JP2011188581A - 電力変換装置および過負荷保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過負荷時と正常負荷時の電動機における実際の温度の上昇、下降を考慮した正確な電子サーマル熱時限特性をもつ電力変換装置および過負荷保護方法を提供する。
【解決手段】交流を直流に変換する順変換器と、直流を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する逆変換器と、交流電力により速度制御される交流電動機と、交流電動機の電流を検出する電流検出器と、電流検出器で検出された電流に応じて前記各部を制御する制御部を備え、前記制御部は、交流電動機の過負荷運転時に電子的に加算すると共に、前記交流電動機が過負荷運転でない時に、前記過負荷時の加算による積算値から、前記過負荷時の前記電流検出器の検出電流の二乗時間積値に見合った重み値で減算する加減算部と、前記加減算部での積算値と予め設定された電子サーマル熱時限特性に基いて過負荷運転時に前記交流電動機を停止させる電子サーマル熱時限部を有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、過負荷状態を正確に判別する電力変換装置および過負荷保護方法に関する。

可変電圧可変周波数の交流電力を出力し交流電動機を速度制御する電力変換装置（インバータ）には、前記交流電動機を過負荷による発熱から保護する目的で、予め電子サーマル熱時限特性が内蔵されている。

上記電子サーマルは、前記交流電動機の電流を検出し、該電流値の大きさにより、交流電動機の過負荷状態を判別し、電子的に積算する積算型の熱時限特性によって電動機を保護するものである。積算型の熱時限特性は、任意の時間、例えば１０分間の積算であり、１０分を超過するとその積算値はクリアされる構成となっている。また、従来の電子サーマルは積算のみであり、１０分間に数回過負荷状態になった場合、１回目の過負荷における積算値をＮ１とすると、Ｎ１は２回目の過負荷状態まで保持され、２回目の過負荷状態における積算値をＮ２とすると、１回目の過負荷における積算値に累積加算（Ｎ１＋Ｎ２）されることになる。

このため、前記交流電動機における１回目の過負荷と２回目の過負荷までの時間間隔（上記１０分間）が長い場合、１回目の過負荷と２回目の過負荷との間の軽負荷時において、前記交流電動機が実際は放熱により冷却されて温度が低下しているにもかかわらず、累積加算（Ｎ１＋Ｎ２）された値で前記交流電動機を過負荷異常として判断するため、過負荷検出動作が早まって（過保護）、突然の電動機の停止が発生する。過熱保護停止の間は設備運転が停止されるので、生産性に大きな障害をもたらす要因となっていた。

特許文献１には、過負荷検出が早すぎて過保護になるのを防止するために、出力電流の二乗にある係数をかけた値と、出力電流の絶対値に入力電圧とスイッチング周波数ともう一つのある係数をかけた値との和を求め、その和をＰＷＭインバータのインバータ部半導体スイッチングロスの近似値として使用し、前記半導体スイッチング素子の過負荷検出をすることが開示されている。

特許文献２には、電源供給が一旦遮断された後復旧した場合に、駆動対象の保護をより確実に行うために、電源異常検出回路が電源の異常状態を検出すると、インバータの冷却フィンの温度を読み込んで記憶し、電源がリセットされた後再投入されたとき、再投入直後におけるインバータの冷却フィンの温度と、記憶されている冷却フィンの温度とに基いて、温度積算値を演算して、電源復帰後の初期値とするものが記載されている。そして、段落（００２２）に、電源再投入後におけるモータの温度の初期値に相当する温度積算値θＳＵＭとして妥当な値を設定することができると記載されている。

特開２００４−１７３３４７号広報 特開２００７−１６６６９６号広報

しかしながら、特許文献１に記載されている従来技術では、交流電動機の保護についての開示がなく、また、過負荷検出ではインバータの放熱が考慮されておらず、正確な過負荷を把握しているか不明である。特許文献２では、電源供給が一旦遮断された後復旧した場合の初期値の設定時に実際の温度を取り込むものであり、初期値を求めるために温度積算値を減算する記載はあるものの、放熱による実際の温度に沿った加算、減算の制御については明確に記載されていない。

本発明は、速度制御される電動機の過負荷時と正常負荷時の電動機における実際の温度の上昇、下降を考慮した正確な電子サーマル熱時限特性をもつ電力変換装置および過負荷保護方法を提供するものである。

上記課題を解決するため本発明は、交流電源の交流電力を整流して直流電力に変換する順変換器と、前記直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器から出力される交流電力により速度制御される交流電動機と、前記交流電動機の電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出された電流に応じて前記各部を制御する制御部を備えた電力変換装置において、
前記制御部は、交流電動機の過負荷運転時に電子的に加算すると共に、前記交流電動機が過負荷運転でない時に、前記過負荷時の加算による積算値から、前記過負荷時の前記電流検出器における検出電流の二乗時間積値に見合った重み値で減算する加減算部と、前記加減算部での積算値と予め設定された電子サーマル熱時限特性に基いて過負荷運転時に前記交流電動機を停止させる電子サーマル熱時限部を有することを特徴とする。

