JP2011024329A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器にヒートパイプを用いたインバータが、停止又は低周波作動において、各電力用半導体素子に偏った電流が流れる場合においても冷却性能を維持可能とする。
【解決手段】ヒートパイプ冷却器を有して可変電圧・可変周波数を出力可能なインバータ１０と、ヒートパイプ冷却器の受熱ブロックに縦方向に実装されたインバータの電力用半導体素子（ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ）を制御するインバータ制御部４０と、を備えたインバータ制御装置において、インバータ制御部４０は、ヒートパイプ冷却器のヒートパイプ内の作動液の温度２３が所定値以下の場合に、電力用半導体素子の内で作動液の溜まる受熱ブロックの下部に実装された電力用半導体素子（ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ）に対してのみ予備通電すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートパイプにて電力用半導体素子を冷却するインバータの制御装置に関する。

クレーン又はエレベータ等の駆動用のＰＭモータ（永久磁石式同期電動機）に用いられる電力用半導体素子をヒータパイプで冷却するインバータ制御装置の従来技術を図５に示す。図６は従来技術のインバータ制御装置に用いられるＰＭモータの磁石位置位相と電流の大きさとの関係を示す３相回転磁界の説明図である。図４は従来技術に関するインバータ制御装置におけるヒートパイプ冷却器の配置構成を示す図である。

図５において、直流電源８の直流電圧は、インバータ１０によって可変電圧・可変周波数の交流に変換され、ＰＭモータ６（永久磁石式同期電動機）に供給される。速度制御手段１２は速度指令発生手段１１の出力ω＊に速度位置検出器７からの速度ωが追従するようにフィードバック制御を行い、ＰＭモータを可変速制御するに必要なトルクに応じた電流指令Ｉ＊を出力する。電流制御手段１３は電流指令Ｉ＊と速度位置検出器７からの磁石位置の位相θｄに応じた電流がＰＭモータ６に流れるように電流検出器９ａ，９ｂからの電流ｉをフィードバック制御し電圧指令ｖ＊を出力する。ＰＷＭパルス発生手段１４は電圧指令ｖ＊に応じてインバータ１０を駆動するＰＷＭパルス信号を出力する。

インバータ１０を構成する電力用半導体素子は、ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮで図示するようにＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が一般的に採用されており、図４に示すように受熱ブロック１０１に実装されている。

６個のＩＧＢＴは、図４に示すように、ヒートパイプ冷却器１００の受熱ブロック１０１の片面上にＰＭモータ６の相順（上から、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順番）に並んで配置され、ヒートパイプ冷却器１００自体は垂直または傾斜し取り付けられている。このヒートパイプ冷却器１００は、受熱ブロック１０１のほか、受熱ブロック１０１から熱量を取り出して放熱部に熱移送するヒートパイプ１０２と、ヒートパイプ１０２から空気中に熱量を放出するためにろう付けまたは圧入により装着される冷却フィン１０３と、から構成されている。

ＩＧＢＴの電力損失により発生した熱は、受熱ブロック１０１を経由しヒートパイプ１０２に伝達される。ヒートパイプ１０２に伝達された熱量は、ヒートパイプ内の作動液を沸騰させ、蒸気となりヒートパイプ１０２上部の冷却フィン１０３部に移動し、冷却フィン１０３により空気中に放熱される。このようにしてインバータ１０を制御することにより、ＰＭモータ６に連結される負荷３０は可変速運転される。

ここで、負荷３０は可変速運転用途が必要とされる機器であり、クレーンやエレベータなどがある。クレーンやエレベータなど停止状態から負荷トルクを必要とする用途では、ブレーキ印加時の移動直前にこの負荷トルクを印加するために、モータ回転周波数が０Ｈｚの状態で運転しなければならない期間がある。特に、最近主流となりつつあるＰＭモータ（永久磁石式同期電動機）では、誘導モータのようにすべりが無いため、或る特定の位相で固定されたモータ回転停止状態のインバータ周波数は完全に０Ｈｚとなる。

