DE112012006959T5

DE112012006959T5 - Wärmepumpenvorrichtung, Klimaanlage und Gefriermaschine

Info

Publication number: DE112012006959T5
Application number: DE112012006959.5T
Authority: DE
Inventors: Shota Kamiya; Kazunori Hatakeyama; Norikazu Ito; Masafumi Tomita; Katsuyuki Amano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2015-06-18
Also published as: CN104641550A; CN104641550B; JPWO2014049867A1; WO2014049867A1

Abstract

Es wird eine Wärmepumpenvorrichtung erzielt, die einen Kompressor einschließt, der einen Motor einschließt, der in der Lage ist, eine sensorlose Vektorkontrolle durchzuführen, selbst bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit oder unter einer niedrigen Last, bei Unterdrücken eines Kostenanstiegs. Die Wärmepumpenvorrichtung der vorliegenden Erfindung schließt einen Kältemittelkompressor 14 ein, der von einem Motor 21 angetrieben wird; eine Invertereinheit 12, die Spannung an den Motor 21 anlegt; Stromsensoren 26a und 26b für einen Motorenstrom; und eine Invertersteuereinheit 13, die ein Antriebssignal an die Invertereinheit 12 ausgibt, wobei die Invertersteuereinheit 13 eine Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 und eine Antriebssignalgenerierungseinheit 23 einschließt, die Antriebssignalgenerierungseinheit 23 eine Amplitudenund Phasenbestimmungseinheit 33 einschließt, die eine erforderliche Höhe einer Kältemittelkompression des Kompressors 14 auf einer Basis eines Signals von dem Stromsensoren 26a und 26b bestimmt, eine Amplitude und eine Phase bestimmt, und die Antriebssignalgenerierungseinheit 23 veranlasst, das Antriebssignal zu generieren, und wenn der Motor 21 bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit oder unter einer niedrigen Last arbeitet, korrigiert die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 ein Signal von den Stromsensoren 26a und 26b gemäß der Rotationsgeschwindigkeit oder der Lasten.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung, in welcher ein Kompressor benutzt wird, eine Klimaanlage und eine Gefriermaschine.
Hintergrund
Kompressoren in herkömmlichen Wärmepumpenvorrichtungen verwenden typischerweise eine Vektorsteuerung beim Steuern der Magnetpolposition eines Permanentmagnetsynchronmotors, der in dem Kompressor ohne einen Sensor vorgesehen ist. Mit einer Vektorsteuerung wird der Motorstrom in eine d-Achsenkomponente und eine q-Achsenkomponente getrennt, um so einen optimalen Stromwert zu berechnen, der in Übereinstimmung mit der Position des Rotors steht, wodurch eine hocheffiziente Steuerung mit weniger Drehmomentschwankungen ermöglicht wird.
Um eine solche Vektorsteuerung auszuführen ist es notwendig, die Magnetpolposition des Rotors zu bestimmen. Mit einer sensorlosen Hochgeschwindigkeitsvektorregelung, die einen Magnetpolpositionssensor nicht verwendet, wird die Magnetpolposition auf der Basis des Stromwerts (Motorstroms) abgeschätzt, der in dem Motor fließt. Mit anderen Worten wird der Motorstrom durch einen Stromsensor erfasst und der erfasste Strom wird in einen Erregerstrom (d-Achsenstrom Id) und einen Drehmomentstrom (q-Achsenstrom Iq) getrennt, um die Magnetpolposition abzuschätzen.
Bei der tatsächlichen Vektorsteuerung wird in Bezug auf den d–q Rotationsreferenzrahmen, in welchem die Magnetpolposition des Rotors die Rotationsposition bei einem realen Winkel Td ist, der dc–qc Rotationsreferenzrahmen angenommen, in welchem die Magnetpolposition des Rotors die Rotationsposition bei einem geschätzten Winkel θdc in dem Steuersystem ist, und ein Axialfehler Δθ dazwischen wird durch Berechnung geschätzt. Dann wird der Spannungsbefehlswert des Inverters durch Rückkopplung derart korrigiert, dass der Axialfehler Δθ zu Null wird, um so die tatsächliche Magnetpolposition und die Magnetpolposition zum Steuern derart zu steuern, dass sie miteinander übereinstimmen.
Mit einer solchen Vektorsteuerung werden idealerweise die Größe und Phase des Stroms zum Antreiben des Motors von einem Inverter in Übereinstimmung mit der Rotationsgeschwindigkeit (Anzahl der Umdrehungen) des Motors oder der Größe der Last auf den Motor gesteuert, wodurch der Motor bei einem hohen Drehmoment und mit hoher Ansprechgeschwindigkeit, hoher Leistung und hoher Genauigkeit gesteuert werden kann. Wenn jedoch der Inverter gestartet wird, zu welchem Zeitpunkt der Strom, der in dem Motor fließt, nicht genutzt werden kann, kann eine sensorlose Vektorsteuerung nicht verwendet werden. Daher kann beispielsweise ein System untersucht werden, in dem das Steuerverfahren zwischen dem Abschnitt von dem Start bis Niedriggeschwindigkeitsbetrieb und dem Abschnitt, der einen Niedriggeschwindigkeitsbetrieb übersteigt, geändert werden. Zum Beispiel offenbart Patentliteratur 1 eine Technologie, bei welcher konstante V/F-Steuerung, mit der es nicht notwendig ist, die Magnetpolposition zu erfassen, von dem Start bis zum Niedriggeschwindigkeitsbetrieb durchgeführt wird. Wenn der Hochgeschwindigkeitsbetrieb nach Überschreiten einer vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit (Anzahl der Umdrehungen) oder Last durchgeführt wird, wird die Steuerung unter Verwenden einer voreingestellten Anfangsmagnetpolposition auf Vektorsteuerung umgeschaltet.
Zitatliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2004-48886

Zusammenfassung
Technisches Problem
Wenn der Motor bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit arbeitet (mit einer kleinen Anzahl von Umdrehungen) oder unter geringen Lastbedingungen, wird der Motorstrom (Summe der Drehmomentstromkomponente und der Feldstromkomponente) auch reduziert. Dementsprechend wird die magnetomotorische Kraft für die Ausgabe des Stromsensors, der den Motorstrom erkennt, reduziert; deshalb wird die Ausgabewellenform verzerrt oder die Phase des erkannten Motorstroms leitet die Phase des tatsächlichen Stroms. Die Verzerrungen der Ausgabewellenform und des Phasenfortschritts bewirkt ein Versagen in der Abschätzung der Magnetpolposition und verursacht deshalb einen Außertrittzustand (stepout), was den Motor zum Stoppen zwingt.
Um eine ausreichend hohe magnetomotorische Kraft zu erzielen, selbst wenn der Motorstrom klein ist, kann zum Beispiel die Anzahl der Wicklungen des Transformators erhöht oder die Auflösung des Stromsensors verbessert werden. In jedem Fall steigen jedoch die Kosten. Infolgedessen ist es gemäß der herkömmlichen Technologie schwierig, eine sensorlose Vektorsteuerung bei Niedriggeschwindigkeits (oder Niedriglast) betrieb erfolgreich durchzuführen, bei Niederhalten eines Kostenanstiegs.
Gemäß der in Patentliteratur 1 offenbarten Technologie wird es schwierig, obwohl wahlweise eine konstante V/F-Steuerung und Vektorsteuerung verwendet werden können, wenn der Motor bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit (mit einer kleinen Anzahl von Umdrehungen) oder unter geringen Lastbedingungen arbeitet, eine sensorlose Vektorsteuerung durchzuführen. Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf das Vorstehende geschaffen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmepumpenvorrichtung zu erzielen, die in der Lage ist, eine sensorlose Vektorsteuerung durchzuführen, selbst bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit (mit einer kleinen Anzahl von Umdrehungen) oder unter einer niedrigen Last, bei Niedrighalten eines Kostenanstiegs.
