JP2005265220A

JP2005265220A - ガスヒートポンプ式空気調和装置

Info

Publication number: JP2005265220A
Application number: JP2004074786A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Nakamura; 昌彦中村; Tomohiko Kato; 智彦加藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29
Also published as: KR20060043624A; CN1670452A; CN1306232C; KR100610737B1

Abstract

【課題】発電効率の高い発電機能付き空気調和装置を提供すること。
【解決手段】ガスエンジン１１により駆動される圧縮機１３と、電動補機である第１送風機１６、冷却水ポンプ２１等を備え室外に設置される室外機と、室内に設置される室内機である第２送風機３３，３４等とを有するガスヒートポンプ式空気調和装置であって、ガスエンジン１１により駆動される同期モータ５２と、同期モータ５２を回生制御し直流電力を得るＰＷＭコンバータ５０と、２相又は３相交流商用電源を整流かつ平滑にして直流電力を得る変換器４０と、変換器４０で得られた直流電力を検出しつつ、ＰＷＭコンバータ５０で得られた電力を室外機内の電動補機又は前記室内機の電源として供給する制御手段であるＰＷＭコンバータ７０とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスエンジンにより圧縮機を駆動するガスヒートポンプ式空気調和装置に関し、さらに詳細には、ガスエンジンの余力で発電を行うガスヒートポンプ式空気調和装置に関する発明である。

従来から、ガスエンジンにより圧縮機を駆動するガスヒートポンプにおいて、ガスエンジンの余力で交流発電機を駆動し、交流電力を発電するガスヒートポンプ式空気調和装置が知られている。
例えば、特許文献１には、圧縮機を駆動するガスエンジンにより駆動されて交流出力を出力する発電機を備えた発電装置が開示されている。更に発電装置は、発電機から出力された交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、このＡＣ／ＤＣ変換器にて変換された直流電力を規定周波数の交流電力に変換して電気機器に供給するＤＣ／ＡＣ変換器とを有している。
ここで、ＡＣ／ＤＣ変換、ＤＣ／ＡＣ変換を行っているのは、ガスヒートポンプの負荷変動に伴いエンジン回転数が変化し、発電される出力周波数と出力電圧が変化するので、それを商用電源の規定値に変換するためである。商用電源の規定値に変換するのは、商用電源と系統連係可能とするためである。

特開２００１−３２４２４０号公報

しかしながら、従来のガスヒートポンプ式空気調和装置には、次のような問題点があった。
（１）特許文献１に記載された発明においては、商用電源と系統連係するために、商用電源の電気方式、電圧、周波数等に同期させる同期機能や保護装置を第２変換器に備える必要があり、コストがアップする問題があった。
（２）特許文献１に記載された発明においては、ガスエンジンの起動時に、ガスエンジンの出力負荷が大きくなる不具合があった。

（３）特許文献１に記載された発明においては、発電電力をＡＣ／ＤＣ変換して得られる直流電圧を、規定の設定電圧になるように制御している。直流電圧レベルは一般的に、交流商用電源からの流入量がゼロとなる電圧値に設定される。交流商用電源は２０２プラスマイナス２０Ｖであるため、ＡＣ／ＤＣ変換装置で設定する直流電圧は、２２２×（√２）＝３１４Ｖより高い値に設定しなければならない。この条件で通常３２０Ｖに設定されている。
しかし、平均的には、２０２×（√２）＝２８６Ｖより高い値に設定すれば良く、３２０Ｖは全ての場合で、交流商用電源流入がゼロとなる電圧値である。ところが、平均値で比較する（３２０−２８６）Ｖの差は、発電効率を悪化させる。
その理由は、モータの銅損＝電機子巻線抵抗×（電機子電流）^２、モータの鉄損＝（誘起電圧）^２／等価鉄損抵抗であることから、電圧が高いとモータの鉄損が上昇するからである。又、スイッチング用のデバイス、その他部品での損失も増加するためである。
このように、従来、直流電圧一定制御をしていることにより、平均的に損失が増加している問題がある。

