JP2005039890A - Ac motor driving device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電動機の駆動装置に係わり、特に、電動機を駆動するインバータの冷却ファンが故障しても、電動機を継続して運転できる交流電動機駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
交流電動機を駆動するインバータは、インバータの変換器主回路を冷却するため、冷却ファンがインバータ収納盤に設けられているのが普通である。インバータ運転中に、冷却ファンが故障した場合は、変換器主回路を構成しているパワーデバイス(例えば、IGBT、IEGT等)が熱によって破損するのを防止するために、通常は冷却ファン故障を重故障信号として扱い、インバータ運転を停止している。
【0003】
しかしながら、適用する設備によっては、冷却ファン等が故障した場合でも、システムとしてインバータ停止させることなく運転を継続したい要求がある。例えば石油化学プラントに用いられるボイラ用のブロワ等がこれに該当する。
【0004】
このような要求がある場合、冷却ファンを2重化し、常時運転用の冷却ファンが故障した場合は、待機している冷却ファンに切換えて運転するようにしてシステム信頼性を向上させていた(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特公平5−72119号公報(第2−3頁、第2図)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
化学プラント等で使用され、負荷トルクが速度の2乗に比例する風水力機械(以下2乗トルク負荷と称する。)駆動用のインバータでは、インバータ収納盤の上部に、冷却ファン2台を冷却ファンの風路を共通として上下に設け、インバータ運転は2台の冷却ファンのうち1台を運転して行い、インバータ運転中に冷却ファンが故障した場合は、上記特許文献1に記されているように、冷却ファンの故障を検出することにより、待機している冷却ファンに運転を切換え、インバータの運転を継続して行えるようにしている。尚、冷却ファン2台を上下に設けるのはスペースファクタ向上のためである。
【0007】
ところで、通常冷却ファンの故障は、冷却ファンの磨耗部分であるベアリングの故障によるものが多く、従って、冷却ファンとしてはロック状態になることが想定される。一方の冷却ファンのロック状態で、他方の冷却ファンを運転することを考えると、上下に配置した冷却ファンのうち1台がロックしているため、正常に運転する冷却ファンにとっては、ロックした冷却ファンが冷却風に対し損失となり、運転を継続させているインバータを冷却させる能力を確保できないという問題あった。これは、2台の冷却ファンの容量をともに大きくすれば解決できることになるが、容量を大きくすることは、冷却ファン、及び、インバータ収納盤のサイズアップとなり、交流電動機駆動装置にとっては好ましくない。
【0008】
本発明は,上記問題に鑑みてなされたもので、冷却ファン、及び、インバータ収納盤のサイズを大きくすることなく、冷却ファンが故障しても、残りの待機している冷却ファンに自動的に切換えて、インバータを継続して運転することができる交流電動機駆動装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の交流電動機駆動装置は、交流電源を入力とし、2乗トルク負荷を持つ交流電動機を可変速駆動するインバータと、前記インバータの出力電圧/周波数を制御するインバータ制御手段と、前記インバータを収納する盤上部に、風路を共通として配置された複数台の冷却ファンと、前記冷却ファンを制御するファン制御手段とから構成され、前記ファン制御手段は、常時は複数台の冷却ファンのうちの一方の冷却ファンを選択運転し、前記インバータ運転中にこの冷却ファンの故障を検出したとき、前記一方の故障した冷却ファンから健全な他方の冷却ファンに運転を切換えるとともに、前記インバータにおける前記交流電動機の速度基準を所定値以下に下げる指令を、前記インバータ制御手段に与えることを特徴とする。
【0010】
本発明によれば、冷却ファンの切換運転時にインバータの速度基準を低下させるようにしたので、インバータを継続して運転することができる交流電動機駆動装置を提供することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下に、本発明による交流電動機駆動装置の第1の実施の形態を図1乃至図3を参照して説明する。図1は、本発明の交流電動機駆動装置のブロック構成図である。
【0012】
3相交流電源1から与えられる電力は、インバータ2でその電圧、周波数が変換され、交流電動機3を駆動する。インバータ2は通常は交流を直流に変換するコンバータと、得られた直流を再び交流に変換するインバータとから構成されるのが普通であるが、ここでは、インバータ2にはコンバータ機能も含むものとした。尚、インバータ2は交流を直接交流に変換するサイクロコンバータやマトリクスコンバータであっても良い。
【0013】
インバータ2の内部にはパワーデバイスを複数個使用して電力変換を行う電力変換主回路21のほか、入力電圧検出器22、出力電圧検出器23、また出力電流検出器24等が収納されている。尚、後述するように、インバータ2には必要であれば変圧器やリアクトル等の発熱部品を含んでも良い。
【0014】
インバータ制御部4は上記インバータ2を制御するためのものである。このインバータ制御部4は、外部からの速度指令と、詳細は後述するファン制御回路9からの速度低下指令を受け、速度基準を出力する速度基準回路41と、この速度基準を受け、前述の入力電圧検出器22、出力電圧検出器23、及び出力電流検出器24からのフィードバック出力と連携しながらインバータ2の入出力制御を行うインバータ制御回路42とから構成されている。
