JPWO2010109587A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

筐体(8A)内に複数の冷却ファン(26)の回転動作により筐体(8A)内のインバータ(2)を所定温度に冷却可能な電力変換装置において、運転状態にある冷却ファン(26)の駆動回路に流れる電流を検出し、この検出電流値が基準値を下回ったとき故障検出信号を出力する故障検出手段と、筐体(8A)内の温度を検出する温度検出器(15)と、温度検出器(15)で検出した検出温度が、筐体(8A)内に配設されている各主要用品に対する必要設定寿命時間の第1判定温度を超え、かつ温度検出器(15)で検出した検出温度が、筐体(8A)内に配設されている各主要用品に対する最高使用限界温度である第2判定温度以下で、かつ冷却ファン(26)のうち健全な冷却ファンがあれば、インバータ(2)の運転を停止せずその運転を継続する運転制御装置(16)とを備えた電力変換装置。

Description

本発明は、無停電電源装置、ドライブシステム等に使用され、筐体の内部に半導体素子からなる電力変換器の主回路及び電力変換器の制御回路を備え、筐体の内部を冷却するための冷却ファンを備えた電力変換装置に関する。
図6及び図7は従来の無停電電源装置の一例を説明するための図である。これは、電力変換器9として直流電源1より供給される直流電力を所定の交流電力に変換し、交流負荷3へ交流電力を供給するインバータ2と、交流電源5からの交流電力を直流電力に変換し、インバータ2の入力とするコンバータ4からなっている。インバータ2と交流負荷3との間には、インバータトランス6と、フィルタコンデンサ7とが接続されている。フィルタコンデンサ7は、インバータ2の出力を波形整形して負荷3の要求に合致した出力に変換するフィルタ回路を構成している。交流電源5とコンバータ4の間にはリアクトル01やコンデンサ02が接続され、また直流電源1とインバータ2の間には平滑コンデンサ03が接続されている。これら全ての構成部品は、同一筐体(同一盤体)に収納される。
以上述べた電力変換装置8の場合、発熱体としてはインバータ2とコンバータ4からなる電力変換器9、インバータトランス6、リアクトル01やコンデンサ02、平滑コンデンサ03などがある。
これらの発熱体を冷却する方法として、大型冷却ファン10により強制的に電力変換装置8の中に外気(風)を通すことで冷却を行う強制風冷方式があり、本装置構成では盤上部に大型冷却ファン10を配置しており、盤下部から外気を取り込み盤上部の大型冷却ファン10で風を引くことで盤内を冷却するものである。
図8は従来の電力変換装置の冷却装置の概略構成を説明するため図であり、これは冷却ファン10一台で電力変換装置8を冷却できる風量を有する冷却ファン10(1)、10(2)と2台準備し、これらの冷却ファン10(1)、10(2)を図9に示すように常時回転動作させて冷却ファンを多重化して使用することで電力変換装置の冷却機能の高信頼化及び装置寿命の延長を図っていた。
また、冷却ファン10(1)、10(2)と電力変換装置8の寿命以内での故障を考慮し、冷却ファン10(1)、10(2)の故障を、各々検出する故障検出回路11(1)、11(2)を有し、各故障検出回路11の出力を受け、外部への警告情報及び故障情報を出力するための判定回路12を有していた。判定回路12は論理和回路13や論理積回路14で構成されている。なお、各故障検出回路11は、例えば回転数が基準値以下になったことで故障を検出するものである。
ところで、背景技術として以上述べた例以外に、冷却ファンを用いて電力変換装置を冷却する公知文献として、以下に述べる特許文献1、特許文献2がある。このうち、特許文献1には、複数の半導体スイッチ素子の中間部に冷却ファンを設置することで、騒音の外部への放散を抑制でき、また冷却ファンとそのモータが高温に曝されないので、寿命が短縮する恐れを回避でき、更に半導体スイッチ素子冷却ファンが発生する空気流の一部を制御回路の冷却に使用することで、制御回路冷却用ファンが省略できる点が記載されている。また、特許文献2には、電力変換装置の発熱量に応じて冷却ファンの回転数を制御することにより冷却ファンのモータやベアリング等の長寿命化を図ることが可能な電力変換装置について記載されている。
