瞬断閾値を前記瞬断閾値テーブルから抽出することを特徴とする。

以上の手段を用いることにより、本発明による空気調和機によれば、請求項１に係わる発明は、直流電源を平滑するコンデンサの経時変化による容量の減少に対応して、瞬断閾値を初期値の値よりも徐々に低下させるように変更するため、コンデンサに蓄積された電荷を有効に活用し、より大きい容量の平滑コンデンサを用いる必要がなくなるため、突入電流を抑制しつつコストダウンを図ることができる。

本発明による空気調和機の実施例を示すブロック図である。 本発明の原理を説明する説明図である。 瞬断閾値を説明するグラフとテーブルである。 平滑コンデンサの容量を推測する原理を説明する説明図である。 室外機制御部の処理を説明するフローチャートである。 従来の空気調和機を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明による空気調和機の実施例を示すブロック図である。この空気調和機は交流電源３が接続された室外機１と、この室外機１と通信接続された室内機２とを備えている。

室外機１は、交流電源３の２本のラインが入力端に接続された整流器であるブリッジダイオード１３と、同ブリッジダイオード１３の出力端の正極と負極とが入力端に接続され、出力端がモータ１８に接続されたインバータ１７と、交流電源３とブリッジダイオード１３の入力端との一方のラインに直列に接続されると共に、直列に接続された突入電流防止抵抗１０と突入電流防止リレー１１とが並列に接続されたスイッチ手段であるパワーリレー１２と、ブリッジダイオード１３の出力端の正極と負極との間に接続された平滑コンデンサ１４及び電圧検出手段である直流電圧検出部１６と、突入電流防止リレー１１とパワーリレー１２とインバータ１７を制御すると共に、直流電圧検出部１６の検出信号を入力する室外機制御部１９と、平滑コンデンサ１４の容量を推測するコンデンサ容量推測手段２０とを備えている。

また、室外機制御部１９はその内部に、直流電圧検出部１６が出力する直流電圧検出信号をＡ／Ｄ変換して直流電圧値に変換するＡ／Ｄ変換部１９ａと、後述する瞬断閾値テーブルを記憶する記憶部１９ｂとを備えている。なお、コンデンサ容量推測手段２０は直流電圧検出部１６と一部の室外機制御部１９とで構成されている。

室外機制御部１９は室内機２からの運転指示の送信データを受信し、これに対応して突入電流防止リレー１１とパワーリレー１２とのオン／オフ動作や、インバータ１７によるモータ１８の回転を制御する。また、室外機制御部１９は、直流電圧検出部１６の直流電圧検出信号を常に監視しており、平滑コンデンサ１４のリップル電圧（所定期間における最大値と最小値の差）に基づいて平滑コンデンサの容量を推測する。これがコンデンサ容量推測手段である。そして、平滑コンデンサ１４の定格の容量に対する現在の容量の率であるコンデンサ容量率を算出する。

そして、この平滑コンデンサの容量率に対応した瞬断閾値と直流電圧値との比較により、交流電源３の供給が停止、又は低下してこれ以上室外機１の運転が継続不可能となった時を検出し、一旦運転を停止した後、再起動の処理を開始する。なお、運転継続可能な瞬断の時間は空気調和機の仕様により決定されており、一般的には２０ｍＳ（ミリセカンド）前後の期間で運転を継続可能なようになっている。また、本実施例では所定時間以上継続した瞬断によって室外機１が一旦停止した後、再起動しなければならないタイミングを瞬断再起動の発生と呼称する。

瞬断再起動は瞬断時間の長さだけで決定されるものでなく、その時の室外機１の運転状況によっても発生タイミングが異なる。つまり、モータ１８が高回転している場合は、消費電流が多くて平滑コンデンサ１４の電圧が急激に低下するため、瞬断が発生してから平滑コンデンサ１４の電圧が瞬断閾値よりも低下するまでの時間は短い。一方、逆にモータ１８が停止している場合は消費電流が少なくて平滑コンデンサ１４の電圧がゆっくり低下するため、瞬断が発生してから平滑コンデンサ１４の電圧が瞬断閾値よりも低下するまでの時間は長い。さらに平滑コンデンサ１４の容量が経年変化や低外気温などで低下している場合は瞬断が発生してから平滑コンデンサ１４の電圧が瞬断閾値よりも低下するまでの時間が短くなる。

このため、本実施例では瞬断再起動のタイミングを判定する瞬断閾値を、平滑コンデンサ１４の経年変化などによる容量の減少に対応して初期値の値よりも徐々に低下させるようにしている。このため、平滑コンデンサ１４の、より低い電圧の領域まで室外機１の運転を継続させることがでる。