そこで本発明は、かかる課題を解決して、発電効率の高い発電機能付き空気調和装置を提供することを目的とする。

本発明のガスヒートポンプ式空気調和装置は、上記課題を解決するために以下のような構成を有している。
（１）ガスエンジンにより駆動される圧縮機と、電動補機とを備え室外に設置される室外機と、室内に設置される室内機とを有するガスヒートポンプ式空気調和装置において、ガスエンジンにより駆動される同期モータと、同期モータを回生制御し直流電力を得るＰＷＭコンバータとを備え、ＰＷＭコンバータで得られた電力を、室外機内の電動補機、又は室内機の電源として供給する。

（２）（１）に記載するガスヒートポンプ式空気調和装置において、単相又は三相交流商用電源を整流する変換器をさらに備え、前記室外機内の電動補機、または前記室内機の消費電力に対し前記ＰＷＭコンバータで得られる電力が不足する場合は、前記変換器を通じて商用電源から不測電力を補うと共に、前記ＰＷＭコンバータで得られる電力が消費電力を上回る場合は、前記直流電力の直流電圧を商業電源からの流入電流がゼロになる最も低い電圧に制御することを特徴とする。
（３）（１）に記載するガスヒートポンプ式空気調和装置において、前記ＰＷＭコンバータをＰＷＭインバータとして制御することにより、前記単相または三相交流商用電源側から流入する電力で前記同期モータを力行運転する力行運転制御手段を有することを特徴とする。

本発明のガスヒートポンプ式空気調和装置は、次のような作用・効果を有する。
圧縮機を駆動しているガスエンジンは、必要空調能力に対する余分な能力を有しており、ガスエンジンの余分な能力により発電を行っている。
ガスエンジンは、発電用の同期モータの回転軸を回転駆動する。ＰＷＭコンバータは、同期モータを回生制御し、直流電力を得る。この直流電力を、室外機の電動補機又は室内機の電源として供給することにより、発電作用が営まれる。本発明は、永久磁石を内蔵した高効率の同期モータを最適制御できるＰＷＭコンバータを用いて制御することにより、一段と高効率発電を実現することができる。
また、ＰＷＭコンバータで得られた交流電力を、交流商用電源と系統連係させずにガスヒートポンプの室外機内の電動補機、又は室内機の電源として供給しているので、交流商用電源で稼働される外部電気機器に電気的影響を与える恐れが減少する上に、系統連係するための電圧や周波数等に同期させる同期機能や保護装置を無くすことができ、コストダウンを実現できる。なお、この場合において、ＰＷＭコンバータで得られた直流電力は，負荷インバータ等により交流電力に変換して電動補機等に供給することができる。

また、電流検出手段が交流商用電源からの流入電流を検出したときに、該流入電流を減少させ、ゼロにするように、ＰＷＭコンバータが発生する直流電力の直流電圧を制御するので、ガスヒートポンプの室外機内の電動補機、又は室内機を駆動するために最低限必要な電圧を得ることができるため、モータの特に鉄損を低減することができ、また、スイッチング用のデバイス、その他部品での損失も減少できる。従って、従来の、直流電圧一定制御に比して、上記のような損失を減少させることができる。
また、ＰＷＭコンバータをＰＷＭインバータとして制御することにより、交流商用電源から流入する電流で同期モータを力行運転する力行運転制御手段を有するので、ガスエンジンの起動時に、ガスエンジンの出力負荷を低減することができる。ここで、同期モータは始動トルクが高く、低速で高出力トルク必要なスタータモータに適するので、ガスエンジンの始動安定性を向上させることができる。

