JP2013090475A - Inverter device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、冷却ファンを備えたインバータ装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to an inverter device including a cooling fan.
インバータ装置の内部には、半導体素子などの発熱部品、これら発熱部品で発生した熱を放熱するためのヒートシンク、およびヒートシンクに送風するための冷却ファン装置を備えている。図8は、冷却ファン装置の駆動回路を示している。冷却ファン装置1は、冷却ファン2とファンモータ3を備えている。ファンモータ3は、電源回路4からMOSFET5を介して供給される直流電圧(例えば24V)により駆動される。
Inside the inverter device, a heat generating component such as a semiconductor element, a heat sink for dissipating heat generated by these heat generating components, and a cooling fan device for blowing air to the heat sink are provided. FIG. 8 shows a drive circuit of the cooling fan device. The
電源回路4は、例えばスイッチングトランス6を備えた絶縁型のDC−DCコンバータであって、一次側にはスイッチング回路7を備え、二次側にはダイオード8と平滑コンデンサ9とからなる整流回路10を備えている。一般的なインバータ装置では、電源回路4の24V電圧系統は、ファンモータ3に供給されるとともに、制御端子台を通してユーザが利用可能な共用電源として提供されている。
The power supply circuit 4 is, for example, an insulation type DC-DC converter including a
冷却ファン装置1が故障したままインバータ装置を運転し続けると、インバータ装置内の温度が上昇し、熱故障を起こす可能性がある。冷却ファン装置1の一般的な故障検出方法では、ヒートシンクや装置内部の温度を測定し、測定温度が基準値を超えた場合に温度異常としてインバータの運転を停止させている。しかし、この方法では冷却ファン装置1が故障してから温度異常と判断するまでにある程度の遅れ時間がある。その間はインバータ装置が正常に冷却されていない状態で運転が継続するので、半導体素子や他の部品の寿命を縮めてしまう虞があった。
If the inverter device is continuously operated while the
ファンモータ3の異常を検出する際の遅れを回避するには、ファンモータ3の回転速度に応じた信号を出力する機能など異常検出を容易にするための特別の機能を備えた冷却ファン装置を用いればよい。しかし、こうした冷却ファン装置は構成が複雑化し、信頼性が低下するとともにコスト高を招く。
In order to avoid a delay in detecting an abnormality of the
そこで、冷却ファン装置に特別な異常検出機能を持たせることなく、冷却ファンを駆動するモータに生じた異常を確実に検出可能なインバータ装置を提供する。 Therefore, an inverter device is provided that can reliably detect an abnormality that has occurred in a motor that drives a cooling fan without giving the cooling fan device a special abnormality detection function.
実施形態のインバータ装置は、冷却ファンを駆動するモータを備えている。電圧測定手段は、モータに駆動電圧が印加されているときのモータの端子間電圧を測定する。異常検出手段は、運転信号に応じてモータに駆動電圧が印加されているときに、電圧測定手段で測定された電圧にモータの回転に伴い発生するリプル成分が検出されない場合にモータに異常が生じたと判定する。 The inverter device of the embodiment includes a motor that drives a cooling fan. The voltage measuring unit measures a voltage between terminals of the motor when a driving voltage is applied to the motor. The abnormality detector means that when a drive voltage is applied to the motor in accordance with the operation signal, an abnormality occurs in the motor when a ripple component generated with the rotation of the motor is not detected in the voltage measured by the voltage measuring means. It is determined that
