JP4994788B2 - 電子サーマル装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流を検出して、負荷装置の温度上昇を推定し、負荷装置が過熱状態とならないように保護する電子サーマル装置に関する。

交流電流又は直流電流を供給して駆動する交流又は直流のモータ等の負荷装置は、温度上昇により絶縁耐力が低下して、絶縁破壊等により焼損する可能性が高くなる。その場合に、負荷装置の温度を直接的に測定できない場合、負荷電流を検出して、消費電力の所定時間毎の累算値を求めると、この累算値は、所定時間内の消費電力量を示すことになり、その消費電力量に比例して温度が上昇するから、予め設定した値と比較し、測定累算値が設定値を超えると、負荷電流の制限又は遮断を行って、負荷装置の異常温度上昇を防止する電子サーマル装置が知られている。

図５は、従来例の電子サーマル装置の要部を示すもので、１００はモータ等の負荷装置、１０１は負荷装置の種類に対応した負荷電流を供給するインバータ又はコンバータの構成を有する電源装置、１０２はマイクロプロセッサ等からなる電子サーマル装置、１０３は電流センサ、１０４は電流検出回路、１０５はＡ／Ｄコンバータ、１０６は２乗演算部、１０７は累算演算部、１０８は比較部を示す。

電源装置１０１は、電池等の直流電源を入力電源として示しているが、交流電源を入力電源とする構成の場合もあり、負荷装置１００の構成に対応して、直流又は交流の出力電圧／電流を供給する構成を有するものである。この電源装置１０１から負荷装置１００に供給する電流ｉを電流センサ１０３と電流検出回路１０４とにより検出した電流値Ｉを電子サーマル装置１０２に入力する。電子サーマル装置１０２は、検出したアナログの電流値ＩをＡ／Ｄコンバータ１０５によりサンプリング周期（検出周期ｔ）毎に、ディジタル信号Ｘに変換し、２乗演算部１０６により２乗演算してＸ^２を求める。この値は、負荷装置１００の抵抗成分を一定の値とすると、負荷装置１００に於ける消費電力に相当するものとなる。そして、累算演算部１０７により、リセット周期ＲＴ毎の累算処理（ΣＸ^２）行う。この累算値ΣＸ^２は、検出電流値の２乗を、リセット周期ＲＴにわたって時間積分したものとなるから、リセット周期ＲＴ内の消費電力量に相当する値を示す。この累算値ΣＸ^２とアラーム設定値Ａとを比較部１０８に於いて比較し、アラーム設定値Ａを超えると、負荷装置１００の消費電力量が増加して、その温度が上昇していると推定することができる。この場合、アラーム信号を電源装置１０１に入力することにより、負荷装置１００に供給する電流の制限又は遮断を行い、負荷装置１００の異常温度上昇を防止する。

又図６は、他の従来例の電子サーマル装置の要部を示すもので、図５と同一符号は同一名称部分を示し、１０９はメモリである。このメモリ１０９は、２乗演算部１０６により求めた値Ｘ^２を所定数ｎについて保持する容量を有するもので、Ａ／Ｄコンバータ１０５の変換周期を検出周期ｔとすると、メモリ１０９のｎ個の領域によって、ｔ×ｎ＝Ｔの時間にわたる２乗演算出力値が保持される。そして、時間的に１番古い２乗演算出力値を保持している領域に、期間Ｔ後の１番新しい２乗演算出力値を上書きする。累算演算部１０７は、メモリ１０９のｎ個の領域に保持されている２乗演算出力値を累算して、ｔ×ｎ＝Ｔの時間にわたる時間積分値を求め、その演算出力値を、比較部１０８に於いてアラーム設定値Ａと比較し、アラーム設定値Ａを超えると、負荷装置１００の消費電力量が増加して、その温度が上昇していると推定し、アラーム信号を電源装置１０１に入力する。それにより、電源装置１０１は負荷装置１００に供給する電流の制限又は遮断を行い、負荷装置１００の異常温度上昇を防止する。

又インバータ駆動のモータに供給する電流と周波数とを基に、モータの実負荷量を求め、定格負荷量と実負荷量との差分を求め、その正又は負の極性の差分値を累算し、実負荷量が増大することにより累算値が増加する。この累算値と判定基準値を比較し、累算値が判定基準値を超えた時に、モータが過熱状態となったと推定して、電流制限又は電流遮断を行う保護手段が知られている（例えば、特許文献１参照）。

