JP4322940B2 - 電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動を検知する電動送風機の逆転起動判定装置に関する。

電気車制御装置に用いられるコンバータやインバータなどの電力変換装置では、単相交流から直流、直流から三相交流への電力変換のために、ゲートターンオンサイリスタ（ＧＴＯサイリスタ）や高速ダイオードなどの電力用半導体を使用している。これらの素子は、通流時やターンオン、ターンオフのスイッチング時に損失が発生するために、凝縮器を用いて、電動送風機による強制通風冷却方式が一般的に採用されている。

この電動送風機を駆動するための電動送風機駆動電動機として単相交流電動機を用いた場合、無通電時に電動送風機に外部からの通風などによって強制的に逆転力が加えられていると、電源を投入した時に逆転起動する可能性があり、そのまま電力変換装置の運転を継続するならば、必要な冷却風量が得られず、電力変換用素子の温度上昇に発展し、運転を停止することになる。

また、通常は電動送風機には冷却系統への塵埃の侵入を防ぐためにフィルタが設けられている。このフィルタは一定周期にて清掃されるが、フィルタが塵埃によって目詰まりするようになると、電動送風機の風量が低下し、凝縮器に必要な冷却風量が得られなくなり、電動送風機の逆転起動の場合と同様に電力変換用素子の温度上昇を引き起こし、電力変換装置の運転を停止することになる。

そこで、従来から電力変換装置の運転停止を防止するための電動送風機の保護装置として、図４に示す構成のものが採用されている。この従来の電動送風機の保護装置は、電動送風機１の逆転起動を検知するために冷却風洞２内に圧力スイッチ（ＰＳ）３に設置している。図４の従来の電動送風機の保護装置は、電動送風機１の逆転の検知を電動送風機１の起動時のみに限定するための緩動時素（ＴＤ１）４、逆転起動の検知を電動送風機１の通電電流が整定していない起動直後は行わないための緩動時素（ＴＤ２）５、否定論理回路（ＮＯＴ１）６、否定論理回路（ＮＯＴ２）７、論理積回路（ＡＮＤ）８、フリップフロップ９によって構成されている。

この従来の電動送風機の保護装置では、電動送風機１の電源投入によって緩動時素（ＴＤ１）４が緩動時間ｔ１のタイムカウントを始め、緩動時間ｔ１が経過するまでは否定論理回路（ＮＯＴ１）６に「０」を出力し、否定論理回路（ＮＯＴ１）６が出力論理「１」を継続的に出力する。また電源投入後に電動送風機１が逆転起動したことにより、冷却風洞２内の圧力が上昇せず、圧力スイッチ３の出力論理は「１」となる。したがって、論理積回路（ＡＮＤ）８の両入力が「１」であり、その出力論理が「１」となる。この論理積回路８の出力は緩動時素（ＴＤ２）５に入力され、入力論理「１」が緩動時間ｔ２以上継続した場合には、出力論理「１」をフリップフロップ７に出力し、フリップフロップ７は故障検出信号を出力して電力変換装置を停止させ、電動送風機１の電源を開放する。また、電動送風機１の電源を解除することによって否定論理回路（ＮＯＴ２）７の出力論理は「１」となり、フリップフロップ７をリセットする。

しかしながら、このような従来の電動送風機の保護装置では、電動送風機１の逆転起動を圧力スイッチ３によって検知するようにしていたため、圧力スイッチ３の調整や保守が必要であり、技術者に労力負担がかかる問題点があった。またフィルタの目詰まりによって風量が低下すると、電動送風機の特性から風洞２内の静圧が上昇するために、気圧の低下を検知する圧力スイッチ３ではフィルタの目詰まりによる風量の低下を検知することができない問題点もあった。

ところで、電動送風機の起動電流は定格、例えば、定格電圧４４０Ｖで電流値５Ａに達するまで急激に増加する。しかしながら、逆転起動の場合、図５の曲線Ａに示すように起動電流は大きく変化しない。そこで、電源投入直後の短い期間内の電流変化を監視し、あらかじめ設定した電流基準値を超えない場合には逆転起動であると判定して保護動作させることが可能となる。また、通電電流の整定後にこの電流比較を行うと、さらに正確に逆転起動を検出することができるようになる。