【0015】
インバータ2の電力変換主回路21に使用されているパワーデバイスの発熱による温度上昇を抑制するため、インバータ2の収納盤の上部には2台のインバータ主回路用冷却ファン51、52が風路を共通として配置されている。これらの冷却ファン51、52用の駆動モータは、夫々遮断器61、62、過負荷継電器71、72、コンタクタ81、82を介して制御電源から電力が供給されている。
【0016】
ファン制御回路9は冷却ファン51、52の運転制御を行う。前述の過負荷継電器71、72で検出された過負荷信号は故障検出回路91に入力される。故障検出回路91は、どの冷却ファンが故障し、どの冷却ファンが健全であるかの信号をファンシーケンス回路92に発し、この信号を受けてファンシーケンス回路92は、ファン切換回路93を介して故障した冷却ファンを、待機している健全ファンへ運転切換を自動的に行うとともに、外部に警報信号を出力し、またインバータ制御部4の速度基準回路41に速度低下指令を出力する。
【0017】
以下、図2を参照して本発明に係る交流電動機駆動装置の作用について説明する。図2は本発明の交流電動機駆動装置の冷却特性の説明図である。
【0018】
図2(a)には、横軸に風量、縦軸に吐出圧力をとったときの冷却ファンの特性カーブと、電力変換主回路冷却系の圧力損失カーブが示されている。冷却ファンの特性カーブは、風量が増加すると吐出圧力がすこしずつ低下する右下がりの特性となっている。電力変換主回路冷却系の圧力損失は、風量の増加に従って略その2乗に比例して増加するカーブとなる。
【0019】
実線で示した圧力損失カーブは2台の冷却ファン共正常で、そのうちの1台を運転した場合の定常状態の圧力損失カーブである。これに対し、1点鎖線で示したのは、冷却ファン1台がロック故障した場合の圧力損失カーブである。従って、正常運転時には冷却ファンの特性カーブと実線の圧力損失カーブとの交点Aで運転され、ファンが故障しロック状態になり、待機している他のファンに切換運転されて定常状態に到達すると、冷却ファンの特性カーブと1点鎖線の圧力損失カーブとの交点Bで運転されることになる。すなわちファンの風量はfaからfbに低下する。
【0020】
図2(b)に、ファンによる冷却風の風速に対する冷却フィンの熱抵抗カーブを示す。尚、冷却フィンは電力変換主回路のパワーデバイスに密着配置されており、冷却風を通してパワーデバイスの発生損失を外部に排出する。
【0021】
上述したように、ファンが1台ロック故障して風量がfaからfbに低下すると、冷却フィン部の風速はこれに比例し、SaからSbに低下する。風速(風量)が低下すれば、図示したように冷却フィンの熱抵抗はraからrbへとΔrだけ増加し、このΔrに相当する分だけパワーデバイスの温度が上昇する。このため、例えばインバータ2を定格運転している場合には、パワーデバイスを保護するため運転を停止する必要がある。
【0022】
しかしながら、熱抵抗がΔr増大しても、これに相当する分だけパワーデバイスの損失を減らせばパワーデバイスの温度を上昇させることなく運転継続が可能となる。パワーデバイスの温度上昇は損失と熱抵抗に比例し、また交流電動機3の負荷が2乗トルク負荷であれば、負荷電流は速度の2乗に比例する。パワーデバイスの損失が負荷電流にほぼ比例する状態を想定すれば、例えば熱抵抗の増加分Δrが当初の熱抵抗raに対して20%のとき、運転速度の上限を10%下げ、90%速度で運転すれば良いことになる。
【0023】
以上の説明で分かるように、使用している冷却ファンの特性や、交流電動機3が駆動している機械の特性、更にパワーデバイスの冷却フィンの特性等により、運転速度をどれだけ下げる必要があるかが一意に決めることができる。この運転速度の上限値を限界速度fLとする。
【0024】
図3は、冷却ファンが故障したときの運転速度の推移を示したタイムチャートである。図3(a)は速度指令fRが上記限界速度fLより大きい状態で運転している場合のタイムチャートである。時刻Tで故障が発生すると、図示するように速度基準低下指令により、速度指令fRが限界速度fL以上の場合であっても、速度基準は限界速度fLに保たれる。一方、図3(b)に示すように、速度指令fRが限界速度fL以下の状態で故障が発生したときは、速度基準はfRのまま維持される。
【0025】
このように速度低下指令を速度基準回路41に出力し、速度基準回路41はこの指令をもとに、速度指令が限界速度fLより大きい場合は、限界速度fLまで速度基準を下げ、また、速度指令が限界速度fLより小さい場合は、速度基準は、速度指令と同じ値をそのまま出力させる。このように制御することにより、冷却ファンがロック状態で故障した場合、待機状態の冷却ファンに切換運転すると、運転している冷却ファンにとっては、ロックした冷却ファンが冷却風に対し損失となり冷却能力が下がるが、電動機負荷が2乗トルク特性の負荷の時は、速度基準が下げられて運転継続される。
【0026】
このように、冷却ファンの切換運転時にインバータの速度基準を低下させるようにしたので、冷却ファンの容量及びインバータ収納盤を大きくすることなく、且つインバータのパワーデバイスを過熱させずに、インバータの運転を継続することが可能となる。
【0027】
尚、上記説明は冷却ファンが2台のときについて行ったが、冷却ファンは必ずしも2台である必要はない。例えば冷却ファン3台のうち2台を用いて常時の運転を行い、2台のうち1台が故障したとき、他の待機している1台に運転を切換えるように構成しても良い。
【0028】
(第2の実施の形態)
