KR20080055601A - 전력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 다양한 설치 환경에서 이용되는 경우라도 설비측에서의 사용 편의성의 향상을 도모한 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 목적을 해결하기 위해서, 본 발명에서는, 교류 전동기(4)에 가변 전압 가변 주파수의 교류 전력을 공급할 수 있도록 한 전력 변환 회로(1∼3)와 전력 변환 회로(1∼3) 내의 파워 반도체를 탑재한 냉각 핀을 냉각하기 위해서 설치한 냉각 팬(6)과 냉각 팬(6)의 공급 전원 회로에 냉각 팬(6)을 구동 및 정지하기 위한 반도체 스위치를 포함하고, 냉각 팬(6)의 단락 고장 등의 이상을 검출하는 검출 회로를 갖고, 검출 회로가 단락 이상을 검출한 경우, 냉각 팬(6)에의 공급 전원을 차단한다.

냉각 핀, 냉각 팬, 단락 고장, 공급 전원, 반도체 스위치, 이상 검출

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTER}

본 발명은, 전력 변환 장치에 관한 것이다.

전력 변환 장치 내의 파워 반도체는 큰 손실이 발생하기 때문에, 이 손실에 의한 발열을 냉각하는 구조가 채용되어 있다. 즉, 냉각 핀과 냉각 팬을 포함하고, 발열체로 되는 파워 반도체로부터의 열을 냉각 핀에 열 전도시키고, 냉각 팬에 의해 냉각 핀에 공기를 보내어 열 교환시켜, 공냉 방식에 의해 방열시키고 있다.

특허 문헌 1(일본 특개평 7-154976호 공보)에서는, 냉각 팬의 장기 수명화를 도모하기 위해서, 파워 반도체로 이루어지는 각 모듈이 탑재된 냉각 핀 상의 온도를 검출하고, 이 온도 검출값의 고저에 따라 냉각 팬의 기동, 정지의 제어를 행하고 있다. 이와 같은 제어를 행함으로써, 냉각 팬의 열화 정도가 저감되어, 부품의 장기 수명화가 도모되고 있다. 또한, 특허 문헌 2(일본 특개평 3-168991호 공보)에는 풍냉식 전력 변환 장치가 개시되고, 팬 모터의 단락 고장 시에 단락 전류가 흐르는 것을 억제하기 위해서, 릴레이 회로를 이용하여 고장 시에는 저항을 통하여 단락 전류가 흐르도록 하고 있다.

냉각 팬은, 운전에 의해 열화되는 수명 부품으로서 위치지어져서, 전력 변환 장치에서 사용되는 부품 중에서도 장기 수명화가 요망되고 있다. 냉각 팬은, 일반적으로 초기 회전수에 대하여, 예를 들면 20% 저하된 시점을 수명으로 정의하고 있다. 이 냉각 팬의 회전수는, 인버터의 주 소자를 냉각하기 위해서, 높은 회전수로 회전할 수 있는 것이 바람직하며, 즉 고회전수의 것이 바람직하다.

그러나, 수명 전이라도, 경시 변화에 의해 냉각 팬의 회전수가 가동 시간과 함께 저하되거나, 혹은, 전력 변환 장치의 설치 환경의 진애(塵埃) 및 습기에 의해, 냉각 팬이 전원 단락 고장을 일으킨다고 하는 문제가 있다. 냉각 팬은 회전체이기 때문에, 베어링 및 그리스가 사용되고 있지만, 전력 변환 장치의 설치 환경은, 산업계의 업종에 따라 대폭 상이하여, 이상적 조건에 맞추는 것은 곤란한 경우도 많다.

이 때문에, 전력 변환 장치인 인버터의 주 소자의 온도 검출기가, 과열 상태를 검출한 경우에는, 주 소자를 냉각하고 있는 냉각 팬의 회전수가 저하된 것에 의한 냉각 능력의 저하가 요인인지, 인버터 장치의 주위 온도가 상승하였기 때문의 요인인지, 혹은 냉각 팬이 고장나서 정지하였기 때문의 요인인지를 판단하는 것이 곤란하였다. 따라서, 이와 같은 경우에는, 전력 변환 장치를 이용한 설비를 정지하고, 요인의 특정 및 그 배제가 완료될 때까지 시간이 걸린다고 하는 문제가 있었다.

