JP2021197844A - 無停電電源装置及び無停電電源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無停電電源装置において、一部の冷却ファンが故障停止しても運転継続する。【解決手段】複数の可変冷却ファンの内の第１の可変冷却ファンが停止した際に、温度センサが装置内の温度が異常検知レベルを超過したことを検知した場合、装置内の温度を異常検知レベル以下に保つように第１の可変冷却ファン以外の正常に動作している第２の可変冷却ファンの回転数を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、無停電電源装置及び無停電電源装置の制御方法に関する。

無停電電源装置は電力を変換するときに多くの熱が発生するが、高温に耐えられない半導体などの部品も多く実装さている。このため、部品を冷却するための冷却ファンが必須である。これに関連する無停電電源装置として、例えば、特許文献１、２がある。

特開２０１０−２０６９００号公報 特開２０１０−２０６８９９号公報

しかし、冷却ファンが故障停止する又は冷却系に異常が発生した場合、無停電電源装置は停止する必要があるが、用途によっては停止が許容されない無停電電源装置もある。このため、一部の冷却ファンが停止した場合でも無停電電源装置の運転を継続する必要がある。

本発明の目的は、一部の冷却ファンが故障停止した場合でも無停電電源装置の運転を継続することにある。

本発明の一態様の無停電電源装置は、複数の可変冷却ファンを有する無停電電源装置であって、装置内の温度を検知する温度センサと、複数の前記可変冷却ファンの内の第１の可変冷却ファンが停止した際に、前記温度センサが前記装置内の温度が異常検知レベルを超過したことを検知した場合、前記装置内の温度を前記異常検知レベル以下に保つように、前記第１の可変冷却ファン以外の正常に動作している第２の可変冷却ファンの回転数を制御する制御回路と、を有することを特徴とする。

本発明の一態様の無停電電源装置は、複数の可変冷却ファンと、装置内の温度を検知する温度センサと、所定の制御を行う制御回路と、を有する無停電電源装置であって、前記制御回路は、少なくとも前記可変冷却ファンの回転数から前記装置内の温度の実績値を推定し、前記温度センサで検知された前記温度の実測値と、推定された前記実績値とを比較して前記可変冷却ファンの異常を検知することを特徴とする。

本発明の一態様の無停電電源装置の制御方法は、複数の可変冷却ファンを有する無停電電源装置の制御方法であって、装置内の温度を検知する温度検知ステップと、複数の前記可変冷却ファンの内の第１の可変冷却ファンが停止した際に、前記温度センサが前記装置内の温度が異常検知レベルを超過したことを検知した場合、前記装置内の温度を前記異常検知レベル以下に保つように、前記第１の可変冷却ファン以外の正常に動作している第２の可変冷却ファンの回転数を制御する制御ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、一部の冷却ファンが故障停止した場合でも無停電電源装置の運転を継続することができる。

無停電電源装置の構成を示す図である。 順変換器ユニット１１、逆変換器ユニット１２及び直流−直流変換器ユニット１３の構造を示す図である。 無停電電源装置のシステム構成を示す図である。 実施例１の無停電電源装置の動作を示す図である。 実施例１の無停電電源装置の動作を示す図である。 実施例２の無停電電源装置の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を用いて実施例について説明する。

図１Ａ及び図１Ｂを参照して、無停電電源装置の構成について説明する。複数の可変速冷却ファンが実装された無停電電源装置である。

図１Ａに示すように、無停電電源装置１の内部には、順変換器ユニット１１、逆変換器ユニット１２、直流−直流変換器ユニット１３、遮断器などの部品１５、温度センサ１７が設けられている。順変換器ユニット１１、逆変換器ユニット１２、直流−直流変換器ユニット１３の構造は類似する構造であるが、異なる場合もある。無停電電源装置１の天井には、天井可変速冷却ファン２１が設けられている。

図１Ｂに示すように、順変換器ユニット１１、逆変換器ユニット１２、直流−直流変換器ユニット１３は、熱が発生する半導体素子１０１Ｕ、１０１Ｖ、１０１Ｗと、半導体素子１０１Ｕ、１０１Ｖ、１０１Ｗを冷却する冷却フィン１２１Ｕ、１２１Ｖ、１２１Ｗと、可変速冷却ファン１３１と、半導体素子１０１Ｕ、１０１Ｖ、１０１Ｗの温度を検知して測定する温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗを内蔵する。

