JP4062967B2 - 抵抗器の過熱保護方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力消費用の抵抗器の過熱保護方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電力消費用の抵抗器の過熱保護方法としては、抵抗器にサーマルリレーやサーモスタットを設け、抵抗器の過熱を監視して保護するものが知られている。
また、インバータで駆動中の誘導電動機を減速,停止させる場合、誘導電動機の回転エネルギーをインバータの直流中間回路に回生し、この回生エネルギーを直流中間回路に設けた制動抵抗器により消費することが行われる。このインバータに設けられる制動抵抗器においては、制動抵抗器への通電時間を積算して制動抵抗器の発熱を推定し、積算値と設定されている基準値とを比較して積算値が基準値を越えると、インバータの動作を停止して制動抵抗器の過熱保護を行っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者においては、サーマルリレーやサーモスタットを設ける必要があるので、コストアップの要因になっていた。
また、インバータで誘導電動機を駆動している場合の回生には、制動と力行とを繰り返す運転サイクルの繰り返しによる回生と、連続して回生動作を行う連続回生とがあるが、両者は制動抵抗器の温度上昇率が異なることから、制動抵抗器の保護を精度よく行うことはできなかった。
【0004】
すなわち、運転サイクルの繰り返しによる回生の場合、抵抗器は発熱と放熱とを繰り返すことになることから連続回生と比べて抵抗器の温度上昇が緩やかであり、運転サイクルの繰り返しによる回生時に抵抗器を保護することに重点をおくと、連続回生時には保護が間に合わずに抵抗器が過熱、焼損するおそれがある。一方、連続回生時に抵抗器を保護することに重点をおくと、運転サイクルの繰り返しによる回生時に過保護になるという問題がある。
【0005】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、サーマルリレーやサーモスタットなどの過熱検出手段を用いることなく、抵抗器の過熱を精度よく検出して確実な保護を行うことができる抵抗器の過熱保護方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の抵抗器の過熱保護方法(請求項1)は、抵抗器で消費される電力から抵抗器の抵抗体温度と抵抗体周囲の被覆部表面温度とを演算する抵抗器温度演算手段を備え、この抵抗温度演算器の出力に基づいて抵抗器の過熱保護を行うものとする。
【0007】
上記請求項1に係る発明において、抵抗器で消費される電力は、抵抗器に印加される電圧と予め設定した抵抗値とから演算(請求項2)するか、抵抗器に流れる電流と予め設定した抵抗値とから演算(請求項3)するか、抵抗器に印加される電圧と抵抗器に流れる電流とから演算(請求項4)するものとする。
また、この発明の抵抗器の過熱保護方法(請求項5)は、逆変換部の直流側に抵抗器とスイッチング手段とを直列接続した制動回路を設け、電動機からの回生電力を前記抵抗器により消費するインバータにおいて、抵抗器で消費される電力から抵抗器の抵抗体温度と抵抗体周囲の被覆部表面温度とを演算する抵抗器温度演算手段を備え、この抵抗器温度演算手段の出力に基づいて抵抗器の過熱保護を行うものとする。
【0008】
また、上記請求項5に係る発明において、前記直流側の電圧を検出する電圧検出手段と、前記スイッチング手段のON幅を演算するON幅演算手段と、前記電圧検出手段の出力とON幅演算手段の出力と予め設定した抵抗値とから回生電力を演算する電力演算手段とを備えるものとする(請求項6)。
また、上記請求項5に係る発明において、前記抵抗器に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記スイッチング手段のON幅を演算するON幅演算手段と、前記電流検出手段の出力とON幅演算手段の出力と予め設定した抵抗値とから回生電力を演算する電力演算手段とを備えるものとする(請求項7)。
【0009】