Lösung des Problems
Um die vorstehenden Probleme zu lösen und die Aufgabe erfüllen, umfasst eine Wärmepumpenvorrichtung der vorliegenden Erfindung: einen Kompressor, der von einem Motor angetrieben wird, und ein Kältemittel komprimiert; eine Invertereinheit, die eine Spannung an den Motor angelegt; einen Stromsensor, der einen Strom erkennt, der in dem Motor fließt; und eine Invertersteuereinheit, die ein Antriebssignal an die Invertereinheit ausgibt, wobei die Invertersteuereinheit eine Spannungsbefehlberechnungseinheit einschließt, die einen Spannungsbefehlswert berechnet, und eine Antriebssignalgenerierungseinheit, die das Antriebssignal auf einer Basis des Spannungsbefehlswerts generiert, wobei die Antriebssignalgenerierungseinheit eine Amplituden- und Phasenbestimmungseinheit einschließt, die eine erforderliche Höhe einer Kältemittelkompression des Kompressors auf einer Basis eines Signals von dem Stromsensor bestimmt, eine Amplitude und eine Phase von der erforderlichen Höhe einer Kältemittelkompression bestimmt, und die Antriebssignalgenerierungseinheit veranlasst, das Antriebssignal zu generieren, und wenn der Motor bei einer Rotationsgeschwindigkeit oder unter einer Lastbedingung arbeitet, die gleich oder kleiner als ein eingestellter Wert ist, die Spannungsbefehlberechnungseinheit ein Signal von dem Stromsensor unter Verwenden eines Phasenkompensationsbetrags korrigiert, der im Vorhinein in Übereinstimmung mit der Rotationsgeschwindigkeit oder der Lastbedingung gemessen wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Effekt erzielt, bei dem es möglich ist, eine Wärmepumpenvorrichtung zu erhalten, die einen Kompressor einschließt, der einen Motor einschließt, der in der Lage ist, eine sensorlose Vektorsteuerung durchzuführen, selbst bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit (mit einer kleinen Anzahl von Umdrehungen) oder unter einer geringen Last, bei Niedrighalten eines Kostenanstiegs.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration einer Wärmepumpenvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration einer Invertereinheit, einer Invertersteuereinheit und eines Kompressors darstellt, der einen Teil der Wärmepumpenvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform bildet.
3 ist ein Vergleichsdiagramm, das die Beziehung zwischen einer Motorstromwellenform und einer Ausgabewellenform eines Stromsensors (ACCT) der ersten Ausführungsform bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit (mit einer kleinen Anzahl von Umdrehungen) oder unter einer geringen Last darstellt.
s4 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis einer d-q-Umwandlung darstellt, die auf der Motorstromwellenform (sinusförmigen tatsächlichen Stromwellenform) in 3 gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
5 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis einer d-q-Umwandlung darstellt, die auf der verzerrten Ausgabewellenform des ACCT in 3 gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführt wird.
6 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Spannungsbefehlberechnungseinheit gemäß der ersten Ausführungsform erläutert.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration darstellt, wenn ein Niedrigwiderstandswiderstandselement als ein sekundärseitiger Widerstand des ACCT gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration darstellt, wenn ein Hochwiderstandswiderstandelement als ein sekundärseitiger Widerstand des ACCT gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Durchschlagsspannung und dem Durchlasswiderstand für einen Si-Gerät und ein SiC-Gerät gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt.
10-1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration einer Vorrichtung darstellt, die eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform während eines Heizbetriebs einschließt.
10-2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration einer Vorrichtung darstellt, die das Wärmepumpengerät gemäß der vierten Ausführungsform während eines Kühlbetriebs einschließt.
11 ist ein Mollier-Diagramm eines Kältemittels des Wärmepumpengeräts, das in 10-1 und 10-2 gemäß der vierten Ausführungsform dargestellt ist.
Beschreibung der Ausführungsformen
Beispielhafte Ausführungsformen eines Wärmepumpengeräts gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Konfiguration und der Betrieb des Wärmepumpengeräts gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 6 erläutert.
1 ein Diagramm, das ein Wärmepumpengerät 10 darstellt, das ein Beispiel der Konfiguration eines Wärmepumpengeräts gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist. Das Wärmepumpengerät 10, das in 1 dargestellt ist, schließt eine Kältemittelkreislaufeinheit 11, eine Invertereinheit 12 und eine Invertersteuereinheit 13 ein. Das Wärmepumpengerät 10 wird zum Beispiel in einer Klimaanlage oder einer Gefriermaschine verwendet.
Die Kältemittelkreises Einheit 11 schließt einen Kompressor 14, ein Vierwegeventil 15, einen Wärmetauscher 16, einen Expansionsmechanismus 17 und einen Wärmetauscher 18 ein, welche über eine Kältemittelleitung 19 verbunden sind.
Der Kompressor 14 schließt darin einen Kompressionsmechanismus 20 und einen Motor 21 ein. Der Kompressionsmechanismus 20 komprimiert ein Kältemittel. Der Motor 21 ist ein Dreiphasenmotor, der Wicklungen für drei Phasen einschließt, d.h. U-Phase, V-Phase und W-Phase, und den Kompressionsmechanismus 20 betreibt.
Die Invertereinheit 12 schließt einen Stromsensor 26a und einen Stromsensor 26b (siehe 2) ein. Die Invertereinheit 12 ist elektrisch mit dem Motor 21 verbunden und stellt AC-Energie zur Verfügung, um den Motor 21 anzutreiben.
Der Stromsensor 26a und der Stromsensor 26b erkennen den Strom (Motorstrom), der in dem Motor 21 fließt, um die Magnetpolposition abzuschätzen. Die Signale, die von dem Stromsensor 26a und dem Stromsensor 26b erkannt werden, werden an eine d-Achsen- und q-Achsenstromerkennungseinheit 24 ausgegeben, die in einer
Kältemittelkompressionsbetriebszustandssteuereinheit 22 in der Invertersteuereinheit 13 eingeschlossen sind. Die Invertereinheit 12 wird mit DC-Energie (Busspannung V_dc) versorgt. Es ist ausreichend, wenn die Energiequelle der Invertereinheit 12 DC-Energie zur Verfügung stellen kann, und die Energiequelle der Invertereinheit 12 kann eine Solarzelle, eine AC-Energiequelle, die mit einem Gleichrichter versehen ist, oder dergleichen sein. Die Invertereinheit 12 legt eine entsprechende U-Phasenspannung Vu, eine V-Phasenspannung Vv und eine W-Phasenspannung Vw an die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenwicklungen der Motors 21 an.
Die Invertersteuereinheit 13 schließt die Kältemittelkompressionbetriebsstatussteuereinheit 22 und eine Antriebssignalgenerierungseinheit 23 ein. Die Invertersteuereinheit 13 ist elektrisch mit der Invertereinheit 12 verbunden. Die Invertersteuereinheit 13 generiert Inverterantriebssignale (zum Beispiel PWM-(Pulsweitenmodulations) Signale) auf der Basis der erforderlichen Höhe einer Kältemittelkompression des Kompressors 14, und gibt die Inverterantriebssignale an die Invertereinheit 12 aus.