例えば、図６において、ＰＭモータ６の磁石位置位相θｄが２７０°の場合、インバータ出力電流の大きさの関係は、Ｕ相電流を１００％とすると、Ｖ相で−５０％、Ｗ相で−５０％の割合となる。ヒートパイプ１０２の下部の加熱度合いが少なく、上段の加熱度合いが大きいため、ヒートパイプ１０２底面の作動液は上昇しにくい。このため、受熱ブロック１０１の上段に取り付けたＩＧＢＴの熱輸送は、冷却フィン１０３部で凝縮し還流する一部の作動液のみで行われるため、受熱ブロック１０１上段の熱抵抗が大きくなる。すなわち、熱伝達すべき作動液が受熱ブロック１０１の上部では少ない又は無くなっているので熱が伝わり難くなっている（熱抵抗が大きくなっている）。特に、運転休止で作動液が沸騰していない状態が長く続いた場合、作動液が全てヒートパイプ１０２の下部に溜まるため、運転開始時、受熱ブロック１０１上段の熱抵抗は増大し、最悪の場合、ＩＧＢＴは過加熱されて熱破壊に至る課題がある。

このようなＩＧＢＴ間の負荷アンバランスによる熱破壊の課題を解決するため、上記の特許文献１では、受熱ブロック内でヒートパイプの作動液が溜まる底部を電力用半導体素子にそれぞれ対応するように長さの異なるヒートパイプを用いることが開示されている。

また、ＩＧＢＴ間の負荷アンバランスによる熱破壊を助長させる運転休止期間中のヒートパイプ下部に作動液が溜まる課題については、上記の特許文献２に、ヒートパイプの温度を検出し、温度が所定値より低い場合には、インバータを無負荷または低出力状態で運転し、温度が所定値を超えた場合のみ定格負荷運転を行うことが開示されている。

特開平６−２６８１２３号公報 特開２００８−２１１９５６号公報

近年、クレーンやエレベータなどの用途では、装置自体の小型化に加え、点検スペース削減による設置面積縮小化のニーズがあるため、インバータ制御装置の冷却器にはヒートパイプ方式が採用され、かつ、インバータを構成するＩＧＢＴは、図４に示すように、ヒートパイプ冷却器１００の受熱ブロック１０１の片面上に並べて実装される。

このように実装されたインバータにおいて、受熱ブロックの寸法、ヒートパイプ１０２１本あたりの熱輸送能力、価格を考慮しヒートパイプ１０２本数を選定すると、必ずしもＩＧＢＴの員数と一致せず、一本のヒートパイプ１０２で複数個のＩＧＢＴ熱量を冷却フィンに運ぶ必要がある。負荷アンバランスによる熱破壊の問題を解決するためだけに、ＩＧＢＴの員数にヒートパイプの本数を合わせること、長短のヒートパイプを組み合わせることは、部品点数及び部品種類の増加を招き不経済である。

一方、ヒートパイプの温度状態に応じてインバータを３相交流通電させ暖気運転させる方法は、受熱ブロック全体を暖めるため、ヒートパイプ下部に溜まった作動液が沸騰するまで時間がかかり、運転までの開始時間が長くなる課題がある。特に、エレベータなどの分野において、呼びボタンが押されてから実際にエレベータが動き出すまでの時間が長くなることは、運転効率の低下に加え、乗客に不快感を与えてしまう。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、冷却器にヒートパイプを用いたインバータが、停止又は低周波（数Ｈｚ）作動において、各電力用半導体素子に偏った電流が流れる場合においても冷却性能を維持可能とするインバータ制御装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
ヒートパイプ冷却器を有して可変電圧・可変周波数を出力可能なインバータと、前記ヒートパイプ冷却器の受熱ブロックに縦方向に実装された前記インバータの電力用半導体素子を制御するインバータ制御部と、を備えたインバータ制御装置において、前記インバータ制御部は、前記ヒートパイプ冷却器のヒートパイプ内の作動液の温度が所定値以下の場合に、前記電力用半導体素子の内で前記作動液の溜まる前記受熱ブロックの下部に実装された電力用半導体素子に対してのみ予備通電する構成とする。

