JP2013090475A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファン装置に特別な異常検出機能を持たせることなく、冷却ファンを駆動するモータに生じた異常を確実に検出可能とする。
【解決手段】実施形態のインバータ装置は、冷却ファンを駆動するモータを備えている。電圧測定手段は、モータに駆動電圧が印加されているときのモータの端子間電圧を測定する。異常検出手段は、運転信号に応じてモータに駆動電圧が印加されているときに、電圧測定手段で測定された電圧にモータの回転に伴い発生するリプル成分が検出されない場合にモータに異常が生じたと判定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、冷却ファンを備えたインバータ装置に関する。

インバータ装置の内部には、半導体素子などの発熱部品、これら発熱部品で発生した熱を放熱するためのヒートシンク、およびヒートシンクに送風するための冷却ファン装置を備えている。図８は、冷却ファン装置の駆動回路を示している。冷却ファン装置１は、冷却ファン２とファンモータ３を備えている。ファンモータ３は、電源回路４からＭＯＳＦＥＴ５を介して供給される直流電圧（例えば２４Ｖ）により駆動される。

電源回路４は、例えばスイッチングトランス６を備えた絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータであって、一次側にはスイッチング回路７を備え、二次側にはダイオード８と平滑コンデンサ９とからなる整流回路１０を備えている。一般的なインバータ装置では、電源回路４の２４Ｖ電圧系統は、ファンモータ３に供給されるとともに、制御端子台を通してユーザが利用可能な共用電源として提供されている。

冷却ファン装置１が故障したままインバータ装置を運転し続けると、インバータ装置内の温度が上昇し、熱故障を起こす可能性がある。冷却ファン装置１の一般的な故障検出方法では、ヒートシンクや装置内部の温度を測定し、測定温度が基準値を超えた場合に温度異常としてインバータの運転を停止させている。しかし、この方法では冷却ファン装置１が故障してから温度異常と判断するまでにある程度の遅れ時間がある。その間はインバータ装置が正常に冷却されていない状態で運転が継続するので、半導体素子や他の部品の寿命を縮めてしまう虞があった。

特許第２５１２３２６号公報 特開平１１−５５９３５号公報 特開２００９−２６８２１７号公報

ファンモータ３の異常を検出する際の遅れを回避するには、ファンモータ３の回転速度に応じた信号を出力する機能など異常検出を容易にするための特別の機能を備えた冷却ファン装置を用いればよい。しかし、こうした冷却ファン装置は構成が複雑化し、信頼性が低下するとともにコスト高を招く。

そこで、冷却ファン装置に特別な異常検出機能を持たせることなく、冷却ファンを駆動するモータに生じた異常を確実に検出可能なインバータ装置を提供する。

実施形態のインバータ装置は、冷却ファンを駆動するモータを備えている。電圧測定手段は、モータに駆動電圧が印加されているときのモータの端子間電圧を測定する。異常検出手段は、運転信号に応じてモータに駆動電圧が印加されているときに、電圧測定手段で測定された電圧にモータの回転に伴い発生するリプル成分が検出されない場合にモータに異常が生じたと判定する。

第１の実施形態を示すファンモータの駆動回路の構成図 インバータ装置の電気的なブロック構成図 ファンモータの異常検出処理のフローチャート （ａ）はファンモータが正常回転している時のファンモータの端子間電圧Ｖａ、（ｂ）は他の負荷に与えられる出力電圧Ｖｂの波形図 容量値Ｃａを３３０μＦに設定したときの波形図 容量値Ｃａを１０μＦに設定したときの波形図 第２の実施形態を示すファンモータの異常検出処理の部分的なフローチャート 従来技術を示す図１相当図