図4は、本発明の第2の実施の形態に係る交流電動機駆動装置のブロック構成図である。この第2の実施の形態の各部について、図1の第1の実施の形態に係る交流電動機駆動装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。し、この第2の実施の形態が、第1の実施の形態と異なる点は、図1の過負荷継電器71、72を省き、冷却ファン51、52用の回転検出器51S、52Sを夫々追加し、これらの回転検出器51S、52Sの信号を故障検出回路91の入力とした点である。
【0029】
このように過負荷継電器71、72に代えて回転検出器51S、52Sの信号で故障検出を行うようにすれば、より正確に冷却ファンのロック状態を検出することが可能となる。
【0030】
尚、過負荷継電器と回転検出器の両方を用いて故障検出を行っても良い。両者の論理積で故障検出を行えば、更に確実な冷却ファンのロック検出を行うことができ、また両者の論理和で故障検出を行えば、素早い故障検出が可能となる。
【0031】
以上までの説明は、インバータの電力変換主回路を収納した盤の冷却に関して行ったが、第1の実施の形態の説明の中で触れたように、インバータを構成するのに必要な入力変圧器あるいはリアクトル等の発熱部品がある場合、これらの上部にも冷却ファンを複数台上下に配置して待機構成とすることも考えられる。このような場合でも、過負荷継電器、あるいは回転検出器、また、過負荷継電器と回転検出器の組み合わせによる冷却ファンの故障検出により、複数台設置された冷却ファンの残りの冷却ファンに自動的に切換えるとともに、速度指令が所定値以上の時は、速度基準を所定値まで下げることにより、インバータの運転を継続することが可能となる。
【0032】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の交流電動機駆動装置によれば、冷却ファン、及び、インバータ収納盤のサイズを大きくすることなく、冷却ファンが故障しても、残りの待機している冷却ファンに自動的に切換えて、インバータを継続して運転することができる交流電動機駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の交流電動機駆動装置のブロック構成図。
【図2】本発明の交流電動機駆動装置の冷却特性の説明図。
【図3】冷却ファンが故障したときの運転速度の推移を示したタイムチャート。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る交流電動機駆動装置のブロック構成図。
【符号の説明】
1 3相電源
2 インバータ
21 電力変換主回路
22 入力電圧演出器
23 出力電圧演出器
24 出力電流検出器
3 交流電動機
4 インバータ制御部
41 速度基準回路
42 インバータ制御回路
51,52 冷却ファン
51S、52S 回転検出器
61、62 遮断器
71、72 過負荷継電器
81,82 コンタクタ
9 冷却ファン制御回路
91 故障検出回路
92 ファンシーケンス回路
93 ファン切換回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a drive device for an AC motor, and more particularly to an AC motor drive device that can continue to operate the motor even if a cooling fan of an inverter that drives the motor fails.
[0002]
[Prior art]
In an inverter that drives an AC motor, a cooling fan is usually provided in the inverter housing panel in order to cool the converter main circuit of the inverter. If the cooling fan fails during inverter operation, the cooling fan failure is usually detected to prevent power devices (eg, IGBT, IEGT, etc.) constituting the converter main circuit from being damaged by heat. Treated as a serious failure signal, inverter operation is stopped.
[0003]
However, depending on the equipment to be applied, even if a cooling fan or the like breaks down, there is a demand to continue operation without stopping the inverter as a system. For example, a blower for a boiler used in a petrochemical plant corresponds to this.
[0004]
When there is such a request, the cooling fan is doubled, and when the cooling fan for continuous operation breaks down, the system reliability is improved by switching to the standby cooling fan and operating ( For example, see