また、前記に記載の電力変換装置において、前記加減算部は、前記電流検出器で検出された電流の大きさに基いて一定時間毎に加算および減算を実行することを特徴とする。

また、前記に記載の電力変換装置において、前記加減算部は、前記電流検出器で検出された電流の大きさに基いて加算時に一定時間毎に加算を実行し、減算時に加算時の上記一定時間時間とは異なる一定時間毎に減算を実行することを特徴とする。

また、前記に記載の電力変換装置において、前記加減算部は、前記減算時の一定時間は、前記加算時の一定時間よりも長く設定されていることを特徴とする。

また、前記に記載の電力変換装置において、前記加減算部は、前記過負荷時の前記検出電流の二乗時間積値が大きい程、小さな重み値で減算することを特徴とする。

また、前記に記載の電力変換装置において、前記加減算部は、前記過負荷時の前記検出電流が大きい程、大きな重み値で加算することを特徴とする。

また、前記に記載の過負荷保護方法において、前記加減算部は、交流電動機の過負荷運転時の加算に際し、前記電流検出器の検出電流に応じた重み値で加算することを特徴とする。

また本発明は、交流電源の交流電力を整流して直流電力に変換する順変換器と、前記直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器から出力される交流電力により速度制御される交流電動機と、前記交流電動機の電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出された電流に応じて前記各部を制御する制御部を備えた電力変換装置において、
前記制御部は、交流電動機の過負荷運転時に、前記電流検出器の検出電流に応じた重み値で電子的に加算すると共に、前記交流電動機が過負荷運転でない時に、前記過負荷時の加算による積算値から、前記過負荷時の前記電流検出器における検出電流の二乗時間積値に見合った重み値で減算する加減算部と、前記加減算部での積算値と予め設定された電子サーマル熱時限特性に基いて過負荷運転時に前記交流電動機を停止させる電子サーマル熱時限部を有することを特徴とする。

また本発明は、交流電源の交流電力を整流して直流電力に変換する順変換器と、前記直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する逆変換器と、前記逆変換器から出力される交流電力により速度制御される交流電動機と、前記交流電動機の電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出された電流に応じて前記各部を制御する制御部を備えて、過負荷運転の程度に応じて交流電動機を停止させる過負荷保護方法において、
前記制御部により、交流電動機の過負荷運転時に電子的に加算し、
前記交流電動機が過負荷運転でない時に、前記過負荷時の加算による積算値から、前記過負荷時の前記電流検出器における検出電流の二乗時間積値に見合った重み値で減算し、上記加減算による積算値と予め設定された電子サーマル熱時限特性に基いて前記交流電動機を停止させることを特徴とする。

本発明によれば、過負荷運転、正常運転による負荷温度の実際の上昇・下降に則して、過負荷状態を正確に判別することができ、過保護による設備の突然の停止を防止することができる。

電力変換装置の主回路構成図。 加算機能のみの電子サーマルにおける動作状態の説明図。 加算機能のみの電子サーマルにおける動作状態の他の説明図。 本発明実施例１の電子サーマルにおける動作状態の説明図。 本発明実施例２の電子サーマルにおける動作状態の説明図。 本発明実施例の減算時の重み値を示す説明図。 同じく減算を付加した電子サーマルの動作フローチャート。

図１は、本発明実施例の電力変換装置の主回路構成図である。１は商用の交流電力を整流して直流電力に変換する順変換器、２は平滑用コンデンサ、３は直流電力を任意の電圧と任意の周波数の交流電力に変換する逆変換器、４は任意の電圧と任意の周波数の交流電力により速度制御される交流電動機である。６は前記順変換器および逆変換器内のパワーモジュールを冷却するための冷却ファンである。

７は電力変換装置の各種制御データを設定、変更、異常状態およびモニタ表示が行えるデジタル操作パネルである。８は順変換器１および逆変換器３のパワー半導体モジュール内部に設けられた温度検出器である。９は逆変換器３のスイッチング素子を駆動するドライブ回路、１０は電流検出器、１１は直流回路における電流検出用の抵抗である。例えば、前記電流検出器１０により、前記交流電動機４の線電流を検出し、この検出値Ｉｍにより前記交流電動機の過負荷状態を判断することができる。もちろん、前記直流回路に設けられた電流検出用の抵抗１１でも前記交流電動機４の電流を検出することは可能である。

５は逆変換器３のスイッチング素子を制御すると共に、上記で構成される電力変換装置の全体を制御するマイコンが搭載された制御部であり、デジタル操作パネル７から入力される各種の制御データおよび電流検出器１０からの検出値（後述）に応じて必要な制御処理が行なえるように構成されている。上記した電力変換装置であるインバータの動作は公知の技術であるため、詳細な説明は割愛する。