可変速冷却ファン１３１で吸気し、盤正面から順変換器ユニット１１、逆変換器ユニット１２、直流−直流変換器ユニット１３から遮断器などの部品１５を冷却し、天井可変速冷却ファン２１によって熱を吸収した空気を排気し、温度センサ１７、１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗによって温度が監視されている。

具体的には、可変速冷却ファン１３１で吸気して冷却風の流れ１４を形成して、盤正面から、順変換器ユニット１１、逆変換器ユニット１２、直流−直流変換器ユニット１３、遮断器などの部品１５を冷却する。盤内の温度センサ１７を通過し、天井可変速冷却ファン２１によって熱を吸収した空気を排気することにより、無停電電源装置１の全体を冷却する。

ここで、図１Ａでは、可変速冷却ファン１３１が９個と天井可変速冷却ファン２１が８個あるが、複数個あれば良いため、可変速冷却ファンの個数に制限はない。また、可変速冷却ファンの配置も正面と天井に配置する必要なく複数個の可変速冷却ファンがあれば良い。

図２を参照して、無停電電源装置のシステム構成について説明する。
通常運転時の動作は、商用交流電源２０１から順変換器ユニット１１と逆変換器ユニット１２を通して負荷装置２０４に電力が供給される。また、同時に直流−直流変換器ユニット１３を通して、蓄電池２０３に充電が行われる。

可変速冷却ファン１３１と天井可変速冷却ファン２１は、制御回路１６から回転数の指令に従い回転数を調整し順変換器ユニット１１、逆変換器ユニット１２、直流−直流変換器ユニット１３、遮断器などの部品１５を冷却する。

停電運転時の動作は、蓄電池２０３から直流−直流変換器ユニット１３と逆変換器ユニット１２を通して負荷装置２０４に電力が供給されるため、負荷装置２０４には無停電で電力が供給される。可変速冷却ファン１３１と天井可変速冷却ファン２１は通常時と同じ動作である。

図３及び図４を参照して、実施例１の無停電電源装置の動作について説明する。複数個ある可変速冷却ファン１３１と複数ある天井可変速冷却ファン２１の中のどれかが故障停止した場合について説明する。

図３を参照して、天井可変速冷却ファン２１のどれかが停止した場合について説明する。図３は、天井可変速冷却ファン２１のどれかが停止した場合、天井可変速冷却ファン２１の回転数の動きと盤内温度（盤内の温度センサ１７）が異常レベル以下に保たれることを示している。

無停電電源装置１の出力電流１８が少ない又は無停電電源装置１の周囲温度が低い場合、盤内の温度センサ１７の温度が高くならず、そのまま運転継続する。

出力電流１８が大きい又は周囲温度が高い場合、図３のように盤内の温度センサ１７が異常検知レベルを超過するため、天井可変速冷却ファン２１又は可変速冷却ファン１３１の回転数を上げることで盤内の温度を下げることができる。この場合、天井可変速冷却ファン２１又は可変速冷却ファン１３１に冷却ファンが数台停止したとしても風量が確保できるような風量に余裕を確保した設計をする必要がある。

図４を参照して、可変速冷却ファン１３１のどれかが停止した場合について説明する。図４は、可変速冷却ファン１３１のどれかが停止した場合、半導体素子温度（温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの温度）が異常レベル以下に保たれることを示している。

無停電電源装置１の出力電流１８が少ない又は無停電電源装置１の周囲温度が低い場合、温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの温度が高くならず、そのまま運転継続する。

出力電流１８が大きい又は周囲温度が高い場合、図４のように温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの温度が異常検知レベルを超過するため、天井可変速冷却ファン２１又は可変速冷却ファン１３１の回転数を上げることで盤内の温度や半導体素子１０１Ｕ、１０１Ｖ、１０１Ｗの温度を下げることができる。この場合も、天井可変速冷却ファン２１又は可変速冷却ファン１３１に冷却ファンが数台停止したとしても風量が確保出るような風量に余裕を確保した設計をする必要がある。

図５を参照して、実施例２の無停電電源装置の動作について説明する。
実施例１では、出力電流１８が大きく、周囲温度が高いなどの温度センサが異常を検知できるまでのレベルまで温度が高くなって異常を検知することになる。実施例２では、用途によって停止が許容されない無停電電源装置もあるため、事前に冷却ファンや冷却系の異常を検知する。