また、ヒートパイプ冷却器を有して可変電圧・可変周波数を出力可能なインバータと、前記ヒートパイプ冷却器の受熱ブロックに縦方向に実装された前記インバータの電力用半導体素子を制御するインバータ制御部と、を備えたインバータ制御装置において、前記インバータ制御部は、前記インバータに接続されるモータの回転速度を指令する速度指令発生手段と、前記速度指令発生手段からの速度指令値に前記モータの検出回転速度が追従するように前記モータへの電流指令値を出力する速度制御手段と、前記電流指令値と前記モータの回転位置位相に応じた電流が前記モータに流れるようにモータ検出電流をフィードバック制御して電圧指令値を出力する電流制御手段と、前記電圧指令値に応じて前記インバータを駆動するＰＷＭパルス発生手段と、を備え、さらに、前記インバータ制御部は、前記ヒートパイプ冷却器のヒートパイプ内の作動液の温度を検出する前記受熱ブロックの下部に設置された温度検出器と、前記温度検出器からの検出温度が所定値以下の場合に、前記受熱ブロックの下方部に実装された前記インバータの電力用半導体素子に予備通電させるように、予備通電の電流指令値と予備通電の回転位置位相を前記電流制御手段に出力する予備通電手段と、を設け、前記予備通電手段は、前記所定値以下の場合に、前記速度制御手段からの電流指令値を前記予備通電の電流指令値に切り替え、且つ前記モータの検出回転位置位相を前記予備通電の回転位置位相に切り替える構成とする。

本発明によれば、通常運転の前にＩＧＢＴを特定して予備通電を行うことで、ＩＧＢＴの熱破壊を防止できるとともに、従来の３相通電して暖気運転するような予備通電に要する時間との比較で予備通電時間を短縮することができる。

本発明の第１の実施形態に係るインバータ制御装置におけるインバータ制御部のブロック構成を示す図である。 第１の実施形態に係るインバータ制御装置におけるヒートパイプ冷却器の配置構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るインバータ制御装置におけるインバータ制御部のブロック構成を示す図である。 従来技術に関するインバータ制御装置におけるヒートパイプ冷却器の配置構成を示す図である。 従来技術に関するインバータ制御装置におけるインバータ制御部のブロック構成を示す図である。 従来技術のインバータ制御装置に用いられるＰＭモータの磁石位置位相と電流の大きさとの関係を示す３相回転磁界の説明図である。

本発明の第１と第２の実施形態に係るインバータ制御装置について、図１〜図３を参照しながら以下詳細に説明する。図１と図２は第１の実施形態に係るインバータ制御装置を示し、図３は第２の実施形態に係るインバータ制御装置を示す。

図面において、１は乗りかご、２はシーブ、３はカウンタウェイト、４はロープ、５はブレーキ、６はＰＭモータ、７は速度位置検出器、８は直流電源、９ａは電流検出器、９ｂは電流検出器、１０はインバータ、１１は速度指令発生手段、１２は速度制御手段、１３は電流制御手段、１４はＰＷＭパルス発生手段、２０は予備通電手段、２１は切替器、２２は切替器、２３は温度検出器、２４は温度検出手段、３０は負荷、４０はインバータ制御部、１００はヒートパイプ冷却器、１０１は受熱ブロック、１０２はヒートパイプ、１０３は冷却フィン、１０４はヒートパイプ冷却器、をそれぞれ表す。

「第１の実施形態」
本発明の第１の実施形態に係るインバータ制御装置について、図１と図２を参照しながら以下説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係るインバータ制御装置におけるインバータとインバータ制御部のブロック構成を示す図である。図２は第１の実施形態に係るインバータ制御装置におけるヒートパイプ冷却器の配置構成を示す図である。