前記制御部５は、ＣＰＵとメモリから構成され、前記電流検出器１０の検出電流値Ｉｍの大きさから交流電動機４の過負荷状態を判断し、インバータを停止させて交流電動機４を保護する。具体的に前記制御部５は、交流電動機４の過負荷運転時に、内蔵の電子カウンタ（電子サーマル）（図示せず）に前記電流検出器の検出電流に応じた重み値で電子的に加算すると共に、前記交流電動機が過負荷運転でない時に、前記過負荷時の加算による電子カウンタ内の積算値から、前記過負荷時の前記電流検出器における検出電流の二乗時間積値に見合った重み値で減算する加減算部５ａを有する。

更に、制御部５は電子サーマル熱時限部５ｂを有し、この熱時限部５ｂは電子サーマル熱時限特性が記憶され、前記加減算部５ａでの電子カウンタの積算値がこの熱時限特性上の所定値に達したとき、前記ドライブ回路９にインバータの停止信号を送って前記交流電動機４を停止させる。この電子カウンタの所定値は、電子サーマル熱時限特性線によって決められており、デジタル操作パネル７の操作でこの特性線を変えることにより種々の容量の交流電動機に対応できる。

図２により、加算機能のみを付加した電子カウンタ（電子サーマル）の動作状態を説明する。上半分の縦軸は交流電動機４の定格電流値に対する検出電流比率Ｉｍ（％）で、横軸は時間である。下半分の縦軸は、電子サーマルの積算値で、横軸は時間である。

Ｉｍ＝１００％が交流電動機の定格負荷時であり、１００％を超過すると交流電動機の過負荷運転と判断する。前記交流電動機を過負荷による温度上昇から保護するため、縦軸の交流電動機の検出電流比率Ｉｍ（％）に対応して、予め電力変換装置内部に設けられた電子サーマルの加算時の重み値ｎＩｍが決められている。

例えば、図２で交流電動機４の検出電流比率が１５０％の過負荷期間（区間０〜ｔ１）における電子サーマル加算時の重み値は、検出時間Δｔ毎に予め設定された熱時限数値ｎ１５０の重み値で加算され続ける。この区間の累積積算値は、Ｎｔ＝ｎ１５０＊ｔ１／Δｔとなる。その後、検出電流比率が１２０％の過負荷期間（区間ｔ１〜ｔ２）における電子サーマル加算時の重み値は、検出時間Δｔ毎に予め設定された熱時限数値ｎ１２０の重み値で加算され続ける。この区間の累積積算値は、Ｎｔ＝ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔとなる。さらに、検出電流比率が１８０％の過負荷期間（区間ｔ２〜ｔ３）における電子サーマル加算時の重み値は、検出時間Δｔ毎に予め設定された熱時限数値ｎ１８０の重み値で加算され続ける。この区間の累積積算値は、Ｎｔ＝ｎ１８０＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔとなる。

結果的に、区間０〜ｔ３で累積された電子サーマルの積算値は、各々の区間における加算値の合計となるため、
Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ＋ｎ１８０＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔ｝となる。
前記累積電子サーマル積算値Ｎｔが、予め決められた電子サーマル熱時限特性に示される数値Ｎｔｒに到達した時点ｔ３で、交流電動機の過負荷保護のためにオーバーロードトリップ（ＯＬ Ｔｒｉｐ）が動作し、インバータの運転を停止する構成となっている。インバータの運転停止と同時にカウンタの積算値はクリアされる。

続いて、検出電流比率が１８０％の過負荷期間（区間ｔ４〜ｔ５）における電子サーマル加算時の重み値は、検出時間Δｔ毎に予め設定された熱時限数値ｎ１８０の重みで加算され続け、区間ｔ５以降は過負荷状態が解除（検出電流比率が１００％以下）されるため、電子サーマルの加算は停止し、区間ｔ５以降は累積電子サーマル積算値が一定に保持される。この際、保持されている電子サーマル（電子カウンタ）の積算値は、
Ｎｔ＝｛ｎ１８０＊（ｔ５−ｔ４）／Δｔ｝となる。

ここで、前記予め設定された重み値となる熱時限数値とは、交流電動機の温度上昇にかかわる発熱と時間の相関を示したものである。前記交流電動機に流れる電流（検出電流比率Ｉｍ）が大きければ、時間当たりに対する交流電動機内部の発熱は大きくなるため、前記熱時限数値ｎＩｍの重み値も大きく設定されている。また、逆に、前記交流電動機に流れる電流（検出電流比率Ｉｍ）が小さければ、時間当たりに対する交流電動機内部の発熱は小さくなるため、前記熱時限数値ｎＩｍの重み値も小さく設定されている。すなわち、前記交流電動機に流れる電流（検出電流比率Ｉｍ）が大きければ、時間当たりの交流電動機内部の発熱は大きくなるため、交流電動機内部における実際の発熱の上昇に見合った熱時限数値ｎＩｍの重み値で加算していくものである。