特開2004-364372 特開2001-16843
[発明を解決しようとする課題]
前述した従来の電力変換装置の冷却装置では、電気部品である電力変換器9に対して、機械系の用品である冷却ファン10は寿命が例えば5年と短いため、電力変換装置の装置設計寿命は例えば10年に対して、冷却ファン10は装置設計寿命内で交換する必要があった。
また、前述した従来の電力変換装置の冷却装置では、電力変換装置本体を収納している筐体内部の温度が基準値を超えたとき、或いは複数の冷却ファンのうち1台でも故障したことを検出した場合には、電力変換装置を構成している各部品の寿命に関係なく電力変換装置の運転を停止していた。
一方、近年電力変換装置の複数台の冷却ファンが故障又は停止しても残りの健全な冷却ファンで、できる限り長く電力変換装置の運転を継続することができるものが望まれている。
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、複数台の冷却ファンのうち1台の冷却ファンが故障又は停止しても残りの健全な冷却ファンで、できる限り長く運転を継続することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段]
前記目的を達成するため、請求項1に対応する発明は、筐体内に収納され、半導体素子からなる電力変換器の主回路及び前記電力変換器の制御回路を有した電力変換装置であって、前記筐体内に少なくとも2台の冷却ファンの回転動作により前記筐体内の前記電力変換器を所定温度に冷却可能な電力変換装置において、前記冷却ファンのうち回転動作状態にある冷却ファンの回転数又は前記回転動作状態にある冷却ファンの駆動回路に流れる電流を検出し、この検出電流値が基準値を下回ったとき故障検出信号を出力する故障検出手段と、前記筐体内の温度を検出する温度検出手段と、前記故障検出手段からの故障検出信号を検出したときであって、前記主回路を構成する半導体素子の温度が規定値以内で、前記温度検出手段で検出した検出温度が、前記筐体内に配設されている各主要用品に対する必要設定寿命時間の第1判定温度を超えたとき、前記冷却ファンのうち少なくとも1台回転動作可能な冷却ファンを回転動作させ、前記電力変換器の運転を停止せずその運転を継続する運転制御装置とを備えた電力変換装置である。
前記目的を達成するため、請求項2に対応する発明は、前記冷却ファンのうち少なくとも1台回転動作可能な冷却ファンは、予備として前記筐体内に設置された冷却ファン又は故障した冷却ファンを取り除き新たに前記筐体内に設置した冷却ファンである請求項1記載の電力変換装置である。
図1は、本発明の電力変換装置の第1の実施形態を説明するための概略構成図である。 図2は、図1の運転制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図3は、図2の動作を説明するための部品寿命と温度の関係を示す図である。 図4は、図2の動作を説明するための部品と最高使用温度の関係を示す図である。 図5は、本発明の電力変換装置の第2の実施形態を説明するための概略構成図である。 図6は、従来の電力変換装置の単線結線図である。 図7は、図6の電力変換装置の斜視図である。 図8は、図6の電力変換装置における冷却装置を説明するためのブロック図である。 図9は、図8の冷却装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、電力変換装置の第1の実施形態を説明するための概略構成図であり、ここで示した電力変換装置は、電力系統からの交流電圧を変圧器05により降圧して直流電圧に変換するダイオードブリッジ41、42を備えたコンバータユニット4U、4V、4Wからコンバータ4と、コンバータ4で変換された直流電圧を交流電圧に変換するものであって、主回路は半導体素子例えばIGBTとこれに逆並列に接続されたダイオードからなる素子ブリッジ21、22を備えたインバータユニット2U、2V、3Wからなるインバータ2と、素子ブリッジ21、22に並列に接続された平滑コンデンサ23、23と、コンバータ4とインバータ2の接続点に接続されたヒューズ24と、インバータ2の主回路を制御する制御回路を構成する部品を搭載した基板25と、複数台(ここでは3台)の冷却ファン26とを同一筐体8A内に収納し、各冷却ファン26の回転動作により筐体8A内の電力変換器を所定温度に冷却可能になっている。