次に、本発明に係るガスヒートポンプ式空気調和装置の一実施例について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施例のガスヒートポンプ式空気調和機の構成図である。
ガスヒートポンプ式空気調和機は、室外機１０、室内機３０、及び室外機１０と室内機３０とを循環する冷媒循環通路１より構成される。
室外機１０は、圧縮機１３Ａ、Ｂを駆動するためのガスエンジン１１と、ガス状の冷媒と液状の冷媒とを完全に分離するアキュムレータ１２と、空調のために冷媒の熱交換を行う室外熱交換器１４とを有している。ガスエンジン１１には、発電機である同期モータ５２が接続されている。
室内機３０は、室内空気と冷媒とで熱交換を行う室内熱交換器３１と、冷媒を膨張させる膨張弁３２とを有している。
圧縮機１３は、ガス状の冷媒を吸い込み、高圧のガス状の冷媒を吐出する。

次に、室内を冷房するときの作用を説明する。燃料ガスによりガスエンジン１１を駆動し、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを駆動する。圧縮機１３Ａ、１３Ｂは、アキュムレータ１２のガス状の冷媒を吸引し圧縮し、高温高圧状態のガスとして吐出する。吐出されたガス状の冷媒は、オイルセパレータ１９において、冷媒からオイルが分離される。オイルが分離された冷媒は、四方弁１７により室外熱交換器１４に流入する。
高温高圧のガス状冷媒は、室外熱交換器１４で冷却され液化する。液化された冷媒は、フィルタドライヤ２２、ボール弁２３、ストレーナ３１ｎを経由して、膨張弁３２において膨張され低温となる。
低温となった冷媒は、ストレーナ３１ｍを経て室内熱交換器３１に至り、室内空気を冷却する。次に冷媒は、二重管熱交換器１８を経て、アキュムレータ１２に戻される。冷媒は、アキュムレータ１２において、液状の冷媒とガス状の冷媒とに分離された状態で収納される。

次に、室内を暖房するときの作用を説明する。燃料ガスによりガスエンジン１１を駆動し、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを駆動する。圧縮機１３Ａ、１３Ｂは、アキュムレータ１２のガス状の冷媒を吸引し圧縮し、高温高圧状態のガスとして吐出する。吐出されたガス状の冷媒は、オイルセパレータ１９において、冷媒からオイルが分離される。オイルが分離された冷媒は、四方弁１７により室内熱交換器３１に流入する。高温高圧の冷媒は、室内熱交換器１７で室内空気を加熱する。
次に冷媒は、ストレーナ３１を経て膨張弁３２で膨張され、ボール弁２３，フィルタドライヤ２２を経て、室外熱交換器１４に至る。そして、四方弁１７、二重熱交換器１８を経てアキュムレータ１２に戻る。

ガスエンジン１１に接続された同期モータ５２は、ガスエンジン１１に余力があるときに、発電を行う。
本実施例のガスヒートポンプ式空気調和装置においては、室外機内の補機として、室外熱交換機１４に送風する第１送風機１６、ガスエンジン１１を冷却するための冷却水ポンプ２１が設けられている。また、室内機として、室内熱交換器３１に送風する第２送風機３３，３４が設けられている。
上記補機以外に、その他のモータや電磁弁、室外機用制御基板、室内機用制御基板、室内機３０の風向き板変更用モータが存在する。

次に、電気系統の構成をシステムブロック図として図２に示す。
ガスエンジン１１には、発電機である同期モータ５２が接続されている。同期モータ５２からは、交流電線５３が３本出て発電ＰＷＭコンバータ５０に接続している。交流電線５３の３本のうち２本には、電流値を検出するためのカレントトランス５１が取り付けられている。発電ＰＷＭコンバータ５０からは、直流電線５４が２本出ている。
一方、交流商用電源４１が変換器４０に入力されている。変換器は６個のダイオード４２と電解コンデンサ４４より構成されている。電線には電流センサ４３が取り付けられている。
発電ＰＷＭコンバータ５０から出力している直流電線５４は、変換器４０から出力している直流電線２本と各々接続し、負荷インバータ６０に接続している。直流電線には、負荷電流センサ５５が取り付けられている。負荷インバータ６０には、モータ等の補機９０が接続している。
発電ＰＷＭコンバータ５０を制御するためのマイコンであるＰＷＭコンバータ制御手段７０には、カレントトランス５１、電流センサ４３、直流電圧検出器４５、負荷電流センサ５５が接続している。
モータコントローラ８０が、負荷インバータ６０に接続している。