図１と図２において、本発明の第１の実施形態に係るインバータ制御装置は、直流電源８と、インバータ１０と、インバータ制御部４０と、ヒートパイプ冷却１０４と、を備えている。図１において、直流電源８の直流電圧は、インバータ１０によって可変電圧・可変周波数の交流に変換され、ＰＭモータ６（永久磁石式同期電動機）に供給される。ＰＭモータ６の出力軸には、負荷の例として、エレベータの駆動機器が連結される。この出力軸にはシーブ２が連結され、シーブ２に巻き付けられたロープ４を介して乗りかご１とカウンタウェイト３が繋がれ、ＰＭモータ６、即ちシーブ２の回転に従ってエレベータの乗りかご１は昇降する。また、ＰＭモータ６の出力軸には、ＰＭモータ６の永久磁石位置と回転速度を出力する速度位置検出器７があり、また、エレベータのブレーキ５も備わっている。

また、本実施形態に関するインバータ制御部４０には、電流検出器９ａ，９ｂからのモータ巻線電流ｉ、ＰＭモータ６の速度位置検出器７からの磁石位置位相θｄ及び回転速度ω、温度検出器２３からのヒートパイプ温度Ｔを入力信号として、図１の符号４０に図示する各構成要素が備わっている。なお、インバータ制御装置が停止状態の際には、ヒータパイプ内の作動液のレベルは、図４の例で通常、Ｕ相のＩＧＢＴの設置位置まで達しない位置である。

先ず、通常運転動作について説明する。速度制御手段１２は、速度指令発生手段１１の出力ω＊に速度位置検出器７からの速度ωが追従するようにフィードバック制御を行い、ＰＭモータ６を可変速制御するに必要なトルクに応じた電流指令Ｉ＊を出力する。通常運転動作において、切替器２１は、速度制御手段１２の出力Ｉ＊を選択し、電流制御手段１３へ出力する。

電流制御手段１３は、電流指令Ｉ＊と速度位置検出器７からの磁石位置の位相θｄに応じた電流がＰＭモータ６に流れるように、電流検出器９ａ，９ｂからの電流ｉをフィードバック制御し電圧指令ｖ＊を出力する。通常運転動作において、切替器２２は、速度位置検出器７からの出力θｄを選択し、電流制御手段１３へ出力する。ＰＷＭパルス発生手段１４は、電圧指令ｖ＊に応じてインバータ１０を駆動するＰＷＭパルス信号を出力する。

インバータ１０は、ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮで示すＩＧＢＴで構成される他に、ヒートパイプ１０２の温度を検出するための温度検出器２３が受熱ブロック１０１に設けられている。図２にヒートパイプ冷却器１０４の実装図を示す。受熱ブロック１０１に温度検出器２３が設けられている他は、上述した従来技術を示す図４と同じ構成であるため説明を省略する。

次に、本発明の主たる特徴を示す、負荷アンバランス（インバータの停止又は低周波（数Ｈｚ）作動において、各電力用半導体素子に偏った電流が流れる場合）によるＩＧＢＴ熱破壊の課題を解決する予備通電動作について、図１を用いて説明する。予備通電手段２０は温度検出器２３（図２の図示例で受熱ブロック１０１でＩＧＢＴの下部に設置されている）にて検出した温度が所定値以下の場合、エレベータの運転に先がけ、切替器２１及び切替器２２を通常運転動作から予備通電動作に切り替えるとともに（図１に示す切替器２１，２２の図示切替方向を反対側に切り替える）、予備通電の電流の値Ｉｙと位相θｙを電流制御手段１３に出力する。電流制御手段１３は、予備通電の電流値Ｉｙと位相θｙに応じた電流がＰＭモータ６に流れるように電流検出器９ａ，９ｂからの電流ｉをフィードバック制御し、電圧指令ｖ＊を出力する。