そして電力変換装置は、さらに以下に述べる構成部品を備えている。すなわち、各冷却ファン26の運転状態にある冷却ファン26の回転数又は運転状態にある冷却ファン26の駆動回路に流れる電流を検出し、この検出電流値が基準値を下回ったとき故障検出信号を出力する故障検出手段(図示せず)と、筐体8A内の温度を検出する盤内温度検出手段15と、盤内温度検出手段15で検出した検出温度が、筐体8A内に配設されている各主要用品に対する必要設定寿命時間の第1判定温度を超え、かつ盤内温度検出手段15で検出した検出温度が、筐体8A内に配設されている各主要用品に対する最高使用限界温度である第2判定温度以下で、かつ各冷却ファン26のうち健全な冷却ファンがあれば、電力変換器の運転を停止せずその運転を継続する運転制御装置16とを備えている。
運転制御装置16は、前記第2判定温度に到達してから故障した冷却ファンを交換に要する時間経過をカウントするリレータイマを備えている。
さらに、運転制御装置16には、図示しないメモリテーブルを備え、これには盤内温度検出手段15により検出される、例えば筐体8A内の温度と、例えば電力変換器の寿命の間には、例えば図3に示すような関係、即ちアレ二ウム法に基づき作成された関係が記憶されている。このため、図3の対数グラフの横軸に示す必要設定寿命時間A(hr)の温度C(℃)に、例えば盤内温度検出手段15により検出された温度を、入力することで、例えば電力変換器の寿命である、図3の縦軸に示す必要設定寿命時間A(hr)を求めることができるようになっている。
また、運転制御装置16には、電力変換装置を構成する部品例えばインバータユニット2U、2V、3Wの半導体素子、インバータユニット2U、2V、3Wのコンデンサ、ヒューズ24、コンバータユニット41、42のダイオード、基板の最高使用温度が、図4に示すような表が、例えば前記メモリテーブルに記憶されている。
次に、このように構成された電力変換装置の運転制御装置16の動作について、図2のフローチャートを参照して説明する。前記故障検出手段によって1台の冷却ファン26が故障したことで検出される故障信号があって、健全動作可能な冷却ファン26が存在するどうか?(S1)と判断され、S1の条件を満足すると判断した場合には、図示しない素子温度検出手段により検出した素子温度がインバータ2を構成する半導体素子の温度が規定値例えば150℃を超えていないか判断される(S2)。
S2において半導体素子の検出温度が規定値を超えていないと判断したとき、盤内温度検出手段15で検出した検出温度が、筐体8A内に配設されている各主要用品に対する必要設定寿命時間(hr)の部品寿命に影響に影響がない第1判定温度(℃)以内か判断される(S3)。S3において第1判定温度以内と判断したとき、故障した冷却ファン26の交換を行うような保守点検指示を、図示しない表示装置に対して表示させ、これを保守点検員が見ることで、予備としてある冷却ファンに交換することができる(S4)。
このように電力変換器の寿命に影響のない、電力変換器の寿命の予告に相当する第1判定温度では、電力変換器を停止させずに、故障していない健全な冷却ファン26の回転動作により電力変換器の運転を継続できる。
なお、S1においてS1の条件を満足しないと判断した場合には、運転制御装置16は電力変換器に対して運転停止する指令を与える(S9)。S2においてS2の条件を満足しないと判断した場合には、運転制御装置16は電力変換器に対して運転停止する指令を与える(S9)。
S3において盤内温度検出手段15で検出した検出温度が、第1判定温度以内でないと判断したとき、筐体8A内に配設されている各主要用品に対する最高使用限界温度であり、電力変換器の寿命が間近であることを検知する第2判定温度以内かどうかを判断する(S5)。S5において、S5の条件を満足するとき、運転制御装置16はこれに有する表示器(図示せず)に冷却ファン26の交換の警報及び冷却ファン26の交換期限を、S5の条件を満足したときから例えば36時間以内と表示する(S6)。
