(57)【要約】【課題】膨張機に備えられた発電機の回転子の磁極位置を推定することによって発電機の回転数を制御し、かつ発電機制御装置が緊急停止して発電機がフリーラン状態となるような場合でも、発電機にブレーキを掛けて安全にシステムを停止することができる冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】発電機制御装置１８が異常を検知して緊急停止した場合には、直ちに圧縮機１を停止させるとともに昇圧型力率改善回路１２により直流電圧を所定値まで下げ、所定時間が経過するまで電動機駆動装置１５によって電動機を回転させずに電力を消費させる。これにより、発電機制御装置１８が緊急停止して発電機２ｂがフリーラン状態となるような場合でも、電動機を停止させるとともに直流電圧を低下させることによりフリーラン状態で回転数が上昇することを防止する。【選択図】図１
2008025857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発する蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器とを有し、動力軸を介して前記膨張機と直結されている発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、前記圧縮機を駆動するための電動機の回転数を制御する電動機制御手段と、交流電源を入力とし前記電力変換器に与える直流電圧を制御する直流電圧制御手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、前記圧縮機が運転中に前記発電機制御手段が異常を検知して緊急停止した場合には、直ちに前記圧縮機を停止させるとともに前記直流電圧制御手段によって直流電圧を所定値まで下げ、所定時間が経過するまで前記電動機制御手段によって前記電動機を回転させずに電力を消費させることを特徴とする冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記発電機制御手段は、前記発電機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記発電機に印加する印加電圧の値と前記電流検出手段によって検出された電流値とから前記発電機に発生する誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、前記誘起電圧推定手段によって推定された誘起電圧値に基づいて前記発電機の回転子磁極位置を推定する回転子位置速度推定手段と、前記誘起電圧値に基づいて前記発電機の運転状態が異常か否かを判定する異常判定手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記異常判定手段は、所定時間継続して所定の回転数における前記誘起電圧値が所定値以下となる場合に、前記発電機の運転状態が異常であると判定することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項４】
前記異常判定手段は、所定時間継続して前記誘起電圧値が回転数に対して１次関数を用いて設定された誘起電圧範囲を超える場合に、前記発電機の運転状態が異常であると判定することを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項５】
前記異常判定手段は、前記発電機制御手段によって前記発電機を起動した直後から所定時間が経過するまでは前記発電機の運転状態の異常を判定しないことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【請求項６】
前記圧縮機が運転している間は、前記発電機制御手段によって前記発電機を回転運転することで前記膨張機から動力を回収し、回収された動力を用いて前記圧縮機を駆動するための補助動力として利用することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機を備えた冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、空気調和機における圧縮機などの電動機を駆動する装置においては、地球環境保護の観点から消費電力を低減する必要性が大きくなっている。その消費電力を低減する技術の一つとして、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機から動力を回収し、圧縮機を駆動するための補助動力として、その回収した動力を利用する冷凍サイクル装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４に特許文献１の冷凍サイクル装置のシステム構成を示す。
【０００４】
この冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒を凝縮する凝縮器３と、冷媒を蒸発する蒸発器４と、凝縮器３と蒸発器４の間に設けられ冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機２の膨張タービン２ａから構成されており、この膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｂと直結されている。交流電源１１からの交流電力は第１コンバータ４１で直流電力に変換され、この直流電力はインバータ１６によって交流電力に変換され圧縮機１が駆動される。
【０００５】