Die Kältemittelkompressionsbetriebszustandssteuereinheit 22 schließt die d-Achsen- und q-Achsenstromerkennungseinheit 24 und eine Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 ein. Die Kältemittelkompressionsbetriebsstatussteuereinheit 22 wird für den Kältemittelkompressionsbetrieb des Wärmepumpengeräts 10 verwendet. Die Kältemittelkompressionsbetriebszustandssteuereinheit 22 veranlasst, dass die Inverterantriebssignale (zum Beispiel PWM-Signale) zum Antreiben des Motors 21 von der Invertersteuereinheit 13 durch Steuern der Antriebssignalgenerierungseinheit 23 ausgegeben werden. In diesem Fall schätzt die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 die Magnetpolposition des Motors 21 auf der Basis des d-Achsenstromsignals (Id) und des q-Achsenstromsignals (Iq), das von der d-Achsen- und q-Achsenstromerkennungseinheit 24 ausgegeben werden, und gibt ein Steuersignal an die Antriebssignalgenerierungseinheit 23 aus. Das d-Achsenstromsignal (Id) und das q-Achsenstromsignal (Iq) basieren auf dem Motorstrom des Motors 21, der von dem Stromsensor 26a und dem Stromsensor 26b erkannt werden, die in der Invertereinheit 12 eingeschlossen sind. Dann generiert die Antriebssignalgenerierungseinheit 23 Signale (zum Beispiel PWM-Signale) zum Antreiben der Invertereinheit 12 auf der Basis des Steuersignals, das von der Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 ausgegeben wird, und gibt die Signale aus.
2 ist ein Diagramm, das als Details eines Teils des Wärmepumpengeräts 10 ein Beispiel der Konfiguration der Invertereinheit 12, der Invertersteuereinheit 13 und des Kompressors 14 darstellt.
Die Invertereinheit 12 schließt sechs Schaltelemente 27a bis 27f ein und ist derart konfiguriert, dass drei Serienverbindungseinheiten, von denen jede zwei Schaltelemente einschließt, parallel verbunden sind. Jedes Schaltelement schließt ein Diodenelement ein. In Übereinstimmung mit PWM-Signalen (UP, UN, VP, VN, WP, and WN in 2), die Antriebssignale sind, die von der Invertersteuereinheit 13 eingegeben werden, treibt die Invertereinheit 12 die entsprechenden Schaltelemente an, um die Dreiphasenspannung Vo, Vv und Vw zu generieren, und legt dann die entsprechende Spannung an jede der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenwicklungen des Motors 21 an.
Die d-Achsen- und q-Achsenstromerkennungseinheit 24 schließt ein LPF (Tiefpassfilter) 28, eine Phasenstromberechnungseinheit 29 und eine Dreiphasen-auf- Zweiphasenumwandlungseinheit 30 ein.
Der LPF 28 entfernt Oberwellenrauschen in den Signalen, die von dem Stromsensor 26a und dem Stromsensor 26b erhalten werden, die den Motorstrom erkennen und dann von dem Stromsensor 26a und dem Stromsensor 26b ausgegeben werden. Der LPF 28 kann en Analogfilter oder kann ein Digitalfilter sein.
Die Phasenstromberechnungseinheit 29 berechnet einen U-Phasenstrom Iu, einen V-Phasenstrom Iv und einen W-Phasenstrom Iw auf der Basis der Signale von dem Stromsensor 26a und den Stromsensor 26b (Signale, von welchen Oberwellenrauschen durch den LPF 28 entfernt sind) und gibt diese an die Dreiphasen-auf-Zweiphasenumwandlungseinheit 30 aus. Es ist ausreichend, wenn die Signale, welche die Phasenstromberechnungseinheit 29 von dem Stromsensor 26a und dem Stromsensor 26b erhält, für wenigstens zwei Phasen sind. Das liegt daran, dass die Phasenstromberechnungseinheit 29 den Stromwert für die verbleibende Phase unter Verwenden der Tatsache berechnen kann, dass die Phasen der Phasenstroms um 120° von ein anderer versetzt sind.
Die Dreiphasen-auf-Zweiphasenumwandlungseinheit 30 führt eine Koordinatenumwandlung auf den U-Phasenstrom Iu, den V-Phasenstrom Iv und den W-Phasenstrom Iw durch, die von der Phasenstromberechnungseinheit 29 erhalten werden, um den Erregerstrom (d-Achsenstromsignal Id) und den Drehmomentstrom (q-Achsenstromsignal Iq) zu gewinnen, und gibt diese aus.
Die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 schätzt die Magnetpolposition des Motors 21 aus dem d-Achsenstromsignal Id und dem q-Achsenstromsignal Iq ab. Die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 schließt eine Korrektursteuereinheit 25a ein, die eine Korrektursteuerung auf verschiedene Signale in Übereinstimmung mit der Rotationsgeschwindigkeit (der Anzahl von Umdrehungen) des Motors 21 oder der Höhe der Last auf den Motor 21 durchführt. Die Korrektursteuereinheit 25a korrigiert die Signale von dem Stromsensor 26a und dem Stromsensor 26b in Übereinstimmung mit der Rotationsgeschwindigkeit des Motors 21 nach Trennen der Signale in eine d-Achsenkomponente und eine q-Achsenkomponente. Die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 schließt vorzugsweise einen Speicherbereich ein und es ist ausreichend, wenn eine Tabelle 25aa von Werten, die zur Korrektursteuerung verwendet werden, in dem Speicherbereich gespeichert wird. Der Phasenkompensationsbetrag Δθ ist ein Wert, der für eine Korrektursteuerung verwendet wird, und ein Wert, der im Vorhinein gemessen wird, wird als der Phasenkompensationsbetrag Δθ verwendet, welcher der Rotationsgeschwindigkeit (der Anzahl von Umdrehung) des Motors 21 oder der Höhe der Last auf den Motor 26 entspricht.
Die Antriebssignalgenerierungseinheit 23 schließt eine PWM-Signalgenerierungseinheit 32, eine Zweiphasen-auf-Dreiphasenumwandlungseinheit 31 und eine Amplituden-und Phasenbestimmungseinheit 33 ein.
Die Zweiphasen-auf-Dreiphasenumwandlungseinheit 31 wandelt Zweiphasensignale von der Spannungsbefehlswertberechnungseinheit 25 in Dreiphasensignale um und gibt diese an die PWM-Signalgenerierungseinheit 32 aus. Mit anderen Worten werden ein d-Achsenspannungsbefehlswert Vd* und ein q-Achsenspannungsbefehlswert Vq* in einen U-Phasenspannungsbefehlswert Vu*, einen V-Phasenspannungsbefehlswert Vv* und einen W-Phasenspannungsbefehlswert Vw* umgewandelt, die an die PWM-Signalgenerierungseinheit 32 ausgegeben werden.
Die PWM-Signalgenerierungseinheit 32 generiert PWM-Signale zum Antreiben der Invertereinheit 12 auf der Basis des Spannungsbefehlswerts von der Zweiphasen-auf-Dreiphasenumwandlungseinheit 31. Die Invertereinheit 12 treibt den Motor 21 auf der Basis der PWM-Signale an, die von der PWM-Signalgenerierungseinheit 32 generiert und ausgegeben werden.
Der Betrieb der Amplituden-und Phasenbestimmungseinheit 33 wird später beschrieben.
Es kann ein Phänomen beobachtet werden, wenn der Motor 21 bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit (mit einer kleinen Anzahl von Umdrehungen) oder unter einer geringen Last arbeitet, dass eine Ausgabewellenform von einem ACCT (Wechselstrom-Stromwandler), der ein Stromsensor ist, verzerrt wird.
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Motorstromwellenform 32 (sinusförmige tatsächliche Stromwellenform) und einer Ausgabewellenform 35 des ACCT darstellt, wenn der Motor 21 bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit (mit einer kleinen Anzahl von Umdrehung) oder unter einer geringen Last arbeitet. In 3 ist die Motorstromwellenform 34 durch eine durchgezogene Linie dargestellt und die Ausgabewellenform 35 des ACCT ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
4 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis einer d-q-Umwandlung darstellt, die auf die Motorstromwellenform 35 in 3 ausgeführt wurde. 15 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis einer d-q-Umwandlung darstellt, die auf die Ausgabewellenform 35 eines ACCT in 3 ausgeführt wurde. In 4 besteht im Wesentlichen keine Änderung des Stroms auf Grund der Phasendifferenz zwischen einem d-Achsenstrom 36 und einem q-Achsenstrom 37. In 5 besteht jedoch eine Phasendifferenz zwischen einem d-Achsenstrom 38 und einem q-Achsenstrom 39 bei einem gegebenen Winkel. Aufgrund dieser Phasendifferenz tritt wegen der Stromschwankungen ein Fehler in der Bestimmung der Magnetpolposition des Motors 21 auf.