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 5-72119 (page 2-3, Fig. 2)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In an inverter for driving a hydrodynamic machine (hereinafter referred to as a square torque load) that is used in a chemical plant or the like and whose load torque is proportional to the square of the speed, two cooling fans are provided above the inverter housing panel. If the cooling fan breaks down during the inverter operation, the inverter operation is performed by operating one of the two cooling fans, as described in
[0007]
By the way, the failure of the normal cooling fan is often caused by the failure of the bearing which is a worn part of the cooling fan, and therefore, it is assumed that the cooling fan is locked. Considering operating the other cooling fan while one cooling fan is locked, one of the upper and lower cooling fans is locked. There was a problem that the fan lost the cooling air and could not secure the ability to cool the inverter that continued to operate. This can be solved by increasing the capacities of the two cooling fans. However, increasing the capacities increases the size of the cooling fan and the inverter storage board, which is not preferable for the AC motor driving device.
[0008]
The present invention has been made in view of the above problems. Even if the cooling fan breaks down without increasing the size of the cooling fan and the inverter storage panel, the remaining cooling fans are automatically set to the standby state. It is an object of the present invention to provide an AC motor drive device that can be switched to continuously operate an inverter.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an AC motor drive apparatus according to the present invention includes an inverter that receives an AC power supply and variable-speed drives an AC motor having a square torque load, and an inverter that controls the output voltage / frequency of the inverter. A control unit, and a plurality of cooling fans arranged on the upper part of the panel accommodating the inverter with a common air path, and a fan control unit for controlling the cooling fan. When one of the plurality of cooling fans is selectively operated and a failure of the cooling fan is detected during the inverter operation, the operation is switched from the one failed cooling fan to the healthy cooling fan. And giving a command to the inverter control means to lower the speed reference of the AC motor in the inverter to a predetermined value or less. And it features.