一方、冷媒の膨張エネルギーによって駆動された膨張タービン２ａは、動力軸２ｃを介して発電機２ｂを駆動し、発電機２ｂから得られる交流電力が第２コンバータ４２へ入力される。この第２コンバータ４２では発電機２ｂから得られた交流電力を直流電力に変換され、この直流電力は圧縮機１を駆動するための補助動力として利用される。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の構成では、膨張タービン２ａ（すなわち、動力軸２ｃを介して発電機２ｂ）の回転数を制御する手段がないため、冷凍サイクルにおいて最適となるような回転数で膨張タービン２ａ（すなわち、動力軸２ｃを介して発電機２ｂ）を動作させることが不可能であるという課題があった。
【０００７】
そこで、この課題を解決するために、発電機２ｂの回転数を制御する手段が必要となる。ところで、近年、省エネルギーなど地球環境保護の観点から、発電機には回転子に永久磁石を配した高効率な同期発電機が用いられている。この同期発電機の回転数を制御するためには、回転子の位置情報に基づいて、ＰＷＭ制御を行う可変速コンバータ（以下、「ＰＷＭコンバータ」と記載）などが必要となる。
【０００８】
特に、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置において、膨張機２の発電機２ｂに適用する場合、回転子の磁極位置を検出するための位置センサを取り付けることが困難であるため、同期発電機の固定子巻線に生じる誘起電圧を推定することによって回転子の磁極位置を推定する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００９】
次に、図５に、非特許文献１に記載されている風力発電システムの構成を示す。
【００１０】
本システムにおいて、埋込磁石同期発電機５２（図面の記号は「ＩＰＭＳＧ」）は、ギアを介して接続された風車５１により駆動される。
【００１１】
ここで、位置・速度推定部５４では、電流検出器２０ａ、２０ｂからの検出電流ｉｕ、ｉｖを推定位置θで座標変換したγ−δ軸電流と電圧指令値から内部に有する埋込磁石同期発電機５２のモデルとを用いて、埋込磁石同期発電機５２の誘起電圧を推定することによって埋込磁石同期発電機５２の回転子の位置・速度を推定する。
【００１２】
また、埋込磁石同期発電機５２の推定速度ωから最大電力追従制御部５５によってトルク指令Ｔｇ＊を導出し、トルク指令Ｔｇ＊から最大効率制御部５６によって埋込磁石同期発電機５２の損失が最小となるような電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を導出する。
【００１３】
そして、埋込磁石同期発電機５２に流れる電流は電圧指令作成部５７で電流フィードバック制御され、ＰＷＭコンバータ５３により駆動される。
【特許文献１】特開昭６１−２９６４７号公報
【非特許文献１】「平成１４年電気学会全国大会講演論文集（第４分冊）」，２０９〜２１０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、非特許文献１に記載のシステム構成を、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置に適用する場合、図６（ａ）に示す各スイッチング素子６１ａ〜６１ｆとダイオード６２ａ〜６２ｆから構成される一般的なＰＷＭコンバータ５３を動作させることによって、冷凍サイクル装置において最適となる回転数で膨張タービン（すなわち、動力軸を介した発電機）の回転数を制御することが可能となる。
【００１５】
しかしながら、圧縮機が運転中にＰＷＭコンバータ５３が緊急停止する場合には、膨張タービンはフリーラン状態となり、ＰＷＭコンバータ５３に与えられる直流電圧と、発電機２ｂの特性により膨張タービンの回転数がクランプされる。
【００１６】
すなわち、ＰＷＭコンバータ５３が緊急停止すると、見掛け上、図６（ｂ）に示すようなダイオードブリッジ５３ａ（ＰＷＭコンバータ５３のダイオード６２ａ〜６２ｆのみ機能している状態）と見なされることになる。
【００１７】
従って、発電機２ｂが発生する誘起電圧が直流電圧よりも高い場合には、発電機２ｂからダイオードブリッジ５３ａを介して電気エネルギーが取り出されることで、発電機２ｂにブレーキが掛かって発電機２ｂが減速する。また、逆の場合には発電機２ｂが加速するため、発電機２ｂは誘起電圧と直流電圧とがほぼ等しくなる回転数で動作することになる。
【００１８】
この状態で圧縮機２ｂを停止すると、発電機２ｂから取り出される電気エネルギーの消費先が無くなるため、電気エネルギーが蓄積され続け、その蓄積される電気エネルギーがＰＷＭコンバータ５３などの素子の許容値を超える場合には素子が破壊される恐れがあるという課題を有していた。
【００１９】
また、ＰＷＭコンバータ５３に与えられる直流電圧が高い場合には、図７に示すようにフリーラン状態でクランプされる回転数が高くなるため、その回転数が膨張タービンの許容値を超える場合には膨張タービンが破壊される恐れがあるという課題を有していた。
【００２０】