この表示器で表示された内容を、保守点検員が見て故障した冷却ファン26を交換しようとすると、前述の交換期限内かどうかが判断される(S7)。S7において、S7の条件を満足していると判断したとき、故障した冷却ファン26の交換を行うと共に、電力変換器の寿命まで電力変換器の運転を継続し、かつ運転制御装置16のリレータイマによりカウントされた時間が終了すると電力変換器に対して保護停止指令が与えられる。
なお、S5においてS5の条件を満足しないと判断した場合には、運転制御装置16は電力変換器に対して運転停止する指令を与える(S9)。S7においてS2の条件を満足しないと判断した場合には、運転制御装置16は電力変換器に対して運転停止する指令を与える(S9)。
なお、図2のS2において、S2の条件から外れた場合には、冷却ファンを交換する必要がある旨を、運転制御装置の表示器等で表示させるようにした方がよい。また、図2のS7において、S7の条件を満足しているときは、冷却ファンを交換期間内に交換しないと、強制的に電力変換器停止させる旨を、運転制御装置の表示器等で表示させるようにした方がよい。
以上述べた電力変換装置の実施形態によれば、筐体8A内に配設されている複数台の冷却ファンのうち1台の冷却ファンが故障又は停止しても残りの健全な冷却ファンで、できる限り長く運転を継続することができる。これは複数の冷却ファン26を使用している場合に全数の冷却ファン26が同時に故障する確率が低いため、保守点検作業員が冷却ファン26を交換に要する時間までは電力変換器の運転が可能になるということを意味している。
ここで、前述の実施形態で説明した、第1判定温度は、簡単に見つけることができないので、従来は各部品の寿命ぎりぎりまで、運転することが困難であった。実際に電力変換装置を設計しても見つけ出すことが困難である。それは、設計する上で定めるマージンまちまちであるため、尤度が出てしまうからである。このため、実施形態のように計算値を用いることで、その計算温度以下に電力変換器を動かせば、電力変換器の寿命ぎりぎりまで運転できる。
図5は、電力変換装置の第2の実施形態を説明するための概略構成図であり、図1の実施形態の盤内温度検出器の検出温度の代わりに、筐体8B内に、コンバータ4とインバータ2からなる電力変換器を構成する各部品の温度を検出し、この各温度検出値の最低値を
用いた点が、図1とは異なる。
具体的には、筐体8B内に、コンバータ4を構成するダイオードの温度を検出するダイオード温度検出器010と、インバータ2の主回路を構成する半導体素子の温度を検出する素子温度検出器06と、インバータ2の主回路に並列に接続された平滑コンデンサの温度を検出するコンデンサ温度検出器08と、コンバータ4とインバータ2の接続点に接続されたヒューズ24の温度を検出するヒューズ温度検出器09と、インバータ2の主回路を制御する制御回路を構成する部品を搭載した基板25の温度を検出する基板温度検出器07を設け、これらの各温度検出器の検出値を運転制御装置16Aに取り込み、運転制御装置16Aでは各温度検出値のうちの最低温度を、本発明の温度検出手段の検出温度としたものである。
運転制御装置16Aは、筐体8B内に配設されている各主要用品に対する必要設定寿命時間の第1判定温度を超え、かつ温度検出手段で検出した検出温度が、筐体8B内に配設されている各主要用品に対する最高使用限界温度である第2判定温度以下で、かつ冷却ファン26のうち健全な冷却ファンがあれば、電力変換器の運転を停止せずその運転を継続するように電力変換器に運転指令を出力するものである。
以上述べた電力変換装置の第2の実施形態にあっても、前述の第1の実施形態と同様に
作用効果が得られる。具体的に、冷却ファン26が故障しても、第1判定温度であれば、健全な冷却ファン26で運転を継続し、第2判定温度に達した場合は故障した冷却ファン26を交換に要する時間経過まで電力変換器を運転するようにしたので、電力変換器の運転継続が可能となり、保守員が冷却ファンを交換する時間まで電力変換器の運転継続が可能である。
前述した冷却ファンとして、シャッタ付ファンを使用することで、故障した冷却ファンの開口部から筐体8A、8B内に入ってくる外気を防ぐことが可能である。このシャッタ付ファンは、筐体内外を仕切る隔壁に筐体内外を貫通する状態に取付けられる風洞と、風洞内に取付けられ、風洞内に取付けられ、風洞に換気流を形成するファンと、風洞の筐体外側の開口部に設けられ、風洞を開閉する開閉シャッタとを備えたものである。
