(57)【要約】【課題】省エネ性と圧縮機振動の抑制との両立が可能な圧縮機の制御装置を提供する。【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を蒸発させて冷気を生成する蒸発器と、を有する冷凍サイクルに配された圧縮機のモータの制御装置であって、消費電力が比較的小さい電流脈動抑制制御と、圧縮機の振動が比較的小さい速度脈動抑制制御とを切替えて実行可能であり、モータの運転周波数が低く、かつ、蒸発器の蒸発温度が高い場合に速度脈動抑制制御を実行する。【選択図】図６
2020118408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
冷媒を蒸発させて冷気を生成する蒸発器と、を有する冷凍サイクルに配された前記圧縮機のモータの制御装置であって、
消費電力が比較的小さい電流脈動抑制制御と、前記圧縮機の振動が比較的小さい速度脈動抑制制御とを切替えて実行可能であり、
前記モータの運転周波数が低く、かつ、前記蒸発器の蒸発温度が高い場合に前記速度脈動抑制制御を実行する制御装置。
【請求項２】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
冷媒を比較的高温で蒸発させて冷気を生成する冷蔵蒸発器と、
冷媒を比較的低温で蒸発させて冷気を生成する冷凍蒸発器と、
圧縮された冷媒を前記冷蔵蒸発器側又は前記冷凍蒸発器側いずれに供給するか切替える弁と、を有する、冷凍サイクルに配された前記圧縮機のモータの制御装置であって、
消費電力が比較的小さい電流脈動抑制制御と、前記圧縮機の振動が比較的小さい速度脈動抑制制御とを切替えて実行可能であり、
前記モータの運転周波数が低く、かつ、前記弁が前記冷媒を前記冷蔵蒸発器に流す状態である場合に前記速度脈動抑制制御を実行する制御装置。
【請求項３】
前記電流脈動抑制制御は、ｑ軸電流値を目的変数とする制御であり、
前記速度脈動抑制制御は、軸誤差を目的変数とする制御であり、
前記モータの運転周波数が高い場合は、ｑ軸電流値にも軸誤差にも依らず指令周波数と実周波数との残差を目的変数とする制御を実行する請求項１又は２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記冷凍サイクル及び請求項１乃至３何れか一項に記載の制御装置を有する冷蔵庫であって、
当該冷蔵庫外の温度値を取得する庫外温度センサを有し、
前記蒸発器の蒸発温度が高い又は前記弁が前記冷媒を前記冷蔵蒸発器に流す状態であり、かつ、前記モータの運転周波数が低い、及び、前記庫外温度センサの検知値が高い場合に前記速度脈動抑制制御を実行する冷蔵庫。
【請求項５】
請求項１乃至３何れか一項に記載の制御装置を有する圧縮機又は冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの制御装置並びにそれを用いた圧縮機及び冷蔵庫に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばピストンがシリンダ内を往復動する往復動圧縮機は、ピストンの１往復中に流体の吸込・圧縮・吐出をそれぞれ行うため、流体がピストンに与える負荷が変動する。例えば吸込過程では負荷が小さく、圧縮過程では大きい。このため、モータ負荷トルク、ひいてはモータ速度（モータの運転周波数）やモータ電流が理想的な正弦波から外れて脈動が発生する。モータ速度の脈動は圧縮機の振動・騒音に繋がり得て、モータ電流の脈動は省エネ性の低下につながり得る。特にモータ速度の脈動は、ピストンの往復動の慣性が小さい場合、すなわち、ピストンの低速領域（モータの低運転周波数領域）で顕著になる。
【０００３】