又モータに供給する電流を検出して、第１、第２の上限電流値と比較し、第１の上限電流値を所定時間継続して超えると、過負荷検出信号を表示し、第１の上限電流値より大きい第２の上限電流値を超える時間が所定時間継続すると、モータに供給する電流を遮断する電子サーマルと共に、モータの温度を検出する温度センサを設けて、モータを保護する手段も知られている（例えば、特許文献２参照）。又交流電源にコンバータを接続して直流に変換し、その直流をインバータに入力して３相交流に変換し、その３相交流電圧を３相のモータに供給して駆動する構成に於いて、インバータの出力電流に対して、第１の制限レベルと第２の制限レベルとを設定し、電子サーマル値を基に、制限レベルの切替えを行う手段が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平９−９６８４号公報 特開２００５−２６２７９５号公報 特開２００５−２６９８１４号公報

電子サーマル装置は、演算機能を含むものであるから、マイクロプロセッサ等により構成し、負荷装置の電流検出値を基に演算して、負荷装置の過負荷等を監視するものであり、従って、負荷装置の種類等に対応して演算の為の設定値の変更等によって対応可能となる場合が一般的である。このような従来例の電子サーマル装置として、例えば、図５に示す従来例の構成に於いては、電流検出周期ｔ毎の２乗演算結果を順次累算した結果を保持するメモリ容量で済むものであるが、周期Ｔ毎に初期状態にリセットすることにより、周期Ｔ以上の期間の連続性がなく、負荷装置の監視機能として充分ではない問題がある。

この図５に示す従来例に対して、例えば、図６に示す従来例の構成に於いては、累算期間を、図５に示す場合と同一のＴとしたとしても、電流検出周期ｔ毎に時間シフトした状態で、ｔ×ｎ＝Ｔの周期にわたる累算値を求めるものであるから、周期Ｔ毎に累算を行うものではなく、電流検出周期ｔ毎の時間シフトによる時間積分を求めることにより、前周期に於ける影響を含めることになり、断続的ではなく、ほぼ連続した状態で負荷装置の監視を行うことができる。しかし、検出電流値の２乗値を、周期Ｔにわたって保持する為のメモリ容量を必要とし、周期Ｔを長くし、又は検出周期ｔを短くして、電子サーマル装置としての信頼性を向上する為には、メモリ容量を増大しなければならない問題がある。

又電子サーマル装置のコスト低減の為には、１チップマイコンと称されるマイクロプロセッサを用いる構成が一般的であり、１チップ構成であるから、内蔵メモリの容量は、外付けメモリのように大容量の構成とすることは困難である。従って、前述の図６に示す構成の場合、周期Ｔ及び検出周期ｔは、内部メモリ容量によって制約を受ける問題がある。

本発明は、前述の従来例の問題点を解決するものであり、制約されたメモリ容量に比較して、検出電流値の２乗値の累算期間を長く且つ検出周期を短くして、監視機能としての信頼性を向上することを目的とする。

本発明の電子サーマル装置は、負荷装置に供給する電流を検出して、その電流の２乗値を基に負荷装置の温度上昇を推定して、負荷装置を保護する為の電子サーマル装置であって、負荷装置に供給する電流を検出周期毎に検出した検出電流値を２乗して第１の期間にわたり累算する第１の演算部と、この第１の演算部による累算値を第２の期間にわたり保持するメモリと、このメモリに保持された第２の期間にわたる累算値を累算する第２の演算部と、この第２の演算部による累算値がアラーム設定値を超えた時にアラーム信号を出力する比較部とを備えている。

又負荷装置の表面や周辺の温度を検出した温度検出信号を入力して、比較部に入力するアラーム設定値を、温度検出信号が温度の上昇を示す時に、低くするように選択するアラーム設定値選択回路を設けることができる。

又負荷装置を電動機とし、この電動機の回転数を検出して、この回転数の上昇に対応して検出周期を短くし、且つ第１の期間を短くするように周期を変更制御する周期設定値選択回路を設けることができる。

負荷装置に供給する電流を検出して、その２乗値をそのままメモリに保持させるものではなく、その２乗値を第１の期間にわたって累算した累算値をメモリに保持させることによって、少ないメモリ容量で、第１の期間と、メモリに保持できるデータ数との積に相当する長期間にわたる累算値を求めることができることにより、監視機能としての信頼性を向上することができる。