また電動送風機のフィルタの目詰まりが発生すると、図６の曲線Ｑ−Ｈに示すように正常起動であっても電動送風機の風量がａ→ｂの方向へ低下し、通電電流も同図の曲線ｉ−Ｑに示すように正常時よりも低い値（ｃ→ｄの方向）へ変化するので、正常起動時に、電源投入後、電流が整定した後の通電電流がある基準値よりも低くなればフィルタ目詰まりによる風量低下と見なすことができることになる。

本発明はこのような技術的考察に基づいて発明されたもので、電動送風機の通電電流を監視し、その電源投入直後の電流挙動によって電動送風機の逆転起動を検知して出力するようにし、保守、調整のために要する技術者の負担を軽減することができる電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動判定装置を提供することを目的とする

請求項１の発明の電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動判定装置は、電気車制御装置を冷却する電動送風機に対する交流電源からの通電電流の挙動を監視する電流監視手段と、前記電流監視手段が監視する前記通電電流と逆転電流セット値との大小を比較する電流比較手段と、前記交流電源の投入後、あらかじめ設定した第１の基準時間が経過する前で、かつ、前記電流比較手段が前記通電電流が逆転電流セット値よりも小さいとの比較結果を出力している間中、前記電動送風機の逆転起動を判定して出力する逆転起動判定手段と、前記逆転起動判定手段が前記逆転起動の判定出力を、あらかじめ整定時間に相当する時間として設定した第２の基準時間以上継続して出力している時に前記逆転起動の最終判定を出力する誤判定防止手段とを備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１の電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動判定装置において、前記電動送風機に対する交流電源の電圧挙動を監視する電圧監視手段と、前記電流監視手段の監視する前記通電電流の変動を前記電圧監視手段の監視する電圧挙動に基づいて補正し、補正後の通電電流を前記電流比較手段に与える電流補正手段とを備えたものである。

請求項１の発明の電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動判定装置では、電流監視手段の監視する電動送風機に対する通電電流が電源投入後、第１の基準時間が経過する前で、かつ、逆転電流セット値より低電流である間中、逆転起動判定手段が電動送風機の逆転起動の判定し、さらに、この逆転起動の判定出力があらかじめ整定時間に相当する時間として設定した第２の基準時間以上継続して出力している時に、誤判定防止手段が逆転起動の最終判定を出力するので、従来のように風洞の風圧の低下によって逆転起動を検知する場合のように風圧センサのような調整、保守を必要とする部品を必要とせず、それだけ技術者の労力負担を軽減することができる。

さらに、請求項１の発明の電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動判定装置で、電動送風機の電源投入直後、通電電流が整定するまで逆転起動の判定を待つことにより、一時的な電流低下で逆転起動の誤判定するのを防止し、逆転起動検出の信頼性を高めることができる。

請求項２の発明の電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動判定装置では、電源電圧の低下によって電動送風機の通電電流も低下した場合には通電電流の検出値を補正し、補正後の通電電流の検出値に基づいて逆転起動の判定を行うので、電源電圧の低下により通電電流が低下した場合を逆転起動の場合と区別し、逆転起動だけを正確に検出することができ、逆転起動検出の信頼性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定装置の構成を示している。この第１の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定装置は、電動送風機１の駆動電動機（図示せず）に対する単相交流電源の通電電流を検出する電流検出器１１、この電流検出器１１の検出信号を平滑化する平滑回路１２、この平滑回路１２の出力する電流値を電動送風機の電流特性からあらかじめ求められる逆転電流セット値ＳＥＴ１と比較する比較回路（１）１３を備えている。

電動送風機の逆転起動判定装置はまた、電動送風機の電源投入時に、時間ｔ１のディレイをかけてオン信号を出力する緩動時素（ＴＤ１）１４、この緩動時素１４の出力に対する否定論理回路（ＮＯＴ（１））１５、比較回路（１）１３の出力と否定論理回路１５の出力とを入力とする論理積回路（ＡＮＤ（１））１６、この論理積回路１６の出力論理値が一定時間ｔ２の間継続する場合にその出力論理値を出力する緩動時素（ＴＤ２）１７、この緩動時素１７の「１」出力により作動して故障信号を出力するフリップフロップ１８を備えている。さらにこのフリップフロップ１８のリセットのために電源解除時にフリップフロップ１８にリセット信号を与えるための否定論理回路（ＮＯＴ（２））１９を備えている。

