JP6445939B2 - ファン駆動回路及びエンジン発電機 - Google Patents

Description

ファン駆動回路及びエンジン発電機
本発明は、ファンの動力源となるファンモータを駆動するファン駆動回路、およびこれを備えたエンジン発電機等に関する。

従来、コージェネレーション装置等に採用されるパッケージ収納型のエンジン発電機では、パッケージ内に、エンジンおよび発電機以外に、ラジエータやラジエータファンが収納されている。ラジエータファンはファンの動力源となるファンモータを駆動することによって回転し、ラジエータの冷却やパッケージ内の換気に用いられる。

ファンモータの駆動電流は、通常、ファン起動時の突入電流が最も大きくなる。特許文献１には、ファン起動時の突入電流抑制回路を開示している。このような突入電流抑制回路では、駆動用電源および負荷（ファンモータ）に対して並列に平滑コンデンサが接続されている。

特開２０１３−１３５４９５号公報

エンジン発電機は、通常、屋外に配置されるものである。このため、ラジエータファンを駆動していない状態であっても、ラジエータファンに強風が当たり、ラジエータファンが通常運転時の回転方向とは逆方向に回転することがある。この場合、ラジエータモータは発電機として作用し、発生した電流は駆動回路側に流れ込んで、平滑コンデンサの電圧を上昇させる（平滑コンデンサを充電する）。

このように、強風によるラジエータファンの逆回転時にファンを起動させると、ファンの回転方向を逆方向から順方向に切り替えながら起動することになり、通常の起動時（ファン停止状態からの起動時）よりも大きい駆動力が必要となる。すなわち、平滑コンデンサに充電されていた電力が短時間に解放されることになり、さらに過剰な突入電流が発生して駆動回路を破損させる虞がある。

特許文献１は、起動時にファンが逆回転している場合の過剰な突入電流を抑制する構成については開示していない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、起動時にファンが逆回転している場合の過剰な突入電流を抑制できるファン駆動回路およびエンジン発電機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のファン駆動回路は、ファンの動力源となるファンモータを駆動するものであり、内部に電力平滑手段を有するものであって、前記ファンモータの回転方向を検知する回転方向検知部と、前記ファンモータを正方向または逆方向に駆動制御する回転方向制御部とを備えており、前記ファンモータの起動命令を受けたときに、前記回転方向検知部によって前記ファンモータが逆回転しているか否かを検知し、前記回転方向検知部によって前記ファンモータが逆回転していると検知された場合には、前記回転方向制御部によって前記ファンモータを逆方向に一定時間駆動した後に、正方向の駆動に切り替えることを特徴としている。

上記の構成によれば、ファンモータの起動命令を受けたときに、ファンが強風を受けて逆回転して電力平滑手段に電力が充電されていたとしても、回転方向検知部によってファンモータの逆回転が検知される。この場合、回転方向制御部によってファンモータを逆方向に一定時間駆動することで、電力平滑手段に充電されている電力を、基板破壊電圧を超えるような過剰な突入電流を発生させること無く消費することができる。そして、電力平滑手段に充電されている電力がなくなった後、正方向の駆動に切り替えることで通常のファン動作を行わせることができる。

また、上記ファン駆動回路では、前記ファンモータは、モータ回転位置自己検出機能を有しており、前記回転方向検知部は、前記ファンモータが出力するモータ回転位置信号に基づいて前記ファンモータが逆回転しているか否かを検知する構成とすることができる。

また、上記ファン駆動回路では、前記ファンモータと前記電力平滑手段との間に電流検出回路が設けられており、前記回転方向検知部は、前記電流検出回路が検出する電流に基づいて前記ファンモータが逆回転しているか否かを検知する構成とすることができる。

さらに、上記の課題を解決するために、本発明の他のファン駆動回路は、ファンの動力源となるファンモータを駆動するものであり、内部に電力平滑手段を有するものであって、前記電力平滑手段に電力が充電されているか否かを検知する充電検知部と、前記ファンモータを正方向または逆方向に駆動制御する回転方向制御部とを備えており、前記ファンモータの起動命令を受けたときに、前記充電検知部によって前記電力平滑手段に電力が充電されているか否かを検知し、前記充電検知部によって前記電力平滑手段に電力が充電されていると検知された場合には、前記回転方向制御部によって前記ファンモータを逆方向に一定時間駆動した後に、正方向の駆動に切り替えることを特徴としている。