図３に、基本ベクトル図をｄｑ線図で示す。電圧方程式を数１に示す。

ここで、υａ、υｂ、υｃは各相の電機子電圧である。ｉａ，ｉｂ，ｉｃは、各相の電機子電流である。υｄ，υｑは、電機子電圧のｄ，ｑ軸成分である。ｉｄ，ｉｑは、電機子電流のｄ，ｑ軸成分である。Ｒａは、電機子巻線抵抗である。Ｌｄ，Ｌｑは、ｄ，ｑ軸インダクタンスである。ｐは、微分演算子（ｐ＝d/dt）である。ω は、同期モータ５２の電機子角速度である。Ψａは、永久磁石の電機子鎖交磁束である。

次に、制御を電流ベクトル制御システム図として図４に示す。直流電圧最適制御６４は、トルク計算部６３及びベクトル電流制御アルゴリズム６５と接続している。トルク計算部６３は、ベクトル電流アルゴリズム６６及び推定アルゴリズム６６とに接続している。
発電ＰＷＭコンバータ５０は、第１運転モードである直流電圧最適制御又は第２運転モードである出力制限制御のいずれかの制御により動作する。直流電圧最適制御では、負荷インバータ６０が必要とする全電力を同期モータ５２から供給する。一方、出力制限制御では、必要電力を同期モータ５２と商用電源４１とで協同して供給する。

始めに、第１運転モードである直流電圧最適制御について説明する。
直流電圧最適制御６４には、商用電流流入値 I0(n) 、直流電圧実測値 Vdc(n) 、直流電圧指令初期値 Vdc(0) が入力される。ここで、直流電圧は、負荷に印加する電圧をＡＣ２００Ｖの実効値とするため、ＤＣ２８２Ｖ以上である必要がある。
それを達成する方法としては、３つの方法がある。第１の方法は、商用電源からの流入電流がゼロになるように、常に監視する方法である。
第２の方法は、発電ＰＷＭコンバータ５０始動時に、商用電源からの流入電流がゼロになるように、直流電圧を１Ｖ／秒程度で電圧を上昇させ、その値に一定制御し、その後、商用電源からの流入電流があれば、同様に１Ｖ／秒程度で電圧を上昇させる方法である。ただし、この場合、ＤＣ２８２Ｖ以上であることを必要とする。
第３の方法は、起動時の発電ＰＷＭコンバータ５０停止で全負荷停止時の直流電圧を検出し、この値に５〜６Ｖ加えた電圧に一定制御する方法である。すなわち、同期モータ５２停止状態で、商用電源からの電圧を測定し、その値に、５〜６Ｖ加えるのである。
第３の方法が、余分なセンサを必要としないため、最も適当な方法である。
上記いずれかの方法により、直流電圧最適制御６４から、直流電圧指令値Vdc* が出力される。

次に、トルク計算部６３について説明する。トルク計算部６３には、直流電圧最適制御６４より、直流電圧指令値Ｖdc* が入力され、また、負荷側の直流電流実測値 Idc(n) が入力される。また、推定アルゴリズム６６より、同期モータ５２の回転子角速度ωｍ(n)が入力される。これらの値より、同期モータ５２からの取り出し出力P(M)を、数２を用いて算出する。

Idc(n) は、負荷側の直流電流実測値であり、(n) は、処理時点のサンプル値を示す。
同期モータ５２の出力P(M)は、後述するように、例えば、夏場に空調用圧縮機の負荷が大きいときには、常時出力制限される可能性がある。すなわち、発電機からの取り出し電力に制限がかかっていない場合は、「同期モータからの取り出し電力＝負荷側モータ総必要電力となる。一方、発電機からの取り出し電力に制限がかかっている場合は、「同期モータからの取り出し電力＋商用電源からの電力＝負荷側モータ総必要電力」となる。

