JP2010110075A - 電動機駆動用インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力変圧器用の冷却ファンが故障停止しても所定の条件で運転継続を行なうことが可能な電動機駆動用インバータ装置を提供する。
【解決手段】交流電源１を入力とし、冷却ファン２１によって冷却される入力変圧器２と、
入力変圧器２の２次巻線出力を入力とし、その出力で交流電動機４を駆動する電力変換器３と、速度指令に基づいた速度基準に応じて電力変換器３の出力電圧／周波数を制御する制御手段４０と、入力変圧器２の発熱状態を検出する発熱状態検出手段２５、２６とで構成する。発熱状態検出手段２５、２６による発熱指標が所定値を超えたとき、速度基準が所定の第１の上限値以下となるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機駆動用インバータ装置に係り、特に入力変圧器を冷却する冷却ファンを設けた空冷の電動機駆動用インバータ装置に関する。

電動機駆動用インバータ装置においては、商用交流電源を所定の大きさの直流や所定の周波数の交流に変換する為に電力用半導体素子が使用される。この電力用半導体素子を用いた電力変換器を冷却するために、冷却ファンが使用される。この冷却ファンが何らかの要因で故障停止すると、電力変換器の温度異常による装置の破損が問題となるため、電動機駆動用インバータ装置を停止して保護を行なうのが通常である。

しかしながら、冷却ファンが故障しても直ちに温度が上昇することはなく、環境温度の状態や負荷の状態によっては、運転継続が可能である。この点に着目し、電力変換器の温度を検出し、その検出された温度に応じて電力変換器を運転継続する時間を反時限特性的に設定する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平１０−１１７４２８号公報（第３−４頁、図１）

最近の汎用高圧の電動機駆動用インバータ装置において、商用電源電圧を電力半導体素子の使用電圧に合わせる為に専用の入力変圧器を設けている。この入力変圧器は変圧器盤内に収納され、所定の温度以下に抑える様に冷却ファンを設けている。特許文献１に示された手法は、電力変換器用冷却ファンの故障時の対策であるが、入力変圧器用の冷却ファンの故障時に直ちにインバータ装置を故障停止せずに、何らかの条件を設けて運転継続を行なうようにすることも一つの課題である。

本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、入力変圧器用の冷却ファンが故障停止しても所定の条件で運転継続を行なうことが可能な電動機駆動用インバータ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の電動機駆動用インバータ装置は、交流電源を入力とし、冷却ファンによって冷却される入力変圧器と、前記入力変圧器の２次巻線出力を入力とし、その出力で交流電動機を駆動する電力変換器と、速度指令に基づいた速度基準に応じて前記電力変換器の出力電圧／周波数を制御する制御手段と、前記入力変圧器の発熱状態を検出する発熱状態検出手段とを備え、前記発熱状態検出手段による発熱指標が所定値を超えたとき、前記速度基準が所定の第１の上限値以下となるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、入力変圧器用の冷却ファンが故障停止しても所定の条件で運転継続を行なうことが可能な電動機駆動用インバータ装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電動機駆動用インバータ装置の回路構成図である。図１（ａ）の回路構成図において、商用電源１から与えられる電圧は入力変圧器２によって電力変換器３の入力電圧が適切な値となるように変換する。図１に示した入力変圧器２は、２次巻線を複数個有し、電力変換器３においてこの複数個の２次巻線に対応した単位インバータを複数個設けて３グループに分け、そのグループ毎の各々の単相出力を直列接続して交流電動機４に３相交流を供給する多重インバータ対応の入力変圧器であるが、通常の２レベルまたは３レベル電力変換器用の２次巻線が１乃至２個の入力変圧器であっても良い。

電力変換器３は複数の電力用半導体素子から構成され、その出力電圧／周波数は制御部３０から与えられるゲートパルスによって制御されている。この制御部４０は、外部から与えられる速度指令と詳細は後述する入力変圧器保護回路２６から与えられる速度低下指令を受けて速度基準を出力する速度基準回路４１と、交流電動機４の速度がこの速度基準の速度となるように電力変換器３にゲートパルスを供給するインバータ制御回路４２とで構成されている。インバータ制御回路４２に対しては交流電動機４の速度を推定するためにその出力電圧、出力電流がフィードバック信号として与えられているが、交流電動機４の速度を直接検出してフィードバック信号として与えても良い。

