JP2007202296A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常発生の際の過熱異常における要因判別を可能とする電力変換装置を提供する。
【解決手段】パワー半導体１３内にモジュール化された主素子１、３と、パワー半導体の温度過熱を検出する温度検出回路１１と、パワー半導体１３を搭載した冷却フィン１０に送風し冷却する冷却ファン６とを備え、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給し、異常時に異常表示を行う電力変換装置において、冷却ファン６の回転数を検出する回転数検出回路を備え、異常表示を行う際に、温度検出回路１１が出力する過熱検出信号と回転数検出回路が出力する回転数検出信号を用いて温度過熱の要因判別を可能とする表示を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給出来る様にした電力変換装置のパワー半導体の過熱の要因判別方法に関する。

電力変換装置内のパワー半導体は大きな損失を発生するため、この損失による発熱を冷却フィンに熱伝導させ、冷却ファンにより冷却フィンを冷却することが行われている。

特許文献１には、寿命部品である冷却ファンの長寿命化を図るため、パワー半導体を搭載した冷却フィン上の温度を検出し、この温度検出値の高低により、該冷却ファンのオン、オフ制御を行うことは記載されているが、パワー半導体の温度過熱の要因判別についての記載はない。
特開平７−１５４９７６号公報

従来、冷却ファンに冷却ファン自体の寿命を出力する信号が搭載されてなかった。冷却ファンの寿命は、一般的に初期回転数に対し、例えば２０％低下した時点を寿命と定義している。この冷却ファンの回転数は、インバータの主素子を冷却するために、高い回転数で回転出来る物、すなわち高回転数の物の方が望ましい。しかし、経時変化により、冷却ファンの回転数は、稼働時間と共に回転数が低下していくという問題がある。冷却ファンは、回転体であるため、ベアリング及びグリースが使用されている。冷却ファンの寿命は、これらベアリング及びグリースで決定される。

一般に電力変換装置である汎用インバータに搭載されている冷却ファンは、寿命が２〜３年と言われ、寿命部品と定義されている。当然、電力変換装置の周囲温度が高ければ高い程、冷却ファンの寿命は更に短くなる。しかし、電力変換装置の周囲温度は年間で一定ではなく、また、ユーザの設置環境でも周囲温度は大幅に異なる。このため、冷却ファンの寿命を定量的に予告することは不可能であった。このため、従来の寿命を出力する信号が搭載されていない冷却ファンを使用すると、インバータの主素子の温度検出器が加熱を検出した場合、主素子を冷却している冷却ファンの回転数が低下し冷却能力が低下したための要因なのか、インバータ装置の周囲温度が上昇したための要因なのか、判断が付かず要因を特定し排除するために、設備を停止し、要因を特定し保守するまでの時間が掛かるという問題があった。また、設備に対する予防保全を完全に行うことは不可能であったため、有事の際にはこの保守する時間は設備停止であり、当然生産性に大きな障害をもたらす要因となっていた。

本発明の目的は、従来の問題を解決するものであり、異常発生の際の過熱異常における要因判別を可能とする電力変換装置を提供することである。

本発明は、電力変換装置内のパワー半導体の過熱を検出する検出回路とパワー半導体を搭載した冷却フィンを冷却するために設けた冷却ファンに回転数を検出する検出回路を設け、過熱検出回路の信号と冷却ファンの回転数検出信号を用いて、パワー半導体の過熱の要因判別に使用することが出来る。

すなわち、本発明は、パワー半導体内にモジュール化された主素子と、前記パワー半導体の温度過熱を検出する温度検出回路と、前記パワー半導体を搭載した冷却フィンに送風し冷却する冷却ファンとを備え、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給し、異常時に異常表示を行う電力変換装置において、前記冷却ファンの回転数を検出する回転数検出回路を備え、異常表示を行う際に、前記温度検出回路が出力する過熱検出信号と前記回転数検出回路が出力する回転数検出信号を用いて前記パワー半導体の温度過熱の要因判別を可能とする表示を行う電力変換装置である。

また、本発明は、異常表示を行う際に、前記過熱検出信号と前記回転数検出信号を用いて前記パワー半導体の温度過熱の有無及び前記冷却ファンの異常の有無を区別する異常表示を行う電力変換装置である。