(第1の実施形態)
図1ないし図6を参照しながら第1の実施形態を説明する。図1において図8と同一構成部分には同一符号を付している。図2に示すように、インバータ装置11の電源入力端子には交流電源12が接続され、負荷出力端子にはモータ13が接続されるようになっている。整流回路14は、交流電源12の三相交流電圧をブリッジ接続されたダイオードにより整流し、平滑コンデンサ17が接続された直流電源線15、16間に出力する。インバータ回路18は、直流電源線15、16間にスイッチング素子例えばIGBTを三相ブリッジ接続した構成を備え、ゲート信号に従ってスイッチング動作を行うことによりモータ13に対し三相交流電圧を出力する。
(First embodiment)
The first embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 1, the same components as those in FIG. As shown in FIG. 2, an
制御回路19は、CPU、RAM、ROM、EEPROM、入出力ポート、A/Dコンバータ、タイマ、PWM信号形成回路、通信手段などを有するマイクロコンピュータを主体に構成されている。ROMにはインバータ制御プログラムおよびファンモータ3の異常判定プログラムが格納されており、EEPROMには加速時間、減速時間、上限周波数、下限周波数、多段速運転周波数、入出力端子選択など多種類のパラメータが記憶されている。
The
操作パネル20は、インバータ装置11の筺体正面に設けられている。操作パネル20には、運転キー(RUNキー)20a、停止キー(STOPキー)20b、セグメント表示部20cをはじめ、図示しないアップキー、ダウンキー、モードキー、エンターキー、ボリウムダイアルなどの操作手段と、単位表示ランプ、モード表示ランプなどの表示手段とを備えている。
The
制御回路19は、ROMから読み出したインバータ制御プログラムに従い、操作パネル20または装置外部から入力した運転指令および周波数指令に基づいて出力電圧を算出し、PWM波形を持つゲート信号を出力する。ゲート信号は、ドライブ回路21を介してインバータ装置11のスイッチング素子に与えられる。また、操作パネル20への表示出力処理、図示しない外部装置例えばシーケンサとの間の通信処理などを実行する。さらに、異常検出手段としての制御回路19は、ROMから読み出した異常判定プログラムに従ってファンモータ3の異常検出処理を実行する。
In accordance with the inverter control program read from the ROM, the
電源回路22は、直流電源線15、16間の直流電圧VDCを入力し、インバータ装置11の内部回路に供給する直流電圧と、制御端子台23に接続される外部装置(シーケンサ、接点出力の入力回路)に供給する直流電圧を生成する。例えば、マイクロコンピュータには5Vと3.3Vを供給し、冷却ファン装置1と操作パネル20と外部装置には24Vを供給する。
The
冷却ファン装置1は、整流回路14のダイオード、インバータ回路18のスイッチング素子などの発熱部品および発熱部品が取り付けられたヒートシンクに送風して冷却する装置である。図1は、冷却ファン装置1と電源回路22の電気的構成(24V系)を示している。冷却ファン装置1は、冷却ファン2とファンモータ3を備えている。ファンモータ3は、ブラシレスまたはブラシ付の直流モータであり印加電圧に応じた速度で回転するが、経年劣化が生じると印加電圧に対する回転速度が低下する傾向を示す。
The
電源回路22は、一次側にスイッチング回路7を備え、スイッチングトランス6で絶縁されたDC−DCコンバータである。二次側は、負荷としてファンモータ3が接続される電源供給系統22Aと、ファンモータ3以外の負荷例えば操作パネル20や外部装置が接続される電源供給系統22Bとを備えている。ユーザは、制御端子台23を通して電源供給系統22Bから供給される電源を利用可能である。電源供給系統22A、22Bは、それぞれスイッチングトランス6の二次側電圧を入力とするダイオード8a、8bと平滑コンデンサ9a、9bとからなる電源回路であるが、電気的に互いに分離独立した異なる電源供給系統を構成している。
The
電源供給系統22Aの出力線は、スイッチ回路としてのMOSFET5を介してファンモータ3に接続されている。運転キー20aが押圧操作されると、制御回路19は、PWM波形を持つゲート信号を出力して負荷を駆動するとともに、運転信号を出力してMOSFET5をオン駆動することによりファンモータ3を回転させる。ヒートシンクには、サーミスタなどの温度検出手段が取り付けられている。停止キー20bが押圧操作されると、制御回路19は、検出温度が所定値以下に低下するまで或いは所定時間が経過するまで、ファンモータ3の運転信号を出力し続ける。
An output line of the
電源供給系統22Aの出力線の間(平滑コンデンサ9aとMOSFET5との間)には、運転信号に応じてファンモータ3に駆動電圧Vaが印加されているときのファンモータ3の端子間電圧を分圧して測定する電圧測定回路24(電圧測定手段)が接続されている。測定電圧Vmは、制御回路19のA/Dコンバータでデジタル値に変換されてCPUに入力される。
Between the output lines of the