特許文献１は、コンプレッサの運転周波数が一定値以下のときにトルク脈動補正（速度脈動補正に相当する。）を行う旨を開示している（請求項１、００４１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１１９９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モータ速度の脈動を抑制する（振動を抑制する）制御とモータ電流の脈動を抑制する（省エネ性の向上を試みる）制御とは択一的な関係にあるのが一般である。すなわち、速度脈動の抑制を主眼とした制御（振動抑制制御）は、その必要性が大きい場合に限って行われるのが望ましい。すなわち、モータ速度以外の値にも注目して、振動抑制制御（速度脈動抑制制御）の必要性の判定基準を改善することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記事情に鑑みてなされた第１の本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
冷媒を蒸発させて冷気を生成する蒸発器と、を有する冷凍サイクルに配された前記圧縮機のモータの制御装置であって、
消費電力が比較的小さい電流脈動抑制制御と、前記圧縮機の振動が比較的小さい速度脈動抑制制御とを切替えて実行可能であり、
前記モータの運転周波数が低く、かつ、前記蒸発器の蒸発温度が高い場合に前記速度脈動抑制制御を実行する。
【０００７】
上記事情に鑑みてなされた第２の本発明は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
冷媒を比較的高温で蒸発させて冷気を生成する冷蔵蒸発器と、
冷媒を比較的低温で蒸発させて冷気を生成する冷凍蒸発器と、
圧縮された冷媒を前記冷蔵蒸発器側又は前記冷凍蒸発器側いずれに供給するか切替える弁と、を有する、冷凍サイクルに配された前記圧縮機のモータの制御装置であって、
消費電力が比較的小さい電流脈動抑制制御と、前記圧縮機の振動が比較的小さい速度脈動抑制制御とを切替えて実行可能であり、
前記弁が前記冷媒を前記冷蔵蒸発器に流す状態であり、かつ、前記モータの運転周波数が低い場合に前記速度脈動抑制制御を実行し、
前記モータの運転周波数が低く、かつ、前記弁が前記冷媒を前記冷蔵蒸発器に流す状態である場合に前記速度脈動抑制制御を実行する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の冷蔵庫の冷凍サイクルの構成図
【図２】実施例１のモータ制御装置の回路構成図
【図３】実施例１の制御器への指令信号を生成する構成図
【図４】実施例１の制御器の構成図
【図５】実施例１の制御フローチャート
【図６】実施例１の２つの脈動抑制制御の切替を示すタイムチャート
【図７】実施例１の速度脈動抑制制御の実行時のモータ電流の一例を示す図
【図８】実施例１の電流脈動抑制制御の実行時のモータ電流の一例を示す図
【図９】実施例１の高速運転時のモータ電流の一例を示す図
【図１０】実施例２の外気温度による判定を付加した脈動抑制制御の切替を示すタイムチャート
【発明を実施するための形態】
【０００９】
冷蔵庫では圧縮機及び蒸発器を含む冷凍サイクルを利用して冷気を供給する。近年、複数の蒸発器を使い分ける冷蔵庫、例えば冷蔵室用と冷凍室・野菜室用とで異なる蒸発器を持つ冷蔵庫が提案されている。エネルギー効率の観点では、冷蔵室等比較的高温の貯蔵室のみに冷気を供給する蒸発器では比較的、冷媒が蒸発する温度（蒸発器温度）を高くし（例えば０〜５℃の冷気が供給される。）、冷凍室等比較的低温の貯蔵室を含んで冷気を供給する蒸発器では比較的、冷媒が蒸発する温度を低く（例えば−３０〜−２０℃の冷気が供給される。）する。すると、冷蔵室用の蒸発器では冷媒蒸発温度が高いため圧縮機に戻る冷媒温度が高い。高温の気相冷媒は圧力が高く、モータへの負荷を大きくさせて脈動を顕著にさせる。すなわち本発明者らは、複数の蒸発器に例えば択一的に冷媒を供給する冷凍サイクルに圧縮機が配された場合、比較的高い蒸発温度に設定された蒸発器が選択されたときに、圧縮機の振動が生じやすいことを見出した。