また、上記請求項5に係る発明において、前記直流側の電圧を検出する電圧検出手段と、前記抵抗器に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記スイッチング手段のON幅を演算するON幅演算手段と、前記電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力とON幅演算手段の出力とから回生電力を演算する電力演算手段とを備えるものとする(請求項8)。
【0010】
上記請求項1〜8に係る発明において、前記抵抗器の回路方式を設定し、記憶するものとする(請求項9)。
上記請求項1〜9に係る発明において、前記抵抗器の抵抗値,抵抗体と被覆部表面との熱抵抗,被覆部表面と外気との熱抵抗,抵抗体の比熱,被覆部の比熱,抵抗体および被覆部表面の保護温度を設定し、記憶するものとする(請求項10)。
【0011】
上記請求項1〜9に係る発明において、抵抗器に対応する抵抗値,抵抗体と被覆部表面との熱抵抗,被覆部表面と外気との熱抵抗,抵抗体の比熱,被覆部の比熱,抵抗体および被覆部表面の保護温度を予め記憶させ、接続される抵抗器を選択するものとする(請求項11)。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る抵抗器の過熱保護方法の実施の形態につき、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
図1は、この発明に係る抵抗器の熱伝導モデルを示す図である。
【0013】
図1において、各記号はそれぞれ以下のとおりである。
K1:抵抗体温度[℃]
K2:被覆部表面温度[℃]
K3:周囲温度[℃]
P0:抵抗体での消費電力=抵抗体の発熱量[W]
P1:抵抗体から被覆部へ放出される熱量[W]
P2:被覆部表面から外気へ放出される熱量[W]
R1:抵抗体と被覆部表面との熱抵抗[K/W]
R2:被覆部表面と外気との熱抵抗[K/W]
C1:抵抗体の比熱[J/K]
C2:被覆部の比熱[J/K]
一般に抵抗器は、発熱体である巻線などの抵抗体と、この抵抗体の周りを覆う被覆部(セメント等の絶縁物)とから構成されている。なお、被覆部はセメント等の絶縁物の周りをさらにアルミ等の板材で覆う場合もあり、絶縁物とアルミとでは熱抵抗が異なることになるが、被覆部の各物質におけるそれぞれの局所の熱抵抗の和を全熱抵抗として扱う。
【0014】
抵抗器の温度を演算するには、抵抗体の温度だけでなく、抵抗器の被覆部表面の温度および外気の温度である周囲温度も考慮する必要があり、図1は、これらが相互に関係し合って抵抗体および被覆部表面の温度が変化していることを示している。
すなわち、抵抗器の温度の演算は、抵抗体の発熱量,抵抗体から被覆部に放熱される熱量(場合によっては熱量が被覆部から抵抗体に放熱することもある)および被覆部表面から外気へ放熱される熱量も考慮し、抵抗体の温度と被覆部表面の温度とを上記緒量を用いてそれぞれ以下の関係式を用いて演算する。
【0015】
上記緒量間には、次の関係式が成り立つ。
【0016】
【数1】
【0017】
【数2】
【0018】
【数3】
【0019】
【数4】
また、被覆部表面と外気との熱抵抗R2と熱伝達率hとの間には、R2=1/hという関係があり、熱伝達率hはヌセルト数Nu(無次元化した熱伝達率)に比例し、Nuは外気の温度(周囲温度)を一定とすれば、被覆部表面と外気との温度差(K2−K3)の1/4乗に比例することから、熱抵抗R2と、被覆部表面と外気との温度差(K2−K3)との関係は以下の式(5)で表すことができる。
【0020】
【数5】
ここで、上記各式において周囲温度K3は、外気の温度、すなわち大気の温度であるため、温度変化はしないと仮定、つまりK3=0として、上記式をサンプリング周期Ts[s]の離散系で表すと以下のとおりとなる。
【0021】
【数6】
【0022】
【数7】
【0023】
【数8】
以上の式(6)〜(8)を用いて、抵抗体温度K1と被覆部表面温度K2とを演算する。ここで、式(8)において被覆部表面と外気との熱抵抗R2は、被覆部表面温度K2の−0.25乗に比例することから、基準とする熱抵抗R20(たとえば、被覆部表面温度K2=20℃のときの熱抵抗R2を基準熱抵抗R20とする)を予め設定しておき、この基準とする被覆部表面温度と現在の被覆部表面温度との比から熱抵抗R2を演算することができる。あるいは、式(8)を「R2=α×(K2)-0.25」(α:定数)として熱抵抗R2を演算することも可能である。