Deshalb korrigiert bei dem Wärmepumpengerät der vorliegenden Ausführungsform die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 den Phasenfehler zwischen der tatsächlichen Stromwellenform und der Ausgabewellenform durch Verwenden des Betrags von Phasenkompensationen Δθ, was es erlaubt, die Magnetpolposition des Motors genau abzuschätzen. Für den zur Korrektur verwendeten Betrag von Phasenkompensation Δθ können Werte in Übereinstimmung mit der Rotationsgeschwindigkeit (der Anzahl von Umdrehungen) oder der Last im Vorhinein erhalten und als Tabellendaten gespeichert werden. Die Konfiguration und dergleichen des Speicherbereichs zum Speichern des Betrags von Phasenkompensationsbehälterweg sind nicht besonders eingeschränkt. Zum Beispiel kann ein Speicherbereich in der Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 vorgesehen sein und der Betrag von Phasenkompensation Δθ kann in diesem Speicherbereich gespeichert werden.
Die Amplituden- und Phasenbestimmungseinheit 33 in der Invertersteuereinheit 13 bestimmt die Phase und die Amplitude von der erforderlichen Höhe von Kältemittelkompression des Kompressors 14 auf der Basis der Signale von dem Stromsensor 26a und dem Stromsensor 26b, und die PWM-Signalgenerierungseinheit 32 generiert Antriebssignale auf der Basis der bestimmten Phase und Amplitude.
Als nächstes wird der Betrieb der Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 unter Bezugnahme auf 6 erläutert. 6 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 erläutert.
Als erstes bestimmt die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25, ob die Rotationsgeschwindigkeit (die Anzahl von Umdrehungen) des Motors 21 gleich oder kleiner ist als ein eingestellter Wert, oder ob die Last auf dem Motor 21 gleich oder kleiner als ein eingestellter Wert (erster Schritt S1) ist. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit (die Anzahl von Umdrehungen) oder die Last gleich oder kleiner als der eingestellter Wert ist, geht der Prozess zu einem zweiten Schritt S2 über, in welchem ein Phasenfehler korrigiert wird. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit (die Anzahl von Umdrehungen) oder die Last nicht gleich oder kleiner als der eingestellter Wert ist, geht der Prozess direkt zu einem dritten Schritt S3 über, in welchem sensorlose Vektorsteuerung durchgeführt wird.
Wenn der Prozess von dem ersten Schritt S1 (wenn die Rotationsgeschwindigkeit (die Anzahl von Umdrehungen) des Motors 21 oder der Last auf den Motor 21 nicht gleich oder kleiner ist als der eingestellte Wert) direkt zu dem dritten Schritt S3 übergeht, korrigiert die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 den Phasenfehler nicht. Deshalb schätzt die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 die Magnetpolposition ohne Korrigieren des Phasenfehlers und berechnet den d-Achsenspannungsbefehlswert Vd* und den q-Achsenspannungsbefehlswert Vq* zum Antreiben des Motors 21. Auf diese Art wird eine sensorlose Vektorsteuerung durchgeführt. Danach kehrt der Prozess zu dem ersten Schritt S1 zurück und die Bestimmung in dem ersten Schritt S1 wird wiederholt durchgeführt. Wenn der Prozess als ein Ergebnis der Bestimmung in dem ersten Schritt S1 (wenn die Rotationsgeschwindigkeit (die Anzahl von Umdrehungen) des Motors 21 oder der Last auf dem Motor 21 gleich oder kleiner ist als der eingestellte Wert) zu dem zweiten Schritt S2 übergeht, korrigiert die Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 den Phasenfehler in Hinblick auf den d-Achsenstrom Id und den q-Achsenstrom Iq. In dieser Art wird eine sensorlose Vektorsteuerung durchgeführt. Danach kehrt der Prozess zu dem ersten Schritt S1 zurück und die Bestimmung in dem ersten Schritt S1 wird wiederholt durchgeführt.
Wenn der Phasenfehler korrigiert wird, wird eine Phase verzögert, so dass eine Führungsphase korrigiert wird. Dementsprechend kann, selbst wenn der Motor 21 bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit arbeitet (mit einer kleinen Anzahl von Umdrehungen) oder der Motor 21 unter einer niedrigen Last arbeitet, jeder Stromsensor den Strom genau erkennen, der in dem Motor 21 fließt, ohne die Auflösung des Stromsensors 26a und des Stromsensor 26b zu verbessern oder ohne einen Stromsensor mit einer großen Anzahl von Wicklungen zu verwenden. Mit anderen Worten kann der Strom, der in dem Motor 21 fließt, genau erkannt werden, bei Niederhalten eines Kostenanstiegs.
Wenn der Motorstrom des Motors 21 genau erkannt wird, kann die Magnetpolposition des Motors 21 genau abgeschätzt werden. Eine genaue Schätzung der Magnetpolposition erlaubt es, ein Außertrittphänomen auf Grund eines Fehlschlags bei der Erkennung der Magnetpolposition oder eine Abweichung der erkannten Magnetpolposition auszuschließen oder zu unterdrücken.
Dadurch kann der Motor 21 ohne Problem bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit (der Anzahl von Umdrehungen) oder unter einer geringen Last verglichen mit der herkömmlichen Technologie angetrieben werden; deshalb kann der Energieverbrauch des Wärmepumpengeräts 10 reduziert werden. Zweite Ausführungsform.
In der ersten Ausführungsform wurde das Wärmepumpengerät der vorliegenden Erfindung erläutert. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Erläuterung eines Stromsensors (dem Stromsensor 26a und dem Stromsensor 26b in der ersten Ausführungsform) gegeben, der in dem Wärmepumpengerät der vorliegenden Erfindung eingeschlossen ist, unter Bezugnahme auf 7 und 8.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Stromsensors 26a und des Stromsensors 26b darstellt, wenn ein Niedrigwiderstandswiderstandselement (zum Beispiel 10Ω als ein sekundärseitiger Widerstand 43 des ACCT verwendet wird, der in dem Wärmepumpengerät 10 eingeschlossen ist.
Wenn der Widerstand des sekundärseitigen Widerstands 43 des ACCT gering ist, wird die Ausgabespannung reduziert. Deshalb ist in dem Beispiel der in 7 dargestellten Konfiguration ein Verstärker 44 zum Verstärken der Spannung vorgesehen, so dass diese in einen Mikrocomputer 45 in einer Stufe nachfolgend der sekundärseitigen Ausgabe eingegeben werden kann.
Bei dem Beispiel der Konfiguration, das in 7 dargestellt ist, erhöhen sich jedoch die Kosten wegen dem Verstärker 44 und weil sich der Bereich vergrößert, der durch den Stromsensor 26a und den Stromsensor 26b belegt wird. Zudem wird auch Rauschen durch den Verstärker 44 verstärkt; deshalb ist die Erfassungsgenauigkeit des Stromsensors 26a und des Stromsensors 26b reduziert. In dem ACCT der 7 ist ein Operationsverstärker als ein Beispiel des Verstärkers 44 dargestellt; dies bedeutet jedoch keine Einschränkung.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration des Stromsensors 26a und des Stromsensors 26b darstellt, wenn ein Hochwiderstandswiderstandelement (zum Beispiel 1kΩ als ein sekundärseitiger Widerstand 46 des ACCT verwendet wird, der in dem Wärmepumpengerät 10 eingeschlossen ist.