緩動時素（ＴＤ１）１４は、電動送風機１の逆転起動は電源投入時のみに発生するので逆転検知を電源投入直後に限定するために設けられた時素であり、電源投入後、設定時間ｔ１が経過すれば電動機電流が低下しても、当該逆転起動判定装置に逆転検知とは認識させない。緩動時素（ＴＤ２）１７は、電動送風機の電源投入直後で、通電電流が整定するまでの間は逆転検知を行わないようにするために設けられた時素である。

次に、上記構成の第１の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定装置の動作を説明する。電動送風機１の電源投入直後、時間ｔ１が経過するまでは、緩動時素（ＴＤ１）１４によって否定論理回路（ＮＯＴ（１））１５の入力論理値は「０」であり、したがってこの否定論理回路１５の出力論理値は時素ｔ１の間継続して「１」となり、これが論理積回路（ＡＮＤ（１））１６の一方の入力となる。

また、電源投入によって電動送風機１の通電電流が電流検出器１１によって検出され、平滑回路１２を経て出力される電流検出値が比較回路（１）１３に入力され、ここで逆転電流セット値ＳＥＴ１と比較され、逆転起動が起こっていて検出電流値の方が低電流となっていれば比較回路（１）１３から出力論理値「１」が出力され、これが論理積回路（ＡＮＤ（１））１６に他方の入力として与えられる。

論理積回路（ＡＮＤ（１））１６は、比較回路（１）１３からの入力と否定論理回路（ＮＯＴ（１））１５からの入力とが共に「１」である場合、すなわち、電源投入直後のｔ１時間が経過する前で、かつ、電動送風機１の通電電流が逆転起動電流セット値ＳＥＴ１よりも低電流である場合には、論理値「１」を出力し続ける。そして論理積回路（ＡＮＤ（１））１６の出力「１」が緩動時素（ＴＤ２）１７の設定時間ｔ２を超える時間継続する場合、フリップフロップ１８に対する出力論理値は「１」となり、フリップフロップ１８が逆転起動の故障信号を出力する。

この逆転起動による故障信号は図示していない電力変換装置に与えられ、電源を開放する保護動作が実行されることになる。なお、フリップフロップ１８の故障信号出力は、電源解除によって否定論理回路（ＮＯＴ（２））１９の出力論理が「１」になるとリセットされる。

これによって、本発明の第１の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定装置では、電動送風機１に対する通電電流を監視していて、電源投入後、緩動時素（ＴＤ１）１４が規定する時間ｔ１を経過する前で、かつ、逆転電流セット値ＳＥＴ１より低電流である場合に電動送風機の逆転起動と判定し、さらに、この逆転起動の判定出力が緩動時素（ＴＤ２）１７が規定する通電電流の整定時間ｔ２以上継続する時にフリップフロップ１８から逆転起動の最終判定を出力し、この逆転起動の最終判定出力を受けて電力変換装置を停止し、また電動送風機の電源を開放することによって逆転起動時の保護動作を行うのである。

なお、上記の第１の実施の形態では電源投入直後、通電電流が整定するまでは逆転検知を行わないようにするための緩動時素（ＴＤ２）１７を誤動作防止のために有用なものではあるが、必ずしも必要なものではなく、コスト低減や回路構成を簡素にする必要がある場合には省略することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定装置について、図２に基づいて説明する。第２の実施の形態の特徴は、図１に示した第１の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定装置に対して、さらに、電動送風機１の単相交流電源に対する電圧検出器２０と、この電圧検出器２０の検出する電圧値Ａを電源定格電圧値Ｂによって除算する除算器２１と、この除算器２１の出力を平滑回路１２の出力する電流検出値と掛算し、その結果を比較回路（１）１３に出力する掛算器２２とを追加的に備えた点にある。なお、その他の構成要素は第１の実施の形態と共通であり、同一の部分には同一の符号を付して示してある。