本発明の電子サーマル装置は、図１を参照すると、負荷装置１０に供給する電流を検出して、その電流の２乗値を基に負荷装置１０の温度上昇を推定して、負荷装置１０を保護する為の電子サーマル装置１であって、負荷装置１０に供給する電流を検出周期ｔ毎に検出した検出電流値を２乗して第１の期間にわたり累算する第１の演算部と、この第１の演算部による累算値を第２の期間にわたり保持するメモリ３と、このメモリ３に保持された第２の期間にわたる累算値を累算する第２の演算部と、この第２の演算部による累算値がアラーム設定値を超えた時にアラーム信号を出力する比較部との機能を含む演算部２を備えている。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、１は電子サーマル装置、２は演算部（ＰＵ）、３は演算結果の保持等を行うリード、ライト可能のメモリ（ＲＡＭ）、４はプログラム等を格納したリード専用のメモリ（ＲＯＭ）、５は電流検出部、６は駆動制御部、１０は負荷装置としての交流電動機（Ｍ）、１１は電流検出器、１２はインバータ、１３はコンバータ、１４は交流電源、１５はコンデンサを示す。電子サーマル装置１は、１チップマイクロコンピュータの構成を有し、メモリ３，４は演算部２と共に１チップ上に形成された場合を示す。

負荷装置としての交流電動機１０に対する給電線は、単線として図示しているが、単相交流電動機の場合は２線による給電線、多相交流電動機の場合は相数に応じた数の線による給電線とするものであり、又直流電動機を負荷装置とする場合は、２線の給電線とする。又インバータ１２も交流電動機１０が単相であるか又は多相であるかに対応して、直流電圧を単相又は多相の交流電圧に変換する構成とする。又交流電動機１０の回転数を制御する為に、交流電圧の周波数を変更可能の構成とすることも可能である。又交流電源１４は３相の場合を示し、この交流電源１４からの交流電圧をコンバータ１３により直流電圧に変換し、コンデンサ１５により平滑化やノイズ成分除去した直流電圧をインバータ１２に供給する。又負荷装置として直流電動機を用いる場合は、インバータ１２を省略し、コンバータ１３の出力直流電圧を負荷装置の直流電動機に供給する構成とする。

又電子サーマル装置１は、演算部２と、メモリ３，４と、電流検出部５と、駆動部６とを含む構成を有する場合を示し、交流電動機１０の負荷電流を電流検出器１１により検出して、電流検出部５に入力する。この電流検出部５は、検出電流を検出周期ｔ毎にサンプリングしてディジタル信号値に変換し、演算部２に入力する。演算部２は、２乗演算部と第１の演算部と第２の演算部と比較部との機能を少なくとも含むものであり、検出電流を２乗して第１の期間について累算し、その累算値をメモリ３に保持させる。この第１の期間の２乗値の累算値を順次第２の期間にわたってメモリ３に保持させ、この第２の期間内の累算値を求めて、アラーム設定値と比較し、アラーム設定値を超えた場合に、負荷装置としての交流電動機１０が過負荷状態と判定して、演算部２は、駆動部６にアラーム信号を加え、駆動部６はインバータ１２の動作の停止、出力周波数の低下、出力電圧又は電流の低下等の制御により、交流電動機１０の過負荷状態からの保護を行う。

前述の従来例と同様に、電流検出周期、即ち、電流検出部５に於けるディジタル信号に変換する為のサンプリング周期をｔとし、この周期ｔに於ける検出電流のディジタル値Ｘの２乗を求めて、この２乗値Ｘ^２を第１の期間ＲＴにわたって累算した累算値ΣＸ^２を、メモリ３に第２の期間ＳＴにわたって、順次最古の累算値を最新の累算値に更新することにより保持する。即ち、最新の第１の期間ＲＴの累算値を含めて、第２の期間ＳＴにわたって保持することになる。そして、第２の期間ＳＴにわたって保持した第１の期間ＲＴの累算値ΣＸ^２を累算する（Σ（ΣＸ^２））。この累算値Σ（ΣＸ^２）とアラーム設定値とを比較し、アラーム設定値を超えた場合、前述のように、交流電動機１０の消費電力量の増加により温度が上昇していると推定して、交流電動機１０の保護制御を行う。