前述の実施形態では、電力変換器としてコンバータとインバータからなるものを例に挙げて説明したが、電力変換器はこれに限らず、ドライブシステム、無停電電源装置等に使用する構成であってもよい。

Claims (8)

  1. 筐体内に収納され、半導体素子からなる電力変換器の主回路及び前記電力変換器の制御回路を有した電力変換装置であって、前記筐体内に少なくとも2台の冷却ファンの回転動作により前記筐体内の前記電力変換器を所定温度に冷却可能な電力変換装置において、
    前記冷却ファンのうち回転動作状態にある冷却ファンの回転数又は前記回転動作状態にある冷却ファンの駆動回路に流れる電流を検出し、この検出電流値が基準値を下回ったとき故障検出信号を出力する故障検出手段と、
    前記筐体内の温度を検出する温度検出手段と、
    前記故障検出手段からの故障検出信号を検出したときであって、前記主回路を構成する半導体素子の温度が規定値以内で、前記温度検出手段で検出した検出温度が、前記筐体内に配設されている各主要用品に対する必要設定寿命時間の第1判定温度を超えたとき、前記冷却ファンのうち少なくとも1台回転動作可能な冷却ファンを回転動作させ、前記電力変換器の運転を停止せずその運転を継続する運転制御装置と、
    を具備したことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記冷却ファンのうち少なくとも1台回転動作可能な冷却ファンは、予備として前記筐体内に設置された冷却ファン又は故障した冷却ファンを取り除き新たに前記筐体内に設置した冷却ファンであることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
  3. 筐体内に収納され、半導体素子からなる電力変換器の主回路及び前記電力変換器の制御回路を有した電力変換装置であって、前記筐体内に少なくとも第1の冷却ファン及び第2の冷却ファンの回転動作により前記筐体内の前記電力変換器を所定温度に冷却可能な電力変換装置において、
    前記冷却ファンのうち回転動作状態にある冷却ファンの回転数又は前記回転動作状態にある冷却ファンの駆動回路に流れる電流を検出し、この検出電流値が基準値を下回ったとき故障検出信号を出力する故障検出手段と、
    前記筐体内の温度を検出する温度検出手段と、
    前記温度検出手段で検出した検出温度が、前記筐体内に配設されている各主要用品に対する最高使用限界温度である第2判定温度以下で、かつ前記冷却ファンのうち健全な冷却ファンがあれば、前記電力変換器の運転を停止せずその運転を継続する運転制御装置と、
    を具備したことを特徴とする電力変換装置。
  4. 筐体内に収納され、半導体素子からなる電力変換器の主回路及び前記電力変換器の制御回路を有した電力変換装置であって、前記筐体内に少なくとも第1の冷却ファン及び第2の冷却ファンの回転動作により前記筐体内の前記電力変換器を所定温度に冷却可能な電力変換装置において、
    前記冷却ファンの運転状態にある冷却ファンの回転数又は前記運転状態にある冷却ファンの駆動回路に流れる電流を検出し、この検出電流値が基準値を下回ったとき故障検出信号を出力する故障検出手段と、
    前記筐体内の温度を検出する温度検出手段と、
    前記温度検出手段で検出した検出温度が、前記筐体内に配設されている各主要用品に対する必要設定寿命時間の第1判定温度を超え、かつ前記温度検出手段で検出した検出温度が、前記筐体内に配設されている各主要用品に対する最高使用限界温度である第2判定温度以下で、かつ前記冷却ファンのうち健全な冷却ファンがあれば、前記電力変換器の運転を停止せずその運転を継続する運転制御装置と、
    を具備したことを特徴とする電力変換装置。
  5. 筐体内に収納され、コンバータを構成するダイオードと、インバータの主回路を構成する半導体素子と、前記インバータの主回路に並列に接続された平滑コンデンサと、前記コンバータと前記インバータの接続点に接続されたヒューズと、前記インバータの主回路を制御する制御回路を構成する部品を搭載した基板を有した電力変換装置であって、前記筐体内に少なくとも2台の冷却ファンの回転動作により前記筐体内の前記電力変換器を所定温度に冷却可能な電力変換装置において、