（第１の実施形態）
図１ないし図６を参照しながら第１の実施形態を説明する。図１において図８と同一構成部分には同一符号を付している。図２に示すように、インバータ装置１１の電源入力端子には交流電源１２が接続され、負荷出力端子にはモータ１３が接続されるようになっている。整流回路１４は、交流電源１２の三相交流電圧をブリッジ接続されたダイオードにより整流し、平滑コンデンサ１７が接続された直流電源線１５、１６間に出力する。インバータ回路１８は、直流電源線１５、１６間にスイッチング素子例えばＩＧＢＴを三相ブリッジ接続した構成を備え、ゲート信号に従ってスイッチング動作を行うことによりモータ１３に対し三相交流電圧を出力する。

制御回路１９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、入出力ポート、Ａ／Ｄコンバータ、タイマ、ＰＷＭ信号形成回路、通信手段などを有するマイクロコンピュータを主体に構成されている。ＲＯＭにはインバータ制御プログラムおよびファンモータ３の異常判定プログラムが格納されており、ＥＥＰＲＯＭには加速時間、減速時間、上限周波数、下限周波数、多段速運転周波数、入出力端子選択など多種類のパラメータが記憶されている。

操作パネル２０は、インバータ装置１１の筺体正面に設けられている。操作パネル２０には、運転キー（ＲＵＮキー）２０ａ、停止キー（ＳＴＯＰキー）２０ｂ、セグメント表示部２０ｃをはじめ、図示しないアップキー、ダウンキー、モードキー、エンターキー、ボリウムダイアルなどの操作手段と、単位表示ランプ、モード表示ランプなどの表示手段とを備えている。

制御回路１９は、ＲＯＭから読み出したインバータ制御プログラムに従い、操作パネル２０または装置外部から入力した運転指令および周波数指令に基づいて出力電圧を算出し、ＰＷＭ波形を持つゲート信号を出力する。ゲート信号は、ドライブ回路２１を介してインバータ装置１１のスイッチング素子に与えられる。また、操作パネル２０への表示出力処理、図示しない外部装置例えばシーケンサとの間の通信処理などを実行する。さらに、異常検出手段としての制御回路１９は、ＲＯＭから読み出した異常判定プログラムに従ってファンモータ３の異常検出処理を実行する。

電源回路２２は、直流電源線１５、１６間の直流電圧ＶDCを入力し、インバータ装置１１の内部回路に供給する直流電圧と、制御端子台２３に接続される外部装置（シーケンサ、接点出力の入力回路）に供給する直流電圧を生成する。例えば、マイクロコンピュータには５Ｖと３．３Ｖを供給し、冷却ファン装置１と操作パネル２０と外部装置には２４Ｖを供給する。

冷却ファン装置１は、整流回路１４のダイオード、インバータ回路１８のスイッチング素子などの発熱部品および発熱部品が取り付けられたヒートシンクに送風して冷却する装置である。図１は、冷却ファン装置１と電源回路２２の電気的構成（２４Ｖ系）を示している。冷却ファン装置１は、冷却ファン２とファンモータ３を備えている。ファンモータ３は、ブラシレスまたはブラシ付の直流モータであり印加電圧に応じた速度で回転するが、経年劣化が生じると印加電圧に対する回転速度が低下する傾向を示す。

電源回路２２は、一次側にスイッチング回路７を備え、スイッチングトランス６で絶縁されたＤＣ−ＤＣコンバータである。二次側は、負荷としてファンモータ３が接続される電源供給系統２２Ａと、ファンモータ３以外の負荷例えば操作パネル２０や外部装置が接続される電源供給系統２２Ｂとを備えている。ユーザは、制御端子台２３を通して電源供給系統２２Ｂから供給される電源を利用可能である。電源供給系統２２Ａ、２２Ｂは、それぞれスイッチングトランス６の二次側電圧を入力とするダイオード８ａ、８ｂと平滑コンデンサ９ａ、９ｂとからなる電源回路であるが、電気的に互いに分離独立した異なる電源供給系統を構成している。

