JP2020171100A - 寿命予測装置、空調システム、寿命予測方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
以下、第1の実施形態に係る寿命予測装置、及び、これを備える空調システムについて、図1〜図7を参照しながら説明する。
図1は、第1の実施形態に係る空調システムの全体構成を示す図である。
図1に示す空調システム1は、室外機に搭載されて、圧縮機を回転駆動させるシステムである。なお、図1においては、圧縮機等の図示を省略している。
なお、以下の説明では、電力変換回路10が具備する各構成において、交流電源PSに近い側を「上流側」とも表記し、モータ102に近い側を「下流側」とも表記する。
図1に示すように、電力変換回路10は、整流器100と、インバータ101と、モータ102とを備えている。
リアクタLは、整流器100から出力される直流電力を平滑するための受動素子であって、高電圧線P上において、整流器100の下流側、かつ、平滑コンデンサFCの上流側に接続される。
平滑コンデンサFCは、整流器100から出力される直流電力を平滑するための受動素子であって、リアクタLの下流側、かつ、インバータ101の上流側において、高電圧線Pと低電圧線Nとの間に接続される。平滑コンデンサFCは、電解コンデンサである。平滑コンデンサFCには、リプル電流が入力される。このリプル電流の大きさは、平滑コンデンサFCの寿命に大きな影響を与えることが知られている。平滑コンデンサFCに入力されるリプル電流には、整流器100側から入力される低周波リプル電流IL(第1のリプル電流)と、インバータ101側から入力される高周波リプル電流IH(第2のリプル電流)とがある。低周波リプル電流ILの周波数は、交流電源PSの電源周波数に依存する周波数であって、例えば、300Hz程度の周波数で変動する。高周波リプル電流IHは、インバータ101のスイッチング動作の周波数に依存する周波数であって、例えば、数kHz〜数十kHzの周波数を有する。
電流センサSE1は、整流器100とリアクタLとを接続する高電圧線P上に設けられ、整流器100からインバータ101に流れるリアクタ電流IDC(直流電流)を検出する。
電流センサSE2−1、SE2−2は、インバータ101とモータ102とを接続する配線のうちの2相(図1の例ではU相、W相)に設けられ、モータ電流IMを検出する。
電流センサSE1及び電流センサSE2−1、SE2−2は、例えばクランプ式の電流センサであってもよい。電流センサSE1及び電流センサSE2−1、SE2−2から出力される各電流の検出信号は、制御装置11(モータ制御部)に入力される。制御装置11は、各電流センサから入力される検出信号に基づいて、リアクタ電流IDCの計測値であるリアクタ電流値、及び、モータ電流IMの計測値であるモータ電流値を逐次サンプリングして取得する。
図1に示すように、制御装置11は、システム制御部110と、インバータ101に駆動指令を出力しモータ102の駆動を制御するモータ制御部111とを有してなる。システム制御部110、モータ制御部111は、それぞれ、マイクロコントローラ等のプロセッサ等であってよい。
本実施形態に係る制御装置11は、後述するように、平滑コンデンサFCの寿命を予測する寿命予測装置として機能する。
以下、システム制御部110及びモータ制御部111が有する上記の機能について詳しく説明する。
図2は、第1の実施形態に係るシステム制御部の機能構成を示す図である。
図2に示すように、システム制御部110は、所定のプログラムに従って動作することで、回転数指令出力部1100、寿命演算部1101、及び、累積寿命消費率演算部1102としての機能を発揮する。
寿命演算部1101は、モータ制御部111から入力される総リプル電流値(総リプル電流の計測値)を所定の寿命演算式に代入して、平滑コンデンサFCの寿命を演算する。
累積寿命消費率演算部1102は、運転中において、寿命演算部1101によって逐次算出された寿命の演算結果(瞬時推定寿命)に基づいて、平滑コンデンサFCの累積寿命消費率を演算する。
モータ制御部111の機能構成について、図3を参照しながら説明する。
図3に示すように、モータ制御部111は、所定のプログラムに従って動作することで、駆動指令出力部1110、低周波リプル電流計測部1111、高周波リプル電流計測部1112、及び、総リプル電流演算部1113としての機能を発揮する。
図4は、第1の実施形態に係る低周波リプル電流計測部の機能を説明する図である。
図4を参照しながら、モータ制御部111の低周波リプル電流計測部1111の機能について詳しく説明する。
まず、低周波リプル電流計測部1111は、電流センサSE1を通じてリアクタ電流IDCの計測値[A](リアクタ電流値)を逐次サンプリングして取得、蓄積する(ステップS1)。このリアクタ電流IDCは、交流電源PSからの三相交流電力が整流器100によって整流された直後の電流である。したがって、リアクタ電流IDCの波形は、図4に示すとおり、AC成分とDC成分の両方を含む。
図5は、第1の実施形態に係る高周波リプル電流計測部の機能を説明する図である。
図5を参照しながら、モータ制御部111の高周波リプル電流計測部1112の機能について詳しく説明する。