天井可変速冷却ファン２１、可変速冷却ファン１３１は数が多く、個々の冷却ファンの異常信号を取り込むには配線が多く、取り込む信号数が多くなりコストがかかる。しかし、盤内の温度センサ１７と温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの温度は、（ａ）周囲温度、（ｂ）出力電流１８、（ｃ）可変速天井冷却ファン２１の回転数、（ｄ）可変速冷却ファン１３１の回転数、（ｅ）温度センサ１７の実測温度、（ｆ）温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの実測温度、（ｇ）運転状態（通常運転、停電運転など）に大きく依存する。

このため、天井可変速冷却ファン２１と可変速冷却ファン１３１に異常が発生し風量が変化すると温度センサ１７と温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの温度に現れてくる。

図５は、天井可変速冷却ファン２１、可変速冷却ファン１３１や冷却系の異常検知するため動作を示す。

最初に、ステップ３０１において、（ａ）周囲温度、（ｂ）出力電流１８、（ｃ）可変速天井冷却ファン２１の回転数、（ｄ）可変速冷却ファン１３１の回転数、（ｅ）温度センサ１７の実測温度、（ｆ）温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの実測温度、（ｇ）運転状態（通常運転、停電運転など）のデータ取り込む。
次に、ステップ３０２において、関数テーブルを参照する。
関数テーブルは、（ａ）周囲温度、（ｂ）出力電流１８、（ｃ）天井可変速冷却ファン２１の風量（回転数）（ｄ）可変速冷却ファン１３１の風量（回転数）、（ｇ）通常運転、停電運転などの運転状態から温度センサ１７と温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの温度の実績値を算出するためのテーブルである。

なお、（ａ）〜（ｇ）と温度センサ１７と温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの温度の関係を精度良く算出することは難しいため、（ｂ）〜（ｄ）が正常である状態で、（ｂ）〜（ｄ）に対する温度センサ１７と温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの温度の関数テーブルを事前に作成しておくことになる。

関数テーブルにおいて、温度センサ１７の温度の理論値Ｔ_１７は、ΔＴ_１７（（ｂ）出力電流１８、（ｃ）ファン２１の回転数、（ｄ）ファン１３１の回転数、（ｇ）運転状態）＋（ａ）周囲温度から求められる。

また、温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗの温度の理論値Ｔ_１１１は、ΔＴ_１１１（（ｂ）出力電流１８、（ｃ）ファン２１の回転数、（ｄ）ファン１３１の回転数、（ｇ）運転状態）＋（ａ）周囲温度から求められる。

次に、ステップ３０３において、(ｅ）温度センサ１７の温度実測＞Ｔ_１７＋余裕かを判定する。

ステップ３０３において、(ｅ）温度センサ１７の温度実測＞Ｔ_１７＋余裕と判定された場合は、ステップ３０４で、温度異常検知を行う。具体的には、盤内温度の異常（温度センサ１７）、可変速天井冷却ファン２１の停止の可能性又はその他部品の過熱などの可能性が判断される。

次に、ステップ３０３において、(ｅ）温度センサ１７の温度実測＞Ｔ_１７＋余裕がないと判定された場合は、ステップ３０５において、（ｆ）温度センサ１１１Ｕ〜１１１Ｗの温度実測度実測＞Ｔ_１７＋余裕かを判定する。

ステップ３０５において、（ｆ）温度センサ１１１Ｕ〜１１１Ｗの温度実測度実測＞Ｔ_１７＋余裕と判定された場合は、ステップ３０６で、温度異常検知を行う。具体的には、変換器ユニット１１〜１３の温度の異常（温度センサ１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗ）、可変速冷却ファン１３１の停止の可能性又はフィルタや冷却フィンの目詰まりの可能性が判断される。

ステップ３０５において、（ｆ）温度センサ１１１Ｕ〜１１１Ｗの温度実測＞Ｔ_１１１＋余裕がない判定された場合は、ステップ３０７において、ステップ３０１で取り込んだデータ（ａ）〜（ｇ）を蓄積し、部品寿命の予兆診断に利用する。（ａ）〜（ｇ）のデータを蓄積することにより、関数テーブルの改善や関数テーブルから外れるデータから部品寿命の予兆診断に利用できる。

上記実施例では、無停電電源装置に複数の冷却ファンを実装し、主回路に流れている電流や主回路半導体素子の温度を検出し、その電流やその温度で冷却ファンの回転数を制御する。そして、主回路に流れている電流や冷却ファンの回転数から盤内温度や半導体素子温度を推定し、実測と比較し冷却ファンや冷却系の異常を検知する。