즉, 인버터 주 소자의 온도 상승이 검출될 수 있는 상황이 다방면에 걸치는 요인에 의해 야기되기 때문에, 설비에 대한 예방 보전을 완전하게 행하는 것은 불가능하였다. 그 결과, 유사 시에는, 요인 특정 및 보수하는 시간이 설비 정지의 시간으로 되게 되어, 설비 전체적으로는, 생산성에 큰 장해를 초래하는 원인으로 되었다. 그 때문에, 설비측에서 본 경우의 사용 편의성 향상이 요망되었다.

특허 문헌 1에는, 냉각 팬의 장기 수명화를 도모하는 구성이 기재되고, 특허 문헌 2에는, 팬 모터 고장 시에 전원 회로를 보호하기 위한 구성은 기재되어 있지만, 냉각 대상물의 온도 상승 시에 그 요인을 특정하는 것, 혹은, 전력 변환 장치를 이용한 설비 정지에 관해서는 전혀 고려되어 있지 않았다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 다양한 설치 환경에서 이용되는 경우라도 설비측으로부터의 사용 편의성의 향상을 도모한 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적 양태는 이하와 같다.

제1 양태에서는, 교류 전동기에 가변 전압 가변 주파수의 교류 전력을 공급할 수 있도록 한 전력 변환 회로와 그 전력 변환 회로 내의 파워 반도체를 탑재한 냉각 핀을 냉각하기 위한 냉각 팬을 포함하고, 그 냉각 팬의 단락을 검출하는 검출 회로를 갖고, 그 검출 회로에 의해 단락이 검출된 경우, 상기 냉각 팬에의 공급 전원을 차단하는 구성으로 하였다.

또한, 제2 양태에서는, 교류 전원의 교류 전압을 정류하여 직류 전압으로 변환하는 순변환기와, 이 순변환기의 직류 전압을 평활하는 평활 콘덴서와, 상기 순 변환기의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 역변환기를 포함하고, 가변 전압 가변 주파수의 교류 전력을 출력하는 전력 변환 장치로서, 상기 순변환기 및 상기 역변환기를 구성하는 파워 반도체를 냉각하는 냉각 핀과, 이 냉각 핀을 냉각하기 위한 냉각 팬과, 상기 파워 반도체의 온도를 검출하는 온도 검출기와, 상기 평활 콘덴서로부터 직류 전압을 받아 상기 냉각 팬에 직류 전압을 공급하는 스위칭 레귤레이터 회로와, 상기 냉각 팬에의 공급 전압을 검출하는 검출 회로와, 상기 온도 검출기에 의해 검출되는 온도가 설정값을 초과하면 장치를 정지하도록 제어하고, 또한, 상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락이 검출되면 상기 냉각 팬에의 전원 공급을 차단하도록 제어하는 제어 장치를 포함한 구성으로 하였다.

나아가서는, 상기의 양 양태 혹은 어느 하나의 양태에서，보다 바람직한 구체적인 형태는 이하와 같다.

(1) 상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락 이상이 검출되었을 때에 단락 이상을 표시하는 표시부를 포함할 것.

(2) 전력 변환 장치의 운전 조건을 설정하는 조작 패널을 포함하고, 상기 표시부는 이 조작 패널에 설치되어 있을 것.

(3) 상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락 이상이 검출된 경우에, 상기 제어 장치는, 상기 전력 변환 장치의 출력을 차단하지 않고 상기 냉각 팬에의 전원 공급을 차단할 것.

(4) 상기 스위칭 레귤레이터 회로는, 상기 냉각 팬 외에, 적어도 상기 제어 장치를 포함하는 제어 회로 및 상기 검출 회로에 전원을 공급하고, 상기 검출 회로 에 의해 상기 냉각 팬의 단락 이상이 검출된 경우에는, 상기 전력 변환 장치의 출력, 상기 제어 회로 및 상기 검출 회로에의 전원 공급은 차단되지 않고, 상기 냉각 팬에의 전원 공급이 차단될 것.

(5) 상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락 이상이 검출된 경우, 상기 냉각 팬의 이상을 알리는 출력 신호를 보유하지 않을 것.

(6) 상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락 이상이 검출된 경우, 상기 냉각 팬의 이상을 알리는 신호를 출력하고, 상기 단락 이상의 검출이 없어진 경우에는 상기 이상을 알리는 신호를 정지(해제)할 것.