上記の構成によれば、ファンモータの起動命令を受けたときに、ファンが強風を受けて逆回転して電力平滑手段に電力が充電されていたとしても、充電検知部によって該充電が検知される。この場合、回転方向制御部によってファンモータを逆方向に一定時間駆動することで、電力平滑手段に充電されている電力を、基板破壊電圧を超えるような過剰な突入電流を発生させること無く消費することができる。そして、電力平滑手段に充電されている電力がなくなった後、正方向の駆動に切り替えることで通常のファン動作を行わせることができる。

さらに、上記の課題を解決するために、本発明のエンジン発電機は、ラジエータ及びラジエータファンを備えており、前記ラジエータファンの動力源となるファンモータを、請求項１から４の何れか一項に記載のファン駆動回路によって駆動することを特徴としている。

上記の構成によれば、上記ファン駆動回路の作用により、ラジエータファンが強風を受けて逆回転している状態でファンを起動させる場合に、基板破壊電圧を超えるような過剰な突入電流の発生を防止することできる。

本発明のファン駆動回路およびエンジン発電機は、ファンモータの起動命令を受けたときに、ファンが強風を受けて逆回転して電力平滑手段に電力が充電されていたとしても、その電力を基板破壊電圧を超えるような過剰な突入電流を発生させること無く消費することができる。これにより、ファンが強風を受けて逆回転している状態でファンを起動させる場合に、基板破壊電圧を超えるような過剰な突入電流の発生を防止することできる。

実施の形態１に係るファン駆動回路の概略構成を示すブロック図である。 図１のファン駆動回路に含まれるファンモータ駆動用ＩＣの回路図である。 （ａ）は通常起動時の突入電流を示す電圧波形図であり、（ｂ）はファンが逆回転している状態からの起動時の突入電流を示す電圧波形図である。 実施の形態１におけるファン起動制御を示すフローチャートである。 実施の形態２におけるファン起動制御を示すフローチャートである。

〔実施の形態１〕
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態１に係るファン駆動回路の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態１に係るファン駆動回路は、エンジン発電機等の屋外に設置される機器に適用されるものであり、例えばラジエータファンの駆動に用いられる。ファン駆動回路は、電源基板１、ＤＣＢＬ基板２、コントロールユニット３を備えており、ファンの動力源であるファンモータ４の回転駆動を行う。尚、本実施の形態１では、ファンモータ４は、ＤＣブラシレスモータを用いている。

電源基板１は、商用電源（例えばＡＣ２００Ｖ）から直流電圧（例えばＤＣ２８０Ｖ）を得るものである。ＤＣＢＬ基板２は、電源基板１によって得られる直流電圧をファン駆動のための３相交流に変換するファンモータ駆動用ＩＣ（ＩＰＭ）２１や、電流を検知して基板保護を行うためのシャント（分流器）２２を有している。コントロールユニット３は、ＤＣＢＬ基板２を介してファンモータ４の回転制御を行ったり、ファンモータ４からフィードバックされるモータ回転位置信号に基づいてファンモータ４の回転方向を判定したりする。

図２にＩＰＭ２１の具体的な回路構成を示す。ＩＰＭ２１は、直流電源２１１、平滑コンデンサ２１２、およびスイッチング素子２１３Ａ〜２１３Ｆを備えて構成されている。直流電源２１１は、ここでは、電源基板１によって得られる直流電圧（ＤＣ２８０Ｖ）である。平滑コンデンサ２１２は、直流電源２１１の電圧変動を低減して平滑化するために設けられる電力平滑手段であり、直流電源２１１に対し並列に接続されている。スイッチング素子２１３Ａ，２１３Ｂは直列に接続され、第１スイッチング列として直流電源２１１および平滑コンデンサ２１２に対し並列に接続されている。スイッチング素子２１３Ｃ，２１３Ｄは直列に接続され、第２スイッチング列として直流電源２１１および平滑コンデンサ２１２に対し並列に接続されている。スイッチング素子２１３Ｅ，２１３Ｆは直列に接続され、第３スイッチング列として直流電源２１１および平滑コンデンサ２１２に対し並列に接続されている。第１〜第３スイッチング列は、互いに並列に接続されている。