電源供給系統22Bの平滑コンデンサ9bの容量値Cbは、平滑後の電圧Vbのリプル成分を極力低減するため大きい値(例えば330μF)に設定されている。これに対し、電源供給系統22Aの平滑コンデンサ9aの容量値Caは、ファンモータ3が回転しているときに、測定電圧Vmにファンモータ3の回転により発生するリプル成分が検出可能なレベルで現れるように、平滑コンデンサ9bの容量値Cbよりも小さい値(例えば10μF)に設定されている。
The capacitance value Cb of the
図3は、制御回路19が異常判定プログラムに従って実行するファンモータ3の異常検出処理のフローチャートである。制御回路19は、運転信号に応じてファンモータ3に駆動電圧Vaが印加されているときにA/D変換を行って測定電圧Vmを入力する(ステップS1)。そして、測定電圧Vmをフィルタ処理して、ファンモータ3の回転に伴い発生するリプル成分を抽出する(ステップS2)。このリプル成分は、ファンモータ3の回転に同期して生じるリプル電圧である。
FIG. 3 is a flowchart of the abnormality detection process of the
ファンモータ3は回転する際に常に磁束鎖交数が変化し、スリット部分を磁極が通過する際その変化は顕著となる。従って、トルクリプルは磁束鎖交数の変化に起因して発生し、トルクは一定の周期、一定の幅で変動を繰り返す。理論的にはトルクリプル周波数f(ripple)は以下の(1)式で表される。例えば、ポール数pが4のファンモータ3を4500rpmで運転した場合、f(ripple)=300Hzとなり、トルクリプルは3.33ms(=1/f(ripple))毎に発生する。
f(ripple)=ポール数p×回転速度(rpm)/60 …(1)
When the
f (ripple) = number of poles p × rotational speed (rpm) / 60 (1)
制御回路19は、測定電圧Vmにリプル成分があるか否かを判断し(ステップS3)、ある場合(YES)にはファンモータ3は正常に回転していると判定する(ステップS4)。これに対し、ない場合(NO)にはファンモータ3の回転が停止しているなどの異常が生じたと判定する(ステップS5)。
The
図4(a)は、ファンモータ3が正常に回転しているときのファンモータ3の端子間電圧Vaである(容量値Ca=10μF)。端子間電圧Vaにファンモータ3の回転に同期したリプル成分が重畳していることが分かる。端子間電圧Vaを分圧した測定電圧Vmにも同様のリプル成分が現れる。これに対し、ファンモータ3が回転していないときにはリプル成分は現れない。従って、A/Dコンバータを介して入力した測定電圧Vmにリプル成分が検出されるか否かに基づいて、ファンモータ3が正常に回転しているか否かを判定することができる。図4(b)は、電源供給系統22Bの出力電圧Vbである(容量値Cb=330μF)。電源供給系統22Bは十分に平滑されているため、出力電圧Vbにリプル成分は現れない。
FIG. 4A shows the voltage Va between the terminals of the
次に、図5、図6を参照しながら平滑コンデンサ9aの容量値Caの設定方法について説明する。平滑コンデンサ9aの両端電圧をVaとすると、平滑コンデンサ9aの電荷Qは(2)式となる。
Q=Ca×Va …(2)
Next, a method for setting the capacitance value Ca of the smoothing
Q = Ca × Va (2)
平滑コンデンサ9aに流れる電流をIaとすると、(2)式から(3)式が得られる。
そこで、ファンモータ3が正常回転していると判定するために必要なリプル電圧ΔVaの値を決定し、ある程度大きな容量値を持つ平滑コンデンサ9aを用いて電流Iaの積分値を試験から求めることで、容量値Caの値を求めることができる。ただし、この電流Iaの積分値は使用する平滑コンデンサ9aの容量値に少なからず影響されるので、最終的には実機試験で所望のリプル電圧ΔVaが発生しているか否かを確認して微調整する必要がある。
Therefore, the value of the ripple voltage ΔVa necessary for determining that the
平滑コンデンサ9aの容量値Caを決定する具体例を説明する。図5および図6は、平滑コンデンサ9aの両端電圧Va(1V/div)と電流Ia(20mA/div)の実測波形を示している(1ms/div)。図5は、大きい容量値330μFを持つ平滑コンデンサ9aを用いてファンモータ3を正常回転させたときの波形である。この測定結果から、変化時間dt間の電流Iaの積分値は26×10-6であるため、所望のリプル電圧ΔVa(電圧差)を例えば2.6Vとすると、平滑コンデンサ9aの容量値Caは10μFと算出される。
A specific example of determining the capacitance value Ca of the smoothing
図6は、実際に容量値Caを10μFに設定したときの波形である。しかし、このときのリプル電圧ΔVaは1.3Vであり、目的値である2.6Vに対し不足している。このときの変化時間dt間の電流Iaの積分値を求めると10×10-6である。そこで、平滑コンデンサ9aの容量値Caを再度計算すると3.8μFとなる。このように、理論計算と実機試験とを用いて目的とするリプル電圧ΔVa(電圧差)が現れるように調整すればよい。