(7) 상기 냉각 팬에의 전원 공급을 차단하기 위해서 상기 제어 장치에 의해 온 오프 제어되는 반도체 스위치를 포함하고, 상기 제어 장치는, 상기 냉각 팬의 단락 이상의 검출로부터 상기 반도체 스위치를 오프로 할 때까지의 시간을, 상기 반도체 스위치의 온 상태에서의 발생 손실에 의해 온 상태가 계속되었을 때에 열 파괴에 이르기까지의 시간 내로 들어갈 것.

또한, 본 발명의 다른 양태는, 교류 전동기에 가변 전압 가변 주파수의 교류 전력을 공급하는 전력 변환 회로와 그 전력 변환 회로 내의 파워 반도체를 탑재한 냉각 핀을 냉각하기 위한 냉각 팬을 포함한 전력 변환 장치의 제어 방법으로서, 상기 파워 반도체의 온도의 검출값이 설정값을 초과하면 상기 전력 변환 장치가 정지되고, 상기 냉각 팬에의 공급 전압을 검출하는 검출 회로의 출력에 기초하여 상기냉각 팬에의 전원 공급을 차단하는 것이다.

그리고 이 양태에서, 상기 냉각 팬의 단락이 검출되면 상기 냉각 팬에의 전 원 공급을 차단하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 다양한 설치 환경에서 이용되는 경우라도, 설비측에서의 사용 편의성의 향상이 도모되어, 보수 점검을 행하기 쉬운 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.

교류 전동기에 가변 전압 가변 주파수의 교류 전력을 공급할 수 있도록 한 전력 변환 장치를 실시예로 하고, 전력 변환 장치가 포함하는 냉각 팬의 단락 고장을 검출하고, 냉각 팬에의 공급 전원 회로를 차단하는 구성에 대해서 설명한다. 냉각 팬에의 공급 전원이 차단됨으로써, 냉각 팬의 단락 고장에 의한 단락 전류에 의해 공급 전원 회로를 2차 파괴로부터 보호할 수 있다. 이 때문에, 설비의 불가동 시간을 대폭 단축할 수 있는 전력 변환 장치에 이용 가능하다. 이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치의 주회로 구성도이다. 본 실시예의 전력 변환 장치는, 전력 변환 회로로서, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 순변환기(1)와, 평활 콘덴서(2)와, 직류 전력을 임의의 주파수의 교류 전력으로 변환하는 역변환기(3)를 포함하고, 교류 전동기(4)를 원하는 주파수에서 운전 가능하게 하고 있다. 그리고, 냉각 팬(6)은, 순변환기(1) 및 역변환기(3) 내의 파워 모듈을 냉각 가능한 위치에 부착된다.

전력 변환 장치의 각종 제어 데이터는, 조작 패널(8)로부터 설정 및 변경이 가능하다. 조작 패널(8)에는 이상 표시가 가능한 표시부가 설치되어 있고, 전력 변환 장치의 이상이 검출되면 그 표시부에 표시된다. 본 실시예의 조작 패널(8)로서는, 특별히 종류가 한정되는 것은 아니지만, 디지털 조작 패널로서 장치 사용자의 조작성을 고려하여 표시부의 표시를 보면서 조작을 행할 수 있도록 구성하고 있다. 또한, 표시부는 반드시 조작 패널(8)과 일체로 구성할 필요는 없지만, 조작 패널(8)의 조작자가, 표시를 보면서 조작할 수 있도록 일체 구성으로 하는 것이 바람직하다. 조작 패널(8)로부터 입력된 전력 변환 장치의 각종 제어 데이터는 도시하지 않은 기억부에 저장된다.

온도 검출기(7)는, 순변환기(1) 및 역변환기(3) 내의 파워 모듈의 온도를 검출한다. 이 온도 검출기(7)는, 순변환기(1)나 역변환기(3)의 파워 모듈과 함께 냉각 핀(후술) 상에 탑재되어 있으며, 이들 파워 모듈의 방열 부재로서 기능한다. 온도 검출기로서는, 미리 설정된 온도에서 출력 접점이 온 혹은 오프하는 온도 릴레이를 이용해도 된다. 이하에서는, 미리 설정된 온도에서 출력 접점이 온으로 되는 온도 검출기를 이용하는 것으로서 설명하지만, 온도에 의해 저항값이 변화되는 서미스터를 이용해도 지장은 없다. 또한, 서미스터로서는, 온도 상승과 함께 저항값이 상승하는 특성의 것이어도 되고 감소하는 특성의 것이어도 된다.