本発明は、前記課題を解決するものであり、膨張機に備えられた発電機の回転子の磁極位置を推定することによって発電機の回転数を制御し、かつ発電機制御装置が緊急停止して発電機がフリーラン状態となるような場合でも、発電機にブレーキを掛けて安全にシステムを停止することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記した従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発する蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に設けられ、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器を有し、動力軸を介して膨張機と直結されている発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、圧縮機を駆動するための電動機の回転数を制御する電動機制御手段と、交流電源を入力として電力変換器に与える直流電圧を制御する直流電圧制御手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、圧縮機が運転中に発電機制御手段が異常を検知して緊急停止した場合には、直ちに圧縮機を停止させるとともに直流電圧制御手段によって直流電圧を所定値まで下げ、所定時間が経過するまで電動機制御手段によって電動機を回転させずに電力を消費させるというものである。
【００２２】
これによって、発電機制御手段が緊急停止して発電機がフリーラン状態となるような場合でも、発電機にブレーキを掛けて安全にシステムを停止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の冷凍サイクル装置は、膨張機に備えられた発電機の回転子の磁極位置を推定することによって発電機の回転数を制御し、かつ発電機制御装置が緊急停止して発電機がフリーラン状態となるような場合でも、発電機にブレーキを掛けて安全にシステムを停止することができる冷凍サイクル装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を蒸発する蒸発器と、凝縮器と蒸発器との間に設けられ、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器を有し、動力軸を介して膨張機と直結されている発電機の回転数を制御する発電機制御手段と、圧縮機を駆動するための電動機の回転数を制御する電動機制御手段と、交流電源を入力として前記電力変換器に与える直流電圧を制御する直流電圧制御手段とを備えた冷凍サイクル装置であって、圧縮機が運転中に発電機制御手段が異常を検知して緊急停止した場合には、直ちに圧縮機を停止させるとともに直流電圧制御手段によって直流電圧を所定値まで下げ、所定時間が経過するまで電動機制御手段によって電動機を回転させずに電力を消費させるというものである。
【００２５】
これにより、発電機制御手段が緊急停止して発電機がフリーラン状態となるような場合でも、発電機にブレーキを掛けて安全にシステムを停止することができる。
【００２６】
第２の発明は、特に第１の発明の冷凍サイクル装置において、発電機制御手段は、発電機の固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、発電機に印加する印加電圧の値と電流検出手段によって検出された電流値とから発電機に発生する誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段と、誘起電圧推定手段によって推定された誘起電圧値に基づいて発電機の回転子磁極位置を推定する回転子位置速度推定手段と、誘起電圧値に基づいて発電機の運転状態が異常か否かを判定する異常判定手段とを備えるものである。
【００２７】
これにより、エンコーダやレゾルバといった回転子の磁極位置を検出する位置センサを取り付けることが不要となるため、装置の簡素化を図ることでコスト低減と信頼性の向上を実現することができる。
【００２８】
第３の発明は、特に第２の発明の冷凍サイクル装置において、異常判定手段は、所定時間継続して所定の回転数における誘起電圧値が所定値以下となる場合に、発電機の運転状態が異常であると判定するものである。すなわち、誘起電圧が微小になることによって回転子の磁極位置の推定異常が発生した場合に、そのことを判定して速やかに異常処理を行うことができるため、信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。
【００２９】
第４の発明は、特に第２の発明の冷凍サイクル装置において、異常判定手段は、所定時間継続して誘起電圧値が回転数に対して１次関数を用いて設定された誘起電圧範囲を超える場合に、発電機の運転状態が異常であると判定するものである。
【００３０】
これにより、あらゆる回転数において異常が発生した場合には、そのことを判定して速やかに異常処理を行うことができるため、信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。
【００３１】
第５の発明は、特に第２〜４のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置において、異常判定手段は、発電機制御手段によって発電機を起動した直後から所定時間が経過するまでは発電機の運転状態の異常を判定しないというものであり、発電機の起動直後における異常判定を誤ることなく、信頼性の高い膨張機の駆動を実現することができる。
【００３２】
第６の発明は、特に第１〜５のいずれか１つの発明の冷凍サイクル装置において、圧縮機が運転している間は、発電機制御手段によって発電機を回転運転することで膨張機から動力を回収し、回収した動力を用いて圧縮機を駆動するための補助動力として利用するというものである。
【００３３】