電源供給系統２２Ａの出力線は、スイッチ回路としてのＭＯＳＦＥＴ５を介してファンモータ３に接続されている。運転キー２０ａが押圧操作されると、制御回路１９は、ＰＷＭ波形を持つゲート信号を出力して負荷を駆動するとともに、運転信号を出力してＭＯＳＦＥＴ５をオン駆動することによりファンモータ３を回転させる。ヒートシンクには、サーミスタなどの温度検出手段が取り付けられている。停止キー２０ｂが押圧操作されると、制御回路１９は、検出温度が所定値以下に低下するまで或いは所定時間が経過するまで、ファンモータ３の運転信号を出力し続ける。

電源供給系統２２Ａの出力線の間（平滑コンデンサ９ａとＭＯＳＦＥＴ５との間）には、運転信号に応じてファンモータ３に駆動電圧Ｖａが印加されているときのファンモータ３の端子間電圧を分圧して測定する電圧測定回路２４（電圧測定手段）が接続されている。測定電圧Ｖｍは、制御回路１９のＡ／Ｄコンバータでデジタル値に変換されてＣＰＵに入力される。

電源供給系統２２Ｂの平滑コンデンサ９ｂの容量値Ｃｂは、平滑後の電圧Ｖｂのリプル成分を極力低減するため大きい値（例えば３３０μＦ）に設定されている。これに対し、電源供給系統２２Ａの平滑コンデンサ９ａの容量値Ｃａは、ファンモータ３が回転しているときに、測定電圧Ｖｍにファンモータ３の回転により発生するリプル成分が検出可能なレベルで現れるように、平滑コンデンサ９ｂの容量値Ｃｂよりも小さい値（例えば１０μＦ）に設定されている。

図３は、制御回路１９が異常判定プログラムに従って実行するファンモータ３の異常検出処理のフローチャートである。制御回路１９は、運転信号に応じてファンモータ３に駆動電圧Ｖａが印加されているときにＡ／Ｄ変換を行って測定電圧Ｖｍを入力する(ステップＳ１)。そして、測定電圧Ｖｍをフィルタ処理して、ファンモータ３の回転に伴い発生するリプル成分を抽出する（ステップＳ２）。このリプル成分は、ファンモータ３の回転に同期して生じるリプル電圧である。

ファンモータ３は回転する際に常に磁束鎖交数が変化し、スリット部分を磁極が通過する際その変化は顕著となる。従って、トルクリプルは磁束鎖交数の変化に起因して発生し、トルクは一定の周期、一定の幅で変動を繰り返す。理論的にはトルクリプル周波数ｆ(ripple)は以下の（１）式で表される。例えば、ポール数ｐが４のファンモータ３を４５００ｒｐｍで運転した場合、ｆ(ripple)＝３００Ｈｚとなり、トルクリプルは３．３３ｍｓ（＝１／ｆ(ripple)）毎に発生する。
ｆ(ripple)＝ポール数ｐ×回転速度(rpm)／６０ …（１）

制御回路１９は、測定電圧Ｖｍにリプル成分があるか否かを判断し（ステップＳ３）、ある場合（ＹＥＳ）にはファンモータ３は正常に回転していると判定する（ステップＳ４）。これに対し、ない場合（ＮＯ）にはファンモータ３の回転が停止しているなどの異常が生じたと判定する（ステップＳ５）。

図４（ａ）は、ファンモータ３が正常に回転しているときのファンモータ３の端子間電圧Ｖａである（容量値Ｃａ＝１０μＦ）。端子間電圧Ｖａにファンモータ３の回転に同期したリプル成分が重畳していることが分かる。端子間電圧Ｖａを分圧した測定電圧Ｖｍにも同様のリプル成分が現れる。これに対し、ファンモータ３が回転していないときにはリプル成分は現れない。従って、Ａ／Ｄコンバータを介して入力した測定電圧Ｖｍにリプル成分が検出されるか否かに基づいて、ファンモータ３が正常に回転しているか否かを判定することができる。図４（ｂ）は、電源供給系統２２Ｂの出力電圧Ｖｂである（容量値Ｃｂ＝３３０μＦ）。電源供給系統２２Ｂは十分に平滑されているため、出力電圧Ｖｂにリプル成分は現れない。