또한, 파워 반도체 모듈 내부에 설치된 온도 검출 회로(11)를 이용해도 되고, 필요에 따라서 온도 검출기(7), 온도 검출 회로(11)를 이용하여 제어를 행한다. 이하에서는, 파워 반도체의 온도 상승을 검출 가능한 것으로서, 온도 검출기(7)로 대표시켜 설명한다.

본 실시예에서, 제어 장치는, 제어 회로(5) 및 드라이버 회로(12)로 이루어지고, 전력 변환 장치 전체의 제어를 담당한다. 제어 회로(5)는, 조작 패널(8)에 의해 입력되는 각종 제어 데이터에 기초하여 역변환기(3)의 스위칭 소자를 제어하는 것 외에, 장치 전체에 필요한 제어 처리를 행한다. 내부 구성은 생략하지만, 각종 제어 데이터가 저장된 기억부의 기억 데이터로부터의 정보에 기초하여 연산을 행하는 마이크로컴퓨터(마이크로프로세서, 주제어 장치)가 탑재된다.

드라이버 회로(12)는, 제어 회로(5)로부터의 명령에 기초하여 역변환기(3)의 스위칭 소자를 구동한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 드라이버 회로(12) 내에는 스위칭 레귤레이터 회로(DC/DC 컨버터)(18)가 탑재되어 있고, 전력 변환 장치의 운전에 필요한 각 직류 전압을 생성하고, 이들을 각 구성에 대하여 공급한다.

도 2는, 전력 변환 장치의 주회로 부품의 배치도의 일례를 도시하는 도면이다. 본 실시예에서는，순변환기(1)와 역변환기(3)와 온도 검출기(7)가 하나의 모듈 내에 탑재된 복합 모듈인 파워 반도체(13)가 이용되고, 이 파워 반도체(13)가 냉각 핀(14)에 탑재된다. 냉각 핀(14)을 냉각하기 위한 냉각 팬(6)(도 2 중에 점선으로 도시)이 냉각 핀(14)의 상면에 부착된다.

파워 반도체(13)는 큰 손실이 발생하기 때문에, 전력 변환 장치의 운전 중에 발열한다. 이 발열을 냉각 핀(14)에 열 전도시키고, 냉각 팬(6)에 의해 공기를 보냄으로써 열 교환하여, 냉각 핀(14)이 냉각된다. 본 실시예에서는, 냉각 팬(6)이, 냉각 핀(14)에서의 파워 반도체(13)의 부착면의 이면에 공기를 유통하여, 파워 반도체(13)로부터의 발열을 방열하고 있다.

상기 구성에 의해, 복합 모듈인 파워 반도체(13)를 온도 상승에 의한 과열로부터 보호할 수 있다.

도 3은, 본 실시예의 전력 변환 장치의 주회로 구성도에서, 제어부의 일부를 구성하는 드라이버 회로(12)에 의한 전원 공급 구성을 도시하는 도면이다.

드라이버 회로(12) 내에는, 회로 구성 요소의 하나로서 스위칭 레귤레이터 회로(18)가 설치되어 있다. 본 실시예의 스위칭 레귤레이터 회로(18)는, 상세는 생략하지만, 1석 플라이백 방식의 회로 구성이며, 전력 변환 장치 내부의 각 구성에 필요한 직류 전압을 생성하고 있다.

구체적으로는, 주회로의 직류 중간 회로에 있는 평활 콘덴서(2)로부터 직류 전압(인버터 교류 입력 전압 200V급의 경우, 평활 콘덴서(2)의 양단 전압은, 직류의 270V)을 받아, 각 구성에 필요한 직류 전압을 작성한다.

전력 변환 장치 내에는 각 회로에 따른 수종류의 직류 전압이 필요하고, 예를 들면, 24V(냉각 팬(6)의 전원, 인버터와 상위의 인터페이스 전원), 5V(MCU 등 디지털 회로 전원), ±12V(검출 회로 등 아날로그 회로 전원), ±15V(역변환기인 IGBT의 게이트 회로 전원) 등을 들 수 있다.

