JP2007181312A - 電力変換装置、及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電力変換装置での内部処理の違いから、発熱の違いが生じることがあり、冷却処理において、インバータ部、コンバータ部のモジュールの温度変化が大きくなり信頼性において問題となる場合が想定される。
【解決手段】
前記問題を解決するに当たり、内部の構成によって、温度測定を行い、得られた測定結果に従って、冷却ファン等の冷却制御を行うようにする。このような冷却ファンの冷却制御によって、インバータ部、コンバータ部のスイッチング素子の長寿命化を図るものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置を提供する技術に関する。

電力変換装置では、電力が交流と直流との間で変換される際に、当該変換を行う素子で発生する熱を冷却すべく、放熱フィン等で冷却している。これに関して、特許文献１に記載がある。

特開２００５−２８７２１４号公報

特許文献１では、前記素子での発熱を冷却ファンを用いて、冷却するものである。

ところで、電力が交流と直流との間での変換については、具体的には、交流から直流に変換するのが、コンバータ部と呼ばれるものであり、直流から交流に変換するのが、インバータ部と呼ばれるものである。

このインバータ部とコンバータ部での発熱に関する特性を図５に示す。

図５は、電力変換装置で電動機を定トルク特性にて速度制御した場合の速度と、インバータ部とコンバータ部の損失との関係を示すものである。

図５でＰｉは、インバータ部の損失、Ｐｃは、コンバータ部の損失である。図５に示すように、電動機の速度が変化しても、インバータ部損失Ｐｉは、ほぼ一定である。一方、コンバータ部損失Ｐｃは、電動機の速度変化にほぼ比例して、損失が変化するものである。図５から、インバータ部損失Ｐｉとコンバータ部損失Ｐｃとで、損失の大きさの変化の状態が大きく異なることがわかる。

このように、インバータ部とコンバータ部との損失の変化の違うことは、前述の冷却処理をしようとする場合に、問題を生ずることが予想される。

例えば、インバータ部の温度変化に対応して冷却処理を行うと、電動機の速度が変化しても、インバータ部損失Ｐｉは、ほぼ一定であるから、速度が速い領域では、コンバータ部損失Ｐｃが速度に比例して大きくなっていても、見過されることとになる。この場合には、コンバータ部の温度上昇が生じてしまうことになる。

また、インバータ部、コンバータ部は、スイッチング素子を有しており、これらのスイッチング素子は、許容温度を超える、または、許容温度に達しないまでも、許容温度に近い高温で使用されると、スイッチング素子の寿命が短くなる傾向がある。

また、スイッチング素子の温度変化が大きい場合にも、スイッチング素子の寿命が短くなる傾向があることが知られている。更には、スイッチング素子の温度変化が大きいと、当該スイッチング素子が基板等に半田付け等で固定されている場合には、スイッチング素子と、基板等との膨張率の違いから、半田付けに亀裂が生ずる等のスイッチング素子の基板等への固定が不十分となる現象の生ずることが知られている(この現象をパワーサイクルと呼ばれることがある)。

これらの現象も、インバータ部とコンバータ部の損失の大きさの変化の状態が大きくことなることから、インバータ部か、コンバータ部のどちらか一方が、先に寿命となることも予想される。

本発明は、この前述の冷却処理しようとする場合の問題等を課題とするものとする。

前記課題を解決する為に、インバータ部とコンバータ部とで別々に、温度を推定するようにする。

この温度推定には、以下の特性に基づき、出力電流を用いて推定するものとする。

一般に、定トルク特性、もしくは、負荷特性が判っている場合においては、コンバータ部、そして、インバータ部の損失は、次式で表される。

［コンバータ損失］ ＝αc ＊ ［出力電流 ＊ 周波数］ (数１)

［インバータ損失］ ＝αi ＊ ［出力電流］ (数２)

ここで、αc、αiは、比例定数。

従って、出力電流を検出することで、先ず、インバータ損失は、出力電流と比例定数αiとの積から得られる。

次に、コンバータ損失は、出力電流と周波数と比例定数αcとの積から得られる。

これらのインバータ損失、コンバータ損失から、インバータ部、コンバータ部の温度を推定することが出来ることになる。

出力電流は、ホール素子、シャント抵抗等の電流検出素子を用いることで、検出出来る。

なお、周波数は、逆変換部を制御する制御部にて扱われるパラメータであるので、容易に得ることが出来る。

このように、出力電流からインバータ損失、コンバータ損失を求めるようにすることで、温度検出器を省略することも可能である。もっとも、温度検出器を用いて、検出するものであっても良い。
この温度測定は、先ず、前記電力変換装置の運転開始時に測定し、運転開始時の値として、記憶するものとする。
次に、運転中の任意の時点で測定された温度と運転開始時の値との差分を求める。
この差分が予め定めた所定値よりも大きい場合には、冷却ファンを制御して、前記コンバータ部、または、インバータ部の放熱フィンを冷却する制御を実行させ、放熱フィンを冷却し、そしてコンバータ部、または、インバータ部の温度を下げるようにする。