【0024】
上記演算により求めた抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2を予め設定した抵抗体保護温度K1Sおよび被覆部表面保護温度K2Sとそれぞれ比較し、温度演算値K1,K2のいずれか一方が保護温度K1S,K2Sを超えた場合に抵抗器の保護動作を行うことにより、抵抗器の過熱保護が可能になる。
このとき、抵抗器での消費電力P0の演算は、以下の式(9)〜(11)のいずれかで行うものとする。
【0025】
すなわち、抵抗器への印加電圧VDBと抵抗器の抵抗値RDBとから消費電力P0を演算する場合は、以下の式(9)により行う。
【0026】
【数9】
また、抵抗器に流れる電流IDBと、抵抗器の抵抗値RDBとから消費電力P0を演算する場合は、以下の式(10)により行う。
【0027】
【数10】
また、抵抗器への印加電圧VDBと、抵抗器に流れる電流IDBとから消費電力P0を演算する場合は、以下の式(11)により行う。
【0028】
【数11】
次に、本発明の抵抗器の温度保護方法をインバータに適用した場合について、図面を参照して詳細に説明する。
図2は、この発明に係る本発明の第1の実施例を示す回路図である。
【0029】
図2において、1は交流電源、2はインバータ、3はインバータ2により駆動される誘導電動機であり、インバータ2は、交流電源1の交流を直流に変換する順変換部21と、順変換部21の出力を平滑する平滑コンデンサ22と、直流電力を任意の可変電圧可変周波数の交流に変換する逆変換部23とを備えている。この逆変換部23は帰還ダイオードが逆並列接続されたスイッチング素子をブリッジ接続して構成され、各スイッチング素子にパルス信号が入力され、そのオン・オフ制御が行われる。直流中間回路には、回生電力吸収用の制動抵抗器5と制動制御用のトランジスタ等のスイッチング手段6とを直列接続した制動回路が設けられている。
【0030】
7は直流中間電圧Edcを検出する電圧検出回路、8は直流中間電圧検出値Edcと閾値ESとを比較しスイッチング手段6のON幅を演算するON幅演算手段(比較器)、9はON幅演算手段の出力信号TONを入力しスイッチング手段6を駆動する駆動回路であり、インバータ2で駆動中の誘導電動機3を減速,停止させる場合、誘導電動機3のもつ回転エネルギーがインバータ2の直流中間回路に回生されて直流中間電圧Edcが上昇するので、スイッチング手段6が制御されて回生エネルギーが制動抵抗器5で消費される。
【0031】
11は不揮発性のメモリであり、接続されている制動抵抗器5の抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2を演算するための緒量、すなわち、制動抵抗器5の抵抗値RDB,抵抗体と被覆部表面との熱抵抗R1,被覆部表面と外気との熱抵抗R2,抵抗体の比熱C1,被覆部の比熱C2等の抵抗器定数が記憶されるとともに、演算した抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2とそれぞれ比較するための抵抗体保護温度K1Sおよび被覆部表面保護温度K2Sが記憶されている。4は表示部,キー入力部を有する操作パネルであり、上記の制動抵抗器5の抵抗値RDB,抵抗体と被覆部表面との熱抵抗R1,被覆部表面と外気との熱抵抗R2,抵抗体の比熱C1,被覆部の比熱C2等の抵抗器定数および抵抗体保護温度K1S,被覆部表面保護温度K2Sは、操作パネル4のキー入力部を操作して設定入力される。
【0032】
10は制動抵抗器5で消費される電力P0を演算する電力演算器であり、メモリ11に記憶されている制動抵抗器5の抵抗値RDBと直流中間電圧検出値EdcとON幅演算手段の出力信号TONとに基づいて求められる。
12は制動抵抗器5の抵抗体温度K1と被覆部表面温度K2とを演算するとともに、これら演算値K1,被覆部表面温度K2と抵抗体保護温度K1Sおよび被覆部表面保護温度K2Sとを比較して制動抵抗器5の過負荷を判定する抵抗器温度演算器である。
【0033】