ＩＰＭ２１は、出力端子としてＵ端子、Ｖ端子およびＷ端子を有している。Ｕ端子は、スイッチング素子２１３Ａ，２１３Ｂの間の接点に接続されている。Ｖ端子は、スイッチング素子２１３Ｃ，２１３Ｄの間の接点に接続されている。Ｗ端子は、スイッチング素子２１３Ｅ，２１３Ｆの間の接点に接続されている。ＩＰＭ２１の上記回路構成において、スイッチング素子２１３Ａ〜２１３Ｆを適切なシーケンスでスイッチング制御することによりＵ端子、Ｖ端子およびＷ端子から３相交流が出力される。スイッチング素子２１３Ａ〜２１３Ｆのオン・オフは、コントロールユニット３からの運転制御信号によって切り替えられる。スイッチング素子２１３Ａ〜２１３Ｆのスイッチングシーケンスについては公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

本実施の形態１に係るファン駆動回路によって駆動されるファンは、ここではエンジン発電機に備えられるラジエータファンであり、通常動作においては、ラジエータの冷却や、エンジン発電機のパッケージ内の換気を行う。このため、ファンモータ４の通常動作時の回転方向（以下、正回転方向）は、ラジエータファンによってパッケージ内の空気を外部に排出させる方向となる。

エンジン発電機は、通常屋外に設置されるものであり、かつ、ラジエータファンはパッケージの外面に露出するように配置されている。このため、ラジエータファンは、エンジン発電機の非駆動時（ファンモータ４の非駆動時）に外部からの強風を受けて逆回転することがある。このようにラジエータファンが強風を受けて逆回転すると、ファンモータ４が発電機として作用し、発生した電流はファン駆動回路側のＩＰＭ２１に流れ込んで、平滑コンデンサ２１２の電圧を上昇させる。

このようにラジエータファンが逆回転し、平滑コンデンサ２１２の電圧が上昇している状態でファンモータ４を起動させると、通常起動（ファン停止状態からの起動）時よりも突入電流が大きくなり、回路を焼損させる虞がある。図３（ａ）は通常起動時の突入電流を示す電圧波形図であり、図３（ｂ）はファンが逆回転している状態からの起動時の突入電流を示す電圧波形図である。

図３（ａ）に示す通常起動時では、起動時に突入電流が発生しているが、この突入電流によって生じるピーク電圧が基板破壊電圧よりも低くなるように設定される。一方、図３（ｂ）に示すファン逆回転状態からの起動時では、突入電流によって生じるピーク電圧が基板破壊電圧よりも大きくなっている。これは、平滑コンデンサ２１２に充電されていた電力が起動後の短時間に解放され、通常起動時の突入電流に上乗せされるためである。

本実施の形態１に係るファン駆動回路は、ファン逆回転状態からの起動時における過剰な突入電流の発生を防止するものであり、図４に示すファン起動制御を行うことを特徴としている。

エンジン発電機のシステムが起動される（Ｓ１）と、エンジン発電機のメイン制御部から、ファン駆動回路のコントロールユニット３へファン起動命令が出される。コントロールユニット３は、このファン起動命令を受けてファン起動制御を開始する。このファン起動制御では、最初に、ファンが強風を受けて逆回転しているか否かが判定される（Ｓ２）。

上述したように、本実施の形態１においてファンモータ４として用いられているのはＤＣブラシレスモータであり、ＤＣブラシレスモータはモータ回転位置を自己検出する機能を有している。ファンモータ４は、モータ回転位置を自己検出して、モータ回転位置信号をコントロールユニット３へ出力する。ＤＣブラシレスモータにおけるモータ回転位置の検出原理は公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。コントロールユニット３は、入力されるモータ回転位置信号の時間変化からモータ回転方向を判定する。すなわち、コントロールユニット３は、特許請求の範囲に記載の回転方向検知部として機能する。また、ファンモータ４は、正回転方向および逆回転方向の何れにも回転駆動させることが可能である。