次に図４の平滑コンデンサの容量を推測する原理を説明する説明図を用いて、平滑コンデンサの容量率について説明する。前述したように、平滑コンデンサの容量率とは部品仕様としての平滑コンデンサ１４の容量（定格の容量）に対する現在の平滑コンデンサ１４の容量の比率である。なお、より正確に平滑コンデンサの容量率を求める場合は、工場出荷時や平滑コンデンサを交換したした時点で、装着された平滑コンデンサの容量を測定して定格の容量として用いてもよい。
平滑コンデンサ１４の容量を求めるコンデンサ容量推測手段としては、運転停止中の静電容量の測定、放電抵抗によって電荷を放電させたコンデンサへの突入電流の測定、もしくは、放電抵抗によって電荷を放電させたコンデンサに電圧を印加して一定の電圧に到達する時間を測定するなど、種々の方法が提案されているが、本実施例ではリップル電圧の変化で平滑コンデンサ１４の容量を求める方法を説明する。

リップル電圧とは、平滑コンデンサ１４だけでは除去しきれない交流電源３の周期的な電圧変化に対応して現れる直流電圧の周期的な電圧変動であり、ここでは図４で示すように周期的な電圧変動波形の上のピークと下のピークとの間の電圧幅を示す。一般的に負荷と平滑コンデンサ１４に印加される整流電圧が一定の場合は平滑コンデンサ１４の容量が小さくなるほどリップル電圧が大きくなる。従って、このリップル電圧の初期状態（平滑コンデンサ１４が新品）の場合と、経年変化などで容量が減少した状態とをこのリップル電圧の比率で推測することができる。

例えば図４で示すように平滑コンデンサ１４が初期状態（定格容量）の場合、リップル電圧は５ボルトであるが、平滑コンデンサ１４が設計範囲においてこれ以上の電圧では機器の動作に支障が生じる限度と判断される限度状態では８．３ボルトになっている。この場合、リップル電圧の比率＝５ボルト（初期状態）／８．３ボルト（現在の状態）×１００＝６０％となる。また、現在の状態が６．２ボルトならば、約８０％になる。
このリップル電圧の比率を求める場合は負荷の変動がない場合、つまり、室外機１のインバータ１７が停止している時に室外機制御部１９が随時測定する。

次に図３のグラフとテーブルとを用いて瞬断閾値について説明する。前述したように、コンデンサ容量率、つまり平滑コンデンサ１４の容量が小さくなるに従って瞬断閾値も低下させる。これを図３（１）のグラフに示す。図３（１）のグラフの縦軸は瞬断閾値（Ｖ）を、横軸はコンデンサ容量率（％）を示している。

なお、瞬断閾値は平滑コンデンサ１４の現在の電圧（直流電圧値）と比較され、現在の電圧が瞬断閾値よりも大きい場合は再起動処理が行われない。つまり、実際に瞬断が発生して復帰した場合であっても瞬断閾値以下とならない限りパワーリレー１２はオン状態のままであり、瞬断復帰時は平滑コンデンサ１４へ突入電流が流れ込む。従ってこのグラフを作成する場合は、各コンデンサ容量率の場合に、対応する瞬断閾値を用いても関連する回路に不具合を与えない突入電流であり、かつ、空気調和機の仕様で決定された最大の瞬断期間で動作するように予め実験で求めて決定する。

図３（２）はコンデンサ容量率（％）と、瞬断閾値（Ｖ）とリップル電圧（Ｖ）とを示す瞬断閾値テーブルである。なお、実際のテーブルにはコンデンサ容量率はデータ化されておらず説明のためにのみ記載している。コンデンサ容量率は前述したようにリップル電圧を用いて算出されるため、図３（２）の瞬断閾値テーブルにおけるリップル電圧の値は、図３（１）のコンデンサ容量率と対応させて格納されている。

次に本発明の動作原理について図２を用いて説明する。図２（１）は交流電源３の電圧を示しているが、波形を表すものでなく概念的な電圧の大小を示している。なお、本発明の空気調和機は交流電源３の定格電圧が２２０ボルトであり、±１０％の範囲で動作するようになっている。従って定格電圧の−１０％、つまり、交流電源３の電圧が１９８ボルト未満になった時に瞬断が発生し、交流電源３の電圧が１９８ボルト以上になった時に瞬断から復帰したことになる。なお、この１９８ボルト未満の期間が瞬断発生期間である。また、本発明の空気調和機は２０ｍＳ未満の瞬断では再起動せずに運転を継続できる仕様になっている。