以下、本発明の実施例を添付の図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００１０】
［冷凍サイクル］
図１は実施例１の冷蔵庫の冷凍サイクル構成図である。本冷凍サイクルは複数の蒸発器を有している。冷媒は、圧縮機９、凝縮器１０、弁１１、減圧部（キャピラリーチューブ等）、冷凍室用蒸発器１２又は冷蔵室用蒸発器１３、圧縮機９の順にサイクルで流れる。複数の蒸発器１２，１３を搭載した冷蔵庫の場合、凝縮器１０を通過した後の冷媒経路を弁１１により切替える。冷却したい部屋（貯蔵室）に対応する蒸発器に冷媒が流れるよう、弁１１により冷凍室用蒸発器１２または冷蔵室用蒸発器１３に切替える。これにより、各部屋を冷却する蒸発器いずれに冷媒を供給するか、変更が可能となる。本実施例の冷蔵庫は、冷凍温度帯の貯蔵室と冷蔵温度帯の貯蔵室とを少なくとも含んでおり、冷凍室用蒸発器１２は冷凍温度帯の貯蔵室に冷気を供給し、冷蔵室用蒸発器１３は冷蔵温度帯の貯蔵室に冷気を供給する。
【００１１】
［圧縮機９のモータ２の制御装置］
図２は実施例１のモータ制御装置１００の回路構成図である。モータ制御装置１００は、冷凍サイクル中の圧縮機９を駆動させるモータ２を制御する装置であり、直流電力源と、交流電圧を出力するインバータ１と、インバータ１に接続されたモータ２と、インバータ１に対してパルス幅変調信号を出力しインバータ１を制御する制御器３と、電流検知部の一例としてのシャント抵抗器４とを有する。
【００１２】
モータ２としては、インバータ１からの３相交流電流それぞれが流れるコイルを有する電機子と、永久磁石を有する界磁子と、を有し、電機子と界磁子とが相対回転又は相対往復動するものにできる。
【００１３】
［冷凍サイクルの制御］
図３は、制御器３への指令信号を生成する構成図である。冷蔵庫に配された庫内制御器１４は、冷蔵庫内の各部屋に設置された温度センサ値（冷凍室温度センサ１８、冷蔵室温度センサ１９）から各部屋の温度状態を把握することで、冷気供給が必要な部屋と冷却に必要なモータ速度指令ω＊を決定し、決定したモータ速度指令ω＊を制御器３へ送信する。また、後述する電流脈動制御と速度脈動制御のどちらを実行すべきかを判断し、速度脈動制御が必要な場合は振動抑制制御要求を出力する。すなわち、庫内制御器１４からの振動抑制要求ありの場合、脈動抑制制御器２２を振動抑制制御器（速度脈動抑制制御器）として動作させる。庫内制御器１４からの振動抑制要求なしの場合、脈動抑制制御器２２を電流脈動抑制制御器として動作させる。
【００１４】
制御器３は、モータ速度指令ω＊となるようなインバータ駆動パターンを決定し、インバータ１にパルス幅変調信号を出力する。これにより、モータ２が庫内制御器１４で決定した速度で駆動する。また、庫内制御器１４は、冷凍室温度センサ１８、冷蔵室温度センサ１９からの温度情報をもとに、冷却すべき部屋の蒸発器を決定し、弁１１を駆動させ、何れの蒸発器に冷媒を供給するか決定し、冷媒経路を切替える。庫内制御器１４は、さらに外気温度センサ２０の情報を利用しても良い。
【００１５】
［制御ブロック］
図４は実施例１の制御器３の構成図である。シャント抵抗器４を用いて検出されるインバータ直流電流Ｉｄｃを入力とし、電流再現器５にてインバータ直流電流Ｉｄｃからｄｑ軸電流を算出し、位置推定器６によって制御上のｄｑ軸とモータ２の実軸との軸誤差Δθから位置推定を行い、推定した位置情報に基づいて速度推定器７によりモータの速度推定値ω１を出力し、速度制御器８にてモータ速度制御を実行する。
【００１６】
このとき電圧指令値Ｖｄ＊およびＶｑ＊は例えば式１および式２のように演算できる。ここで、ω＊はモータ速度指令値、Ｉｑ＊はｑ軸電流指令値、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｒｍはモータ巻線抵抗値、Ｋｅは角速度に対するモータ誘起電圧の大きさを示す。
Ｖｄ＊ ＝ − ω＊ × Ｌｑ × Ｉｑ＊  ・・・・式１
Ｖｑ＊ ＝ Ｒｍ × Ｉｑ＊ − ω＊ × Ｋｅ  ・・・・・式２