特に、前記温度推定をコンバータ部について推定できる様にすることで、コンバータ部の温度の変化の幅を従来よりも小さくする。

この温度変化の幅を従来よりも小さくするには、冷却ファンの空冷の働きによって、単純に熱を放熱させることで、温度上昇を小さくするように出来る。言い換えれば、コンバータ部、またはインバータ部、若しくは、装置内部の発熱部にて、生ずる熱に対して、発熱する熱量よりも、冷却ファンによって、放熱される熱量を、単純にどんどん大きくすれば、温度上昇が小さく出来るようになる。

しかしながら、これに限定されず、例えば、所定の目標温度と検出温度との隔たりが大きい場合には、冷却による温度低下を大きくするように制御し、一方、目標温度と検出温度との隔たりが小さい場合には、冷却による温度低下を小さくするように制御するものでも良い。

例えば、図５のコンバータ損失Ｐｉにおいて、速度が速い(周波数が高い)場合は、冷却ファン等による冷却で温度低下を大きくなるように制御すると、コンバータ部の温度上昇が大きく低減される。この結果、図５での、速度の高い領域でのコンバータ損失Ｐｉが下がる方向に変化する。

一方、速度が遅い(周波数が低い)場合は、冷却ファン等による冷却で温度低下を小さくなるように制御すると、コンバータ部の温度上昇の低減される割合が小さくなる。この場合には、コンバータ部の温度は、見かけ上は、上昇するように見えることもある。この結果、図５での、速度の低い領域でのコンバータ損失Ｐｉが上がる方向に変化するように見えることとなる。

前述のように、制御して、速度の速い領域で、コンバータ部の温度が下がり、速度の遅い領域で、見かけ上、温度が上がると、全体としては、図５でのコンバータ損失Ｐｉによる温度変化の傾きを小さく出来ることとなる。これにより、コンバータ部の温度変化の幅を小さく出来る。

なお、前記放熱フィンの冷却としては、冷却ファンによる空冷でもよいが、水冷、油冷であってもよい。

また、前記温度推定は、インバータ部、コンバータ部のモジュールの温度を測定するものであっても良いし、インバータ部、コンバータ部が搭載される放熱フィンの温度を測定するものであっても良い。

また、前記冷却ファンの制御、当該制御に関する予め定めた所定値については、インバータ部、コンバータ部の前記温度推定による推定結果が、インバータ部、コンバータ部に搭載されている素子の接合部と推定して、扱うものとしてもよい。

前記手段により、従来よりも、より信頼性の高い電力変換装置が提供可能となる。

本発明の実施例を以下、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例の構成を説明する図である。

図１で、商用電源１０から交流電力をコンバータ部２０で、直流電力に変換後、平滑部３０にて、平滑後、インバータ部４０にて、交流電力に変換し、負荷である電動機５０に出力される。制御部１１０は、インバータ部４０が直流電力を交流電力に変換する際の制御を行う。例えば、ＰＷＭ制御である。

また、図１では、コンバータ部２０は、放熱フィン８０にて放熱出来るように設けらる。

更にインバータ部４０は、放熱フィン８５にて放熱出来るように設けられる。

また、電流検出器１４０からの検出信号は、制御部１１０に入力され、出力電流が得られるようになる。

この検出された出力電流値、そして、制御部１１０にて処理されるパラメータである周波数をもとにして、制御部１１０は、冷却ファン１２０を制御して、放熱フィン８０、８５に風を送り、放熱をするようにする。

ここで、制御部１１０は、前記(数１)(数２)から、インバータ部、コンバータ部の温度を推定する。

この制御部１１０での、冷却ファン１２０の制御について、説明するのが、図２に示すフローチャートである。

図２で、制御を開始すると(ステップ200)、先ずインバータ部、又はコンバータ部の温度を推定または測定する(ステップ210)。そして、前記推定/測定が運転開始時であるならば(ステップ220-YES)、その推定/測定値を運転開始時のデータとして記憶する(ステップ230)。
一方、前記推定/測定値が運転開始時でない運転開始後のものならば(ステップ220-NO)、この値を先に記憶しておいた運転開始時の値との差分を求める（ステップ２４０）。