Wenn der Widerstand des sekundärseitigen Widerstands 46 hoch ist, wird die an einen Mikrocomputer 48 ausgegebenen Spannung erhöht. Deshalb kann in dem Beispiel der Konfiguration, die in 8 dargestellt ist, eine ausreichend hohe Spannung, die in den Mikrocomputer eingegeben werden kann, ohne Verwenden des Verstärkers 44, wie in 7 dargestellt, ausgegeben werden.
Eine magnetomotorische Kraft NI wird durch NI = R_mϕ dargestellt, wobei R_m ein magnetischer Widerstand und I ein magnetischer Fluss ist. Da die sekundärseitige Widerstandslast hoch ist, wird die magnetomotorische Kraft hoch, wenn der gleiche magnetische Fluss (Strom) auf den ACCT angewendet wird, und es tritt eine magnetische Sättigung auf. Dementsprechend besteht ein Problem darin, dass die ACCT-Ausgabewellenform verzerrt wird, wie in 3 dargestellt.
In dem Beispiel der in 8 dargestellten Konfiguration wird, da der Widerstand des sekundärseitigen Widerstands 46 hoch ist, wenn ein Vergleich auf konstanten magnetischen Fluss (konstanten Strom) durchgeführt wird, die magnetomotorische Kraft NI des ACCT hoch und es tritt eine magnetische Sättigung auf. Wenn eine magnetische Sättigung auftritt, wird die Ausgabewellenform verzerrt. Wenn die Ausgabewellenform verzerrt wird, wie in der ersten Ausführungsform erläutert, tritt ein Phasenfehler in dem d-Achsenstrom Id und dem q-Achsenstrom Iq auf.
Somit wird in dem Beispiel der Konfiguration, die in 8 dargestellt ist, der Phasenfehler in der Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 korrigiert. Als das Korrektursignal Δθ, das zur Korrektur verwendet wird, ist es ausreichend, wenn Werte in Übereinstimmung mit der Rotationsgeschwindigkeit (der Anzahl von Umdrehungen) oder der Last, wenn der sekundärseitige Widerstand 46 mit einem hohen Widerstand verwendet wird, im Vorhinein erhalten und als Tabellendaten gespeichert werden, und auf die Tabellendaten Bezug genommen wird, wenn die Korrektur durchgeführt wird. Die Konfiguration und dergleichen des Speicherbereichs zum Speichern des Korrektursignals Δθ sind nicht besonders eingeschränkt. Zum Beispiel ist es ausreichend, wenn ein Speicherbereich in der Spannungsbefehlberechnungseinheit 25 zur Verfügung gestellt wird, und die Tabelle 25aa von Werten, die zur Korrektursteuerung verwendet werden, in dem Speicherbereich in ähnlicher Weise wie in der ersten Ausführungsform gespeichert werden. Das Korrektursignal Δθ ist ein Wert, der zur Korrektursteuerung verwendet wird. Für den Betrag von Phasenkompensation Δθ, die der Rotationsgeschwindigkeit (der Anzeichen Umdrehungen) des Motors 21 oder der Höhe der Last auf den Motor 21 entspricht, wird ein Wert verwendet, der im Vorhinein gemessen wird, und der Rotationsgeschwindigkeit (der Anzeichen Umdrehung) oder der Last entspricht, wenn der sekundärseitige Widerstand mit einem hohen Widerstand verwendet wird.
Bei der Wellenform, die auf Grund magnetischer Sättigung verzerrt wird, werden wegen der Verzerrung der Wellenform Oberwellenkomponenten überlagert. Deshalb wird in dem Beispiel der Konfiguration von 8 ein LPF 47, in welchem ein Widerstandselement und ein Kapazitätselement verwendet werden, in einer nachfolgenden Stufe zu der sekundärseitigen Ausgabe des ACCT vorgesehen; deshalb können Oberwellenkomponenten reduziert oder entfernt werden.
Der LPF 47 kann nicht vorgesehen sein. Wenn der LPF 47 nicht vorgesehen ist, ist es ausreichend, wenn die Konfiguration derart ist, dass nachdem Stromwerte in den Mikrocomputer 48 aufgenommen werden, die Stromwerte unter Bezugnahme auf die Werte der vorhergehenden Stufe gemittelte werden, um Oberwellenkomponenten zu reduzieren oder zu entfernen. Der LPF 47 entspricht dem LPF 28 in der ersten Ausführungsform.
Wenn die Konfiguration in 8 für den ACCT verwendet wird, und der Phasenfehler korrigiert wird, kann der ACCT eine Spannung ausgeben, die ausreichend hoch ist, dass diese in den Mikrocomputer eingegeben werden kann, ohne dass ein Verstärker verwendet wird; deshalb ist es möglich, ein Problem zu lösen, dass aus der Verzerrung einer Wellenform herrührt. Darüber hinaus kann, da in der Konfiguration der 8 kein Verstärker verwendet wird, eine hohe Erkennungsgenauigkeit beibehalten werden, während eine Zunahme des von dem ACCT belegten Bereichs unterdrückt wird. Zudem ist es möglich, die Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform und die Konfiguration der ersten Ausführungsform zu kombinieren.
Die Konfiguration in 7 oder die Konfigurationen in 8 können für den Stromsensor 26a und den Stromsensor 26b verwendet werden, die in dem Wärmepumpengerät der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sind.
Dritte Ausführungsform.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine bevorzugte Form des Wärmepumpengeräts 10 der vorliegenden Ausführungsform erläutert werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Weite-Bandlückenhalbleiter (wide bandgap semiconductor) für die Schaltelemente 27a bis 27f (2) verwendet, welche in dem Wärmepumpengerät 10 vorgesehen sind.
Unter Verwenden eines Weite-Bandlückenhalbleiters als die Schaltelemente 27a bis 27f ist es möglich, den Elementverlust in den Schaltelementen 27a bis 27f zu reduzieren und den Strom zu erhöhen. Deshalb kann eine Kühlrippe in der Größe reduziert oder beseitigt werden, verglichen mit einem Fall, in dem ein Weite-Bandlückenhalbleiter nicht verwendet wird.
Beispiele des Weite-Bandlückenhalbleiters, der in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden kann, kann Siliziumkarbid (welches auch als SiC bezeichnet wird), Diamant, ein Galliumnitrid basiertes Material (Material, das Galliumnitrid als eine Hauptkomponente enthält) und dergleichen verwendet werden.
19 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Durchschlagsspannung und dem Durchlasswiderstand für ein Silizium-Gerät (Si-Gerät) und ein Siliziumkarbid-Gerät (SiC-Gerät) darstellt. Es besteht eine Kompromissbeziehung zwischen der Durchschlagsspannung und dem Durchlasswiderstand derart, dass sich der Durchlasswiderstand erhöht, wenn sich die Durchschlagsspannung erhöht, und die Durchschlagsspannung reduziert wird, wenn der Durchlasswiderstand reduziert wird. Jedoch weist ein SiC-Gerät eine größere Bandlücke als ein Si-Gerät auf; deshalb ist, wenn ein Vergleich für einen gegebenen Durchlasswiderstand durchgeführt wird, die Durchschlagsspannung des SiC-Geräts erheblich größer als die Durchschlagsspannung des Si-Geräts (siehe 9). Dementsprechend kann der Kompromiss zwischen der Durchschlagsspannung und dem Durchlasswiderstand unter Verwenden eines SiC-Geräts erheblich verbessert werden. Zum Beispiel ist ein Kühlgerät oder eine Kühlrippe wesentlich für gegenwärtig verwendete Induktionsheizkocher, bei welchen Si-Geräte verwendet werden, und der Elementverlust kann durch Verwenden von SiC-Geräten erheblich reduziert werden. Deshalb können herkömmliche Kühlgeräte oder Kühlrippen in einer Größe reduziert oder weggelassen werden. Folglich können die Kosten des Geräts selbst wesentlich reduziert werden.