そして前記重み値で加算されることにより、例えば、前記検出電流比率が１５０％過負荷期間を６０（ｓ）継続すれば、前記交流電動機の過負荷保護が動作し装置が停止するように予め設定され、また、前記検出電流比率が１２０％過負荷期間を２００（ｓ）継続すれば、前記交流電動機の過負荷検出が動作し装置が停止するように、予め電子サーマル熱時限特性が構成されている。つまり、前記交流電動機に流れる電流（検出電流比率Ｉｍ）が大きければ、前記加算される重み値も大きくなり、電子サーマルの加算値が大きくなり過負荷保護動作時間が短くなる。加算される重み値と過負荷保護動作時間は、予め逆比例の関係に設定されている。

図３は、電子サーマルの動作状態を示した他の一例である。交流電動機の検出電流比率が１５０％の過負荷期間（区間：０〜ｔ１）における電子サーマル加算時の重み値は、検出時間Δｔ毎に予め設けられた熱時限数値ｎ１５０の重み値で加算され続け、検出電流比率が８０％（１００％以下）の期間（区間ｔ１〜ｔ２）においては、時間ｔ１における電子サーマルの積算値がそのまま保持される。区間ｔ１〜ｔ２における電子サーマルの保持された累積された積算値は、Ｎｔ＝ｎ１５０＊ｔ１／Δｔとなる。

次に、検出電流比率が１５０％の過負荷期間（区間ｔ２〜ｔ３）における電子サーマル加算時の重み値は、検出時間Δｔ毎に予め設けられた熱時限数値ｎ１５０の重み値で前記積算値｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ｝に加算され続けることになり、時間ｔ３における電子サーマルの保持された累積の積算値は、
Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ｝＋ｎ１５０＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔとなる。
また、検出電流比率が８０％（１００％以下）の期間（区間ｔ３〜ｔｒ）においては、時間ｔ３における前記電子サーマルの累積の積算値は、
Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１５０＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔ｝で保持される。

そして、電子サーマルのカウント時間ｔ＝Ｔｓが予め決められた時間ｔｒになると、それまでの保持された前記電子サーマルは、その累積の積算値Ｎｔがクリア（リセット）され、過負荷運転状態時に再びゼロから加算が始まる。

図４は、本発明の実施例１を示す減算機能を付加した電子サーマルの動作状態を示したものである。

電動機４の定格出力は、その電動機の負荷時間特性から温度上昇の時間的変化を求め、任意の時刻における温度上昇が許容される温度上昇限度を超過しないように定められている。このため、負荷の一周期中における平均の発熱と等しい発熱を生じる一定連続負荷として求める方法として、電流二乗平均法が一般的に知られている。

電動機の平均の温度上昇が標準規格に定められている温度上昇限界を超過しないように定格出力を決定するに当っては、電動機の実際の温度上昇は温度上昇限界を超過する期間もあるが、過負荷期間と軽負荷期間の交替が電動機の熱時定数に比べてかなり短い時間内に起きる場合、過度の温度上昇の継続時間は短く、温度上昇限界から超過もわずかであると考えられる。

例えば、誘導電動機では、端子電圧が一定ならば出力は近似的に負荷電流に比例する。一方、銅損は負荷電流の二乗に比例するため、結果的に銅損は出力の二乗に比例することになる。連続定格の開放型電動機などは、鉄損や機械損に対して銅損が比較的大きいため、全損失が出力の二乗に比例すると仮定して温度上昇を考えることができる。

図４で、検出電流比率が１５０％の過負荷期間（区間０〜ｔ１）における電子サーマル加算時の重み値は、検出時間Δｔ毎に予め設けられた熱時限数値ｎ１５０の重み値で加算され続け、時間ｔ１における電子サーマルの累積積算値は、Ｎｔ＝ｎ１５０＊ｔ１／Δｔとなる。また、検出電流比率が１２０％の過負荷期間（区間ｔ１〜ｔ２）においては、区間０〜ｔ１における前記電子サーマルの累積積算値｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ｝に加算されることになり、時間ｔ２における電子サーマルの累積積算値は、
Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ｝＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔとなる。

さらに、検出電流比率が１８０％の過負荷期間（区間ｔ２〜ｔ３）における電子サーマル加算時の重み値は、検出時間Δｔ毎に予め設けられた熱時限数値ｎ１８０の重み値で、前記累積積算値｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ｝に加算され、時間ｔ３における電子サーマルの累積積算値は、
Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ｝＋ｎ１５０＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔになる。

ここで、前記交流電動機４に流れる電流（検出電流比率）が大きければ、時間当たりに対する交流電動機内部の発熱は大きくなるため、加算時の重み値も大きく設定され、逆に、前記交流電動機に流れる電流（検出電流比率）が小さければ、時間当たりに対する交流電動機内部の発熱は小さくなるため、加算時の重み値も小さく設定されている。