Ｓ２において、ファンが逆回転していると判定された場合はＳ３へ移行し、ファンが逆回転していないと判定された場合はＳ４へ移行する。

Ｓ３では、ラジエータファンを逆回転方向に一定時間回転させる。すなわち、コントロールユニット３は、ファンモータ４が逆回転するようなスイッチング素子２１３Ａ〜２１３Ｆのシーケンス制御を一定時間行う。このようなファン逆回転は、平滑コンデンサ２１２に充電されている電力を消費するために実施するものである。すなわち、強風を受けて逆回転するファンによって平滑コンデンサ２１２に充電される電荷は、この状態からファンモータ４を正回転で起動する場合には突入電流を増加させる方向に作用するが、ファンモータ４を逆回転で起動する場合には突入電流を減少させる方向に作用する。したがって、Ｓ３におけるファン逆回転駆動は、基板破壊電圧を超えるような過剰な突入電流を発生させること無く、平滑コンデンサ２１２に充電されている電力を消費することができる。また、Ｓ３における一定時間は、平滑コンデンサ２１２に充電されている電力を消費するのに十分な時間（例えば、３〜５秒）に設定されていれば良い。

Ｓ３における一定時間のファン逆回転駆動が終了すると、ラジエータファンを正回転方向に回転させる駆動に切り替えられる（Ｓ４）。すなわち、コントロールユニット３は、ファンモータ４が正回転するようなスイッチング素子２１３Ａ〜２１３Ｆのシーケンス制御に切り替える。すなわち、コントロールユニット３は、特許請求の範囲に記載の回転方向制御部としても機能する。この時点では、平滑コンデンサ２１２に充電されていた電荷は既に消費されており、基板破壊電圧を超えるような過剰な突入電流が発生することも無い。

Ｓ２において、ファンが逆回転していないと判定された場合は、平滑コンデンサ２１２において電荷の充電は無いと見なされるため、Ｓ３におけるファン逆回転駆動は行わず、直ちにＳ４におけるファン正回転駆動を行う。この場合の突入電流は、図３（ａ）に示すような通常起動時の突入電流となるため、ピーク電圧が基板破壊電圧を超えることは無い。

尚、上記説明では、ファンモータ４としてＤＣブラシレスモータを用い、ファンモータ４によるモータ回転位置自己検出機能を用いて強風によるモータ逆回転を検出していた。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の方法でもモータ逆回転を検出することが可能である。例えば、ＩＰＭ２１の回路中（具体的にはファンモータ４と平滑コンデンサ２１２との間）に電流検出回路を備え、該電流検出回路で電流の有無を検出することによってモータ逆回転を検出しても良い。すなわち、ＩＰＭ２１がファンモータ４を駆動していない状態でＩＰＭ２１の回路内で所定方向の電流が検出されれば、強風によってモータ逆回転が生じていると判定することができる。この判定は、上記電流検出回路の検出値に基づきコントロールユニット３が行う。この方法では、ファンモータ４がモータ回転位置自己検出機能を有していなくても良い。

〔実施の形態２〕
上記実施の形態１のファン起動制御では、ファン起動時に、最初にファンが強風を受けて逆回転しているか否かを判定し、逆回転している場合にはモータ逆回転を一定時間行ってから正回転に切り替えている。一方、ファンが逆回転していない場合には始めからファンを正回転で駆動している。これは、ファン非駆動時に、ファンが強風を受けて逆回転し平滑コンデンサ２１２に電荷が充電されたとしても、ファンの回転が停止してある程度時間が経過すれば、充電されていた電荷が自然放電して無くなると見なされるためである。

しかしながら、ファン起動時にファンが逆回転していなくても、起動直前までファンが強風を受けて逆回転していれば、平滑コンデンサ２１２に電荷が充電されている可能性もある。このため、本実施の形態２のファン起動制御では、ファン起動時に、ファンが逆回転しているか否かではなく、平滑コンデンサ２１２に電荷が充電されているか否かを判定する構成としている。