この第２の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定装置では、電圧検出器２０によって検出された電動送風機１の電源電圧値Ａと、電源電圧の定格電圧値Ｂとの比を除算器２１によって計算し、さらに掛算器２２においてこの比Ｂ／Ａを電動送風機１の通電電流検出値に乗じ、通電電流検出値を補正する。すなわち、電動送風機１の電圧−電流特性は図５に示したように、電圧Ｖが上昇する場合には実電流値ｉは低下し（曲線Ａ１）、逆に電圧Ｖが低下する場合には実電流値ｉは上昇する（曲線Ａ２）。そこで、Ｂ／Ａによって実電流値ｉを補正することによって（ｉ×Ｂ／Ａ）、定格電流値に換算するのである。

そしてこの補正後の電源電流の変動を監視し、第１の実施の形態と同様に、電源投入後、緩動時素（ＴＤ１）１４が規定する時間ｔ１を経過する前で、かつ、逆転電流セット値ＳＥＴ１より低電流である場合に電動送風機１の逆転起動と判定し、さらに、この逆転起動の判定出力が緩動時素（ＴＤ２）１７が規定する通電電流の整定時間ｔ２以上継続する時にフリップフロップ１８から逆転起動の最終判定を出力し、この逆転起動の最終判定出力を受けて電力変換装置を停止し、また電動送風機１の電源を開放することによって逆転起動時の保護動作を行うのである。

これによって、第２の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定装置によれば、電動送風機１の電源電圧の変動によって実電流値が変化した場合、特に電圧の上昇によって実電流値が低下した場合にも逆転起動の誤検知を防止し、正確に逆転起動を検知することができるようになる。

次に、本発明の第３の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定及び目づり判定装置について、図３に基づいて説明する。この第３の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定及び目づり判定装置は、図２に示した第２の実施の形態に対して、さらに電動送風機１のフィルタの目詰まりに起因する風量低下の検出回路３０を付加したことを特徴とする。なお、図２に示した第２の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。

風量低下検出回路３０は、第２の実施の形態における通電電流の検出系統における乗算器２２の出力(1)を電流セット値ＳＥＴ２と比較する比較回路（２）３１と、電動送風機１の電源投入信号に対する時間ｔ１の緩動時素（ＴＤ１）１４の出力(2)と比較回路（２）３１の出力との論理積を演算する論理積回路（ＡＮＤ（２））３２と、この論理積回路（ＡＮＤ（２））３２の出力論理値に対する時間ｔ３の緩動時素（ＴＤ３）３３から構成されていて、正常起動時に風量低下を検出した時に緩動時素（ＴＤ３）３３からアラーム出力を行うものである。なお、電流セット値ＳＥＴ２は、電動送風機１の単相交流電動機の特性から求まるフィルタの目詰まりによる風量低下時の通電電流値に見合う値にあらかじめ設定される。つまり、図６におけるｉ−Ｑ曲線のｄ点よりも若干低い値に設定される。

以下、この第３の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定及び目づり判定装置の動作を説明する。電動送風機１の逆転起動が発生した場合には、第２の実施の形態と全く同様に動作して、フリップフロップ１８から故障信号を出力して電動送風機電源を開放させる。

そして正常起動時には、次のように動作する。電源投入直後の時間ｔ１の間は緩動時素（ＴＤ１）１４が出力論理値「０」を出力しており、これが風量低下検出回路３０の論理積回路（ＡＮＤ（２））３２の一方の入力になるので、この論理積回路３２の出力論理値が「０」であり、緩動時素（ＴＤ３）３３から風量低下アラーム信号が出力されることはない。すなわち、電源投入直後にはこの検出回路３０が働かず、実際には緩動時素（ＴＤ１）１４が「１」を出力するようになる電源投入後、さらにｔ１時間経過した後ということになる。そしてｔ１時間が経過しても風量低下検出回路３０側に電流信号(1)と電源投入信号(2)が入力されてくるのは、逆転起動を検出して電源開放していない場合であるので、正常起動時にのみこの風量低下検出回路３０が働くことになるのである。