入力変圧器２は冷却ファン２１による冷却風との熱交換によって冷却されている。そして入力変圧器２の適切な箇所の温度が検出され、この温度検出に基づいた入力変圧器保護回路２６が速度基準回路４１に速度低下指令を与える。これらの入力変圧器２、冷却ファン２１及び入力変圧器保護回路２３は入力変圧器関連部２０を構成している。この入力変圧器関連部２０の詳細構成について図１（ｂ）を参照して以下説明する。

入力変圧器２は収納盤２２に収納されている。そして吸気口２３より外部の空気を取り込む。この空気は入力変圧器２を冷却して盤内を流れ、冷却ファン２１のファン効果によって排気口２４から外部に放出される。入力変圧器２の温度は温度検出器２５によって検出され、電圧信号に変換されて入力変圧器保護回路２６内の比較演算器２７に与えられる。比較演算器２７は、温度検出器２５によって検出された温度と温度設定器２８で設定された温度閾値とを比較する。そして検出された温度が温度閾値を超えたとき、比較演算器２７は速度低下指令を速度基準回路４１に対して出力する。

以下、上記構成における作用効果について説明する。

冷却ファン２１が故障し、冷却風が停滞するようになっても、例えば交流電動機４の負荷が小さく、従って入力変圧器２の負荷が小さい場合には入力変圧器２の温度は上昇するが、許容限界温度以内で運転を継続することが可能である。ところが、交流電動機４の負荷がある程度以上大きければ、入力変圧器２の温度が上昇し、遂には許容限界温度に到達してしまう恐れがある。このため温度設定器２８で設定される温度閾値を上記許容限界温度より若干低い値に設定し、この温度閾値を超えたとき、比較演算器２７は速度低下指令を速度基準回路４１に対して出力する。このことによって交流電動機４は所定の上限速度以上の速度で運転することはできなくなる。ここで交流電動機４の負荷は２乗トルク負荷を想定しているため、交流電動機４の速度が低下すれば負荷電流はその２乗に比例して低下する。従って上記の所定の速度を適切に選定することによって、比較演算器２７が速度低下指令を速度基準回路４１に対して出力した後入力変圧器２の温度が上昇するのを防止することが可能となる。上記所定の速度の設定は交流電動機４及びその負荷の速度−負荷特性と冷却ファン２１が入力変圧器２を冷却するときの冷却特性から算定すれば良い。

尚、上記説明において、速度低下指令を出力しても何らかの原因で入力変圧器２の温度が上昇するのを防止することができない場合も考えられる。そのような場合には、温度検出器２５によって検出された温度が温度設定器２８で設定される温度閾値より若干高い温度限界閾値に到達したときに電力変換器３を停止させるようにすれば良い。

また、この実施例１では冷却ファン２１の故障信号について図示を省略しているが、故障信号が得られる場合は故障信号によって警報を出力するようにするのが好ましい。

図２は本発明の実施例２に係る電動機駆動用インバータ装置に用いられる入力変圧器関連部２０Ａの構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の本発明の実施例１に係る電動機駆動用インバータ装置に用いられる入力変圧器関連部の構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、温度検出器２５に代えて吸気口２３の温度を検出する温度検出器２５Ａ及び排気口２４の温度を検出する温度検出器２５Ｂを設けた点、また、入力変圧器保護回路２６Ａ内に両者の温度差を演算する減算器２９を設け、この減算器２９の出力を比較演算器２７に与える構成とした点である。

上記のように構成する場合、温度設定器２８で設定される温度閾値は温度上昇閾値とする。このように構成すると、比較演算器２７が出力する速度低下指令に従った交流電動機４の速度低下による温度上昇値の低下が外気温の変動の影響などを受けないことになるので、速度低下指令による上限速度を算定することが容易になる。

図３は本発明の実施例３に係る電動機駆動用インバータ装置に用いられる入力変圧器関連部２０Ｂの構成図である。この実施例３の各部について、図１（ｂ）の本発明の実施例１に係る電動機駆動用インバータ装置に用いられる入力変圧器関連部の構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、
冷却ファン２１の故障信号を得るための故障検出器３０を設けた点、この故障検出器３０の出力と比較演算器２７の出力のＯＲ条件をとるＯＲ回路３１を入力変圧器保護回路２６Ｂ内に設け、ＯＲ回路３１の出力を速度低下指令とするようにした点である。