FIG. 6 shows a waveform when the capacitance value Ca is actually set to 10 μF. However, the ripple voltage ΔVa at this time is 1.3V, which is insufficient with respect to the target value of 2.6V. The integral value of the current Ia during the change time dt at this time is 10 × 10 −6 . Therefore, when the capacitance value Ca of the smoothing
本実施形態によれば、ファンモータ3の端子間電圧の測定電圧Vmにリプル成分が検出されるか否かに基づいてファンモータ3の異常検出を行うので、異常発生から異常検出までの遅れ時間が非常に短く、インバータ装置11が正常に冷却されていない状態のまま運転が継続することを防止できる。冷却ファン装置1自体に特別な異常検出機能を持たせる必要がないので、従来と同様の標準仕様の冷却ファン装置1を使用しながらファンモータ3の異常を検出することができる。また、従来構成に対し電圧測定回路24とファンモータ3の異常検出プログラムを追加すれば構成できるので、冷却ファン装置1の異常を検出するために構成の複雑化およびコストの増大を極力防止することができる。
According to this embodiment, since the abnormality of the
電源回路22の二次側を、ファンモータ3に対し専用に設けられた電源供給系統22Aと、ファンモータ3以外の負荷が接続される電源供給系統22Bとに分離し、電源供給系統22Aの平滑コンデンサ9aに小容量値のものを採用したので、ファンモータ3の回転に伴い発生するリプル電圧を確実に検出できる。また、平滑コンデンサ9aを小型化できるので、電源供給系統を分離したことに伴う装置サイズおよびコストの増大を極力抑えることができる。
The secondary side of the
(第2の実施形態)
図7は、図3に示したファンモータ3の異常検出処理のステップS4に替えて実行する追加処理のフローチャートである。制御回路19は、ステップS3で測定電圧Vmにリプル成分があると判断すると、リプルの周期を測定し(ステップS11)、ファンモータ3の回転速度を算出する(ステップS12)。続いて、検出した回転速度が所定の判定しきい値よりも低いか否かを判断する(ステップS13)。低くない(NO)と判断すると、ファンモータ3は正常に回転していると判定する(ステップS14)。低い(YES)と判断すると、ファンモータ3が経年劣化したと判定する(ステップS15)。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a flowchart of an additional process executed in place of step S4 of the abnormality detection process for the
この場合に用いる判定しきい値は、定格回転速度に一定の低減率(例えば0.8)を乗じた値、または発熱部品を冷却する能力が低下してインバータ装置11の構成部品に熱故障を起こす可能性が生じる回転速度の値に設定されている。ファンモータ3は印加電圧が高いほど回転速度が高くなるので、印加電圧のずれによる判定のばらつきを避けるため、測定電圧Vm(端子間電圧Va)に応じて判定しきい値を補正するとよい。
The determination threshold value used in this case is a value obtained by multiplying the rated rotational speed by a certain reduction rate (for example, 0.8), or the ability to cool the heat-generating component is reduced, causing a thermal failure to the component of the
本実施形態によれば、ファンモータ3が回転しているか停止しているかの判定のみならず、ファンモータ3の回転速度の低下についても判定するので、ファンモータ3の経年劣化などの特性劣化に伴う冷却能力の低下異常も検出することができる。これにより、ファンモータ3に全停止異常が発生するのに先立って、冷却ファン装置1の交換をユーザに促すことができる。
According to the present embodiment, not only the determination of whether the
(その他の実施形態)
以上説明した複数の実施形態に加えて以下のような構成を採用してもよい。
ファンモータ3だけが接続される電源供給系統22Aと、ファンモータ3以外の負荷が接続される電源供給系統22Bとに分離したが、必ずしも分離する必要はない。
ファンモータ3が回転しているときに測定電圧Vmにリプル成分が検出可能なレベルで現れれば、平滑コンデンサ9aの容量値を小さく設定する必要はない。
(Other embodiments)
In addition to the plurality of embodiments described above, the following configuration may be adopted.