その結果、圧縮機の動力を大幅に低減することができ、省エネルギー化を図ることができる。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３５】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置のシステム構成を示す。
【００３６】
この冷凍サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機１と、冷媒を凝縮する凝縮器３と、冷媒を蒸発する蒸発器４と、凝縮器３と蒸発器４の間に設けられ、冷媒の膨張エネルギーによって駆動される膨張機２の膨張タービン２ａから構成されており、膨張タービン２ａは動力軸２ｃを介して発電機２ｂと直結されている。
【００３７】
また、交流電源１１からの交流電力は、昇圧型力率改善回路１２で直流電圧を制御しつつ直流電力に変換され、平滑コンデンサ１３にて電圧が平滑される。
【００３８】
その後、この直流電力は、電動機制御手段である電動機制御装置１５によって交流電力に変換されることで圧縮機１を駆動する。
【００３９】
なお、電動機制御装置１５は、直流電力を交流電力に変換するインバータ１６と、運転司令部１４から指示された圧縮機１の回転数指令値に基づいてインバータ１６を駆動するドライブ信号を生成するインバータ制御部１７とから構成されている。
【００４０】
一方、冷媒の膨張エネルギーによって駆動された膨張タービン２ａは、動力軸２ｃを介して発電機２ｂを駆動することで交流電力を発生している。
【００４１】
発生した交流電力は、運転指令部１４からの発電機２ｂの回転数指令値に基づいて発電機制御手段である発電機制御装置１８によって回生運転が行われて直流電力に変換される。この直流電力は圧縮機１を駆動するための補助動力として利用されるため、平滑コンデンサ１３の両端に配線されている。
【００４２】
ここで、発電機制御装置１８は、指令通りの回転数を満足するため、目標回転数（発電機２ｂの回転数指令値）と現在の速度ω（回転子磁極位置速度検出手段２４により推定された推定速度の現在値）との速度誤差と、電流検出器２０ａ、２０ｂおよび電流検出手段である電流検出部２１によって検出された発電機２ｂの相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、回転子磁極位置速度検出手段２４によって推定された磁極位置θから発電機２ｂの印加電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を演算する正弦波駆動部２２と、電流検出値と電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいて、発電機２ｂの固定子巻線の各相に生じた誘起電圧を推定する誘起電圧推定手段である誘起電圧推定部２３と、誘起電圧推定部２３によって推定された誘起電圧を用いて発電機２ｂにおける回転子の磁極位置および速度を推定する回転子位置速度推定手段としての回転子位置速度検出部２４と、電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）とを電力変換器１９を駆動するためのドライブ信号に変換するＰＷＭ信号生成部２５と、順変換器および逆変換器として動作できる電力変換器１９、誘起電圧推定部２３によって推定された誘起電圧値に基づいて発電機２ｂの運転状態が異常か否かを判定する異常判定手段である異常判定部２６から構成されている。
【００４３】
ここで、発電機制御装置１８によって発電機２ｂの回転数を制御する場合、膨張エネルギーの大きさに応じて力行運転または回生運転が行われるため、どちらの運転モードでも発電機２ｂにおける回転子の磁極位置が推定できなければならない。
【００４４】
以下では、発電機２ｂを力行運転する場合について、発電機制御装置１８の具体的な動作を説明する。その後、回生運転する場合については力行運転する場合との相違点のみ説明する。
【００４５】
まず、正弦波駆動部２２では、運転指令部１４から与えられる発電機２ｂの回転数指令値ω＊と推定速度ωとの速度誤差がゼロになるように、速度制御ゲイン（ＫＰＷ：速度制御比例ゲイン、ＫＩＷ：速度制御積分ゲイン）を用いて、式（１）で表されるＰＩ制御により、電流指令値Ｉ＊を演算する。
【００４６】
Ｉ＊＝ＫＰＷ・（ω＊−ω）＋ＫＩＷ・（ω＊−ω）                    （１）
次に、演算された電流指令値Ｉ＊と電流指令位相βＴとを用いて式（２）、式（３）の演算によりｄｑ軸電流指令値（ｉｄ＊、ｉｑ＊）を求める。
【００４７】
ｉｄ＊＝−Ｉ＊・ｓｉｎ（βＴ）                                      （２）
ｉｑ＊＝Ｉ＊・ｃｏｓ（βＴ）                                        （３）
また、固定子巻線の相電流指令値（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）は、ｄｑ軸電流指令値（ｉｄ＊、ｉｑ＊）と現在の磁極位置θ（回転子磁極位置速度推定手段２４により推定された推定位置の現在値）を用いて式（４）〜式（６）の演算により、２相−３相変換を行うことで求める。なお、２相−３相変換については公知のため、その説明は省略する。
【００４８】
ｉｕ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓθ
−ｉｑ＊・ｓｉｎθ｝                                      （４）