切替器２３は、ｑ軸電流値と軸誤差とのうち一方を選択して出力し、脈動抑制制御器２２へ入力する。すなわち、電流脈動抑制時はｑ軸電流値を出力し、速度脈動抑制時は軸誤差を出力するものであり、抑制対象成分を切替える機能を奏する。ｑ軸電流値や軸誤差を目的変数として、これを０にすることを目標とすることができる。
【００１７】
脈動抑制制御器２２は、脈動周波数成分と抑制対象成分を入力とし、抑制対象成分の脈動を抑制するq軸電流指令値Iqsin＊を出力する制御器である。
モータ負荷トルク脈動は、モータ１回転と同じ周期で発生するため、脈動周波数成分には、速度推定器７によって算出したモータ速度推定値ω１を用いる。
電流抑制制御として動作させる場合、電流再現器５によって算出されるq軸電流値Iqを抑制対象成分として用いる。脈動抑制制御器２２からモータ電流脈動を抑制するようなq軸電流指令値Iqsin*が出力される。一方、振動抑制制御として動作させる場合、位置推定器７によって算出される軸誤差Δθを抑制対象成分として用いる。脈動抑制制御器２２からモータ速度脈動を抑制するようなq軸電流指令値Iqsin*が出力される。
【００１８】
［低速運転時の電流脈動抑制制御と速度脈動抑制制御の切替判定］
図５は、本実施例の制御フローチャートである。まず、冷凍室および冷蔵室の温度センサ値を取得する（Ｓ１０１）。取得した冷凍室温度と予め設定された冷凍室設定温度Tfを比較する（Ｓ１０２）。冷凍室温度が冷凍室設定温度Tfより高い場合（Ｓ１０２，Ｎ）、冷凍室の冷却が必要と判断されて冷凍室冷却モードとなる（Ｓ１０５）。冷凍室冷却モードでは、弁１１を冷凍室冷却用蒸発器１２側へ切替えるとともに電流脈動抑制制御を実行する。そして、冷凍室の冷却に適したモータ速度指令ω＊を決定する（Ｓ１０６）。
【００１９】
このように本実施例では、冷凍室冷却モードでは圧縮機９の振動が顕著になることはないとして、常に電流脈動抑制制御を実行する。尤も、条件によっては振動が顕著になることもあるとして、後述する冷蔵室冷却モードの閾値よりも低い速度指令ω＊を閾値として、速度脈動抑制制御に切替可能にしても良い。
【００２０】
一方、冷凍室温度が冷凍室設定温度Tf以下である場合（Ｓ１０２，Ｙ）、冷凍室は十分冷却されていると判断できる。次に取得した冷蔵室温度と予め設定された冷蔵室設定温度Trを比較する（Ｓ１０３）。冷蔵室温度が冷蔵室設定温度Trより高い場合（Ｓ１０３，Ｎ）、冷蔵室の冷却が必要と判断されて冷蔵室冷却モードとなる（Ｓ１０７）。冷蔵室冷却モードでは、弁１１を冷蔵室冷却用蒸発器１３側へ切替える。冷蔵室の冷却に適したモータ速度指令ω＊を決定する（Ｓ１０８）。
【００２１】
また、冷蔵室冷却モードでは、供給すべき冷気量が比較的少ないためモータ速度指令ω＊は比較的小さい値になりやすい。冷蔵室冷却モードでは上述の通り冷媒圧力が高いことから負荷が大きく、速度脈動が生じやすい。このため、モータ速度指令ω＊が小さくなると負荷変動に鋭敏となるから速度脈動（圧縮機振動）が顕著になりやすい。
【００２２】
このため本実施例では、冷蔵室冷却モード中、決定したモータ速度指令ω＊を予め設定した閾値と比較する（Ｓ１０９）。モータ速度が閾値以下であるとき、速度脈動抑制（振動抑制）制御が必要と判断し、制御器３へ振動抑制要求を送信する。
【００２３】
一方、冷蔵室温度が冷蔵室設定温度Tr以下である場合（Ｓ１０３，Ｙ）、冷凍室、冷蔵室ともに冷却が十分であるため、モータ速度指令ω＊を０とし、圧縮機を停止させる（Ｓ１０４）。
これにより、冷蔵庫の運転状態によって、電流脈動抑制制御と速度脈動抑制制御（振動抑制制御）のいずれを実行するかの判定が可能となる。
【００２４】
［速度脈動抑制と電流脈動抑制制御の切替タイムチャート］
図６は、２つの脈動抑制制御の切替を示すタイムチャートである。冷蔵室冷却モード中は、モータ速度が速度閾値よりも大きければ（Ｓ１０９，Ｙ）切替器２３を電流脈動抑制制御器として動作させ、小さければ速度脈動抑制制御器として動作させる。