ここで、制動抵抗器5の消費電力P0は、次式で与えられる。
【0034】
【数12】
この実施例では、スイッチング手段6がONしている時間だけ電力が消費されているので、式(6)における、右辺第二項分子第一項のP0・Tsは、サンプリング周期Ts中にスイッチング手段6がONしている時間TONを考慮し、電力量として与える必要がある。即ち、制動抵抗器5で消費される電力P0は以下の式(13)により求められる。
【0035】
【数13】
電力演算器10で式(13)により演算された消費電力P0は抵抗器温度演算器12に入力される。一方、メモリ11に記憶されている抵抗体と被覆部表面との熱抵抗R1,被覆部表面と外気との熱抵抗R2,抵抗体の比熱C1,被覆部の比熱C2も抵抗器温度演算器12に入力され、抵抗器温度演算器12では、上記式(6)〜(8)に基づいて抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2演算する。この演算された抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2は、メモリ11に記憶されている抵抗体保護温度K1Sおよび被覆部表面保護温度K2Sとそれぞれ比較して、いずれか一方の温度演算値が保護温度を超えたときにアラームを出力し、さらにインバータ2の遮断を行う遮断信号を出力する。
【0036】
さらに、上記実施例において、制動抵抗器5の回路方式を操作パネル4から入力することにより、制動抵抗器5が複数の抵抗器を接続して構成された場合でも、抵抗器の過熱を精度よく検出し、より正確に抵抗器の過熱保護が行うことが可能となる。
すなわち、予めメモリ11に、表1に示すような回路方式と抵抗器1つあたりの消費電力(割合)との関係を記憶させておき、回路方式を操作パネル4から入力することで、抵抗器1つあたりの消費電力(割合)を求める。次に、電力演算器10においてその合成抵抗から消費電力P0を演算するとともに、この演算した消費電力P0に抵抗器1つあたりの消費電力(割合)を乗じることで、抵抗器1つ分の消費電力を演算する。抵抗器温度演算器12では、抵抗器1つ分の消費電力演算値から抵抗器1つ分の抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2を演算し過熱保護を行う。
【0037】
【表1】
たとえば、複数の抵抗器を2直列2並列に接続した場合、電力演算器10では、その合成抵抗から消費電力P0を演算し、この消費電力P0に割合0.25を乗じることにより抵抗器1つ分の消費電力を演算することができる。
【0038】
なお、上記実施例では、あらかじめメモリ11に、表1に示すような回路方式と抵抗器1つあたりの消費電力(割合)との関係を記憶させているが、抵抗器1つあたりの消費電力(割合)を操作パネル4から直接入力するようにしてもよい。
図3は、この発明に係る本発明の第2の実施例を示す回路図である。
【0039】
図3において、図2と同一符号を付したものはおおよそ同一の機能を有するのでその説明は省略する。同図が図2と異なる部分は、制動抵抗器に流れる電流IDBを検出する電流検出器13を設けるとともに、電力演算器10に代えて電力演算器14を設けた点にある。
すなわち、図3では、電力演算器14は、メモリ11に記憶されている制動抵抗器5の抵抗値RDBと電流検出器13で検出された電流検出値IDBとON幅演算手段の出力信号TONとに基づいて制動抵抗器5で消費される電力を演算している。
【0040】
ここで、制動抵抗器5での消費電力P0は、次式で与えられる。
【0041】
【数14】
この実施例では、スイッチング手段6がONしている時間だけ電力が消費されているので、式(6)における、右辺第二項分子第一項のP0・Tsは、サンプリング周期Ts中にスイッチング手段6がONしている時間TONを考慮し、電力量として与える必要がある。即ち、制動抵抗器5で消費される電力P0は以下の式(15)により求められる。
【0042】
【数15】