そして、本発明は、前記温度検出回路は、前記パワー半導体内にモジュール化されている電力変換装置である。

更に、本発明は、前記温度検出回路は、前記パワー半導体を搭載した冷却フィン上に設けた温度検出素子からの温度検出信号を用いて前記過熱検出信号を出力する電力変換装置である。

また、本発明は、前記温度検出素子は、温度に比例して抵抗値が変化するサーミスタ、又は、予め設定された温度以上になった時に出力する温度リレーである電力変換装置である。

そして、本発明は、前記回転数検出回路は、前記冷却ファンの内部に設けられ、該冷却ファンからの出力信号を用いて前記回転数検出信号を出力する電力変換装置である。

更に、本発明は、前記回転数検出信号は、前記冷却ファンの回転数に比例したパルス列で構成された信号からなる電力変換装置である。

また、本発明は、前記回転数検出信号は、予め設定された回転数以下であるか否かを示す信号からなる電力変換装置である。

本発明によれば、異常発生の際の過熱異常における要因判別を可能とする電力変換装置を提供するができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明の電力変換装置の実施例について、図面を用いて説明する。

実施例１を説明する。図１は、本発明の第１の実施例の電力変換装置の主回路構成図を示す。符号１は交流電力を直流電力に変換する順変換器、符号２は平滑用コンデンサ、符号３は直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する逆変換器、符号４は交流電動機である。符号６は、順変換器１及び逆変換器３を搭載したパワー半導体を冷却する冷却ファンである。符号８は、電力変換装置の各種制御データを設定、変更及び異常表示が行えるデジタル操作パネルである。符号７は、冷却フィン上に搭載され、順変換器１及び逆変換器３を搭載したパワー半導体の過熱を検出する温度検出器である。温度検出器７は、予め設定された温度以上で出力接点がオンあるいは出力接点がオフする温度リレーであっても差し支えない。また、温度に比例して抵抗値が変化するサーミスタでも良い。このサーミスタは、温度上昇と共に抵抗値が上昇する特性の物でも、温度上昇と共に抵抗値が減少する特性の物であっつても差し支えない。

符号５は、逆変換器３のスイッチング素子を制御すると共に、電力変換装置全体の制御を司る働きをする、例えばマイコンからなる制御回路であり、デジタル操作パネル８から入力される各種の制御データに応じて必要な制御処理が行なえる様に構成されている。符号１２は、逆変換器３のスイッチング素子を駆動するドライバ回路である。電力変換装置であるインバータは公知の技術であるため、詳細な説明は割愛する。

図２は、主回路部品配置図の一例である。順変換器１と逆変換器３と温度センサ７が一個のモジュール内に搭載された複合モジュールであるパワー半導体１３を冷却フィン１４に搭載し、冷却フィン１４に送風し冷却する冷却ファン６（図中の点線部分）が冷却フィン１４の上面に取り付けられた構造である。

複合モジュールであるパワー半導体１３は大きな損失を発生するため、この損失による発熱を冷却フィン１４に熱伝導させ、冷却ファン６により冷却フィン１４を冷却する。この冷却ファン６により、複合モジュールであるパワー半導体１３を温度上昇の過熱から保護することが出来る。

ここで、電力変換装置の周囲温度が異常に高かった場合、この周囲温度を吸気する冷却ファン６の吸気温度が高くなり、冷却効果が落ち、あらかじめ設定された温度以上で動作する温度センサ７がオンとなり、電力変換装置内のパワー半導体１３の温度過熱を表示する。

しかし、電力変換装置の周囲温度が仕様範囲内であっても、電力変換装置内のパワー半導体１３の温度過熱を表示する場合がある。冷却ファン６は、回転体であるため、ベアリング及びグリースが使用されている。冷却ファン６の寿命は、これらベアリング及びグリースで決定される。このため、経時変化により、冷却ファン６の回転数は、稼働時間と共に回転数が低下していくという問題がある。

また、電力変換装置の設置環境が、繊維機械等綿埃の多い場合、冷却フィン１４などに目詰まりし、この目詰まりに起因して冷却フィン１４の管損失が増大し、やはり冷却ファン６の回転数が低下するという場合がある。

主素子を内部に有するパワー半導体１３を冷却している冷却ファン６の回転数が低下し、冷却能力が低下するとやはり冷却ファン６の吸気温度が高くなり、冷却効果が落ち、あらかじめ設定された温度以上で動作する温度センサ７がオンとなる。この場合も、電力変換装置内のパワー半導体１３の温度過熱が表示する。