ここで、予備通電時の位相θｙは、ヒートパイプ１０２の作動液が溜まる底部に実装されるＩＧＢＴによって決定する。本実施形態では、ヒートパイプ冷却器１０４に実装されるＩＧＢＴの位置が、冷却フィン１０２に近い上側から、Ｕ相（ＵＰ、ＵＮ）、Ｖ相（ＶＰ、ＶＮ）、Ｗ相（ＷＰ、ＷＮ）の順に配置されるので、図６の位相と電流の関係から、Ｖ−Ｗ相間のみに通電できるθｙ＝０°（またはθｙ＝１８０°）とすれば良い（Ｕ相には電流を流さない、すなわち予備通電時の位相θｙはＵ相が０°又は１８０°である位相信号である）。

θｙ＝０°（またはθｙ＝１８０°）にすることで、作動液が溜まる底部から離れたＵ相の電流を零にできる。さらに、Ｕ相の電流を零にできる位相θｙは、０°と１８０°の２通り有り、また、ヒートパイプ１０２はＰ側とＮ側のＩＧＢＴに対応する２本で構成されるので、位相θｙを０°と１８０°の交互に選択すれば、θｙ＝０°でＶＰとＷＮ、θｙ＝１８０°でＷＰとＶＮのＩＧＢＴからヒートパイプ１０２に熱量を送ることができ（図６の波形図を参照）、このように交互に選択しても良い。

一方、予備通電の電流の値Ｉｙは、電流値と単位時間あたりのヒートパイプ１０２の温度上昇との関係を予め検証しておき、ＩＧＢＴの能力範囲内の電流値に決めれば良い。

予備通電手段２０は、このように予備通電動作を行い温度検出器２３にて検出した温度が所定値を超えたことを確認し、切替器２１と２２を予備通電動作から通常運転動作に復帰させる。以上説明したように、通常運転の前にＩＧＢＴを特定する方法で予備通電を行うことにより、ＩＧＢＴの熱破壊を防止できるとともに、予備通電に要する時間を短縮することができる。

「第２の実施形態」
本発明の第２の実施形態に係るインバータ制御装置について、図３を参照しながら以下説明する。図３は本発明の第１の実施形態に係るインバータ制御装置におけるインバータとインバータ制御部のブロック構成を示す図である。

図３において、本発明の第２の実施形態に係るインバータ制御装置において、ヒートパイプ１０２の温度検出に、第１の実施形態に示す温度検出器２３を用いずに、ＰＭモータ６の巻線抵抗値・巻線温度から推定している点が特徴である。図３において、第１の実施形態と同じ機能には同じ部品番号を配しているため、同じ構成については説明を省略する。また、ヒートパイプ冷却器１００は、温度検出器を設けていない従来技術を示す図４と同じ構成である。

ヒートパイプ１０２の下部に作動液が溜まる現象は、周囲環境温度に加え、運転休止時間も関係する。特に、運転休止時間が長い場合、運転により温度上昇していたヒートパイプ冷却器１００とＰＭモータ６は、周囲の環境温度と同じ温度まで下がっている状態である。第２の実施形態では、この状態を利用し予備通電を実施する。

すなわち、図１に示す第１の実施形態において、予備通電手段２０は温度検出器２３にて検出した温度が所定値以下の場合に通電を実施したが、図３に示す第２の実施形態では、先ず予備通電動作を開始する。温度検出手段２４は、この予備通電によってＰＭモータ６に流れる電流ｉと電流制御手段１３から出力される電圧指令ｖ＊から、ＰＭモータ６の巻線抵抗をオームの法則により計算し、計算した抵抗値と基準温度にて予め測定しておいた抵抗値と巻線材料である銅の抵抗温度係数から巻線の温度を計算し、予備通電手段２０へ巻線温度を出力する。

予備通電手段２０は温度検出手段２４からの温度が所定値以下の場合、予備通電を継続する。ここで、予備通電の継続時間は、予備通電初期に検出した巻線温度から予め設定しておいたテーブル表または関係式により選択する。予備通電手段２０は、温度検出手段２４にて検出した温度から選択した継続時間が経た後、切替器２１と２２を予備通電動作から通常運転動作に復帰させる。