次に、数３を用いて、iq を id の関数として表現した式を求め、Iq* として出力する。

ここで、Ｔ*は、トルクである。Pn は、極対数である。Ψa は、誘導電圧であり、常数である。（Ld−Lq）は、固定値である。

同期モータ５２からの出力電流は、数４に示すような同期モータ５２の限界電流Ia による制限を常に加えている。

ここで、Ie は、相電流実効値である。ａ，ｂは、同期モータ５２のモータ特性より決定される係数である。すなわち、同期モータ５２が過度に加熱することを防止するために、同期モータ５２からの出力電流を制限しているのである。

数４の意味は、得られたｉｄとｉｑの自乗和の平方根 √（ｉｄ^２＋ｉｑ^２）が、√３（ａ・ω＋ｂ）よりも大きいときには、√３（ａ・ω＋ｂ）で決定されるＩa に基づいてｉｄ，ｉｑを決定することである。
すなわち、負荷側の必要電力に基づいて算出したｉｄ，ｉｑが発電機である同期モータ５２の制限値を越えていれば、数５，数２，数３を満たす条件が存在しないと判断して、出力制限がかかった状態と同じになる。
ただし、数５と数４の連立方程式から求められる。
発電機だけでは、負荷側総電力を賄うことができないので、直流電圧を下げて、商用電源から電力を取るため、数５のＶdc は、出力制限制御と同様、Ｖdc*＝Ｖdc（ｎ）となる。

次に、ベクトル電流制御アルゴリズム６５について説明する。ベクトル電流制御アルゴリズム６５には、直流電圧最適制御６４より、直流電圧指令値Ｖdc* が入力される。また、トルク計算部６３より、Iq* が入力される。また、推定アルゴリズム６６より、同期モータ５２の回転子角速度ωｍ(n)が入力される。
ベクトル電流制御アルゴリズム６５は、数５に基づいて、id を求める。

ここで、Vdc* は、直流電圧指令値であり、Vdc(I0=0) である。また、Vdc(0) は、直流電圧指令初期値であり、本実施例では、２８２Ｖである。また、I0(n) は、商用電源流入電流実測値であり、(n) は、処理時点のサンプル値である。
Vdc* は、初期値を２８２Ｖとし、I0(n) の目標値との偏差を加算する形で、I0(n)＝０となるように、ＰＩ制御する。ただし、Vdc*＝２８２〜３２０Ｖとする。

次に、直流電圧最適制御の具体的手順について説明する。
（ア）Ｖdc（０）＝２８２Ｖ（初期値）に設定する。
（イ）１秒間隔でI0（ｎ）を実測する。
（ウ）I0（ｎ）がゼロより大きい場合には、Ｖdc を１ボルト上昇する。
（エ）（イ）と（ウ）を繰り返し、I0（ｎ）がゼロとなった場合のＶdc を、直流電圧指令値Ｖdc* とする。Ｖdc*＝Ｖdc（I0（ｎ）＝０）
（オ）得られたＶdc* と、負荷側が要求する直流電圧実測値Ｉdc（ｎ）から、数２より取り出した電力Ｐ（Ｍ）* を算出する。
（カ）同期モータ５２の角速度ω と、Ｐ（Ｍ）* とから、トルクＴ* を計算する。
Ｔ*＝Ｐ（Ｍ）*／ω
（キ）数５と数３に、得られたＶdc*，ω、及びその他の定数を代入することにより、ｉｄとｉｑの連立方程式を作り、これらより、ｉｄとｉｑとを求める。