電力演算器14で式(15)により演算された消費電力P0は抵抗器温度演算器12に入力され、抵抗器温度演算器12では、上記式(6)〜(8)に基づいて抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2演算するが、この演算は図2の実施例と同様であるので、詳細な説明は省略する。この演算された抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2は、メモリ11に記憶されている抵抗体保護温度K1Sおよび被覆部表面保護温度K2Sとそれぞれ比較して、いずれか一方の温度演算値が保護温度を超えたときにアラームを出力し、さらにインバータ2の遮断を行う。
【0043】
さらに、上記実施例と同様に制動抵抗器5の回路方式を操作パネル4から入力することにより、制動抵抗器5が複数の抵抗器を接続して構成された場合でも、抵抗器の過熱を精度よく検出し、より正確に抵抗器の過熱保護が行うことが可能となる。
図4は、この発明に係る本発明の第3の実施例を示す回路図である。
【0044】
図4において、図3と同一符号を付したものはおおよそ同一の機能を有するのでその説明は省略する。同図が図3と異なる部分は、電力演算器14に代えて電力演算器15を設けた点にある。
すなわち、図4では、電力演算器15は、電圧検出器7で検出された直流中間電圧検出値Edcと電流検出器13で検出された電流検出値IDBとON幅演算手段の出力信号TONとに基づいて制動抵抗器5で消費される電力を演算している。
【0045】
ここで、制動抵抗器5での消費電力P0は、次式で与えられる。
【0046】
【数16】
この実施例では、スイッチング手段6がONしている時間だけ電力が消費されているので、式(6)における、右辺第二項分子第一項のP0・Tsは、サンプリング周期Ts中にスイッチング手段6がONしている時間TONを考慮し、電力量として与える必要がある。即ち、制動抵抗器5で消費される電力P0は以下の式(17)により求められる。
【0047】
【数17】
電力演算器15で式(17)により演算された消費電力P0は抵抗器温度演算器12に入力され、抵抗器温度演算器12では、上記式(6)〜(8)に基づいて抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2演算するが、この演算は図2の実施例と同様であるので、詳細な説明は省略する。この演算された抵抗体温度K1および被覆部表面温度K2は、メモリ11に記憶されている抵抗体保護温度K1Sおよび被覆部表面保護温度K2Sとそれぞれ比較して、いずれか一方の温度演算値が保護温度を超えたときにアラームを出力し、さらにインバータ2の遮断を行う。
【0048】
さらに、上記実施例と同様に制動抵抗器5の回路方式を操作パネル4から入力することにより、制動抵抗器5が複数の抵抗器を接続して構成された場合でも、抵抗器の過熱を精度よく検出し、より正確に抵抗器の過熱保護が行うことが可能となる。
なお、上記第1〜3の実施例においては、操作パネル4から接続されている制動抵抗器5の抵抗値RDB,抵抗体と被覆部表面との熱抵抗R1,被覆部表面と外気との熱抵抗R2,抵抗体の比熱C1,被覆部の比熱C2等の抵抗器定数および抵抗体保護温度K1S,被覆部表面保護温度K2Sを設定入力するようにしているが、予め複数の抵抗器の種類と対応させて上記緒量をメモリ11に記憶しておき、操作パネル4を操作して接続される抵抗器を選択することにより、選択された抵抗器の上記緒量をメモリ11から出力するようにしてもよい。
【0049】
この場合、予め記憶されている複数の抵抗器の中から接続される抵抗器を選択するという簡単な操作のみで、抵抗器定数,抵抗体保護温度K1Sおよび被覆部表面保護温度K2Sを設定することができる。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る抵抗器の過熱保護方法によれば、抵抗器で消費される電力から抵抗器の抵抗体温度と抵抗体周囲の被覆部表面温度とを演算する抵抗器温度演算手段を備え、この抵抗温度演算器の出力に基づいて抵抗器の過熱保護を行うことにより、抵抗体温度および被覆部表面温度を別々に演算してこれらの相互干渉を考慮することができるので、抵抗器の過熱を精度よく検出して確実な保護を行うことができる。
【0051】
また、前記抵抗器の回路方式を設定し、記憶することにより、電力消費用の抵抗器が複数の抵抗器を接続して構成された場合でも、抵抗器の過熱を精度よく検出することができる。