次に、図５、図６を参照しながら平滑コンデンサ９ａの容量値Ｃａの設定方法について説明する。平滑コンデンサ９ａの両端電圧をＶａとすると、平滑コンデンサ９ａの電荷Ｑは（２）式となる。
Ｑ＝Ｃａ×Ｖａ …（２）

平滑コンデンサ９ａに流れる電流をＩａとすると、（２）式から（３）式が得られる。

そこで、ファンモータ３が正常回転していると判定するために必要なリプル電圧ΔＶａの値を決定し、ある程度大きな容量値を持つ平滑コンデンサ９ａを用いて電流Ｉａの積分値を試験から求めることで、容量値Ｃａの値を求めることができる。ただし、この電流Ｉａの積分値は使用する平滑コンデンサ９ａの容量値に少なからず影響されるので、最終的には実機試験で所望のリプル電圧ΔＶａが発生しているか否かを確認して微調整する必要がある。

平滑コンデンサ９ａの容量値Ｃａを決定する具体例を説明する。図５および図６は、平滑コンデンサ９ａの両端電圧Ｖａ（１Ｖ／ｄｉｖ）と電流Ｉａ（２０ｍＡ／ｄｉｖ）の実測波形を示している（１ｍｓ／ｄｉｖ）。図５は、大きい容量値３３０μＦを持つ平滑コンデンサ９ａを用いてファンモータ３を正常回転させたときの波形である。この測定結果から、変化時間ｄｔ間の電流Ｉａの積分値は２６×１０^-6であるため、所望のリプル電圧ΔＶａ（電圧差）を例えば２．６Ｖとすると、平滑コンデンサ９ａの容量値Ｃａは１０μＦと算出される。

図６は、実際に容量値Ｃａを１０μＦに設定したときの波形である。しかし、このときのリプル電圧ΔＶａは１．３Ｖであり、目的値である２．６Ｖに対し不足している。このときの変化時間ｄｔ間の電流Ｉａの積分値を求めると１０×１０^-6である。そこで、平滑コンデンサ９ａの容量値Ｃａを再度計算すると３．８μＦとなる。このように、理論計算と実機試験とを用いて目的とするリプル電圧ΔＶａ（電圧差）が現れるように調整すればよい。

本実施形態によれば、ファンモータ３の端子間電圧の測定電圧Ｖｍにリプル成分が検出されるか否かに基づいてファンモータ３の異常検出を行うので、異常発生から異常検出までの遅れ時間が非常に短く、インバータ装置１１が正常に冷却されていない状態のまま運転が継続することを防止できる。冷却ファン装置１自体に特別な異常検出機能を持たせる必要がないので、従来と同様の標準仕様の冷却ファン装置１を使用しながらファンモータ３の異常を検出することができる。また、従来構成に対し電圧測定回路２４とファンモータ３の異常検出プログラムを追加すれば構成できるので、冷却ファン装置１の異常を検出するために構成の複雑化およびコストの増大を極力防止することができる。

電源回路２２の二次側を、ファンモータ３に対し専用に設けられた電源供給系統２２Ａと、ファンモータ３以外の負荷が接続される電源供給系統２２Ｂとに分離し、電源供給系統２２Ａの平滑コンデンサ９ａに小容量値のものを採用したので、ファンモータ３の回転に伴い発生するリプル電圧を確実に検出できる。また、平滑コンデンサ９ａを小型化できるので、電源供給系統を分離したことに伴う装置サイズおよびコストの増大を極力抑えることができる。