ここで、（オ）において、Ｖdc*・Ｉdc（ｎ）が、Ｐ（Ｍ）Lim と比較される。比較結果が、Ｖdc*・Ｉdc（ｎ）＞Ｐ（Ｍ）Lim の場合は、モータ出力制限がかかる。この場合、Ｖdc* は、実測値（負荷側が実際に必要な電圧値）となる。
また、（キ）で求めたｉｄ，ｉｑが、√（ｉｄ^２＋ｉｑ^２）＞√３（ａ・ω＋ｂ）となると、モータの限界電流以上の電流を流すことになるので、電流制限される。この場合、数５と、√（ｉｄ^２＋ｉｑ^２）＝√３（ａ・ω＋ｂ）との連立方程式から、ｉｄとｉｑとを求める。

求めたｉｄ，ｉｑを、最適電流指令値ｉｄ*，ｉｑ* として出力する。次に、ＰＩ制御において、ｉｄ*、ｉｑ*を数１に代入することにより、υｄ、υｑを得て、２相／３相・回転／静止変換６２に入力する。
２相／３相・回転／静止変換６２において、υｄ、υｑが、υａ、υｂ、υｃに変換され、３相電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃとしてＰＷＭコンバータ５２に入力される。すなわち、υａ、υｂ、υｃを三相変調波とし、三角搬送波との比較により、ＰＷＭコンバータ内のＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ：半導体スイッチング素子）をスイッチング制御するゲート信号として作用する。
ｉｄ*、ｉｑ* には、計測器５１によりｉａ，ｉｃを計測して３相／２相・静止／回転変換６７により変換されたｉｄ（ｎ）、ｉｑ（ｎ）がフィードバックされており、入力ｉｄ*、ｉｑ* に対して出力ｉｄ（ｎ）、ｉｑ（ｎ）の偏差がゼロになるように制御している。

第２運転モードである出力制限制御について説明する。出力制限制御では、必要電力に対し、同期モータ５２の発電出力では不足する分を、商用電源から補う形で運転する。
図５に、エンジン出力の制限値のグラフを示す。横軸が外部制限指令値Ｖs を示し、縦軸がエンジン出力Ｐ（Ｅ／Ｇ）の百分率を示す。Ｖs は、ＧＨＰのメインコントローラから発電機用コントローラであるＰＷＭコンバータ制御手段７０に与えられる指令値である。指令値は、０〜５Ｖのアナログ入力として、１０秒以上の間隔で与えられる。Ｐ（Ｅ／Ｇ）は、エンジン全動力の比率ではなく、発電機に与えられている比率である。２０馬力のＧＨＰでは、エンジン出力は約１５ｋＷだが、発電機に与えられるのは、最大２ｋＷ程度である。すなわち、Ｐ（Ｅ／Ｇ）＝１００％とは、２ｋＷとなる。
夏場の空調の需要が大きく圧縮機の負荷が大きいときには、空調を優先させるために発電を中止している。
同期モータ５２の出力Ｐ（Ｍ）＝Ｐ（Ｅ／Ｇ）・η（Ｍ）である。ここで、η（Ｍ）は、モータ効率である。
同期モータ５２の出力制限値Ｐ（Ｍ）Lim は、Ｐ（Ｅ／Ｇ）による制限と、（Ｖdc*・Ｉdc（ｎ））のうち、小さい方に制限される。

次に、ベクトル制御アルゴリズム６５について説明する。
Ｖdc*・Ｉdc（ｎ）＞Ｐ（Ｍ）Lim の場合には、数５において、Ｖdc*＝Ｖdc（ｎ）とする。また、数２又は数３において、Ｐ（Ｍ）*＝Ｐ（Ｍ）Lim とする。ここで、Ｖdc（ｎ）は、直流電流の実測値である。（ｎ）は、処理時点のサンプル値である。これにより、エンジントルク変動を考慮し、Ｐ（Ｍ）値の上昇又は下降速度を制限している。
一方、Ｖdc*・Ｉdc（ｎ）＜Ｐ（Ｍ）Lim の場合には、数５において、Ｖdc*＝Ｖdc(I0＝０)とする。また、また、数２又は数３において、Ｐ（Ｍ）*＝Ｖdc*・Ｉdc（ｎ）とする。