[0010]
According to the present invention, since the speed reference of the inverter is lowered during the switching operation of the cooling fan, it is possible to provide an AC motor drive device that can continuously operate the inverter.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment of an AC motor driving device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram of an AC motor driving device according to the present invention.
[0012]
The electric power supplied from the three-phase
[0013]
The
[0014]
The
[0015]
In order to suppress the temperature rise due to heat generation of the power device used in the power conversion main circuit 21 of the
[0016]
The
[0017]
Hereinafter, the operation of the AC motor driving device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram of the cooling characteristics of the AC motor driving device of the present invention.
[0018]
FIG. 2A shows a characteristic curve of the cooling fan and a pressure loss curve of the power conversion main circuit cooling system when the horizontal axis represents the air volume and the vertical axis represents the discharge pressure. The characteristic curve of the cooling fan has a downward-sloping characteristic in which the discharge pressure gradually decreases as the air volume increases. The pressure loss of the power conversion main circuit cooling system has a curve that increases in proportion to the square of the air flow as the air volume increases.
[0019]
The pressure loss curve shown by the solid line is a steady state pressure loss curve when two cooling fans are normal and one of them is operated. On the other hand, a one-dot chain line indicates a pressure loss curve when one cooling fan has a lock failure. Therefore, during normal operation, when the fan is operated at the intersection A between the characteristic curve of the cooling fan and the solid pressure loss curve, the fan breaks down and is locked, and when it is switched to another standby fan and reaches a steady state. The operation is performed at the intersection B between the characteristic curve of the cooling fan and the pressure loss curve of the one-dot chain line. That is, the air volume of the fan decreases from fa to fb.
[0020]
FIG. 2B shows a thermal resistance curve of the cooling fin with respect to the cooling air velocity by the fan. Note that the cooling fin is disposed in close contact with the power device of the power conversion main circuit, and discharges the generated loss of the power device to the outside through the cooling air.
[0021]
As described above, when one fan fails and the air volume decreases from fa to fb, the air speed of the cooling fin portion is proportional to this and decreases from Sa to Sb. When the wind speed (air volume) decreases, the thermal resistance of the cooling fin increases from ra to rb by Δr as shown in the figure, and the temperature of the power device increases by an amount corresponding to this Δr. For this reason, for example, when the
[0022]
However, even if the thermal resistance increases by Δr, if the loss of the power device is reduced by an amount corresponding to this, the operation can be continued without increasing the temperature of the power device. The temperature rise of the power device is proportional to the loss and the thermal resistance, and if the load of the
[0023]
As can be seen from the above description, it is necessary to reduce the operating speed by the characteristics of the cooling fan used, the characteristics of the machine driven by the
[0024]
FIG. 3 is a time chart showing the transition of the operation speed when the cooling fan fails. FIG. 3A is a time chart when the vehicle is operated in a state where the speed command fR is larger than the limit speed fL. When a failure occurs at time T, the speed reference is maintained at the limit speed fL even if the speed command fR is greater than or equal to the limit speed fL by the speed reference decrease command as shown in the figure. On the other hand, as shown in FIG. 3B, when a failure occurs when the speed command fR is equal to or less than the limit speed fL, the speed reference is maintained at fR.
[0025]
In this way, the speed reduction command is output to the speed reference circuit 41. Based on this command, the speed reference circuit 41 lowers the speed reference to the limit speed fL when the speed command is larger than the limit speed fL. When the command is smaller than the limit speed fL, the speed reference outputs the same value as the speed command as it is. By controlling in this way, if the cooling fan fails in the locked state, switching to the standby cooling fan causes the locked cooling fan to lose the cooling air for the operating cooling fan, and the cooling capacity However, when the motor load is a square torque characteristic load, the speed reference is lowered and the operation is continued.