Although the
If the ripple component appears in the measurement voltage Vm at a level where the
以上説明した実施形態によれば、冷却ファンを駆動するモータに駆動電圧が印加されているときに、電圧測定手段で測定された電圧にモータの回転に伴い発生するリプル成分が検出されない場合にモータに異常が生じたと判定する。これにより、冷却ファン装置に特別な異常検出機能を持たせることなく、冷却ファンを駆動するモータに生じた異常を確実に検出可能となる。 According to the embodiment described above, when a driving voltage is applied to the motor that drives the cooling fan, the motor is detected when the ripple component generated by the rotation of the motor is not detected in the voltage measured by the voltage measuring means. It is determined that an abnormality has occurred. This makes it possible to reliably detect an abnormality that has occurred in the motor that drives the cooling fan, without providing the cooling fan device with a special abnormality detection function.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof in the same manner as included in the scope and gist of the invention.
図面中、2は冷却ファン、3はファンモータ(モータ)、9aは平滑コンデンサ、11はインバータ装置、19は制御回路(異常検出手段)、22は電源回路(直流電源回路)、22A、22Bは電源供給系統、24は電圧測定回路(電圧測定手段)である。
In the drawing, 2 is a cooling fan, 3 is a fan motor (motor), 9a is a smoothing capacitor, 11 is an inverter device, 19 is a control circuit (abnormality detection means), 22 is a power supply circuit (DC power supply circuit), and 22A and 22B are A
Claims (5)
前記モータに駆動電圧が印加されているときの前記モータの端子間電圧を測定する電圧測定手段と、
運転信号に応じて前記モータに駆動電圧が印加されているときに、前記電圧測定手段で測定された電圧に前記モータの回転に伴い発生するリプル成分が検出されない場合に前記モータに異常が生じたと判定する異常検出手段とを備えたことを特徴とするインバータ装置。 An inverter device including a motor for driving a cooling fan,
Voltage measuring means for measuring a voltage between terminals of the motor when a driving voltage is applied to the motor;
When a drive voltage is applied to the motor in accordance with an operation signal, an abnormality has occurred in the motor when a ripple component generated with the rotation of the motor is not detected in the voltage measured by the voltage measuring means. An inverter device comprising an abnormality detecting means for determining.
平滑コンデンサを有して前記モータに印加する駆動電圧を生成する直流電源回路を備え、
前記モータが回転しているときに前記電圧測定手段で測定された電圧に前記リプル成分が検出可能なレベルで現れるように、前記直流電源回路の平滑コンデンサの容量値が小さく設定されていることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。 The motor is a DC motor,
A DC power supply circuit that has a smoothing capacitor and generates a drive voltage to be applied to the motor,
The capacitance value of the smoothing capacitor of the DC power supply circuit is set small so that the ripple component appears at a detectable level in the voltage measured by the voltage measuring means when the motor is rotating. The inverter device according to claim 1.
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