発電機である同期モータ５２の不足分を発電ＰＷＭコンバータ５０が補い、直流（初期値を２８２Ｖとした部分）の電解コンデンサ４４を介して負荷に電力を供給している。電解コンデンサ４４の取り付けられている電線が直流中間母線となっている。
モータ出力制限がかかると、発電ＰＷＭコンバータ５０から電解コンデンサ４４に供給する電流（電荷）だけでは負荷電流が不足してしまい、電解コンデンサ４４の電圧が低下する。電解コンデンサ４４の電圧が低下すると、商用電源から電流が流れ込み、バランスが保たれたところで、電圧が決まる。これをＶdc として使用する。
ただし、モータ出力制限がかかっても、一気にモータ出力を低下させると、エンジンへの負荷変動と共に、電圧バランスもハンチングを起こす可能性があるため、エンジントルクを考慮し、Ｐ（Ｍ）値の上昇又は下降速度を制限している。実際には、かなりゆっくりと発電機出力を低下させている。

上記構成を有するガスヒートポンプ式空気調和装置のタイムチャートを説明する。始めに、始動時制御について説明する。
図６に、始動時のタイミングチャートを示す。ＧＨＰ運転指令があると、商用電源を入力し、冷却ポンプＷｐを駆動する。次に、ガス弁を開けてエンジン１１を始動する。ここで、発電ＰＷＭコンバータ５０をＰＷＭインバータとして制御することにより、交流商用電源４１から流入する電流で同期モータ５２を力行運転するＰＷＭコンバータ制御手段７０を有する。同期モータ５２をスタータとして使用するため、高トルク制御を行い、ＰＷＭコンバータ制御手段７０から所定のパターンでゲート制御することで、発電ＰＷＭコンバータ５０をＰＷＭインバータとして動作させることができる。
すなわち、エンジン始動用のスタータモータを同期モータ５２で兼用することにより、スタータモータとスタータモータ用の電源ユニットを削減することができる。
エンジンを始動してから３５〜１６０秒経過した後に、圧縮機１３及び第１送風機１６を駆動する。その後、６０秒以内に四方弁を制御する。コンプレッサ切替５秒後、又は四方弁切替１０秒後に、発電コンバータＰＷＭ５０の運転指令を出す。
発電機出力が出てくると共に、商用電源の入力が低下され、基本的にはゼロとされる。
すなわち、発電ＰＷＭコンバータ５０は、前述したように、第１運転モードである直流電圧最適制御又は第２運転モードである出力制限制御のいずれかの制御により動作する。直流電圧最適制御では、負荷インバータ６０が必要とする全電力を同期モータ５２から供給する。一方、出力制限制御では、必要電力を同期モータ５２と商用電源４１とで協同して供給する。

次に、通常停止時制御について説明する。
図７に、停止時のタイミングチャートを示す。ＧＨＰ停止指令があると、即時に発電ＰＷＭコンバータ５０の運転停止指令を出す。発電機が停止されると共に、商用電源が増加して、冷却ポンプ、圧縮機等に電力を供給する。
次に、圧縮機を停止し、ガス弁を閉じる。これにより、エンジンが停止する。ガス弁を閉じた後、最大１８０秒間ファンを駆動して停止させる。その１０秒後に、冷却水ポンプを停止する。

以上、詳細に説明したように、本実施例のガスヒートポンプ式空気調和装置によれば、ガスエンジン１１により駆動される圧縮機１３と、電動補機である第１送風機１６、冷却水ポンプ２１等を備え室外に設置される室外機と、室内に設置される室内機である第２送風機３３，３４等とを有するガスヒートポンプ式空気調和装置であって、ガスエンジン１１により駆動される同期モータ５２と、同期モータ５２を回生制御し直流電力を得るＰＷＭコンバータ５０と、２相又は３相交流商用電源を整流かつ平滑にして直流電力を得る変換器４０と、変換器４０で得られた直流電力を検出しつつ、ＰＷＭコンバータ５０で得られた電力を室外機内の電動補機又は前記室内機の電源として供給する制御手段であるＰＷＭコンバータ制御手段７０とを有するので、交流商用電源で稼働される外部電気機器に電気的影響を与える恐れが減少する。また、系統連係するための電圧や周波数等に同期させる同期機能や保護装置を無くすことができ、コストダウンを実現できる。