ｉｖ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ−１２０°）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ−１２０°）｝                        （５）
ｉｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｉｄ＊・ｃｏｓ（θ＋１２０°）
−ｉｑ＊・ｓｉｎ（θ＋１２０°）｝                        （６）
そこで、相電流指令値（ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊）と電流検出器２０ａ，２０ｂおよび電流検出部２１から得られる相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）との電流誤差がゼロとなるように、電流制御ゲイン（ＫＰＫｎ、ＫＩＫｎ、ｎ＝１、２、３（３相分））を用いて式（７）〜式（９）で表されるＰＩ制御により電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を演算する。
【００４９】
ｖｕ＊＝ＫＰＫ１・（ｉｕ＊−ｉｕ）＋ＫＩＫ１・Σ（ｉｕ＊−ｉｕ）    （７）
ｖｖ＊＝ＫＰＫ２・（ｉｖ＊−ｉｖ）＋ＫＩＫ２・Σ（ｉｖ＊−ｉｖ）    （８）
ｖｗ＊＝ＫＰＫ３・（ｉｗ＊−ｉｗ）＋ＫＩＫ３・Σ（ｉｗ＊−ｉｗ）    （９）
なお、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を３相−２相変換してｄｑ軸電流検出値（ｉｄ、ｉｑ）を求め、ｄｑ軸電流指令値（ｉｄ＊、ｉｑ＊）とｄｑ軸電流検出値（ｉｄ、ｉｑ）との電流誤差がゼロとなるように、ＰＩ制御によりｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を求めてから、ｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換して相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を求めても良い。
【００５０】
ここで、３相−２相変換についても２相−３相変換と同様に公知のため、その説明は省略する。
【００５１】
具体的には、ｄｑ軸電流指令値（ｉｄ、ｉｑ）は式（１０）、式（１１）の演算により求められる。
【００５２】
ｉｄ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｓｉｎ（θ＋６０°）＋ｉｖ・ｓｉｎθ｝
（１０）
ｉｑ＝｛√（２）｝・｛ｉｕ・ｃｏｓ（θ＋６０°）＋ｉｖ・ｃｏｓθ）｝
（１１）
また、ｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）は電流制御ゲイン（ＫＰＤ：ｄ軸電流比例ゲイン、ＫＩＤ：ｄ軸電流積分ゲイン、ＫＰＱ：ｑ軸電流比例ゲイン、ＫＩＱ：ｑ軸電流積分ゲイン）を用いて式（１２）、式（１３）の演算により求められる。
【００５３】
ｖｄ＊＝ＫＰＤ・（ｉｄ＊−ｉｄ）＋ＫＩＤ・Σ（ｉｄ＊−ｉｄ）        （１２）
ｖｑ＊＝ＫＰＱ・（ｉｑ＊−ｉｑ）＋ＫＩＱ・Σ（ｉｑ＊−ｉｑ）        （１３）
そこで、ｄｑ軸電圧指令値（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を２相−３相変換することで相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）は式（１４）〜式（１６）の演算により求められる。
【００５４】
ｖｕ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓθ
−ｖｑ＊・ｓｉｎθ｝                                      （１４）
ｖｖ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ−１２０°）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ−１２０°）｝                        （１５）
ｖｗ＊＝｛√（２／３）｝・｛ｖｄ＊・ｃｏｓ（θ＋１２０°）
−ｖｑ＊・ｓｉｎ（θ＋１２０°）｝                        （１６）
次に、本発明の第１の実施の形態における発電機２ｂの誘起電圧の推定方法について説明する。
【００５５】
各相の巻線に誘起される誘起電圧値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）は、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）と、相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）を用いて式（１７）〜式（１９）の演算により求められる。
【００５６】
ｅｕ＝ｖｕ＊−Ｒ・ｉｕ−Ｌ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ                        （１７）
ｅｖ＝ｖｖ＊−Ｒ・ｉｖ−Ｌ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ                        （１８）