図２（２）は室外機１が最大能力で動作中に瞬断が発生した時の平滑コンデンサ１４の電圧を示している。なお、平滑コンデンサ１４は新品（定格容量）のものであり、直流電圧検出部１６で測定した瞬断発生前の平滑コンデンサ１４の両端電圧は２８０ボルト、リップル電圧は５ボルト（コンデンサ容量率は１００％）である。この場合、室外機制御部１９は、予め記憶部１９ｂに記憶されている図３（２）の瞬断閾値テーブルから、リップル電圧が５ボルトと対応する瞬断閾値：２５２ボルトを抽出し、この値と平滑コンデンサ１４の両端電圧（直流電圧）を比較して瞬断再起動の発生を判断する。

瞬断発生から２０ｍＳの間に平滑コンデンサ１４の両端電圧は徐々に低下し、２５２ボルト未満となった時に、室外機制御部１９は瞬断再起動の発生と判断して図２（５）に示すようにインバータ１７の動作を停止させる。その後、図２（６）に示すようにパワーリレー１２をオンからオフにする。ただし、図２（７）に示すように突入電流防止リレー１１はオンの状態を継続させる。

図２（１）に示すように瞬断は発生から３５ｍＳ後に解消するため、これに従って図２（２）に示すように平滑コンデンサ１４の両端電圧は徐々に上昇して瞬断発生前の２８０ボルトまで復帰する。ただし、室外機制御部１９はインバータ１７を停止、つまり、圧縮機を停止してから３分間は運転を再開しない。これは圧縮機を含む図示しない冷媒回路内の圧力が均衡するのを待つためである。

室外機制御部１９はインバータ１７を停止してから３分経過する直前に図２（６）に示すようにパワーリレー１２をオン状態にする。図２（２）に示すように３分間待つ間に、突入電流防止抵抗を介して充電電流が流れるため、平滑コンデンサ１４の電圧は元の電圧まで復帰しており突入電流の発生はわずかである。そしてこの後、インバータ１７を動作させて再起動処理を行う。

図２（３）は比較のために図示した容量が減少した後の平滑コンデンサ１４の両端電圧であり、従来のように瞬断閾値を２５２ボルトに固定した場合を示している。この場合、平滑コンデンサ１４の両端電圧は急激に低下して瞬断閾値である２５２ボルト未満に短時間で到達する。従って、このタイミングで再起動処理を行うことになってしまう。この場合、仕様で規定された瞬断期間内での運転継続ができなくなるという問題かある。このため、従来は仕様で規定された瞬断期間内での運転継続ができるように平滑コンデンサ１４の容量を予め大きくする対策が取られており、このためコストアップとなっていた。

図２（４）は図２（２）で説明した平滑コンデンサ１４の容量が減少し、図２（３）と同じ容量になった場合の本発明の動作を説明する平滑コンデンサ１４の電圧である。当然のことながらこの波形は図２（３）と同一になる。前述したように、本発明では室外機制御部１９がコンデンサ容量率に対応して瞬断閾値を低下させる制御を行っている。

図２（４）の場合にリップル電圧が８．３ボルトだとすると図３（２）の瞬断閾値テーブルから瞬断閾値は２２４ボルトになり、平滑コンデンサ１４の電圧が２２４ボルト未満となるまで室外機制御部１９はインバータ１７を動作させる。平滑コンデンサ１４の電圧が２２４ボルト未満となった時、室外機制御部１９は前述した再起動処理を開始する。

このように平滑コンデンサ１４の容量減少に対応して瞬断閾値を低下させるため、平滑コンデンサ１４の両端電圧が従来の場合（瞬断閾値が固定）よりも低い場合でもインバータ１７に電源を供給可能なため、平滑コンデンサ１４の容量を必要最小限とすることができ、コストダウンを図ることができる。また、平滑コンデンサ１４のコンデンサ容量率ごとに瞬断復帰での突入電流を考慮して瞬断閾値を決定しているため、突入電流による回路部品を破壊することがない。なお、平滑コンデンサ１４の容量が定格の状態で瞬断閾値を低く設定した場合、瞬断発生から平滑コンデンサ１４の両端電圧が低下して瞬断閾値未満となるまでの間に瞬断が終了した時に問題となる。つまり、この場合、突入電流防止リレー１１がオンのままなので、交流電圧復帰による大きな突入電流が流れ、部品が故障するおそれがある。
一方、平滑コンデンサ１４の容量減少による突入電流の低下に対応して瞬断閾値を低下させる場合、部品が故障しない所定の突入電流値以内に保つことが可能である。