メモリ３は、１チップマイクロプロセッサの場合に、２５６バイト構成の場合が多く、その中の６４バイトが演算処理等に使用可能とすることができる。その為、例えば、図６に示す従来例に於いては、電流検出値を８ビット精度でディジタル信号に変換し、メモリの６４バイトの中の９バイトを演算処理用とすると、残りの５５バイトの領域により８ビット構成の電流検出ディジタル値を、５５回分保持することができることになる。これに対して、本発明の実施例に於いては、２乗値Ｘ^２は１６ビット構成、これを第１の期間ＲＴにわたって例えば２５６回累算した累算値ΣＸ^２を例えば２４ビット構成とし、メモリの前述の６４バイトの領域の中の１０バイトの領域を演算用、残りの５４バイトの領域を２４ビット構成の累算値ΣＸ^２の保持用とすると、この累算値ΣＸ^２を１８回分保持することができる。従って、２５６回累算した結果を１８回分保持するから、合計で、２５６×１８＝４６０８回分の電流検出値を保持して、第２の期間ＳＴにわたる累算値を求めることができる。それにより、メモリ容量を従来例と同一とし、且つ電流の検出周期を同一とした場合、累積期間を約８０倍以上長くして、負荷装置の監視の信頼性を向上することが可能となる。

図２は、本発明の第１の実施例の機能説明図であり、２０は負荷装置、２１は負荷装置の構成に対応した電源装置としてのインバータ又はコンバータ、２２は電流センサと電流検出回路とからなる負荷電流検出部、２３は電子サーマル装置、２４は検出周期ｔのサンプリング周期でディジタル信号値に変換するＡ／Ｄコンバータ、２５は２乗演算部、２６は第１の周期ＲＴ（リセット周期）にわたって累算する第１の演算部、２７はメモリ、２８は第２の周期ＳＴにわたって累算する第２の演算部、２９は比較部を示す。

電動機等の負荷装置２０の構成に対応した電源装置としてのインバータ又はコンバータ２１から供給する電流ｉを、負荷電流検出部２２により検出し、その検出した電流Ｉを電子サーマル装置２３に入力する。電子サーマル装置２３は、図１に示す電流検出部５に対応するＡ／Ｄコンバータ２４と、メモリ３に対応するメモリ２７と、演算部２に対応する２乗演算部２５、第１及び第２の演算部２６，２８、比較部２９とを含むもので、Ａ／Ｄコンバータ２４に於けるサンプリング周期を負荷電流の検出周期ｔとし、負荷電流検出部２２による検出電流Ｉをディジタル値Ｘに変換し、２乗演算部２５により２乗して消費電力値に相当する値とし、その２乗値Ｘ^２を第１の演算部２６により、第１の周期、即ち、累算値をリセットするリセット周期ＲＴにわたって累算し、この累算値ΣＸ^２をメモリ２７に順次保持する。即ち、累算値ΣＸ^２を、第１の期間ＲＴのｎ倍の第２の期間ＳＴにわたってそれぞれメモリ２７に保持するものであり、メモリ２７内のΣＸ^２ _１〜ΣＸ^２ _ｎとして図示するように保持する。そして、次の第２の周期ＳＴの最初の累算値により、前の周期ＳＴの最初の累算値を書き換えるようにして、メモリ２７により第２の周期ＳＴにわたる累算値を更新しながら保持する。

第２の演算部２８は、メモリ２７に保持された第２の周期ＳＴにわたる累算値ΣＸ^２を累算する。この累算値Σ（ΣＸ^２）を比較部２９に於いてアラーム設定値Ａと比較し、このアラーム設定値Ａを超えた場合、アラーム信号をインバータ又はコンバータ２１に入力して、負荷装置２０が温度上昇していると推測し、負荷電流ｉを遮断又は低減させて、負荷装置２０を過負荷状態から保護することができる。

図３は、本発明の実施例２の機能説明図であり、図２と同一符号は同一名称部分を示し、３０はアラーム設定値選択回路、３１は温度検出回路、３２は温度センサを示す。温度センサ３２は、負荷装置２０の表面温度、周囲温度、インバータ又はコンバータ２１の部品温度等の１個所又は複数個所の温度を検出できるように設け、検出信号を温度検出回路３１に入力し、この温度検出回路３１からアラーム設定値選択回路３０に温度検出信号を入力する。アラーム設定値選択回路３０は、温度検出回路３１から温度検出信号が温度上昇を示す場合、比較部２９に入力するアラーム設定値Ａを低下させる。それにより、負荷装置２０の周囲温度や表面温度等の上昇に合わせて、累算値Σ（ΣＸ^２）と比較部２９に於いて比較するアラーム設定値Ａを低下させる。それにより、負荷装置２０の温度が、電流による温度上昇の推定値を上回る可能性を含むことを加味して、過負荷状態からの保護を確実に行うことができる。