Darüber hinaus kann, da ein Schalten mit hoher Frequenz unter Verwenden eines Weite-Bandlückenhalbleiters für die Schaltelemente 27a bis 27f durchgeführt werden kann, veranlasst werden, dass ein Strom höherer Frequenz in dem Motor 21 fließt.
Dementsprechend wird der Wicklungsstrom wegen des Anstiegs der Wicklungsimpedanz des Motors 21 reduziert; deshalb wird der Strom, der in der Invertereinheit 12 fließt, reduziert. Somit kann ein Wärmepumpengerät mit höherer Effizienz erhalten werden.
Wie in der ersten Ausführungsform erläutert, ist gemäß dem Wärmepumpengerät der vorliegenden Erfindung eine stabiler Betrieb selbst bei Niedriggeschwindigkeitsbetrieb durch ein Ausführen von Korrektursteuerung möglich. Der Elementverlust erhöht sich jedoch, selbst wenn Sensorinformation korrekt erhalten wird, wenn eine große Menge von Strom fließt, wenn die Geschwindigkeit niedrig oder die Last hoch ist, was zu einem Hochtemperaturbetrieb führt.
Durch Verwenden eines Weite-Bandlückenhalbleiters, insbesondere eines SiC-Geräts für die Schaltelemente, kann jedoch veranlasst werden, dass eine große Menge von Strom bei Unterdrücken des Elementverlusts fließt, verglichen mit einem herkömmlichen Fall, wo Si-Geräte verwendet werden. Deshalb kann ein Anstieg der Temperatur unterdrückt werden und ein Kühlgerät oder eine Kühlrippe können in der Größe reduziert oder weggelassen werden.
Beispiele der Konfiguration der Schaltelemente 27a bis 27f schließen einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor; Isolierschichtbipolartransistor) und einen Leistungs-MOSFET mit einer Superjunction-Struktur ein. Die Konfiguration der Schaltelemente 27a bis 27f ist jedoch nicht darauf eingeschränkt und es ist möglich, andere Isolierschichthalbleiterelemente oder Bipolartransistoren zu verwenden. Ein Weite-Bandlückenhalbleiter kann nur für die Dioden der Schaltelemente 27a bis 27f verwendet werden, die in der Invertereinheit 12 eingeschlossen sind. Darüber hinaus können einige von (wenigstens eines von) den Schaltelementen, die in den Schaltelementen 27a bis 27f vorgesehen sind, aus einem weitW-Bandlückenhalbleiter gebildet sein. Die vorstehend beschriebenen Effekte können selbst dann erhalten werden, wenn ein Weite-Bandlückenhalbleiter für nur einige der Elemente verwendet wird.
Vierte Ausführungsform.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Erläuterung einer Vorrichtung (wie einer Klimaanlage oder einer Gefriermaschine) angegeben, in welcher das Wärmepumpengerät 10 verwendet wird, das in den ersten bis dritten Ausführungsformen erläutert wurde. 10-1 und Figur 10-2 sind Diagramme, die ein Beispiel der Konfiguration einer Vorrichtung darstellen, die ein Wärmepumpengerät 10 einschließen. 10-1 stellt ein Beispiel der Konfiguration bei einem Heizbetrieb und 10-2 stellt ein Beispiel der Konfiguration bei einem Kühlbetrieb dar. Die Umlaufrichtung, in welcher ein Kältemittel in 10-1 zirkuliert, ist unterschiedlich von der in 10-2, und die Umlaufrichtung wird von einem Vierwegeventil 57 geschaltet, welches später beschrieben werden wird. 11 ist ein Mollier-Diagramm des Zustands eines Kältemittels in dem Wärmepumpengerät 10, das in 10-1 und 10-2 dargestellt ist. In 11 gibt die horizontale Achse die spezifische Enthalpie h und die vertikale Achse den Kältemitteldruck P an. Ein Kompressor 49, ein Wärmetauscher 50, ein Expansionsmechanismus 51, ein Empfänger 52, ein interner Wärmetauscher 53, ein Expansionsmechanismus 54 und ein Wärmetauscher 55 sind durch eine Leitung verbunden, einen Hauptkältemittelkreislauf bildend, in welchem ein Kältemittel durch die Leitung zirkuliert. In jeder von 10-1 und 10-2 wird der Hauptkältemittelkreislauf in Hauptkältemittelkreisläufe 56a bis 56k geteilt. Das Vierwegeventil 57 ist auf der Ausstoßseite des Kompressors 49 vorgesehen; deshalb kann die Umlaufrichtung des Kältemittels geschaltet werden. Ein Gebläse 58 ist nahe dem Wärmetauscher 55 vorgesehen. Der Kompressor 49 entspricht dem Kompressor 14 in den ersten bis dritten Ausführungsformen (siehe 1) und schließt den Motor 21 ein, der von der Invertereinheit 12 angetrieben ist, und den Kompressionsmechanismus 20. Weiterhin schließt das Wärmepumpengerät 10 Einspritzkreisläufe 60a bis 60c (dargestellt durch durchgezogene Linien) ein, die sich von zwischen dem Empfänger 52 und dem internen Wärmetauscher 53 mit der Einspritzleitung des Kompressors 49 verbinden. Ein Expansionsmechanismus 59 und der interne Wärmetauscher 53 sind mit den Einspritzkreisläufen 60a bis 60c verbunden.
Ein Wasserkreislauf (dargestellt durch eine durchgezogene Linie), gebildet von einem Wasserkreislauf 61a und einem Wasserkreislauf 61b, ist mit dem Wärmetauscher 50 verbunden, und in dem Wasserkreislauf wird Wasser zirkuliert. Ein Gerät, das Wasser nutzt, wie ein Heißwasserspender, ein Radiator oder Radiator, der in einer Fußbodenheizung oder dergleichen eingeschlossen ist, ist mit dem Wasserkreislauf 61a und den Wasserkreislauf 61b verbunden.
Als nächstes wird ein Betrieb des Wärmepumpengeräts 10 erläutert. Als erstes wird eine Erläuterung eines Betriebs des Heißwassergeräts 10 bei einem Heizbetrieb (wenn das Wärmepumpengerät 10 als ein Heißwasserspender arbeitet) unter Bezugnahme auf 10-1 angegeben.
Als erstes wird ein Kältemittel in einem Gasphasenzustand in dem Kompressor 49 komprimiert und tritt in einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand (in Punkt A in 11) ein.
Dann wird das Kältemittel in einem Hochtemperatur- und Hochdruckzustand von dem Kompressor 49 an den Hauptkältemittelkreislauf 56a ausgestoßen. Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56a wird an das Vierwegeventil 57 überführt, und das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56b, das über das Vierwegeventil 57 überführt wird, wird an den Wärmetauscher 50 überführt. Das überführte Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56b tauscht Wärme in dem Wärmetauscher 50 aus, so dass es gekühlt und verflüssigt (in Punkt B in 11) wird. Mit anderen Worten funktioniert der Wärmetauscher 50 als ein Kondensator und als ein Radiator in dem Hauptkältemittelkreislauf. An diesem Punkt wird das Wasser in dem Wasserkreislauf 61a durch die Wärme erwärmt, die von dem Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf abgestrahlt wird. Das aufgewärmte Wasser in dem Wasserkreislauf 61b wird zum Heizen, zur Heißwasserversorgung und dergleichen verwendet.
Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56c, das in dem Wärmetauscher 50 verflüssigt wird, wird an den Expansionsmechanismus 51 überführt und in dem Expansionsmechanismus 51 dekomprimiert, so dass es in einen Gas-Flüssigkeit-Zweiphasenzustand (in Punkt C in 11) eintritt.
Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56d, das in einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand eingetreten ist, wird an den Empfänger 52 überführt und tauscht mit dem Kältemittel (Kältemittel, das an den Hauptkältemittelkreislauf 46k von dem Hauptkältemittelkreislauf 56j zu überführen ist), das an den Kompressor 49 zu überführen ist, Wärme in dem Empfänger 52 aus, so dass es gekühlt und verflüssigt (in Punkt D in 11) wird.
Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56e, das in dem Empfänger 52 verflüssigt wird, wird zwischen dem Hauptkältemittelkreislauf 56f und dem Einspritzkreislauf 60a in Punkt P in 10-1 aufgeteilt. Das Kältemittel, das von dem Hauptkältemittelkreislauf 56f in den internen Wärmetauscher 53 fließt, tauscht in dem internen Wärmetauscher 53 Wärme mit dem Kältemittel aus, das von dem Einspritzkreislauf 60b an den Einspritzkreislauf 60c zu überführen ist, um weiter gekühlt (in Punkt E in 11) zu werden. Das Kältemittel, das in dem Einspritzkreislauf 60b fließt, wurde in dem Expansionsmechanismus 59 dekomprimiert und ist somit in einem Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand.
Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56g, das in dem internen Wärmetauscher 53 gekühlt wird, wird an den Expansionsmechanismus 54 überführt, so dass es dekomprimiert wird und in einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand (in Punkt F in 11) eintritt.
Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56h, das in dem Expansionsmechanismus 54 in einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand eingetreten ist, wird an den Wärmetauscher 55 überführt und tauscht in dem Wärmetauscher 55 Wärme mit der Außenraumluft aus, so dass es aufgewärmt (in Punkt G in 11) wird.
Mit anderen Worten funktioniert der Wärmetauscher 55 als ein Verdampfer in dem Hauptkältemittelkreislauf.
Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56i, das in dem Wärmetauscher 55 aufgewärmt wird, wird an das Vierwegeventil 57 überführt. Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56j, das über das Vierwegeventil 57 überführt wird, wird an den Empfänger 52 überführt und wird weiter in dem Empfänger 52 (in Punkt H in 11) aufgewärmt, und das aufgewärmte Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56k wird an den Kompressor 49 überführt.
Zwischenzeitlich wird das Kältemittel in dem Einspritzkreislauf 60a, das in Punkt P geteilt wird (Einspritzkältemittel (in Punkt D in 11)), in dem Expansionsmechanismus 59 (in Punkt I in 11) dekomprimiert. Das dekomprimierte Kältemittel in dem ein Einspritzkreislauf 60b tauscht Wärme in dem internen Wärmetauscher 53 aus und tritt in einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand (in Punkt J in 11) ein. Das Kältemittel in dem Einspritzkreislauf 60c, das Wärme in dem internen Wärmetauscher 53 ausgetauscht hat, wird von der Einspritzleitung des Kompressors 49 in den Kompressor 49 überführt.
In dem Kompressor 49 wird das Kältemittel von dem Hauptkältemittelkreislauf 56k (in Punkt H in 11) auf einen Zwischendruck komprimiert und aufgewärmt (in Punkt K in 11). Das Kältemittel von dem Hauptkältemittelkreislauf 56k, das auf einen Zwischendruck komprimiert und aufgewärmt wird, verbindet sich mit dem Kältemittel in dem Einspritzkreislauf 60c (in Punkt J in 11); deshalb wird die Temperatur des Kältemittels von dem Hauptkältemittelkreislauf 46k reduziert (in Punkt L in 11). Dann wird das Kältemittel mit einer reduzierten Temperatur (in Punkt L in 11) durch den Kompressor 49 weiter komprimiert und aufgewärmt, so dass es eine hohe Temperatur und einem hohen Druck (in Punkt A in 11) aufweist, und wird von dem Kompressor 49 an den Hauptkältemittelkreislauf 56a ausgestoßen.
Das Wärmepumpengerät 10 der vorliegenden Erfindung muss den Einspritzbetrieb nicht durchführen. Wenn der Einspritzbetrieb nicht durchgeführt wird, ist es ausreichend, wenn der Expansionsmechanismus 59 geschlossen wird, so dass das Kältemittel nicht veranlasst wird, in die Einspritzleitung des Kompressors 49 hinein zu fließen. Die Blende des Expansionsmechanismus 59 kann unter Verwenden eines Mikrocomputers oder dergleichen gesteuert werden.
Als nächstes wird eine Erläuterung eines Betriebs des Wärmepumpengeräts 10 bei einem Kühlbetrieb (wenn das Wärmepumpengerät 10 als eine Gefriermaschine arbeitet) unter Bezugnahme auf 10-2 angegeben.
Als erstes wird ein Kältemittel in einem Gasphasenzustand in dem Kompressor 49 komprimiert und tritt in einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand (in Punkt A in 11) ein.
Dann wird das Kältemittel in einem Hochtemperatur- und Hochdruckzustand von dem Kompressor 49 an den Hauptkältemittelkreislauf 56a ausgestoßen und wird über das Vierwegeventil 57 an den Hauptkältemittelkreislauf 56b überführt. Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56b, das über das Vierwegeventil 57 überführt wird, wird dem Wärmetauscher 55 zugeführt. Das in dem Hauptkältemittelkreislauf 56b überführte Kältemittel tauscht in dem Wärmetauscher 55 Wärme aus, so dass es gekühlt und verflüssigt (in Punkt B in 11) wird. Mit anderen Worten funktioniert der Wärmetauscher 55 in dem Hauptkältemittelkreislauf als ein Kondensator und als ein Radiator.
Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56c, das in dem Wärmetauscher 55 verflüssigt wird, wird an den Expansionsmechanismus 54 überführt und wird dekomprimiert, um in einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand (in Punkt C in 11) einzutreten.
Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56d, das in einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand eingetreten ist, wird dem internen Wärmetauscher 53 zugeführt und tauscht in dem internen Wärmetauscher 53 Wärme mit dem Kältemittel aus, das dem Einspritzkreislauf 60c von dem Einspritzkreislauf 60b zuzuführen ist, so dass es gekühlt und verflüssigt (in Punkt D in 11) wird. Das Kältemittel, das von dem Einspritzkreislauf 60b überführt wird, wurde in dem Expansionsmechanismus 59 dekomprimiert und ist somit in einem Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand (in Punkt I in 11). Das Kältemittel (in Punkt D in 11) in dem Hauptkältemittelkreislauf 56e, das Wärme in dem internen Wärmetauscher 53 ausgetauscht hat, wird zwischen dem Hauptkältemittelkreislauf 56f und dem Einspritzkreislauf 60a in Punkt P in 10-2 getrennt.
In dem Empfänger 52 tauscht das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56f Wärme mit dem Kältemittel aus, das von dem Hauptkältemittelkreislauf 56j an den Hauptkältemittelkreislauf 56k zu überführen ist, um weiter gekühlt (in Punkt E in 11) zu werden. Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56g, das in dem Empfänger 52 gekühlt wird, wird in dem Expansionsmechanismus 51 dekomprimiert und tritt in einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand (in Punkt F in 11) ein.
Das Kühlmittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56h, das in dem Expansionsmechanismus 51 in einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand eingetreten ist, tauscht Wärme in dem Wärmetauscher 50 aus, um aufgewärmt (in Punkt G in 11) zu werden. An diesem Punkt wird das Wasser in dem Wasserkreislauf 61a gekühlt und das gekühlte Wasser in dem Wasserkreislauf 61b wird zum Kühlen oder zur Kühlung verwendet. Mit anderen Worten funktioniert der Wärmetauscher 50 in dem Hauptkältemittelkreislauf als ein Verdampfer.
Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56i, das in dem Wärmetauscher 50 aufgewärmt wird, wird über das Vierwegeventil 57 überführt. Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56j, das über das Vierwegeventil 57 überführt wird, fließt in den Empfänger 52 und wird weiter aufgewärmt (in Punkt H in 11). Das Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf 56k, das in dem Empfänger 52 aufgewärmt wird, wird dem Kompressor 49 zugeführt.