電動送風機１のフィルタの目詰まりのために風量が低下し、それに伴って電動送風機１の通電電流も低下して電流セット値ＳＥＴ２よりも低くなると、比較回路（２）３１の出力論理値は「１」に変化する。この変化により、正常起動時には上述したように緩動時素（ＴＤ１）１４の出力(2)は常に「１」であるので、論理積回路（ＡＮＤ（２））３２の出力も「１」に変化する。そしてこの論理積回路（ＡＮＤ（２））３２の出力論理値「１」が緩動時素（ＴＤ３）３３の時間ｔ３以上継続すると、緩動時素（ＴＤ３）３３は風量低下アラーム信号を出力する。

なお、このアラーム信号の出力に対応して、図示していない電力変換装置から、例えばモニタ装置などへフィルタ目詰まりのアラームを表示出力させ、またブザー出力させることによって、技術者にフィルタの清掃や交換の必要を知らせることになる。

この第３の実施の形態の電動送風機の逆転起動判定及び目づり判定装置では、第２の実施の形態と同様に電動送風機１の電源電圧の変動によって実電流値が変化した場合、特に電圧の低下によって実電流値が低下した場合にも逆転起動の誤検知を防止し、正確に逆転起動を検知することができ、その上に、正常起動時にはフィルタ目詰まりによる風量低下を検出してアラーム出力することができ（この場合にも電圧変動を加味した電流値に基づいて判定している）、そのいずれにも従来のように電動送風機の風洞内の風圧を検出するセンサを利用して検出するのではなく、基本的には電源電流の検出値に基づいて検出するので、信頼性が高く、また調整、保守作業が削減できることになる。

なお、この第３の実施の形態では、図２に示した第２の実施の形態と同一の逆転起動検出保護回路に対して、さらに風量低下検出回路３０を付加した構成としたが、これに限らず、図１に示した第１の実施の形態と同一の逆転起動検出保護回路に対して、さらに風量低下検出回路３０を付加した構成とすることもできる。

また、上記の各実施の形態では論理回路は正論理で説明したが、これに限らず、一般的に行われている負論理構成とすることも可能である。

本発明の第１の実施の形態の回路ブロック図。 本発明の第２の実施の形態の回路ブロック図。 本発明の第３の実施の形態の回路ブロック図。 従来例の回路ブロック図。 電動送風機の電流−静圧特性を示すグラフ。 電動送風機のｉ−Ｑ特性、Ｑ−Ｈ特性を示すグラフ。

符号の説明

１ 電動送風機
１１ 電流検出器
１２ 平滑回路
１３ 比較回路
１４ 緩動時素
１５ 否定論理回路
１６ 論理積回路
１７ 緩動時素
１８ フリップフロップ
１９ 否定論理回路
２０ 電圧検出器
２１ 除算器
２２ 掛算器
３０ 風量低下検出回路
３１ 比較回路
３２ 論理積回路
３３ 緩動時素

Claims (2)

1. 電気車制御装置を冷却する電動送風機に対する交流電源からの通電電流の挙動を監視する電流監視手段と、
   前記電流監視手段が監視する前記通電電流と逆転電流セット値との大小を比較する電流比較手段と、
   前記交流電源の投入後、あらかじめ設定した第１の基準時間が経過する前で、かつ、前記電流比較手段が前記通電電流が逆転電流セット値よりも小さいとの比較結果を出力している間中、前記電動送風機の逆転起動を判定して出力する逆転起動判定手段と、
   前記逆転起動判定手段が前記逆転起動の判定出力を、あらかじめ整定時間に相当する時間として設定した第２の基準時間以上継続して出力している時に前記逆転起動の最終判定を出力する誤判定防止手段とを備えて成る電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動判定装置。
2. 前記電動送風機に対する交流電源の電圧挙動を監視する電圧監視手段と、
   前記電流監視手段の監視する前記通電電流の変動を前記電圧監視手段の監視する電圧挙動に基づいて補正し、補正後の通電電流を前記電流比較手段に与える電流補正手段とを備えて成る請求項１に記載の電気車制御装置を冷却する電動送風機の逆転起動判定装置。

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