図４は、本発明の実施例３の機能説明図であり、図２と同一符号は同一名称部分を示し、２０Ａは負荷装置としての電動機、２１Ａは電源装置としてのインバータ、３３は検出周期ｔ及びリセット周期（第１の期間）ＲＴを選択設定する周期設定値選択回路、３４は回転数検出回路、３５は回転数センサを示す。この実施例３は、電動機２０Ａを負荷装置として、電子サーマル装置２３により監視する場合を示し、電動機２０Ａは、回転数に対応して温度上昇特性が相違することになるから、電動機２０Ａの回転数を検出する回転数検出センサ３５と回転数検出回路３４とを設け、この回転数検出回路３４からの回転数検出信号を周期設定値選択回路３３に入力して、Ａ／Ｄコンバータ２４に於けるサンプリング周期、即ち、検出周期ｔの変更及び第１の演算部２６による累算周期、即ち、リセット周期ＲＴの変更を行う。例えば、電動機２０Ａを高速回転させる場合、電動機２０Ａとして高負荷状態であるとして、検出周期ｔを短くし、メモリ２７の領域が一定であるから、第１の期間ＲＴ内の累算値数が一定数となるように、リセット周期ＲＴを短くする。それにより、高負荷状態となる電動機２０Ａの状態監視を短時間間隔で行って、電流ｉの増加に対応した監視を可能とすることができる。又電動機の回転数（インバータ出力の周波数）に対する検出周期ｔによるエリアシングを防止することができ、より正確な電流検出を行うことができる。

本発明の実施例１の説明図である。 本発明の実施例１の機能説明図である。 本発明の実施例２の機能説明図である。 本発明の実施例３の機能説明図である。 従来例の要部説明図である。 従来例の要部説明図である。

符号の説明

１ 電子サーマル装置
２ 演算部（ＰＵ）
３ メモリ（ＲＡＭ）
４ メモリ（ＲＯＭ）
５ 電流検出部
６ 駆動制御部
１０ 交流電動機（Ｍ）
１１ 電流検出器
１２ インバータ
１３ コンバータ
１４ 交流電源
１５ コンデンサ
２０ 負荷装置
２１ インバータ又はコンバータ
２２ 電流検出部
２３ 電子サーマル装置
２４ Ａ／Ｄコンバータ
２５ ２乗演算部
２６ 第１の演算部
２７ メモリ
２８ 第２の演算部
２９ 比較部
３０ アラーム設定値選択回路
３１ 温度検出回路
３２ 温度センサ
３３ 周期設定値選択回路
３４ 回転数検出回路
３５ 回転数検出センサ
２０Ａ 電動機
２１Ａ インバータ

Claims (3)

1. 負荷装置に供給する電流を検出し、該電流の２乗値を基に前記負荷装置の温度上昇を推定して前記負荷装置を保護する為の電子サーマル装置に於いて、
   前記負荷装置に供給する電流を検出周期毎に検出した検出電流値を２乗して第１の期間にわたり累算する第１の演算部と、
   該第１の演算部による累算値を第２の期間にわたり保持するメモリと、
   該メモリに保持された前記第２の期間にわたる累算値を累算する第２の演算部と、
   該第２の演算部による累算値がアラーム設定値を超えた時にアラーム信号を出力する比較部と
   を備えたことを特徴とする電子サーマル装置。
2. 前記負荷装置の表面や周辺の温度を検出した温度検出信号を入力し、前記比較部に入力して前記第２の演算部による累算値と比較するアラーム設定値を、前記温度検出信号が温度の上昇を示す時に、低くするように選択するアラーム設定値選択回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子サーマル装置。
3. 前記負荷装置を電動機とし、該電動機の回転数を検出して該回転数の上昇に対応して前記検出周期を短くし、且つ前記第１の期間を短くするように周期を変更制御する周期設定値選択回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子サーマル装置。

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