ｅｗ＝ｖｗ＊−Ｒ・ｉｗ−Ｌ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ                        （１９）
ここで、Ｒは発電機２ｂの巻線一相あたりの抵抗、Ｌはそのインダクタンスである。
【００５７】
また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔはそれぞれｉｕ、ｉｖ、ｉｗの時間微分であり、式（１７）〜式（１９）を展開すると次式を得る。
【００５８】
ｅｕ＝ｖｕ＊− Ｒ・ｉｕ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―１２０°）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ―１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋１２０°）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋１２０°）｝／ｄｔ      （２０）
ｅｖ＝ｖｖ＊−Ｒ・ｉｖ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋１２０°）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―１２０°）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ―１２０°）｝／ｄｔ      （２１）
ｅｗ＝ｖｗ＊−Ｒ・ｉｗ
−（ｌａ＋Ｌａ）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ―１２０°）・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｗ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ−１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ＋１２０°）・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｕ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ＋１２０°）｝／ｄｔ
＋０．５・Ｌａ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｃｏｓ（２θ）・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ
−Ｌａｓ・ｉｖ・ｄ｛ｃｏｓ（２θ）｝／ｄｔ                （２２）
ここで、Ｒは巻線一相あたりの抵抗、ｌａは巻線一相あたりの漏れインダクタンス、Ｌａは巻線一相あたりの有効インダクタンスの平均値、Ｌａｓは巻線一相あたりの有効インダクタンスの振幅である。
【００５９】
また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ、ｄ（ｉｖ）／ｄｔ、ｄ（ｉｗ）／ｄｔは、１次オイラー近似で求める。
【００６０】
なお、ｕ相電流ｉｕは、ｖ相電流ｉｖとｗ相電流ｉｗとの和の符号を変えたものとする。さらに、式（２０）〜式（２２）を簡略化すると、以下に示す式（２３）〜式（２５）を得る。
【００６１】
ここでは、相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）が正弦波であると仮定し、電流指令振幅Ｉ＊と電流指令位相βＴとから相電流検出値（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を作成して簡略化した。
【００６２】
本実施の形態において、誘起電圧推定部２３では、式（２３）〜式（２５）により誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）を求める。
【００６３】
ｅｕ＝ｖｕ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ）                      （２３）
ｅｖ＝ｖｖ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ−１２０°）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ−１２０°）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ−１２０°）            （２４）
ｅｗ＝ｖｗ＊＋Ｒ・Ｉ＊・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋１２０°）
＋１．５・（ｌａ＋Ｌａ）・ｃｏｓ（θ＋βＴ＋１２０°）
−１．５・Ｌａｓ・ｃｏｓ（θ―βＴ＋１２０°）            （２５）
次に、回転子位置速度推定部２４では、誘起電圧推定値（ｅｕ、ｅｖ、ｅｗ）を用いて発電機２ｂにおける回転子の磁極位置および速度を推定する。
【００６４】
回転子位置速度推定部２４は、発電機制御装置１８が認識している推定位置θを誘起電圧の誤差を用いて補正することにより、推定位置θを真値に収束させて求める。
【００６５】
また、そこから、推定速度ωを生成する。そこで、各相の誘起電圧基準値（ｅｕｍ、ｅｖｍ、ｅｗｍ）を次式により求める。ただし、誘起電圧振幅値ｅｍは、ｅｕ、ｅｖ、ｅｗの振幅値と一致させることにより求める。