この実施例３の構成によれば、冷却ファン２１の故障と同時に速度低下指令が速度基準回路４１に与えられ、速度低下指令で与えられる上限速度を超えて交流電動機４が運転されていた場合には運転速度が低下して負荷が減少し、入力変圧器２の温度上昇が抑制される。そして故障検出器３０が何らかの要因で動作しない場合であっても入力変圧器２の温度が上昇して比較演算器２７が速度低下指令を出力すれば、入力変圧器２の温度上昇を抑制することが可能となる。

図４は本発明の実施例４に係る電動機駆動用インバータ装置に用いられる入力変圧器関連部２０Ｂの構成図である。この実施例４の各部について、図１（ｂ）の本発明の実施例１に係る電動機駆動用インバータ装置に用いられる入力変圧器関連部の構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、冷却ファン２１の故障信号を得るための故障検出器３０を設けた点、この故障検出器３０の出力によって比較演算機器も７の速度低下指令とは異なる速度低下指令を速度基準回路４１に対して出力するように構成した点である。

この実施例４によれば、比較演算器２７の速度低下指令よって定まる速度の上限を第１の上限、故障検出器３０の出力による速度低下指令によって定まる速度の上限を第２の上限としたとき、第２の上限を第１の上限より大きく設定する。このように設定すると、冷却ファン２１が故障したときには直ちに第２の上限速度まで速度を低下し、この第２の上限速度で運転している状態で更に温度が上昇して比較演算器２７が作動した場合には第２の上限速度より低い第１の上限速度まで速度を低下させて負荷を減少させる。このように２段階で速度を減少するようにすれば、冷却ファン２１が故障しても、可能な限り交流電動機４の運転速度を低下させないようなきめ細かい保護動作が可能となる。

以上説明したように交流電動機４の負荷特性が例えば２乗トルク負荷のように速度の増加と共に大きくなる負荷であれば、多少の運転速度の低下を許容すれば本発明の実施例１乃至実施例４によって電動機駆動用インバータ装置の運転継続は可能となる。

本発明の実施例１に係る電動機駆動用インバータ装置の回路構成図。 本発明の実施例２に係る電動機駆動用インバータ装置に用いられる入力変圧器関連部の構成図。 本発明の実施例３に係る電動機駆動用インバータ装置に用いられる入力変圧器関連部の構成図。 本発明の実施例４に係る電動機駆動用インバータ装置に用いられる入力変圧器関連部の構成図。

符号の説明

１ 商用電源
２ 入力変圧器
３ 電力変換器
４ 交流電動機
２０ 入力変圧器関連部
２１ 冷却ファン
２２ 収納盤
２３ 吸気口
２４ 排気口
２５、２５Ａ、２５Ｂ 温度検出器
２６ 入力変圧器保護回路
２７ 比較演算器
２８ 温度設定器
２９ 減算器
３０ 故障検出器
３１ ＯＲ回路
４０ 制御部
４１ 速度基準回路
４２ インバータ制御回路

Claims (5)

1. 交流電源を入力とし、冷却ファンによって冷却される入力変圧器と、
   前記入力変圧器の２次巻線出力を入力とし、その出力で交流電動機を駆動する電力変換器と、
   速度指令に基づいた速度基準に応じて前記電力変換器の出力電圧／周波数を制御する制御手段と、
   前記入力変圧器の発熱状態を検出する発熱状態検出手段と
   を備え、
   前記発熱状態検出手段による発熱指標が所定値を超えたとき、
   前記速度基準が所定の第１の上限値以下となるようにしたことを特徴とする電動機駆動用インバータ装置。
2. 前記冷却ファンの故障を検出する故障検出手段を備え、
   前記故障手段が故障を検出したとき、
   前記速度基準が所定の第１の上限値以下となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用インバータ装置。
3. 前記冷却ファンの故障を検出する故障検出手段を備え、
   前記故障手段が故障を検出したとき、
   前記速度基準が所定の第１の上限値より大きい所定の第２の上限値以下となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用インバータ装置。
4. 前記発熱状態検出手段による発熱指標は、
   前記入力変圧器の所定の箇所における温度であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電動機駆動用インバータ装置。
5. 前記入力変圧器は、
   前記冷却ファン用の吸気口及び排気口を有する収納盤に収納され、
   前記発熱状態検出手段による発熱指標は、
   前記排気口の検出温度と前記吸気口の検出温度の温度差であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電動機駆動用インバータ装置。

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