冷凍室冷却モード中は、モータ速度に依らず電流脈動抑制制御器として動作させることができる。
【００２５】
［高速運転時の制御］
モータ速度指令ω＊が比較的高い場合は、正弦波状のモータ電流を出力するよう制御器３は動作する。高速運転時の制御目標としては、ｑ軸電流値や軸誤差値を監視せず、指令周波数と実周波数の残差Δωを０にすることとして設定できる。なお、高速運転とは、本願時点の技術的水準では、概ね２０００ｒｐｍ以上と認識することができ、低速運転は概ねそれ以下、好ましくは１５００ｒｐｍ以下、さらに好ましくは１０００ｒｐｍ以下と認識することができる。
【００２６】
［速度脈動抑制時、電流脈動抑制時、高速運転時のモータ電流の特徴］
図７は速度脈動抑制制御の実行時のモータ電流の一例を示す図である。８００ｒｐｍのものを図示している。
モータへかかる負荷トルクは、ピストンの往復（回転モータの場合はロータ１回転）を１周期として周期的に変化する。負荷トルクが大きくなる圧縮工程時はモータ電流の振幅を増加させて速度低下を抑制する。負荷トルクが小さくなる吐出・吸込工程時はモータ電流の振幅を減少させて速度増加を抑制する。これにより、速度脈動抑制時のモータ電流は、１周期中で電流振幅が大きく変化するような波形となる。
【００２７】
図８は電流脈動抑制制御の実行時のモータ電流の一例を示す図である。８００ｒｐｍのものを図示している。
電流脈動抑制制御時は、モータ電流の振幅を略一定に保つようにする。こうすることで負荷トルクの変化によるモータ電流振幅の変化がなく、１周期毎の電流振幅変化が小さい波形となる。
【００２８】
図９は高速運転時のモータ電流の一例を示す図である。２４００ｒｐｍのものを図示している。
高速運転時は、低速運転時に比べロータの慣性力が大きくなっているため、速度・モータ電流ともに負荷トルクの影響をあまり受けない。そのため、速度脈動抑制制御および電流脈動抑制制御を実行せずに、１周期毎の電流振幅変化が小さい波形となる。
【実施例２】
【００２９】
本実施例の構成は次の点を除き実施例１と同様にできる。
［外気温度を利用した速度脈動抑制と電流脈動抑制制御の切替え］
図１０は、外気温度による判定を付加した脈動抑制制御の切替を示すタイムチャートである。外気温度が低い場合、庫外からの熱侵入が低下するためモータ負荷トルク脈動が小さくなる傾向にあり、冷蔵室冷却モード中であってもモータの速度脈動が小さく、振動への影響が少なくなる。
【００３０】
したがって、冷蔵室冷却モード中、モータ速度が速度閾値よりも大きい又は外気温度センサ２０から取得した外気温度が予め設定された外気温度閾値以下の場合は、電流脈動抑制制御器として動作させ、モータ速度が速度閾値以下で外気温度が外気温度閾値以上の場合は、速度脈動抑制制御器として動作させる。
【００３１】
各実施例では複数の蒸発器を有する冷凍サイクルについて説明したが、蒸発温度の変動が大きい蒸発器を使用するのであれば、蒸発器が１つのみの冷凍サイクルに配された圧縮機９のモータ２の制御を行う場合にも同様の思想を採用できる。すなわち、モータ２の運転周波数が低く（例えば１５００ｒｐｍ以下）、かつ、蒸発温度が高い（例えば０℃以上）場合に速度脈動抑制制御を実行させることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１・・・インバータ
２・・・モータ
３・・・制御器
４・・・シャント抵抗器
５・・・電流再現器
６・・・位置推定器
７・・・速度推定器
８・・・速度制御器
９・・・圧縮機
１０・・・凝縮器
１１・・・弁
１２・・・冷凍室用蒸発器
１３・・・冷蔵執拗蒸発器
１４・・・庫内制御器
１８・・・冷凍室温度センサ
１９・・・冷蔵室温度センサ
２０・・・外気温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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