Zwischenzeitlich wird das Kältemittel in dem Einspritzkreislauf 60a, das in Punkt P in 10-2 getrennt wird, in dem Expansionsmechanismus 59 dekomprimiert (in Punkt I in 11). Das Kältemittel in dem Einspritzkreislauf 60b, das in dem Expansionsmechanismus 59 dekomprimiert wird, tauscht Wärme in dem internen Wärmetauscher 53 aus und tritt in einen Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenzustand (in Punkt J in 11) ein. Das Kältemittel in dem Einspritzkreislauf 60c, das Wärme in dem internen Wärmetauscher 53 ausgetauscht hat, wird von der Einspritzleitung des Kompressors 49 in den Kompressor 49 überführt. Der nachfolgende Kompressionsbetrieb, der in dem Kompressor 49 durchgeführt wird, ist ähnlich dem während des Heizbetriebs. Mit anderen Worten wird das Kältemittel, das durch Kompression und Aufwärmen (in Punkt A in 11) in einen Hochtemperatur- und Hochdruckzustand eingetreten ist, von dem Kompressor 49 an den Hauptkältemittelkreislauf 56a ausgestoßen.
Wenn der Einspritzbetrieb nicht durchgeführt wird, ist es ausreichend, wenn der Expansionsmechanismus 59 geschlossen wird, so dass das Kältemittel nicht veranlasst wird, in die Einspritzleitung des Kompressors 49 hinein zu fließen. Die Blende des Expansionsmechanismus 59 kann durch Verwenden eines Mikrocomputers oder dergleichen gesteuert werden.
In den vorstehenden Erläuterung wurde der Wärmetauscher 50 als ein Wärmetauscher (zum Beispiel ein Wärmetauscher vom Plattentyp) beschrieben, der Wärme zwischen einem Kältemittel in dem Hauptkältemittelkreislauf und Wasser in dem Wasserkreislauf austauscht. Der Wärmetauscher 50 ist jedoch nicht darauf eingeschränkt und kann ein Wärmetauscher sein, der Wärme zwischen einem Kältemittel und Luft austauscht. Ein anderes Fluid als Wasser kann in dem Wasserkreislauf zirkulieren.
Wie vorstehend beschrieben kann das Wärmepumpengerät in der vorliegenden Erfindung für verschiedene Wärmepumpengeräte verwendet werden, in welchen ein Inverterkompressor in einer Klimaanlage, ein Wärmepumpenwasserwärmer, ein Kühlschrank, eine Gefriermaschine und dergleichen verwendet wird.
Bezugszeichenliste

10 Wärmepumpengerät, 11 Kältemittelkreislaufeinheit, 12 Invertereinheit, 13 Invertersteuereinheit, 14, 49 Kompressor, 15, 57 Vierwegeventil, 16, 18, 50, 55 Wärmetauscher, 17, 51, 54, 59 Expansionsmechanismus, 19 Kältemittelleitung, 20 Kompressionsmechanismus, 21 Motor, 22 Kältemittelkompressionsbetrieb Zustandssteuereinheit, 23 Antriebssignalgenerierungseinheit, 24 d-Achsen und q-Achsenstromerkennungseinheit, 25 Spannungsbefehlberechnungseinheit, 25a Korrektursteuereinheit, 25aa Tabelle, 26a, 26b Stromsensor, 27a bis 27f Schaltelement, 28, 47 LPF, 29 Phasenstromberechnungseinheit, 30 Dreiphasen-auf-Zweiphasenumwandlungseinheit, 31 Zweiphasen-auf-Dreiphasenumwandlungseinheit, 32 PWM-Signalgenerierungseinheit, 33 Amplituden- und Phasenerkennungseinheit, 34 Motorstromwellenform, 35 Ausgabewellenform eines ACCT, 36, 38 d-Achsenstrom, 37, 39 q-Achsenstrom, 43, 46 sekundärseitiger Widerstand, 44 Verstärker, 45, 48 Mikrocomputer, 52 Empfänger, 53 interner Wärmetauscher, 56a bis 56k Hauptkältemittelkreislauf, 58 Gebläse, 60a bis 60c Einspritzkreislauf, 61a, 61b Wasserkreislauf, S1 erster Schritt, S2 zweiter Schritt, S3 dritter Schritt.

Claims

Wärmepumpenvorrichtung, umfassend: einen Kompressor, der mit einem Motor angetrieben wird und ein Kältemittel komprimiert; eine Invertereinheit, die eine Spannung an den Motor angelegt; einen Stromsensor, der einen Strom erfasst, der in dem Motor fließt; und eine Invertersteuereinheit, die ein Antriebssignal an die Invertereinheit ausgibt, wobei die Invertersteuereinheit einschließt eine Spannungsbefehlberechnungseinheit, die einen Spannungsbefehlswert berechnet, und eine Antriebssignalgenerierungseinheit, die das Antriebssignal auf einer Basis des Spannungsbefehlswerts generiert, die Antriebssignalgenerierungseinheit eine Amplituden- und Phasenbestimmungseinheit einschließt, die einen erforderlichen Betrag einer Kältemittelkompression des Kompressors auf einer Basis eines Signals von dem Stromsensor bestimmt, eine Amplitude und eine Phase von dem erforderlichen Betrag einer Kältemittelkompression bestimmt, und die Antriebssignalgenerierungseinheit veranlasst, das Antriebssignal zu generieren, und wenn der Motor bei einer Rotationsgeschwindigkeit oder unter einer Lastbedingung arbeitet, die gleich oder kleiner als ein Einstellwert ist, die Spannungsbefehlberechnungseinheit ein Signal von dem Stromsensor unter Verwenden eines Phasenkompensationsbetrags korrigiert, der vorab in Übereinstimmung mit der Rotationsgeschwindigkeit oder der Lastbedingung gemessen wird.
Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Spannungsbefehlberechnungseinheit ein Signal von dem Stromsensor durch Verwenden eines Korrektursignals korrigiert, das in Übereinstimmung mit einem Widerstand eines sekundärseitigen Widerstands ist, der auf einer sekundären Seite des Stromsensors vorgesehen ist.
Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Spannungsbefehlberechnungseinheit eine Korrektursteuereinheit einschließt, und die Korrektursteuereinheit ein Signal von dem Stromsensor in Übereinstimmung mit einer Rotationsgeschwindigkeit des Motors korrigiert, nach einem Trennen des Signals in eine d-Achsenkomponente und eine q-Achsenkomponente.
Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Spannungsbefehlberechnungseinheit einen Speicherbereich in der Korrektursteuereinheit einschließt, und ein Phasenkompensationsbetrag in Übereinstimmung mit der Rotationsgeschwindigkeit oder der Lastenbedingung in dem Speicherbereich als Tabellendaten gespeichert wird.
Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Spannungsbefehlberechnungseinheit einen Speicherbereich einschließt, und ein Korrektursignal in Übereinstimmung mit einem Widerstand des sekundärseitigen Widerstands in dem Speicherbereich als Tabellendaten gespeichert wird.
Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die Invertersteuereinheit einen analogen Filter oder einen digitalen Filter einschließt, der ein Oberwellenrauschen in einem Signal aus dem Stromsensor entfernt oder reduziert.
Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher wenigstens eines von Schaltelementen, die in der Invertereinheit eingeschlossen sind, aus einem Weite-Bandlücken-Halbleiter gebildet ist.
Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher eine Diode, die ein Schaltelement bildet, das in der Invertereinheit eingeschlossen ist, aus einem Weite-Bandlücken-Halbleiter gebildet ist.
Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher der Weite-Bandlücken-Halbleiter Siliziumkarbid, ein Galliumnitrid-basiertes Material, oder Diamant ist.
Klimaanlage, umfassend die Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Gefriermaschine, umfassend die Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.