次に図５のフローチャートを用いて室外機制御部１９の動作を説明する。また、図５において、ＳＴはステップを表し、これに続く数字はステップ番号を示す。また、図５中の『Ｙ』はＹｅｓを、『Ｎ』はＮｏをそれぞれ示している。なお、前提条件として突入電流防止リレー１１とパワーリレー１２とは共にオフとなっている。

室外機制御部１９は、室内機２から運転開始指示のデータを受信したか確認する（ＳＴ１）。室内機２から運転開始指示のデータを受信した場合（ＳＴ１−Ｙ）、突入電流防止リレー１１をオンにし、その一定時間後にパワーリレー１２をオンにする（ＳＴ７）。

次にリップル電圧を測定する。そして測定したリップル電圧に対応した瞬断閾値を瞬断閾値テーブルから抽出する（ＳＴ８）。リップル電圧は少なくとも交流電源３の周波数の１周期分の時間だけ平滑コンデンサ１４の電圧をサンプリングし、最大電圧と最低電圧との差を算出することで求めることができる。次に、インバータ１７の運転を開始してＳＴ１へジャンプする。

室内機２から運転開始指示のデータを受信していない場合（ＳＴ１−Ｎ）、瞬断再起動を検出したか確認する（ＳＴ２）。この場合、直流電圧検出部１６で検出した現在の電圧値がＳＴ８で抽出した瞬断閾値よりも低い場合を瞬断再起動を検出したとしている。瞬断再起動を検出していない場合（ＳＴ２−Ｎ）、現在の状態を継続し（ＳＴ１０）、ＳＴ１へジャンプする。なお、現在の状態とは、現在、モータ１８が回転中であれば指示された空調運転内容に従って回転を制御したり、モータ１８が停止して室外機１が待機状態であればその状態を継続することである。

一方、瞬断再起動を検出した場合（ＳＴ２−Ｙ）、現在、インバータ１７を運転中か確認する（ＳＴ３）。現在、インバータ１７を運転中でない場合（ＳＴ３−Ｎ）、ＳＴ１０へジャンプする。現在、インバータ１７を運転中の場合（ＳＴ３−Ｙ）、インバータ１７の運転を停止し、パワーリレー１２をオフにする（ＳＴ４）。

そしてインバータ１７の運転を停止してから３分間経過したか確認する（ＳＴ５）。インバータ１７の運転を停止してから３分間経過していない場合（ＳＴ５−Ｎ）、ＳＴ５へジャンプする。インバータ１７の運転を停止してから３分間経過した場合（ＳＴ５−Ｙ）、パワーリレー１２をオンにしてインバータ１７の運転を開始する（ＳＴ６）。そしてＳＴ１へジャンプする。

本実施例では交流電源が単相の場合で説明しているが、これに限るものでなく、三相交流電源を用いた場合にも適用できる。

１ 室外機
２ 室内機
３ 交流電源
１０ 突入電流防止抵抗
１１ 突入電流防止リレー
１２ パワーリレー（スイッチ手段）
１３ ブリッジダイオード（整流器）
１４ 平滑コンデンサ
１６ 直流電圧検出部（電圧検出手段）
１７ インバータ
１８ モータ
１９ 室外機制御部
１９ａ Ａ／Ｄ変換部
１９ｂ 記憶部
２０ コンデンサ容量推測手段

Claims (1)

1. 交流電源を整流する整流器と、整流された電圧を平滑して直流電源にするコンデンサと、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、前記直流電源を入力しモータを駆動するインバータと、前記交流電源と前記整流器との間に直列に配置されたスイッチ手段と、前記コンデンサの容量を推測するコンデンサ容量推測手段と、記憶部と、前記電圧検出手段と前記コンデンサ容量推測手段からの信号を入力すると共に、前記インバータと前記スイッチ手段を制御し、所定の前記直流電源の電圧値である瞬断閾値よりも検出した前記直流電源の電圧が低下した時に前記スイッチ手段を切断する制御部とを備え、
   前記記憶部には前記コンデンサの容量に対応して、前記モータが連続運転可能な前記直流電源の電圧限度値である前記瞬断閾値を格納した瞬断閾値テーブルが予め記憶されており、
   前記制御部は、前記コンデンサ容量推測手段で得られたコンデンサ容量に対する前記瞬断閾値を前記瞬断閾値テーブルから抽出することを特徴とする空気調和機。

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