이와 같은 구성을 포함한 전력 변환 장치에서, 그 장치의 주위 온도가 이상하게 높아진 경우, 주위의 공기를 흡기하여 냉각 핀(14)으로 보내는 냉각 팬(6)의 흡기 온도 자체가 높아지게 되어, 파워 반도체(13)의 냉각 효과가 떨어진다. 온도 검출기(7)에 의해 검출되는 검출 온도가, 미리 설정되어 있는 설정값보다도 높아진 경우에는, 온도 검출기(7)가 온 상태로 된다. 이것을 받아서 제어 회로(5)는 파워 반도체(13)의 「온도 과열」을 조작 패널(8)의 표시부에 표시한다.

그러나, 주위 온도가 사양 범위 내이어도, 전력 변환 장치 내의 파워 반도체(13)의 「온도 과열」을 표시하는 경우가 있다. 냉각 팬(6)은 회전체이기 때문에, 베어링이나 그리스가 사용되고 있다. 냉각 팬(6)의 수명은 이들 베어링 및 그리스에도 영향을 받는다. 이 때문에, 경시 변화에 의해, 냉각 팬(6)의 회전수가, 가동 시간과 함께 저하되어 간다고 하는 문제가 있다.

또한, 전력 변환 장치의 설치 환경이 섬유 기계 등과 같이 솜 먼지가 많은 경우에는, 냉각 핀(14) 등에 눈막힘이 발생하고, 이 눈막힘에 기인하여 냉각 핀(14)의 관 손실이 증대되어, 역시 냉각 팬(6)의 회전수가 저하된다고 하는 경우가 있다.

주 소자인 파워 반도체(13)를 냉각하고 있는 냉각 팬(6)의 회전수가 저하되어, 냉각 능력이 저하되면 역시 냉각 팬(6)의 흡기 온도가 높아지게 되어, 냉각 효과가 떨어져, 미리 설정된 온도 이상에서 동작하는 온도 검출기(7)가 온으로 된다. 이 경우도, 전력 변환 장치 내의 파워 반도체(13)의 온도 과열이 표시된다.

나아가서는, 전력 변환 장치의 설치 환경이, 섬유 기계 등과 같은 솜 먼지가 많고, 또한, 습도가 높은 상황에서는, 냉각 팬(6) 내부의 회로에 솜 먼지가 부착되고, 이 부착된 솜 먼지가 흡습하여, 냉각 팬(6) 내부의 회로가 단락되는 경우가 있다. 이 때 냉각 팬(6)이 고장나기 때문에, 냉각 효과가 없어져, 역시 파워 반도체(13)의 온도 과열이 표시된다.

상기의 각각 상황 하에서는, 파워 반도체(13)의 온도 과열 표시의 요인이, 주위 온도가 이상하게 높았기 때문인지, 혹은, 경시 변화에 의해 냉각 팬의 회전수가 가동 시간과 함께 저하되었기 때문인지, 그렇지 않으면, 냉각 팬이 고장났기 때문인지가 불분명하여, 그 요인을 바로 특정할 수 없다.

그리고, 상기의 요인을 특정할 수 있었던 경우, 예를 들면, 파워 반도체(13)의 온도 과열 표시의 요인이, 냉각 팬(6)의 회전수 저하에 기인한 것이었던 경우에는, 다음과 같은 대응이 가능하다. 즉, 냉각 팬(6)의 회전수 저하의 정도가, 냉각 팬(6)의 초기 회전수로부터 예를 들면 20% 저하된 시점에서 「이상 저하」로 미리 정해 둠으로써, 수명 판정을 할 수 있다.

따라서, 냉각 팬(6)의 자극 검출 센서에 의해 냉각 팬(6)의 회전수에 비례한 펄스 열을 냉각 팬(6)으로부터 출력하고, 그 펄스 열을 카운트함으로써, 냉각 팬(6)의 회전수 저하를 검출하는 것이 가능하고, 이 경우에는, 냉각 팬만을 신품으로 교환하면 된다. 이와 같은, 냉각 팬의 경시 변화 등에 의한 회전수 저하는, 냉각 팬 내부의 회로가 단락하는 고장은 아니기 때문에, 냉각 팬에의 공급 전원 회로를 파괴하는 일은 없다.

그러나, 전력 변환 장치의 설치 환경이, 솜 먼지가 많고 습도가 높은 상황인 경우에는, 냉각 팬의 내부의 회로에 솜 먼지가 부착되어 흡습하여, 냉각 팬 내부의 회로가 단락할 가능성이 있다. 이 때 냉각 팬이 고장나게 됨과 함께, 냉각 팬에의 공급 전원 회로도 이 단락 전류에 의해 2차 파괴되게 되는 문제가 발생한다.