次に、検出電流比率が９０％（１００％以下で過負荷運転でない）の期間（区間ｔ３以降）においては、電子サーマルの前記累積積算値Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ＋ｎ１５０＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔ｝から予め設定された熱時限数値ｎｄ１の重み値で減算される。

この減算における重み値について説明する。加算の期間０〜ｔ３においては、区間０〜ｔ１で１５０％の過負荷状態（検出電流比率：Ｉ_１５０）、区間ｔ１〜ｔ２で１２０％の過負荷状態（検出電流比率：Ｉ_１２０）、区間ｔ２〜ｔ３で１８０％の過負荷状態（検出電流比率：Ｉ_１８０）にあり、電子サーマルの熱時限特性で加算のみが実行される。次に、区間ｔ３以降は、その過負荷が解除され、検出電流比率が９０％（１００％以下）となっているため、交流電動機４は、区間０〜ｔ３までの過負荷状態による温度上昇が停止し、放熱により温度降下することになる。

このため、本実施例では、交流電動機４の温度降下の区間においては、それまでの累積積算値が保持されるのではなく、上記交流電動機４の温度降下の実態に合わせて、区間０〜ｔ３までの累積積算値から、区間０〜ｔ３までの過負荷運転時における検出電流比率の二乗時間積に見合った重み値に従い減算するものである。
前記区間０〜ｔ３における検出電流実効値の二乗時間積Ｉｅは、下記（１）式で表される。
Ｉｅ＝［｛Ｉ_１５０ ^２＊ｔ１＋Ｉ_１２０ ^２＊（ｔ２−ｔ１）＋Ｉ_１８０ ^２＊（ｔ３−ｔ２）｝／ｔ３］^１／２−−−−−−−−−−−−−−−−−−−（１）
すなわち、各々の区間（区間０〜ｔ１、区間ｔ１〜ｔ２、区間ｔ２〜ｔ３）における検出電流実効値を二乗し、この値に各区間の時間を掛けたものを各区間毎に足して、動作区間全体の時間で割ったものの平方根である。回転体である電動機の熱に絡む試算に、電流実効値の二乗時間積という概念を評価指数として用いたものである。

上記で求めた二乗時間積Ｉｅに対し、予め決めておいた減算の重み値ｎｄ１で、前記期間０〜ｔ３における前記累積積算値から減算するようにしたものであり、積算値は下式で表される。
Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊（ｔ１／Δｔ）＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ＋ｎ１８０＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔ｝−ｎｄ１＊（ｔ４−ｔ３）／Δｔ
加算時は検出時間Δｔ毎に加算され、減算時は検出時間Δｔ毎に減算される。

ここで、実際の例を挙げ試算してみる。
ｔ１＝５（ｓ）、ｔ２＝２０（ｓ）、ｔ３＝３０（ｓ）、ｎ１５０＝１５０（％）、
ｎ１２０＝１２０（％）、ｎ１８０＝１８０（％）とすると、前記（１）式にこれらの数値を代入すると、区間：０〜ｔ３における検出電流実効値の二乗時間積Ｉｅ＝［｛１５０^２＊５＋１２０^２＊（２０−５）＋１８０^２＊（３０−２０）｝／３０］^１／２≒１４８（％）となる。

すなわち、区間０〜ｔ３における過負荷状態は、１５０（％）過負荷が５（ｓ）と１２０（％）過負荷が１５（ｓ）と１８０（％）過負荷が１０（ｓ）続いた状態であるが、前記区間における平均の発熱と等しい発熱を生じる一定連続負荷として求めた場合、約１４８（％）の過負荷が３０（ｓ）続いたと等価であるということを意味する。このため、過負荷が解除された区間ｔ３〜ｔ４における減算の重み値は、前記１４８（％）の過負荷に見合った値ｎｄ１で実行される。

過負荷時の平均発熱に相当する熱量分の重み値で電子サーマルを減算するので、交流電動機４の放熱により次第に低下していく実際の温度と電子サーマルの積算値とを合わせることができる。

図５は、本発明の実施例２を示す減算機能を付加した電子サーマルの動作状態を示したものである。前記図４の実施例１では、電子サーマルの加算時の重み値は、同じ検出時間Δｔ毎に予め設けられた熱時限数値で加算と減算を実施していたが、図５で示す実施例２では、電子サーマル積算時の重み値は、加算時は検出時間Δｔ毎に実行し、減算時は検出時間Δｔｄ毎に実行する点にあり、加算時と減算時の電流検出時間を異なったものにした点にある。すなわち、加算時と減算時の検出時間を分けた理由は、一般的に温度上昇する場合の熱時定数と温度下降する場合の熱時定数は異なるためであり、この点を加味したものである。

例えば、交流電動機４の温度上昇時の熱時定数より温度下降時の熱時定数の方が大きければ、前記加算時の電流検出時間Δｔに対し、前記減算時の電流検出時間Δｔｄを大きくすることができるということである。熱時定数が大きいということは、長い時間をかけて温度が緩やかに変化することを意味する訳であり、当然交流電動機の下降温度変化も緩やかであることは自明である。このため、熱時定数が大きければ、前記交流電動機の電流をゆっくり検出することが可能であり、前記減算時の電流検出時間Δｔｄも大きくできることになる。