また、本実施例のガスヒートポンプ式空気調和装置は、交流商用電源４１から流入する電流を検出する電流検出手段である電流センサ４３と、電流検出手段が流入電流を検出したときに、前記流入電流を減少させるように、前記ＰＷＭコンバータが発生する直流電力の直流電圧を制御する直流電圧制御手段とを有するので、ガスヒートポンプの室外機内の電動補機、又は室内機を駆動するために最低限必要な電圧を得ることができるため、特にモータの鉄損を低減することができ、また、スイッチング用のデバイス、その他部品での損失も減少できる。
このように、従来、直流電圧一定制御をしていることにより、平均的に増加していた損失を減少させることができる。

また、本実施例のガスヒートポンプ式空気調和装置は、ＰＷＭコンバータをＰＷＭインバータとして制御することにより、交流商用電源から流入する電流で同期モータを力行運転する力行運転制御手段であるＰＷＭコンバータ制御手段７０を有するので、エンジン始動用のスタータモータを同期モータ５２で兼用でき、スタータモータ用の電源ユニットを削減することができる。特に、同期モータ５２は、始動トルクが高く、低速で高出力トルクの必要なスタータに適している。従来、誘導モータをスタータと兼用する事例はあったが、誘導モータは始動トルクが低く、スタータとして使用すると、商用電源から大きな始動電流を必要とし、インバータの要領も大きくなり、大型化しなければならない問題があったが、本実施例によれば、その問題を解決できる。

以上、本発明に係るガスハートポンプ式空気調和装置の一実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることなくその趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、実施例では、補機として、圧縮機、送風機を駆動しているが、他の補機である電磁弁等を駆動しても良い。

ガスヒートポンプ式空気調和装置の構成図である。電気系統の構成を示すシステムブロック図である。基本ベクトル図である。電流ベクトル制御システム図である。エンジン出力の限界値を示す図である。始動時のタイミングチャート図である。停止時のタイミングチャート図である。

符号の説明

１１ガスエンジン
１３圧縮機
１６第１送風機
２１冷却水ポンプ
３３，３４第２送風機
４０変換器
４１商用交流電源
５０発電ＰＷＭコンバータ
５２同期モータ
６０負荷インバータ
７０ＰＷＭコンバータ

Claims

ガスエンジンにより駆動される圧縮機と、電動補機とを備え室外に設置される室外機と、室内に設置される室内機とを有するガスヒートポンプ式空気調和装置において、
前記ガスエンジンにより駆動される同期モータと、
前記同期モータを回生制御し、直流電力を得るＰＷＭコンバータとを備え、
前記ＰＷＭコンバータで得られた電力を、前記室外機内の電動補機、又は前記室内機の電源として供給することを特徴とするガスヒートポンプ式空気調和装置。
請求項１に記載するガスヒートポンプ式空気調和装置において、
単相又は三相交流商用電源を整流する変換器をさらに備え、
前記室外機内の電動補機、または前記室内機の消費電力に対し前記ＰＷＭコンバータで得られる電力が不足する場合は、前記変換器を通じて商用電源から不測電力を補うと共に、前記ＰＷＭコンバータで得られる電力が消費電力を上回る場合は、前記直流電力の直流電圧を商業電源からの流入電流がゼロになる最も低い電圧に制御することを特徴とするガスヒートポンプ式空気調和装置。
請求項２に記載するガスヒートポンプ式空気調和装置において、
前記ＰＷＭコンバータをＰＷＭインバータとして制御することにより、前記単相または三相交流商用電源側から流入する電力で前記同期モータを力行運転する力行運転制御手段を有することを特徴とするガスヒートポンプ式空気調和装置。