リプル電流テーブルtbは、インバータ101の動作に適用されている変調率(横軸)と、高周波リプル電流[Arms](縦軸)と、モータ電流IM[Arms](グラフの各系列)との関係を示す図である。このようなリプル電流テーブルtbは、実測や回路シミュレーション等によって事前に作成される。
モータ制御部111の総リプル電流演算部1113は、低周波リプル電流計測部1111から入力した低周波リプル電流の計測値[Arms]と、高周波リプル電流計測部1112から入力した高周波リプル電流の計測値[Arms]とを用いて総リプル電流の計測値[Arms](総リプル電流値)を演算する。具体的には、総リプル電流演算部1113は、以下の式(1)を演算する。
次に、システム制御部110の寿命演算部1101の機能について詳しく説明する。
システム制御部110の寿命演算部1101は、モータ制御部111(総リプル電流演算部1113)から入力されたリプル電流の計測値[Arms]に基づいて、平滑コンデンサFCの寿命を演算する。具体的には、寿命演算部1101は、モータ制御部111から入力されたリプル電流の計測値を式(2)、式(3)に代入する。
図6、図7は、第1の実施形態に係る累積寿命消費率演算部の機能を説明するための図である。
以下、図6、図7を参照しながら、システム制御部110の累積寿命消費率演算部1102の機能について詳しく説明する。
図6に示すように、累積寿命消費率演算部1102は、空調システム1の累積運転時間を所定の単位時間(例えば、1時間)ごとの区間に区切るとともに、当該区間(A区間、B区間、C区間、D区間、・・)ごとの寿命消費率[%]を演算する。累積寿命消費率演算部1102は、当該区間で観測された瞬時推定寿命G1の最小値を当該区間における平滑コンデンサFCの代表寿命とする。図6に示す例の場合、A区間で観測された瞬時推定寿命G1の最小値は3万時間であるから、A区間における平滑コンデンサFCの代表寿命は3万時間となる。同様に、B区間で観測された瞬時推定寿命G1の最小値は6万時間であるから、B区間における平滑コンデンサFCの代表寿命は6万時間となる。同様に、C区間で観測された瞬時推定寿命G1の最小値は2万時間であるから、C区間における平滑コンデンサFCの代表寿命は2万時間となる。同様に、D区間で観測された瞬時推定寿命G1の最小値は7万時間であるから、D区間における平滑コンデンサFCの代表寿命は7万時間となる。
図8は、第1の実施形態に係る回転数指令出力部の機能を説明するための図である。
以下、図8を参照しながら、回転数指令出力部1100による寿命消費抑制動作について詳しく説明する。
以上の通り、第1の実施形態に係る制御装置11(寿命予測装置)は、商用電源である交流電源PSからの交流電力を直流電力に変換する整流器100と、当該直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換するインバータ101との間に設けられ、当該直流電力を平滑化する電解コンデンサ(平滑コンデンサFC)の寿命を予測する装置として機能する。
制御装置11は、整流器100側から平滑コンデンサFCに入力される低周波リプル電流ILを計測する低周波リプル電流計測部1111と、インバータ101側から平滑コンデンサFCに入力される高周波リプル電流IHを計測する高周波リプル電流計測部1112と、低周波リプル電流ILの計測値及び高周波リプル電流IHの計測値に基づいて平滑コンデンサFCに入力される総リプル電流Inを演算する総リプル電流演算部1113と、総リプル電流Inの演算値を所定の寿命演算式(式(2)、式(3))に代入して平滑コンデンサFCの寿命を演算する寿命演算部1101と、を備えている。
このようにすることで、整流器100側から入力される低周波リプル電流と、インバータ101側から入力される高周波リプル電流との両方を考慮して平滑コンデンサFCの寿命を予測するので、低周波リプル電流IL及び高周波リプル電流IHのいずれか一方のみを考慮して予測する場合に比べて予測精度を高めることができる。
これに対し、本実施形態に係る空調システム1では、整流器100とリアクタLとを接続する高電圧線P上に設けられた電流センサSE1を通じて、低周波リプル電流ILを計測する。また、本実施形態に係る空調システム1では、インバータ101とモータ102とを接続する配線のうちの一相(図1の例ではW相)に設けられた電流センサSE2−1、SE2−2を通じて、高周波リプル電流IHを計測する。
ここで、電流センサSE1は、もともと、ダイオードモジュールである整流器100やリアクタLを保護するための保護動作用として設けられている電流センサである。また、電流センサSE2−1、SE2−2は、もともと、インバータ101の制御用、及び、保護動作用として設けられている電流センサである。したがって、本実施形態に係る空調システム1によれば、低周波リプル電流ILと高周波リプル電流IHの両方を考慮して平滑コンデンサFCの寿命を予測するに際し、新たな電流センサを追設する必要がない。
このようにすることで、平滑コンデンサFCの累積寿命消費率が、事前に規定された上限値を上回らないように回転数指令RPS*が制限されるので、平滑コンデンサFCの寿命が目標寿命よりも短い運転時間で故障することを抑制することができる。
このようにすることで、累積寿命消費率の上昇ペースを目標寿命までの運転時間全体で均一化することができる。これにより、回転数指令RPS*の抑制の度合いを目標寿命までの運転時間全体で均一化させることができる。