しかし、この場合、電力変換装置内のパワー半導体１３の温度過熱表示の要因が、電力変換装置の周囲温度が異常に高かったためなのか、あるいは、経時変化により冷却ファン６の回転数が稼働時間と共に低下したためなのかが不明であり、その要因を特定できない。

図３（ａ）は、上記問題に鑑みなされた異常検出方法に関わる冷却ファンの一例である。２４Ｖは、冷却ファン６への印加直流電圧である。Ｓｉｇ１は、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、冷却ファン６自体の回転数Ｎｒに比例した信号、すなわち回転数のパルス列である。このため、制御回路にこのＳｉｇ１信号を取り込めば、上記パルス列をカウントすることにより、冷却ファン６の回転数をリアルタイムに測定監視出来る。つまり、冷却ファン６の回転数異常を初期回転数から例えば２０％低下した時点と予め決定しておけば、上記パルス列をカウントすることにより、冷却ファン６の寿命をリアルタイムに測定監視出来る訳である。

図４（ａ）は、更に、異常検出方法に関わる冷却ファンの他の例である。Ｓｉｇ２は、図４（ｂ）（ｃ）に示すように、例えば予め決定しておいた冷却ファン６の回転数が、初期回転数から２０％低下した時点の回転数Ｎｒｄで出力するオン信号である。上記図３で説明した例と同様に、制御回路にこのＳｉｇ２信号を取り込めば、冷却ファン６の回転数異常をリアルタイムに監視出来る。なお、この例では、複数個の冷却ファンからの信号をＯＲ回路に入力して１個の出力信号とすることも可能である。

ここで、温度センサ７の構成の例について説明する。図５は、温度センサ７がサーミスタの場合の温度検出回路の一例である。この場合のサーミスタは、温度上昇と共にその抵抗値が増加する特性を有する。サーミスタが温度異常を検出しない場合、比較器１６の出力は“Ｈ”であるが、サーミスタが温度異常を検出した場合、サーミスタの抵抗値が大きくなるため、比較器１６の出力は“Ｌ”となり、制御回路５のＰＤ端子で温度異常を検出出来る。サーミスタが温度上昇と共にその抵抗値が減少する特性を有していても、本実施例の意図するところになんら問題はない。

図６は、温度センサ７が温度リレーの場合の温度検出回路の他の例である。この例では、温度リレーをｂ接点で構成している。図５と同様に、温度リレー７が温度異常を検出した場合、温度リレーの接点がオフするため、出力は“Ｌ”となり、やはり制御回路５のＰＤ端子で温度異常を検出出来る。ｂ接点の代わりにａ接点の温度リレーであっても本実施例の意図するところになんら問題はない

また、図１に示す温度検出回路１１は、パワー半導体内部に設けられた過熱検出信号出力回路である。一般的に、この様な温度検出回路１１を内蔵してモジュール化したパワー半導体は、例えばＩＰＭ（Interigent Power Module）という商品名で市販されている。

温度検出回路１１は、予め設定された温度になるとパワー半導体内部のチップを過熱から保護するため、過熱を検出し信号を出力する。温度検出回路１１からの過熱検出信号出力を上記図５及び図６の例による温度センサ７の温度検出回路の異常信号の代替として用いても、本実施例の意図するところはなんら変わらない。

図７は、上記図３又は図４の例による冷却ファンの異常信号と上記図５又は図６の例による温度センサ７の温度検出回路の異常信号とを用いて、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給出来る様にした電力変換装置のパワー半導体の過熱要因判別を特定出来るフローチャート図である。

異常が発生した場合、温度センサ７からの指示が過熱異常か否かを判断して過熱異常でなければ、その異常に関連する異常表示（例えば、過電流、過電圧、不足電圧、瞬時停電表示などの他の異常表示、あるいは冷却ファン異常表示等）をデジタル操作パネル８に表示する。

温度センサ７からの指示が過熱異常か否かを判断して過熱異常であれば、次に冷却ファン６の異常か否かを判断する。この際、冷却ファン６の異常が出ていなければ、電力変換装置の周囲温度異常に関わるパワー半導体１３の温度過熱異常表示１、例えばＯＨ−ＰＭ（オーバーヒートパワーモジュール）表示をデジタル操作パネル８に表示する。