定量的数値を例にとれば、加算時の電流検出時間Δｔが１００ｍｓ毎の場合、減算時の電流検出時間Δｔｄは１００ｍｓ毎に実行する必要はなく、５００ｍｓ毎の実行でも十分という意味である。

当然、この電流検出時間は、速ければ速い程、前記交流電動機の電流を検出し、その検出値を取込んで演算する前記制御部５に搭載されたマイコン（ＣＰＵ）の負担が大きくなる（マイコンの負荷率が重くなる）ことを意味するため、前記電流検出時間ΔｔおよびΔｔｄは、前記交流電動機４の熱時定数の実態に合わせて決定することが望ましい。

図５で検出電流比率が１５０％の過負荷期間（区間０〜ｔ１）における電子サーマル加算時の重み値は、検出時間のΔｔ毎に予め設けられた熱時限数値ｎ１５０の重み値で加算され続け、検出電流比率が１２０％の過負荷期間（区間ｔ１〜ｔ２）においては、区間０〜ｔ１における電子サーマルの累積積算値ｎ１５０＊ｔ１／Δｔに加算され続けることになり、時間ｔ２における累積積算値は、
Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ｝＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔになる。

また、区間ｔ２〜ｔ３は、過負荷運転が解除され、検出電流比率が９０％（１００％以下）となっているため、交流電動機４は区間０〜ｔ２までの過負荷状態による温度上昇が停止し、放熱により降下することになる。このため、この温度降下の区間（ｔ２〜ｔ３）においては、前記累積積算値Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ｝が保持されるのではなく、区間０〜ｔ２までの検出電流比率の二乗時間積（前記（１）式）に見合った重み値に従い減算され、時間ｔ３における累積積算値は、
Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ｝−ｎｄ２＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔｄとなる。

さらに、区間ｔ３〜ｔ４は、再び検出電流比率が１５０％の過負荷運転となるため、前記区間０〜ｔ３までの前記累積積算値Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ−ｎｄ２＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔｄ｝に、区間ｔ３〜ｔ４における熱時限数値ｎ１５０の重み値で加算され続け、区間０〜ｔ４までの累積積算値は、
Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ−ｎｄ２＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔｄ｝＋ｎ１５０＊（ｔ４−ｔ３）／Δｔとなる。

区間ｔ４〜ｔ５は、過負荷が再び解除され、検出電流比率が９０％（１００％以下）となっているため、交流電動機は区間ｔ３〜ｔ４までの過負荷状態による温度上昇が停止し、放熱により降下することになる。このため、この温度降下の区間（ｔ４〜ｔ５）においては、前記累積積算値｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ−ｎｄ２＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔｄ＋ｎ１５０＊（ｔ４−ｔ３）／Δｔ｝が保持されるのではなく、区間ｔ３〜ｔ４までの検出電流比率の二乗時間積（前記（１）式）に見合った重み値に従い減算され、累積積算値は、Ｎｔ＝｛ｎ１５０＊ｔ１／Δｔ＋ｎ１２０＊（ｔ２−ｔ１）／Δｔ−ｎｄ２＊（ｔ３−ｔ２）／Δｔｄ＋ｎ１５０＊（ｔ４−ｔ３）／Δｔ｝−ｎｄ３＊（ｔ５−ｔ４）／Δｔｄとなる。

図６は、前記減算時の重み値ｎｄ２を説明するために示した本発明の一実施例である。減算時の重み値と電流二乗時間積の相関を判り易く示した数値（１０進数）であり、減算時における重み値は、電流二乗時間積の演算値が大きい程小さくしている点が重要である。

この相関値は、理解を容易にするためのもので、当然、この値に限定されるものではない。また、この相関値を予めメモリなどに記憶しておく場合には、当然これらの数値は２進数に変換された数値で格納されている。

前記過負荷区間内における電流二乗時間積の演算値が低い場合には、前記交流電動機の温度上昇は小さいため、放熱により冷え易いのでその減算の重み値は大きくなる。逆に、過負荷区間内における電流二乗時間積の演算値が高い場合には、前記交流電動機の温度上昇は高いため、放熱により冷えにくいのでその減算の重み値は小さくしてある。すなわち、交流電動機の温度履歴を示す累積積算値Ｎｔが、交流電動機の実温度と同様になるように設定しているためである。

過負荷区間内における前記交流電動機の電流二乗時間積の演算値が高い場合には、交流電動機の負荷が大きいため、当然、交流電動機の温度上昇も高くなる。このため、前記電流二乗時間積の演算値が高い場合に、減算の重み値を大きくすると前記交流電動機の温度履歴を示す累積積算値が大きな重み値で減算され小さくなり、次に過負荷状態になった際、前記交流電動機の実温度と温度履歴を示す減算後の電子サーマルの累積積算値に大きな差が発生し、本来過負荷で交流電動機を保護するために設けた電子サーマル熱時限部５bが動作せず、交流電動機４を温度上昇から保護できない状態となる。