上述した手法によって、第２の実施形態では、専用の温度センサを設けることなく、ＩＧＢＴの熱破壊防止と予備通電に要する時間を短縮することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態は、ヒートパイプの作動液の温度を検出または推定し、ヒートパイプの検出温度または推定温度からヒートパイプ内の作動液が沸騰状態にない場合に、縦方向に並んで実装される電力用半導体素子のうち作動液が溜まる下部に実装された電力用半導体素子に対して電流を流すように制御することが主たる特徴である。これによって、通常運転の前にＩＧＢＴを特定して予備通電を行うことで、ＩＧＢＴの熱破壊を防止できるとともに、従来の３相通電して暖気運転するような予備通電に要する時間との比較で予備通電時間を短縮することができる。

１ 乗りかご
２ シーブ
３ カウンタウェイト
４ ロープ
５ ブレーキ
６ ＰＭモータ
７ 速度位置検出器
８ 直流電源
９ａ 電流検出器
９ｂ 電流検出器
１０ インバータ
１１ 速度指令発生手段
１２ 速度制御手段
１３ 電流制御手段
１４ ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）パルス発生手段
２０ 予備通電手段
２１ 切替器
２２ 切替器
２３ 温度検出器
２４ 温度検出手段
３０ 負荷
４０ インバータ制御部
１００ ヒートパイプ冷却器
１０１ 受熱ブロック
１０２ ヒートパイプ
１０３ 冷却フィン
１０４ ヒートパイプ冷却器

Claims (4)

1. ヒートパイプ冷却器を有して可変電圧・可変周波数を出力可能なインバータと、前記ヒートパイプ冷却器の受熱ブロックに縦方向に実装された前記インバータの電力用半導体素子を制御するインバータ制御部と、を備えたインバータ制御装置において、
   前記インバータ制御部は、前記ヒートパイプ冷却器のヒートパイプ内の作動液の温度が所定値以下の場合に、前記電力用半導体素子の内で前記作動液の溜まる前記受熱ブロックの下部に実装された電力用半導体素子に対してのみ予備通電する
   ことを特徴とするインバータの制御装置。
2. 請求項１において、
   前記ヒートパイプ内の作動液の温度は、前記受熱ブロックの下部に設置された温度検出器からの検出温度であることを特徴とするインバータの制御装置。
3. 請求項１において、
   前記ヒートパイプ内の作動液の温度は、前記インバータに接続されるモータに流れる電流と前記インバータ制御部からの電圧指令値とから求まる前記モータの巻線抵抗に基づいて演算された温度であることを特徴とするインバータの制御装置。
4. ヒートパイプ冷却器を有して可変電圧・可変周波数を出力可能なインバータと、前記ヒートパイプ冷却器の受熱ブロックに縦方向に実装された前記インバータの電力用半導体素子を制御するインバータ制御部と、を備えたインバータ制御装置において、
   前記インバータ制御部は、前記インバータに接続されるモータの回転速度を指令する速度指令発生手段と、前記速度指令発生手段からの速度指令値に前記モータの検出回転速度が追従するように前記モータへの電流指令値を出力する速度制御手段と、前記電流指令値と前記モータの回転位置位相に応じた電流が前記モータに流れるようにモータ検出電流をフィードバック制御して電圧指令値を出力する電流制御手段と、前記電圧指令値に応じて前記インバータを駆動するＰＷＭパルス発生手段と、を備え、
   さらに、前記インバータ制御部は、前記ヒートパイプ冷却器のヒートパイプ内の作動液の温度を検出する前記受熱ブロックの下部に設置された温度検出器と、前記温度検出器からの検出温度が所定値以下の場合に、前記受熱ブロックの下方部に実装された前記インバータの電力用半導体素子に予備通電させるように、予備通電の電流指令値と予備通電の回転位置位相を前記電流制御手段に出力する予備通電手段と、を設け、
   前記予備通電手段は、前記所定値以下の場合に、前記速度制御手段からの電流指令値を前記予備通電の電流指令値に切り替え、且つ前記モータの検出回転位置位相を前記予備通電の回転位置位相に切り替える
   ことを特徴とするインバータの制御装置。

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