しかし、冷却ファン６の異常が発生していれば、冷却ファン６の回転数低下に伴う異常に関わるパワー半導体の温度過熱異常表示２、例えばＯＨ−Ｆａｎ（オーバーヒート冷却ファン）表示をデジタル操作パネル８に表示する。

本実施例のフローチャートによれば、電力変換装置内のパワー半導体の過熱を検出する検出回路とパワー半導体を搭載した冷却フィンを冷却するために設けた冷却ファンに回転数を検出する検出回路を設け、過熱検出回路の信号と冷却ファンの回転数検出信号を用いて、パワー半導体の過熱の要因判別を即座に判断出来るため保守の時間を短縮出来、設備の不稼動時間を大幅に短縮出来るという効果がある。

本実施例は、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給出来る様にした電力変換装置のパワー半導体の過熱の要因判別を即座に判断出来、設備の不稼動時間を大幅に短縮出来る電力変換装置に利用可能である。

本実施例によれば、電力変換装置内のパワー半導体の過熱を検出する検出回路とパワー半導体を搭載した冷却フィンを冷却するために設けた冷却ファンに回転数を検出する検出回路を設け、過熱検出回路の信号と冷却ファンの回転数検出信号を用いて、パワー半導体の過熱の要因判別を即座に判断出来るため、何を対策あるいは交換すれば復旧するかが簡単に判断可能であり、保守の時間を短縮出来、設備の不稼動時間を大幅に短縮出来る。

実施例の電力変換装置の主回路構成図。 実施例の電力変換装置の主回路部品配置図の一例の説明図。 実施例における冷却ファンの異常検出信号の一例の説明図。 実施例における冷却ファンの異常検出信号の他の例の説明図。 実施例におけるサーミスタを用いた温度検出回路の一例の説明図。 実施例における温度リレーを用いた温度検出回路の他の例の説明図。 実施例における異常要因判別のフローチャートの一例の説明図。

符号の説明

１ 順変換器
２ 平滑用電解コンデンサ
３ 逆変換器
４ 交流電動機
５ 制御回路
６ 冷却ファン
７ 温度検出器（温度センサ）
８ デジタル操作パネル
１０ 冷却フィン
１１ パワー半導体内部に設けられた温度検出回路
１２ ドライバ回路
１３ パワー半導体
１４ 冷却フィン
１５ 樹脂モールドケース
１６ 比較器
ＰＭ パワー半導体
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
Ｒ４ 抵抗
２４ 直流電圧
５Ｖ 直流電圧
ｔ 時間
Ｎｒ 冷却ファンの回転数
Ｎｒｄ 冷却ファンの初期回転数から予め設定した回転数低下時点の回転数
Ｓｉｇ１ 冷却ファンの回転数信号
Ｓｉｇ２ 冷却ファンの初期回転数から予め設定した回転数低下時点の信号
ＰＤ 温度センサの過熱異常信号

Claims (8)

1. パワー半導体内にモジュール化された主素子と、前記パワー半導体の温度過熱を検出する温度検出回路と、前記パワー半導体を搭載した冷却フィンに送風し冷却する冷却ファンとを備え、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給し、異常時に異常表示を行う電力変換装置において、
   前記冷却ファンの回転数を検出する回転数検出回路を備え、異常表示を行う際に、前記温度検出回路が出力する過熱検出信号と前記回転数検出回路が出力する回転数検出信号を用いて前記パワー半導体の温度過熱の要因判別を可能とする表示を行うことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   異常表示を行う際に、前記過熱検出信号と前記回転数検出信号を用いて前記パワー半導体の温度過熱の有無及び前記冷却ファンの異常の有無を区別する異常表示を行うことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記温度検出回路は、前記パワー半導体内にモジュール化されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記温度検出回路は、前記パワー半導体を搭載した冷却フィン上に設けた温度検出素子からの温度検出信号を用いて前記過熱検出信号を出力することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記温度検出素子は、温度に比例して抵抗値が変化するサーミスタ、又は、予め設定された温度以上になった時に出力する温度リレーであることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記回転数検出回路は、前記冷却ファンの内部に設けられ、該冷却ファンからの出力信号を用いて前記回転数検出信号を出力することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記回転数検出信号は、前記冷却ファンの回転数に比例したパルス列で構成された信号からなることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記回転数検出信号は、予め設定された回転数以下であるか否かを示す信号からなることを特徴とする電力変換装置。

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