この差分が予め定めた所定値よりも小さければ（ステップ２６０−NO）、制御開始の後（ステップ２００の次）に戻る。

一方、この差分が予め定めた所定値よりも大きければ（ステップ２６０−YES）、冷却ファンの制御を行い、放熱フィンの冷却等を行い（ステップ２７０）、制御開始の後（ステップ２００の次）に戻る。

図３は、図１の実施例で出力電流値から、インバータ部、コンバータ部の温度を推定していたのに代えて、温度検出器によって、測定し、制御部１１０での制御に使用するものである。

図４は、図１の実施例での、冷却ファン１２０に変えて、水冷装置、または、油冷装置３１０を設けたものであり、その他の構成は、図１と同様である。そして、図４での制御での手順は、図２のフローチャートでの、ステップ２７０での冷却ファンの制御を水冷装置、または、油冷装置に変えたものでよい。

前述のように、本実施例の実施例では、特に、前記温度の推定、または測定をコンバータ部について行う様にしており、コンバータ部の温度の変化の幅を従来よりも小さく出来るので、例えば、この温度変化によって、生じていた従来の問題も解決可能である。
また、前記説明で、電動機の速度制御として、定トルク制御を述べて説明したが、これに限定されるものではなく、低減トルク制御や、その他の制御を行う場合であっても良い。

この発明の実施例による電力変換装置の構成を示す図である。 この発明の実施例による電力変換装置の制御部の冷却制御のフローチャート図である。 この発明の別の実施例による電力変換装置の構成を示す図である。 この発明の実施例による電力変換装置の放熱フィンの冷却を水冷又は油冷とした場合の図である。 電力変換装置で電動機を定トルク特性にて速度制御した場合の速度とインバータ部、コンバータ部損失の関係を示す図である。

符号の説明

10：商用電源、20：コンバータ部、30：平滑部、40：インバータ部、50：電動機、80：コンバータ部放熱フィン、85：インバータ部放熱フィン、90：コンバータ部温度検出器、100：インバータ部温度検出器、110：制御部、120：冷却ファン、140：電流検出器、310：水冷又は油冷装置

Claims (5)

1. 商用電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、
   前記コンバータ部の直流電力を平滑する平滑部と、
   前記平滑部の出力を交流電力に変換するインバータ部と、
   前記インバータ部を制御する制御部と、
   インバータ部の出力電流を検出する電流検出器と、
   前記インバータ部の出力を負荷に出力する電力変換装置おいて、
   前記コンバータ部と、前記インバータ部とを冷却する冷却ファンと、
   を設け、
   前記電流検出器からの検出信号を前記制御部に入力し、制御部によって、前記インバータ部、又は前記コンバータ部の温度を推定し、前記冷却ファンを制御部が制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、
   冷却ファンに変えて、水冷装置を用いることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１記載の電力変換装置において、
   冷却ファンに変えて、油冷装置を用いることを特徴とする電力変換装置。
4. 商用電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、
   前記コンバータ部の直流電力を平滑する平滑部と、
   前記平滑部の出力を交流電力に変換するインバータ部と、
   前記インバータ部を制御する制御部と、
   前記インバータ部の出力を負荷に出力する電力変換装置おいて、
   前記コンバータ部と、前記インバータ部とを冷却する冷却ファンと、
   前記コンバータ部の温度を測定するコンバータ部温度検出器と、
   前記インバータ部の温度を測定するインバータ部温度検出器と、
   を設け、
   前記コンバータ部温度検出器と、前記インバータ部温度検出器とからの温度検出情報を前記制御部に入力し、制御部によって、前記冷却ファンを制御することを特徴とする電力変換装置。
5. 商用電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、
   前記コンバータ部の直流電力を平滑する平滑部と、
   前記平滑部の出力を交流電力に変換するインバータ部と、
   前記インバータ部を制御する制御部と、
   インバータ部の出力電流を検出する電流検出器と、
   前記インバータ部の出力を負荷に出力する電力変換装置を制御する電力変換装置の制御方法において、
   前記電流検出器からの検出信号を前記制御部に入力し、制御部によって、前記インバータ部、又は前記コンバータ部の温度を推定し、
   運転開始時の前記制御部にて推定したコンバータ部温度情報、又は前記インバータ部温度情報を、運転開始時の値として記憶し、
   次に、運転中の任意の時点で推定された温度情報と運転開始時に記憶された値との差分を求め、
   この差分が予め定めた所定値よりも大きい場合には、冷却ファンを制御して、前記、コンバータ部、または、インバータ部の放熱フィンを冷却することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
   

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