    前記冷却ファンのうち回転動作状態にある冷却ファンの回転数又は前記回転動作状態にある冷却ファンの駆動回路に流れる電流を検出し、この検出電流値が基準値を下回ったとき故障検出信号を出力する故障検出手段と、
    前記ダイオード、前記半導体素子、前記平滑コンデンサ、前記ヒューズ、前記基板の温度のうちの最低温度を検出する温度検出手段と、
    前記故障検出手段からの故障検出信号を検出したときであって、前記主回路を構成する半導体素子の温度が規定値以内で、前記温度検出手段で検出した検出温度が、前記筐体内に配設されている各主要用品に対する必要設定寿命時間の第1判定温度を超えたとき、前記冷却ファンのうち少なくとも1台回転動作可能な冷却ファンを回転動作させ、前記電力変換器の運転を停止せずその運転を継続する運転制御装置と、
    を具備したことを特徴とする電力変換装置。
  6. 筐体内に収納され、コンバータを構成するダイオードと、インバータの主回路を構成する半導体素子と、前記インバータの主回路に並列に接続された平滑コンデンサと、前記コンバータと前記インバータの接続点に接続されたヒューズと、前記インバータの主回路を制御する制御回路を構成する部品を搭載した基板を有した電力変換装置であって、前記筐体内に少なくとも2台の冷却ファンの回転動作により前記筐体内の前記電力変換器を所定温度に冷却可能な電力変換装置において、
    前記冷却ファンのうち回転動作状態にある冷却ファンの回転数又は前記回転動作状態にある冷却ファンの駆動回路に流れる電流を検出し、この検出電流値が基準値を下回ったとき故障検出信号を出力する故障検出手段と、
    前記ダイオード、前記半導体素子、前記平滑コンデンサ、前記ヒューズ、前記基板の温度のうちの最低温度を検出する温度検出手段と、
    前記温度検出手段で検出した検出温度が、前記筐体内に配設されている各主要用品に対する最高使用限界温度である第2判定温度以下で、かつ前記冷却ファンのうち健全な冷却ファンがあれば、前記電力変換器の運転を停止せずその運転を継続する運転制御装置と、
    を具備したことを特徴とする電力変換装置。
  7. 筐体内に収納され、コンバータを構成するダイオードと、インバータの主回路を構成する半導体素子と、前記インバータの主回路に並列に接続された平滑コンデンサと、前記コンバータと前記インバータの接続点に接続されたヒューズと、前記インバータの主回路を制御する制御回路を構成する部品を搭載した基板を有した電力変換装置であって、前記筐体内に少なくとも2台の冷却ファンの回転動作により前記筐体内の前記電力変換器を所定温度に冷却可能な電力変換装置において、
    前記冷却ファンの運転状態にある冷却ファンの回転数又は前記運転状態にある冷却ファンの駆動回路に流れる電流を検出し、この検出電流値が基準値を下回ったとき故障検出信号を出力する故障検出手段と、
    前記ダイオード、前記半導体素子、前記平滑コンデンサ、前記ヒューズ、前記基板の温度のうちの最低温度を検出する温度検出手段と、
    前記温度検出手段で検出した検出温度が、前記筐体内に配設されている各主要用品に対する必要設定寿命時間の第1判定温度を超え、かつ前記温度検出手段で検出した検出温度が、前記筐体内に配設されている各主要用品に対する最高使用限界温度である第2判定温度以下で、かつ前記冷却ファンのうち健全な冷却ファンがあれば、前記電力変換器の運転を停止せずその運転を継続する運転制御装置と、
    を具備したことを特徴とする電力変換装置。
  8. 前記冷却ファンとして、シャッタ付ファンを用い、前記シャッタ付ファンは、前記筐体内外を仕切る隔壁に前記筐体内外を貫通する状態に取付けられる風洞と、前記風洞内に取付けられ、前記風洞内に取付けられ、前記風洞に換気流を形成するファンと、前記風洞の筐体外側の開口部に設けられ、前記風洞を開閉する開閉シャッタとを備えたものである請求項1〜7のいずれか1項記載の電力変換装置。
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