上記実施例によれば、無停電電源装置の一部の冷却ファンが故障停止しても運転継続できるため、負荷装置に無停電の電力の供給を続けることができる。具体的には、無停電電源装置の一部の冷却ファンが故障停止した場合、無停電電源装置を停止することになるが、運転の状態や冷却ファンの故障部位によっては運転継続が可能になる。このように、無停電電源装置の一部の冷却ファンが故障停止しても運転継続できるようにする。この際、冷却ファンの異常信号を使わず、従来からある信号から冷却ファンや冷却系の異常を検知する。

また、上記実施例によれば、事前に冷却ファンの異常が検知できるため保守の交換の計画が可能になる。

１ 無停電電源装置
１１ 順変換器ユニット
１２ 逆変換器ユニット
１３ 直流−直流変換器ユニット
１４ 冷却風の流れ
１５ 遮断器などの部品
１６ 制御回路
１７ 盤内の温度センサ
１８ 出力電流
２１ 天井可変速冷却ファン
１０１Ｕ、１０１Ｖ、１０１Ｗ 半導体素子
１１１Ｕ、１１１Ｖ、１１１Ｗ 温度センサ
１２１Ｕ、１２１Ｖ、１２１Ｗ 冷却フィン
１３１ 可変速冷却ファン
２０１、２０２ 商用交流電源
２０３ 蓄電池
２０４ 負荷装置

Claims (10)

1. 複数の可変冷却ファンを有する無停電電源装置であって、
   装置内の温度を検知する温度センサと、
   複数の前記可変冷却ファンの内の第１の可変冷却ファンが停止した際に、前記温度センサが前記装置内の温度が異常検知レベルを超過したことを検知した場合、前記装置内の温度を前記異常検知レベル以下に保つように、前記第１の可変冷却ファン以外の正常に動作している第２の可変冷却ファンの回転数を制御する制御回路と、
   を有することを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記制御回路は、
   前記温度センサが前記装置内の温度が前記異常検知レベルを超過したことを検知した場合、前記第２の可変冷却ファンの回転数を上げることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記装置内に設けられた変換器ユニットを更に有し、
   前記温度センサは、前記変換器ユニットに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
4. 前記変換器ユニットには半導体素子が設けられており、
   前記温度センサは、前記半導体素子の温度を検知することを特徴とする請求項３に記載の無停電電源装置。
5. 複数の前記可変冷却ファンは、
   前記装置の天井に設けられた天井可変冷却ファンと、
   前記変換器ユニットに設けられた変換器冷却ファンと、有し、
   前記制御回路は、
   前記天井可変冷却ファンと前記変換器冷却ファンの回転数をそれぞれ制御することを特徴とする請求項３に記載の無停電電源装置。
6. 複数の可変冷却ファンと、装置内の温度を検知する温度センサと、所定の制御を行う制御回路と、を有する無停電電源装置であって、
   前記制御回路は、
   少なくとも前記可変冷却ファンの回転数から前記装置内の温度の実績値を推定し、前記温度センサで検知された前記温度の実測値と、推定された前記実績値とを比較して前記可変冷却ファンの異常を検知することを特徴とする無停電電源装置。
7. 前記制御回路は、
   前記実測値と前記実績値とを比較した結果、前記実測値が前記実績値よりも大きい場合に、前記可変冷却ファンの異常を検知することを特徴とする請求項６に記載の無停電電源装置。
8. 前記制御回路は、
   前記実測値と前記実績値とを比較した結果、前記実測値が前記実績値よりも小さい場合に、前記装置を構成する部品の寿命の予兆診断を行うことを特徴とする請求項６に記載の無停電電源装置。
9. 複数の可変冷却ファンを有する無停電電源装置の制御方法であって、
   装置内の温度を検知する温度検知ステップと、
   複数の前記可変冷却ファンの内の第１の可変冷却ファンが停止した際に、前記温度センサが前記装置内の温度が異常検知レベルを超過したことを検知した場合、前記装置内の温度を前記異常検知レベル以下に保つように、前記第１の可変冷却ファン以外の正常に動作している第２の可変冷却ファンの回転数を制御する制御ステップと、
   を有することを特徴とする無停電電源装置の制御方法。
10. 前記制御ステップは、
    前記装置内の温度が異常検知レベルを超過したことを検知した場合、前記第２の可変冷却ファンの回転数を上げることを特徴とする請求項９に記載の無停電電源装置の制御方法。

Images