本実施の形態２に係るファン駆動回路の概略構成は、図１に示したものと同じである。また、ＩＰＭ２１の具体的な回路構成も図２に示したものと略同じである。但し、本実施の形態２では、平滑コンデンサ２１２に並列に電圧計（図示せず）が接続される。また、本実施の形態２では、ファンモータ４がモータ回転位置自己検出機能を有していなくても良い。

図５は、本実施の形態２におけるファン起動制御を示すものである。本実施の形態２におけるファン起動制御は、本実施の形態１におけるファン起動制御（図４参照）と略同じであるが、図４におけるＳ２に代えてＳ１２のステップを行っている点のみが異なる。

エンジン発電機のシステムが起動され（Ｓ１）、ファン起動制御を開始されると、最初に、平滑コンデンサ２１２に電荷が充電されているか否かが判定される（Ｓ１２）。この判定は、平滑コンデンサ２１２に並列に接続された電圧計の検出値に基づきコントロールユニット３が行う。すなわち、コントロールユニット３は、特許請求の範囲に記載の充電検知部としても機能する。ＩＰＭ２１がファンモータ４を駆動していない状態で上記電圧計にて所定方向の電圧が検出されれば、コントロールユニット３は平滑コンデンサ２１２に電荷が充電されていると判定することができる。

Ｓ１２において、平滑コンデンサ２１２に電荷が充電されていると判定された場合はＳ３へ移行し、電荷が充電されていないと判定された場合はＳ４へ移行する。この後の制御は実施の形態１と同じである。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 電源基板
２ ＤＣＢＬ基板
３ コントロールユニット（回転方向検知部、回転方向制御部、充電検知部）
４ ファンモータ
２１ ファンモータ駆動用ＩＣ
２１１ 直流電源
２１２ 平滑コンデンサ（電力平滑手段）

Claims (5)

1. ファンの動力源となるファンモータを駆動するものであり、内部に電力平滑手段を有するファン駆動回路であって、
   前記ファンモータの回転方向を検知する回転方向検知部と、
   前記ファンモータを正方向または逆方向に駆動制御する回転方向制御部とを備えており、
   前記ファンモータの起動命令を受けたときに、前記回転方向検知部によって前記ファンモータが逆回転しているか否かを検知し、
   前記回転方向検知部によって前記ファンモータが逆回転していると検知された場合には、前記回転方向制御部によって前記ファンモータを逆方向に一定時間駆動した後に、正方向の駆動に切り替えることを特徴とするファン駆動回路。
2. 請求項１に記載のファン駆動回路であって、
   前記ファンモータは、モータ回転位置自己検出機能を有しており、
   前記回転方向検知部は、前記ファンモータが出力するモータ回転位置信号に基づいて前記ファンモータが逆回転しているか否かを検知することを特徴とするファン駆動回路。
3. 請求項１に記載のファン駆動回路であって、
   前記ファンモータと前記電力平滑手段との間に電流検出回路が設けられており、
   前記回転方向検知部は、前記電流検出回路が検出する電流に基づいて前記ファンモータが逆回転しているか否かを検知することを特徴とするファン駆動回路。
4. ファンの動力源となるファンモータを駆動するものであり、内部に電力平滑手段を有するファン駆動回路であって、
   前記電力平滑手段に電力が充電されているか否かを検知する充電検知部と、
   前記ファンモータを正方向または逆方向に駆動制御する回転方向制御部とを備えており、
   前記ファンモータの起動命令を受けたときに、前記充電検知部によって前記電力平滑手段に電力が充電されているか否かを検知し、
   前記充電検知部によって前記電力平滑手段に電力が充電されていると検知された場合には、前記回転方向制御部によって前記ファンモータを逆方向に一定時間駆動した後に、正方向の駆動に切り替えることを特徴とするファン駆動回路。
5. ラジエータ及びラジエータファンを備えたエンジン発電機であって、
   前記ラジエータファンの動力源となるファンモータを、請求項１から４の何れか一項に記載のファン駆動回路によって駆動することを特徴とするエンジン発電機。

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