（第２の実施形態）
図７は、図３に示したファンモータ３の異常検出処理のステップＳ４に替えて実行する追加処理のフローチャートである。制御回路１９は、ステップＳ３で測定電圧Ｖｍにリプル成分があると判断すると、リプルの周期を測定し（ステップＳ１１）、ファンモータ３の回転速度を算出する（ステップＳ１２）。続いて、検出した回転速度が所定の判定しきい値よりも低いか否かを判断する（ステップＳ１３）。低くない（ＮＯ）と判断すると、ファンモータ３は正常に回転していると判定する（ステップＳ１４）。低い（ＹＥＳ）と判断すると、ファンモータ３が経年劣化したと判定する（ステップＳ１５）。

この場合に用いる判定しきい値は、定格回転速度に一定の低減率(例えば０．８)を乗じた値、または発熱部品を冷却する能力が低下してインバータ装置１１の構成部品に熱故障を起こす可能性が生じる回転速度の値に設定されている。ファンモータ３は印加電圧が高いほど回転速度が高くなるので、印加電圧のずれによる判定のばらつきを避けるため、測定電圧Ｖｍ（端子間電圧Ｖａ）に応じて判定しきい値を補正するとよい。

本実施形態によれば、ファンモータ３が回転しているか停止しているかの判定のみならず、ファンモータ３の回転速度の低下についても判定するので、ファンモータ３の経年劣化などの特性劣化に伴う冷却能力の低下異常も検出することができる。これにより、ファンモータ３に全停止異常が発生するのに先立って、冷却ファン装置１の交換をユーザに促すことができる。

（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態に加えて以下のような構成を採用してもよい。
ファンモータ３だけが接続される電源供給系統２２Ａと、ファンモータ３以外の負荷が接続される電源供給系統２２Ｂとに分離したが、必ずしも分離する必要はない。
ファンモータ３が回転しているときに測定電圧Ｖｍにリプル成分が検出可能なレベルで現れれば、平滑コンデンサ９ａの容量値を小さく設定する必要はない。

以上説明した実施形態によれば、冷却ファンを駆動するモータに駆動電圧が印加されているときに、電圧測定手段で測定された電圧にモータの回転に伴い発生するリプル成分が検出されない場合にモータに異常が生じたと判定する。これにより、冷却ファン装置に特別な異常検出機能を持たせることなく、冷却ファンを駆動するモータに生じた異常を確実に検出可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、２は冷却ファン、３はファンモータ（モータ）、９ａは平滑コンデンサ、１１はインバータ装置、１９は制御回路（異常検出手段）、２２は電源回路（直流電源回路）、２２Ａ、２２Ｂは電源供給系統、２４は電圧測定回路（電圧測定手段）である。

Claims (5)

1. 冷却ファンを駆動するモータを備えたインバータ装置であって、
   前記モータに駆動電圧が印加されているときの前記モータの端子間電圧を測定する電圧測定手段と、
   運転信号に応じて前記モータに駆動電圧が印加されているときに、前記電圧測定手段で測定された電圧に前記モータの回転に伴い発生するリプル成分が検出されない場合に前記モータに異常が生じたと判定する異常検出手段とを備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記モータは直流モータであって、
   平滑コンデンサを有して前記モータに印加する駆動電圧を生成する直流電源回路を備え、
   前記モータが回転しているときに前記電圧測定手段で測定された電圧に前記リプル成分が検出可能なレベルで現れるように、前記直流電源回路の平滑コンデンサの容量値が小さく設定されていることを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
3. 前記モータに駆動電圧を供給する直流電源回路は、前記モータ以外の負荷に電源を供給する直流電源回路とは異なる電源供給系統により構成されていることを特徴とする請求項２記載のインバータ装置。
4. 前記異常検出手段は、前記モータに駆動電圧が印加されているときに、前記電圧測定手段で測定された電圧に現れるリプルの周期に基づいて前記モータの回転速度を検出し、その回転速度が判定しきい値よりも低下した場合に前記モータが劣化したと判定することを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のインバータ装置。
5. 前記異常検出手段は、前記電圧測定手段で測定された電圧に応じて前記判定しきい値を補正することを特徴とする請求項４記載のインバータ装置。

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