【００６６】
ｅｕｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ）                                    （２６）
ｅｖｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ−１２０°）                          （２７）
ｅｗｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θ＋βＴ＋１２０°）                          （２８）
このようにして求めた誘起電圧基準値ｅｓｍ（ｓ＝ｕ、ｖ、ｗ（ｓは相を表す））と、誘起電圧推定値ｅｓとの偏差εを求め、この偏差εが０になれば推定位置θが真値になるので、偏差εを０に収斂させるように、推定位置θを、偏差εを用いたＰＩ演算などを行って求める。
【００６７】
また、推定位置θの変動値を演算することにより、推定速度ωを求める。
【００６８】
ε＝ｅｓ−ｅｓｍ  （ｓ＝ｕ、ｖ、ｗ）                                （２９）
最後に、ＰＷＭ信号生成部１３では、正弦波駆動部２２で導出された相電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）に基づいて電力変換器１９を駆動するためのドライブ信号に変換される。このドライブ信号により電力変換器１９が動作する。
【００６９】
なお、発電機２ｂに印加する電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊）の位相を変化させることで、力行運転から回生運転への切り替えが可能であり、具体的には力行運転時の電流指令位相βＴの代わりに（−βＴ）を用いることで、回生運転時でも発電機２ｂにおける磁極位置および速度を推定することができる。
【００７０】
ただし、電動機制御装置１５によって圧縮機１が駆動された後で、膨張エネルギーによって膨張タービン２ａが駆動され始めると推定速度ωが大きくなっていくため、電流指令値Ｉ＊が減少してその符号が逆転した時点で、力行運転から回生運転への切り替えが行われるため、そのタイミングに応じて電流指令位相βＴの符号を変える必要がある。
【００７１】
以上の構成により、発電機制御装置１８では相電圧方程式に基づいたモデルにより導出された誘起電圧推定値と誘起電圧基準値との偏差εを用いて推定位置θを生成し、正弦波状の相電流を流すことで力行運転および回生運転ができる位置センサレス正弦波駆動を実現しており、エンコーダやレゾルバといった回転子の磁極位置を検出する位置センサを取り付けることが不要のため、簡素な構成とすることが可能となり、コスト低減と信頼性の向上を図ることができる。
【００７２】
次に、異常判定部２６の具体的な動作について説明する。
【００７３】
誘起電圧推定部２３によって推定された誘起電圧振幅値ｅｍは、本来であれば、図２に示すように、発電機固有の誘起電圧定数Ｋｅｍと発電機の実速度ωｅ（良好な推定が行われていれば、推定速度ωと等しくなる）とにより定まるＫｅｍ×ωｅで与えられるはずである。
【００７４】
しかしながら、誘起電圧の推定に使用する情報に大きなノイズが重畳された場合や、大きく推定が外れた場合などに、誘起電圧の推定が良好に行われないことになる。
【００７５】
特に発電機２ｂが脱調した場合には、実速度ωｅはゼロとなるため、誘起電圧振幅値ｅｍは微小な値となってしまう。このような場合には、速やかに運転状態が異常であると判定し、正弦波駆動部２２の駆動出力動作を停止させる必要がある。
【００７６】
このような異常を判定するために、本発明の異常判定部２６は、所定の回転数（例えば、１５ｒｐｓ）で発電機２ｂを駆動している場合において、一定時間（ｔｍ）継続して推定された誘起電圧値が所定の値（ｅｌ）以下となる場合に、発電機２ｂの運転状態が異常であると判定し、異常信号を運転指令部１４に出力する。運転指令部１４は異常信号を受けて正弦波駆動部２２に停止信号を出力する。正弦波駆動部２２は停止信号を受けて、その出力を停止する。
【００７７】
また、異常判定部２６は、発電機制御装置１８によって発電機２ｂを力行運転した直後の、所定の時間は異常を判定しないようにすることが好ましい。これによって、発電機２ｂの起動直後における不安定な誘起電圧によって異常判定の誤検知を防止することができる。
【００７８】
さらに、異常判定部２６は次のように動作させても良い。
【００７９】
すなわち、発電機２ｂの回転数に対して推定された誘起電圧が、一定時間（ｔｍ）継続して予め設定された回転数に対して、図２の回転数余裕ａおよび誘起電圧余裕ｂによって定められる１次直線にて表される誘起電圧下限値ｅｋ（ω）の値を下回る場合に、発電機２ｂの運転状態が異常であると判定し、異常信号を運転指令部１４に出力する。
【００８０】
運転指令部１４は異常信号を受けて正弦波駆動部２２に停止信号を出力する。
【００８１】
正弦波駆動部２２は停止信号を受けて、その出力を停止する。これによって、あらゆる回転数領域で脱調現象を検知することができる。
【００８２】
次に、異常判定部２６によって発電機２ｂの駆動が異常と判定された場合の具体的な冷凍サイクル装置の動作について図３を用いて説明する。
【００８３】