このため、前記電流二乗時間積の演算値が高い場合には、前記交流電動機の温度履歴を示す減算後の累積積算値が交流電動機の実温度と同様になるように減算の重み値を小さくする必要があるためである。

図７は本発明の実施例で、減算を付加した電子サーマルの加減算部５ａにおける加算減算動作のフローチャートである。

交流電動機４の一次電流をステップ（Ｓ）２０で時間Δｔ毎に検出し、該検出電流比率で過負荷状態か否かを判断し（Ｓ２１）、過負荷状態の場合にはタイマＴｓを起動し（Ｓ２２）、前記過負荷状態における検出電流比率値に従い、電子サーマル加算時の重み値をＮｔ＝Σｎｉとして加算する（Ｓ２３）。

上記ｎｉとは、具体的には、例えば図４における検出電流比率に対する各々の重み値であるｎ１５０やｎ１２０およびｎ１８０などを一般的な形で示す。

さらに、前記（１）式で示した検出電流実効値の二乗時間積Ｉｅを演算し（Ｓ２４）、該Ｉｅ値をメモリに格納し（Ｓ２５）、フラグに“１”を立てる（Ｓ２６）。次に前記タイマＴｓの時間が予め決められた時間１０分を超過すると累積積算されたサーマルの重み値はクリアされる（Ｓ２８）。また１０分以下で、累積積算された積算値Ｎｔが予め決められた数値Ｎｔｒ以上であれば（Ｓ２９）交流電動機の過負荷状態として、オーバーロードトリップ（ＯＬ Ｔｒｉｐ）が動作し（Ｓ３０）、インバータの運転を停止する構成となっている。本実施例では予め決められた時間Ｔｓを１０分としたが、この時間に拘る必要はない。

さらに、前記累積積算された電子サーマルの値が予め決められた数値Ｎｔｒ未満であれば、再びＳ２０で交流電動機の一次電流を時間Δｔ毎に検出し、該検出電流比率で過負荷状態か否かを判断し（Ｓ２１）、過負荷状態ではない場合には、前記フラグが“１”であるか確認し（Ｓ３２）、“１”であれば過去に過負荷状態があったと判断し、前記検出電流実効値の二乗時間積Ｉｅ値に対し、予め決められた重み値ｎｄｉで前記累積された積算値Σｎｉから、一定の時間毎に減算（Ｎｔ＝Σｎｉ−Σｎｄｉ）し（Ｓ３３）、この結果を新たな電子サーマル積算値Ｎｔとしてメモリに保持する（Ｓ３４）。

本実施例によれば、電子サーマルは、交流電動機の電流を検出し、該電流値の大きさにより、交流電動機の過負荷状態を判別し、積算型の熱時限特性で保護するものである。
交流電動機を過負荷による発熱から保護するために、予め前記電力変換装置内部に設けられた電子サーマル積算熱時限特性に対し、前記交流電動機が過負荷でない場合には、前記電子サーマル積算熱時限特性から前記交流電動機の負荷率に従って前記電子サーマル積算値から減算することにように構成することにより、過負荷検出動作が早まり過保護による装置停止を防止できるため、過負荷異常として突然過熱保護停止することがなくなる。
このため、過熱保護停止時間は設備停止であり、設備の不稼動時間を大幅に短縮できると言う効果がある。

１…順変換器、２…平滑用コンデンサ、３…逆変換器、４…交流電動機、５…制御部、５ａ…加減算部、５ｂ…電子サーマル熱時限部、６…冷却ファン、７…デジタル操作パネル、８…温度検出器、９…ドライブ回路、１０…電流検出器、１１…抵抗、Ｉｍ…検出電流比率（％）、ｓ…時間の単位秒、ｎＩｍ…交流電動機の過負荷時の検出電流比率Ｉｍ（％）に対応した加減算部の加算時の重み値、ｎｄｉ…交流電動機の過負荷時の検出電流比率の二乗時間積Ｉｅに対応した加減算部の減算時の重み値。

Claims (20)