[0026]
Thus, since the inverter speed reference is lowered during the switching operation of the cooling fan, the inverter operation can be performed without increasing the capacity of the cooling fan and the inverter storage panel, and without overheating the inverter power device. Can be continued.
[0027]
Although the above description has been given for the case where there are two cooling fans, the number of cooling fans is not necessarily two. For example, two of the three cooling fans may be used for normal operation, and when one of the two fails, the operation may be switched to another standby unit.
[0028]
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a block diagram of an AC motor drive device according to the second embodiment of the present invention. About each part of this 2nd Embodiment, the same part as each part of the alternating current motor drive device which concerns on 1st Embodiment of FIG. 1 is shown with the same code | symbol, and the description is abbreviate | omitted. However, the second embodiment is different from the first embodiment in that the overload relays 71 and 72 in FIG. 1 are omitted and rotation detectors 51S and 52S for the cooling
[0029]
As described above, if the failure detection is performed using the signals of the rotation detectors 51S and 52S instead of the overload relays 71 and 72, the locked state of the cooling fan can be detected more accurately.
[0030]
In addition, you may detect a failure using both an overload relay and a rotation detector. If failure detection is performed using the logical product of both, more reliable cooling fan lock detection can be performed, and if failure detection is performed using a logical sum of both, quick failure detection is possible.
[0031]
The description so far has been made with respect to the cooling of the panel containing the power conversion main circuit of the inverter, but as mentioned in the description of the first embodiment, the input transformer necessary for configuring the inverter. Alternatively, when there are heat-generating parts such as a reactor, a standby configuration may be considered by arranging a plurality of cooling fans above and below these parts. Even in such a case, the remaining cooling fans of multiple installed cooling fans are automatically detected by detecting the failure of the cooling fan by the overload relay or rotation detector and the combination of the overload relay and rotation detector. In addition to switching, when the speed command is equal to or greater than a predetermined value, the operation of the inverter can be continued by lowering the speed reference to the predetermined value.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the AC motor driving device of the present invention, even if the cooling fan fails without increasing the size of the cooling fan and the inverter storage board, the remaining cooling fans It is possible to provide an AC motor drive device that can be automatically switched to continuously operate the inverter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block configuration diagram of an AC motor drive device of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of cooling characteristics of the AC motor driving device of the present invention.
FIG. 3 is a time chart showing changes in operation speed when a cooling fan fails.
FIG. 4 is a block configuration diagram of an AC motor drive device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Three-
Claims (4)
前記インバータの出力電圧/周波数を制御するインバータ制御手段と、
前記インバータを収納する盤上部に、風路を共通として配置された複数台の冷却ファンと、
前記冷却ファンを制御するファン制御手段と
から構成され、
前記ファン制御手段は、常時は複数台の冷却ファンのうち一方の冷却ファンを選択運転し、前記インバータ運転中にこの冷却ファンの故障を検出したとき、前記一方の故障した冷却ファンから健全な他方の冷却ファンに運転を切換えるとともに、前記インバータにおける前記交流電動機の速度基準を所定値以下に下げる指令を、前記インバータ制御手段に与えることを特徴とする交流電動機駆動装置。An AC power source as an input and an inverter for variable speed driving an AC motor having a square torque load;
Inverter control means for controlling the output voltage / frequency of the inverter;
A plurality of cooling fans arranged with a common air passage on the top of the panel housing the inverter,
Fan control means for controlling the cooling fan,
The fan control means normally selects and operates one of the plurality of cooling fans, and detects a failure of the cooling fan during the inverter operation. The AC motor driving device is characterized in that the operation is switched to the cooling fan and an instruction to lower the speed reference of the AC motor in the inverter to a predetermined value or less is given to the inverter control means.
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