図３は、冷凍サイクル装置の起動後（時刻Ｔ０）の経過時間を横軸に取った場合の平滑コンデンサ１３の両端電圧（昇圧型力率改善回路１２の出力）である直流電圧と、電動機制御装置１５によって駆動される圧縮機１に内蔵された電動機（図示せず）の電流について、一例として時刻Ｔ１で起動された電動機が加速するに従って、昇圧型力率改善回路１２によって制御される直流電圧を増加させている状態を示している。
【００８４】
本発明の冷凍サイクル装置では、時刻Ｔ２で発電機制御装置１８が緊急停止した場合、直ちに電動機制御装置１５によって電動機に流している電流をゼロにすることで電動機を停止させ、かつ昇圧型力率改善回路１２によって直流電圧を冷凍サイクル装置の起動時の電圧まで低下させ、所定時間（例えば、電動機を停止させてから膨張エネルギーが無くなる）が経過するまで（時刻Ｔ３まで）電動機に直流電流を流すことで電力を消費させるものである。
【００８５】
なお、図３では発電機制御装置１８が緊急停止した場合、直ちに電動機に直流電流を流すようにしているが、高周波の交流電流を流して無理やり電動機を脱調状態にすることで電力を消費させても良い。
【００８６】
以上の構成により、発電機制御装置１８が緊急停止して発電機２ｂがフリーラン状態となるような場合でも、電動機を停止させるとともに直流電圧を低下させることによりフリーラン状態で回転数が上昇することを防止し、かつ電動機を停止させてから膨張エネルギーが無くなるまでの間、電動機制御装置１５で電力を消費させることによりフリーラン状態でブレーキが掛かる場合に電気エネルギーが蓄積して直流電圧が上昇するのを防止することで、安全にシステムを停止することができる。
【００８７】
さらに、電動機制御装置１５によって圧縮機１が運転している間は、発電機制御装置１８によって発電機２ｂを回生運転することで膨張機２から動力を回収し、回収された動力を用いて圧縮機１を駆動するための補助動力として利用することで、圧縮機１の動力を大幅に低減することができ、省エネルギー化を図ることができる。
【００８８】
なお、図１では発電機２ｂの電流を検出する２つの電流検出器２０ａ、２０ｂを備え、回転子の磁極位置および速度の推定に使用しているが、電力変換器１９の直流電流（電力変換器１９と平滑コンデンサ１３との配線に流れる電流）から発電機２ｂの電流を検出するなどの手段を用いても良いことは言うまでもない。
【００８９】
また、図１では運転指令部１４から与えられた発電機２ｂの回転数指令値に対して、発電機２ｂの回転数が追従するように回転数制御が行われているが、発電機２ｂのトルクを制御するなどの形態を取っても良いことは言うまでもない。
【００９０】
さらに、図１では直流電圧制御手段の具体例として昇圧型力率改善回路１２を用いているが、特に限定されるわけではなく、昇降圧型コンバータなどを用いても良いことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
以上のように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、膨張機に備えられた発電機の回転子の磁極位置を推定することによって発電機の回転数を制御し、かつ発電機制御装置が緊急停止して発電機がフリーラン状態となるような場合でも、発電機にブレーキを掛けて安全にシステムを停止することができるため、炭酸ガス冷媒のヒートポンプ式給湯器などの製品にも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置のシステム構成図
【図２】本発明の実施の形態における異常判定手段の動作を説明する回転数−誘起電圧の特性図
【図３】本発明の実施の形態における冷凍サイクル装置の動作を説明する特性図
【図４】従来の冷凍サイクル装置のシステム構成図
【図５】従来の風力発電システムのシステム構成図
【図６】（ａ）は従来の発電機制御のための一般的なＰＷＭコンバータの回路構成図、（ｂ）は同発電機がフリーラン状態となる場合のＰＷＭコンバータの等価的な回路構成図
【図７】従来のフリーラン状態における発電機の回転数−電圧の特性図
【符号の説明】
【００９３】
１    圧縮機
２    膨張機
２ａ    膨張タービン
２ｂ    発電機
２ｃ    動力軸
３    凝縮器
４    蒸発器
１１    交流電源
１２    昇圧型力率改善回路（直流電圧制御手段）
１３    平滑コンデンサ
１４    運転指令部
１５    電動機制御装置（電動機制御手段）
１６    インバータ
１７    インバータ制御部
１８    発電機制御装置（発電機制御手段）
１９    電力変換器
２０ａ、２０ｂ    電流検出器
２１    電流検出部（電流検出手段）
２２    正弦波駆動部
２３    誘起電圧推定部（誘起電圧推定手段）
２４    回転子位置速度検出部（回転子位置速度推定手段）
２５    ＰＷＭ信号生成部
２６    異常判定部（異常判定手段）
４１    第１コンバータ
４２    第２コンバータ
５１    風車
５２    埋込磁石同期発電機（ＩＰＭＳＧ）
５３    ＰＷＭコンバータ
５４    位置・速度推定部
５５    最大電力追従制御部
５６    最大効率制御部
５７    電圧指令作成部
６１ａ〜６１ｆ    スイッチング素子
６２ａ〜６２ｆ    ダイオード
【図１】
2008025857.tif 000003
【図２】
2008025857.tif 000004
【図３】
2008025857.tif 000005
【図４】
2008025857.tif 000006
【図５】
2008025857.tif 000007
【図６】
2008025857.tif 000008
【図７】
2008025857.tif 000009