1. 交流電源の交流電力を整流して直流電力に変換する順変換器と、
   前記直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する逆変換器と、
   前記逆変換器から出力される交流電力により速度制御される交流電動機と、
   前記交流電動機の電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器で検出された電流に応じて前記各部を制御する制御部を備えた電力変換装置において、
   前記制御部は、交流電動機の過負荷運転時に電子的に加算すると共に、前記交流電動機が過負荷運転でない時に、前記過負荷時の加算による積算値から、前記過負荷時の前記電流検出器における検出電流の二乗時間積値に見合った重み値で減算する加減算部と、前記加減算部での積算値と予め設定された電子サーマル熱時限特性に基いて過負荷運転時に前記交流電動機を停止させる電子サーマル熱時限部を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記加減算部は、前記電流検出器で検出された電流の大きさに基いて一定時間毎に加算および減算を実行することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記加減算部は、前記電流検出器で検出された電流の大きさに基いて加算時に一定時間毎に加算を実行し、減算時に加算時の上記一定時間とは異なる一定時間毎に減算を実行することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記加減算部は、前記減算時の一定時間は、前記加算時の一定時間よりも長く設定されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の電力変換装置において、
   前記加減算部は、前記過負荷時の前記検出電流の二乗時間積値が大きい程、小さな重み値で減算することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の電力変換装置において、
   前記加減算部は、前記過負荷時の前記検出電流が大きい程、大きな重み値で加算することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１〜６に記載の過負荷保護方法において、
   前記加減算部は、交流電動機の過負荷運転時の加算に際し、前記電流検出器の検出電流に応じた重み値で加算することを特徴とする電力変換装置。
8. 交流電源の交流電力を整流して直流電力に変換する順変換器と、
   前記直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する逆変換器と、
   前記逆変換器から出力される交流電力により速度制御される交流電動機と、
   前記交流電動機の電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器で検出された電流に応じて前記各部を制御する制御部を備えた電力変換装置において、
   前記制御部は、交流電動機の過負荷運転時に、前記電流検出器の検出電流に応じた重み値で電子的に加算すると共に、前記交流電動機が過負荷運転でない時に、前記過負荷時の加算による積算値から、前記過負荷時の前記電流検出器における検出電流の二乗時間積値に見合った重み値で減算する加減算部と、前記加減算部での積算値と予め設定された電子サーマル熱時限特性に基いて過負荷運転時に前記交流電動機を停止させる電子サーマル熱時限部を有することを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項８に記載の電力変換装置において、
   前記加減算部は、前記電流検出器で検出された電流の大きさに基いて一定時間毎に加算および減算を実行することを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項８または９に記載の電力変換装置において、
    前記加減算部は、前記電流検出器で検出された電流の大きさに基いて加算時に一定時間毎に加算を実行し、減算時に加算時の上記一定時間とは異なる一定時間毎に減算を実行することを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１０に記載の電力変換装置において、
    前記加減算部は、前記減算時の一定時間は、前記加算時の一定時間よりも長く設定されていることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項８〜１１の何れかに記載の電力変換装置において、
    前記加減算部は、前記過負荷時の前記検出電流の二乗時間積値が大きい程、小さな重み値で減算することを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項８〜１２の何れかに記載の電力変換装置において、
    前記加減算部は、前記過負荷時の前記検出電流が大きい程、大きな重み値で加算することを特徴とする電力変換装置。
14. 交流電源の交流電力を整流して直流電力に変換する順変換器と、
    前記直流電力を可変電圧・可変周波数の交流電力に変換する逆変換器と、
    前記逆変換器から出力される交流電力により速度制御される交流電動機と、
    前記交流電動機の電流を検出する電流検出器と、
    前記電流検出器で検出された電流に応じて前記各部を制御する制御部を備えて、過負荷運転の程度に応じて交流電動機を停止させる過負荷保護方法において、
    前記制御部により、交流電動機の過負荷運転時に電子的に加算し、
    前記交流電動機が過負荷運転でない時に、前記過負荷時の加算による積算値から、前記過負荷時の前記電流検出器における検出電流の二乗時間積値に見合った重み値で減算し、上記加減算による積算値と予め設定された電子サーマル熱時限特性に基いて前記交流電動機を停止させることを特徴とする過負荷保護方法。
15. 請求項１４に記載の過負荷保護方法において、
    交流電動機の過負荷運転時の加算に際し、前記電流検出器の検出電流に応じた重み値で電子的に加算することを特徴とする過負荷保護方法。
16. 請求項１４または１５に記載の過負荷保護方法において、
    前記制御部により、前記電流検出器で検出された電流の大きさに基いて一定時間毎に加算および減算を実行することを特徴とする過負荷保護方法。
17. 請求項１４〜１６に記載の過負荷保護方法において、
    前記制御部により、前記電流検出器で検出された電流の大きさに基いて加算時に一定時間毎に加算を実行し、減算時に加算時の上記一定時間とは異なる一定時間毎に減算を実行することを特徴とする過負荷保護方法。
18. 請求項１７に記載の過負荷保護方法において、
    前記制御部により、前記減算時の一定時間は、前記加算時の一定時間よりも長く設定されていることを特徴とする過負荷保護方法。
19. 請求項１４〜１８の何れかに記載の過負荷保護方法において、
    前記制御部により、前記過負荷時の前記検出電流の二乗時間積値が大きい程、小さな重み値で減算することを特徴とする過負荷保護方法。
20. 請求項１４〜１９の何れかに記載の過負荷保護方法において、
    前記制御部により、前記過負荷時の前記検出電流が大きい程、大きな重み値で加算することを特徴とする過負荷保護方法。

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