さらに、前記抵抗器の抵抗値,抵抗体と被覆部表面との熱抵抗,被覆部表面と外気との熱抵抗,抵抗体の比熱,被覆部の比熱,抵抗体および被覆部表面の保護温度を設定し、記憶することにより、どのような種類の抵抗器が接続された場合でも、その抵抗器の過熱を精度よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る抵抗器の熱伝導モデルを示す図である。
【図2】この発明に係る本発明の第1の実施例を示す回路図である。
【図3】この発明に係る本発明の第2の実施例を示す回路図である。
【図4】この発明に係る本発明の第3の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
2 インバータ
5 制動抵抗器
6 スイッチング手段
7 電圧検出回路
8 ON幅演算手段
10 電力演算器
11 メモリ
12 抵抗器温度演算器
Claims (11)
- 抵抗器で消費される電力から抵抗器の抵抗体温度と抵抗体周囲の被覆部表面温度とを演算する抵抗器温度演算手段を備え、この抵抗器温度演算手段の出力に基づいて抵抗器の過熱保護を行うことを特徴とする抵抗器の過熱保護方法。
- 抵抗器で消費される電力は、抵抗器に印加される電圧と予め設定した抵抗値とから演算することを特徴とする請求項1記載の抵抗器の過熱保護方法。
- 抵抗器で消費される電力は、抵抗器に流れる電流と予め設定した抵抗値とから演算することを特徴とする請求項1記載の抵抗器の過熱保護方法。
- 抵抗器で消費される電力は、抵抗器に印加される電圧と抵抗器に流れる電流とから演算することを特徴とする請求項1記載の抵抗器の過熱保護方法。
- 逆変換部の直流側に抵抗器とスイッチング手段とを直列接続した制動回路を設け、電動機からの回生電力を前記抵抗器により消費するインバータにおいて、抵抗器で消費される電力から抵抗器の抵抗体温度と抵抗体周囲の被覆部表面温度とを演算する抵抗器温度演算手段を備え、この抵抗器温度演算手段の出力に基づいて抵抗器の過熱保護を行うことを特徴とする抵抗器の過熱保護方法。
- 前記直流側の電圧を検出する電圧検出手段と、前記スイッチング手段のON幅を演算するON幅演算手段と、前記電圧検出手段の出力とON幅演算手段の出力と予め設定した抵抗値とから回生電力を演算する電力演算手段とを備えたことを特徴とする請求項5記載の抵抗器の過熱保護方法。
- 前記抵抗器に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記スイッチング手段のON幅を演算するON幅演算手段と、前記電流検出手段の出力とON幅演算手段の出力と予め設定した抵抗値とから回生電力を演算する電力演算手段とを備えたことを特徴とする請求項5記載の抵抗器の過熱保護方法。
- 前記直流側の電圧を検出する電圧検出手段と、前記抵抗器に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記スイッチング手段のON幅を演算するON幅演算手段と、前記電圧検出手段の出力と前記電流検出手段の出力とON幅演算手段の出力とから回生電力を演算する電力演算手段とを備えたことを特徴とする請求項5記載の抵抗器の過熱保護方法。
- 前記抵抗器の回路方式を設定し、記憶することを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の抵抗器の過熱保護方法。
- 前記抵抗器の抵抗値,抵抗体と被覆部表面との熱抵抗,被覆部表面と外気との熱抵抗,抵抗体の比熱,被覆部の比熱,抵抗体および被覆部表面の保護温度を設定し、記憶することを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の抵抗器の過熱保護方法。
- 抵抗器に対応する抵抗値,抵抗体と被覆部表面との熱抵抗,被覆部表面と外気との熱抵抗,抵抗体の比熱,被覆部の比熱,抵抗体および被覆部表面の保護温度を予め記憶させ、接続される抵抗器を選択することを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の抵抗器の過熱保護方法。
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