図9は、第1の実施形態の変形例に係る回転数指令出力部の機能を説明するための図である。
第1の実施形態に係る空調システム1によれば、累積寿命消費率上限値Gthは、傾き(単位運転時間当たりの累積寿命消費率上限値Gthの上昇率)が「100%/目標寿命」となる直線で定められているものとして説明した(図8参照)。
しかし、他の実施形態に係る空調システム1においてはこの態様に限定されない。例えば、変形例に係る空調システム1では、図9に示すように、累積寿命消費率上限値Gthは、第1の傾きで規定される範囲と、第2の傾き(≠第1の傾き)で規定される範囲とを有するものであってもよい。図9に示す例では、累積寿命消費率上限値Gthは、累積運転時間が0時間から1万時間までの範囲において「第1の傾き=100%/2万時間」が適用され、累積運転時間が1万時間から3万時間までの範囲において「第2の傾き=100%/4万時間」が適用される。この例では、累積運転時間が1万時間を超えた後、回転数指令RPS*の制限を受ける度合いが大きくなる。
また、他の実施形態に係る空調システム1においては、累積寿命消費率上限値Gthを変更(編集)できる機能を有してもよい。これにより、利用者は、空調システム1の利用形態として、能力を優先するか、寿命を優先するかを、運転時間ごとに自由に定めることができる。
10 電力変換回路
100 整流器
101 インバータ
102 モータ
11 制御装置(寿命予測装置)
110 システム制御部
1100 回転数指令出力部
1101 寿命演算部
1102 累積寿命消費率演算部
111 モータ制御部
1110 駆動指令出力部
1111 低周波リプル電流計測部(第1リプル電流計測部)
1112 高周波リプル電流計測部(第2リプル電流計測部)
1113 総リプル電流演算部
SE1 電流センサ(第1の電流センサ)
SE2−1、SE2−2 電流センサ(第2の電流センサ)
L リアクタ
FC 平滑コンデンサ
SC スナバコンデンサ
PS 交流電源
Claims (6)
- 商用電源からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換するインバータとの間に設けられ、前記直流電力を平滑化する電解コンデンサの寿命を予測する装置であって、
前記整流器側から前記電解コンデンサに入力される第1のリプル電流を計測する第1リプル電流計測部と、
前記インバータ側から前記電解コンデンサに入力される第2のリプル電流を計測する第2リプル電流計測部と、
前記第1のリプル電流の計測値及び前記第2のリプル電流の計測値に基づいて前記電解コンデンサに入力される総リプル電流を演算する総リプル電流演算部と、
前記総リプル電流の演算結果を所定の寿命演算式に代入して前記電解コンデンサの寿命を演算する寿命演算部と、
を備える寿命予測装置。 - 前記第1リプル電流計測部は、前記整流器から前記インバータに流れる直流電流を検出可能な第1の電流センサを通じて直流電流値を取得し、
取得した前記直流電流値から当該直流電流値の時間平均値を差し引くことで、前記第1のリプル電流の計測値を演算する
請求項1に記載の寿命予測装置。 - 前記第2リプル電流計測部は、モータに流れるモータ電流を検出可能な第2の電流センサを通じてモータ電流値を取得し、
前記インバータの動作で適用されている変調率と、前記モータ電流値と、前記第2のリプル電流の値との関係が規定されてなるリプル電流テーブルを参照して、前記第2のリプル電流の計測値を特定する
請求項1または請求項2に記載の寿命予測装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の寿命予測装置を備える
空調システム。 - 商用電源からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換するインバータとの間に設けられ、前記直流電力を平滑化する電解コンデンサの寿命を推定する方法であって、
前記整流器側から前記電解コンデンサに入力される第1のリプル電流を計測するステップと、
前記インバータ側から前記電解コンデンサに入力される第2のリプル電流を計測するステップと、
前記第1のリプル電流の計測値及び前記第2のリプル電流の計測値に基づいて前記電解コンデンサに入力される総リプル電流を演算するステップと、
前記総リプル電流の演算値を所定の寿命演算式に代入して前記電解コンデンサの寿命を演算するステップと、
を有する寿命予測方法。 - 商用電源からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換するインバータとの間に設けられ、前記直流電力を平滑化する電解コンデンサの寿命を推定するコンピュータに、
前記整流器側から前記電解コンデンサに入力される第1のリプル電流を計測するステップと、
前記インバータ側から前記電解コンデンサに入力される第2のリプル電流を計測するステップと、
前記第1のリプル電流の計測値及び前記第2のリプル電流の計測値に基づいて前記電解コンデンサに入力される総リプル電流を演算するステップと、
前記総リプル電流の演算値を所定の寿命演算式に代入して前記電解コンデンサの寿命を演算するステップと、
を実行させるプログラム。
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