이 경우, 장치의 사용자는, 전력 변환 장치 내의 냉각 팬에의 공급 전원 회로까지가 파괴된 것을 알아차리지 못하고, 전력 변환 장치를 떼어내어 냉각 팬만을 신품으로 교환한다. 재차 전력 변환 장치의 전원을 투입하고 다시 냉각 팬이 회전하지 않는 것을 알아차리지만, 냉각 팬의 고장에 의해, 전력 변환 장치 내의 냉각 팬에의 공급 전원 회로까지가 파괴된 것에까지 원인 특정 판단할 수 없는 것이 통상이며, 그 사이, 설비 정지로 되어, 당연히 생산성에 큰 장해를 초래하는 요인으로 되게 된다.

또한, 설령 냉각 팬의 수명이 원인이었던 경우라도, 그것을 특정하는 것이 곤란하기 때문에, 설비를 정지하고 온도 과열의 원인을 특정할 필요가 있어, 설비를 일시 정지하고 원인 특정 작업을 행하기 때문에, 생산성의 저하로 되게 된다.

도 4는, 본 실시예의 냉각 팬(6)의 제어를 행하는 회로를 도시하는 도면이다. 상기 구성에 의해 냉각 팬(6)의 이상 검출을 행한다. 드라이버 회로(12) 내에는 냉각 팬(6)의 이상을 검출하기 위한 이상 검출 회로(17)가 설치되어 있다. 우선, 도 4를 이용하여 이상 검출 회로(17)의 회로 구성을 설명한다.

본 실시예의 이상 검출 회로(17)는 반도체 스위치(9)를 포함하고 있으며, 냉각 팬(6)에의 공급 전원의 온 오프 제어를 행한다. 반도체 스위치(9)에는, 예를 들면 트랜지스터가 이용되고, 통상의 운전 시에는 온 상태에 있다. 냉각 팬(6)이 정상인 상태에서는, 냉각 팬(6)의 전원 단자 전압 Vc는 약 24V 정도이다. 또한, 냉각 팬(6)의 경시 변화 등에 의한 회전수 저하 상태에서도, 냉각 팬(6)의 전원 단자 전압 Vc는 약 24V이다.

그러나, 전술한 바와 같이 전력 변환 장치의 설치 환경 등에 의해 냉각 팬(6)이 전원 단락 고장을 일으킨 경우, 냉각 팬(6)의 전원 단자 전압 Vc는, 거의 0V로 된다. 즉, 냉각 팬(6)에 단락 고장이 발생한 경우에는, 냉각 팬(6)의 전원 단자 전압 Vc의 전위는 정상 상태와 비교하여, 극단적으로 상이한 상태를 나타내게 된다.

따라서, 본 실시예의 이상 검출 회로는 비교 회로(10)를 포함하고, 냉각 팬(6)의 전원 단자 전압 Vc의 측정 전위를 감시함으로써, 냉각 팬(6)의 단락 고장을 검출 가능하게 하고 있다. 구체적으로는, 냉각 팬(6)의 전원 단자 전압 Vc(정상 상태에서 약 24V)와, 비교용의 전압을 비교기(10)에서 비교하고, 제어 회로(5)에 출력한다. 그리고, 비교기(10)의 출력이 제어 회로(5)에 탑재된 마이크로컴퓨터 MCU에 입력 포트 P1을 통해서 전송되면, 마이크로컴퓨터 MCU는, 비교기(10)의 출력에 기초하여 냉각 팬(6)의 공급 전원 24V를 온 오프 제어하기 위한 반도체 스위치(9)를 제어한다.

냉각 팬(6)이 단락 고장을 일으킨 것을 비교기(10)의 출력 신호로부터 받아, MCU는, 반도체 스위치(9)를 오프한다. 이와 같이 하면, 냉각 팬(6)에의 공급 전원 회로를 차단할 수 있기 때문에, 냉각 팬(6)의 단락 고장에 의한 단락 전류에 의해 공급 전원 회로를 2차 파괴로부터 보호할 수 있다. 즉, 냉각 팬(6)의 전원 단자 전압 Vc의 값에 따라서 반도체 스위치(9)의 온 오프가 제어되기 때문에, 단락 고장 시의 2차 파괴를 억제할 수 있다.

여기서, 반도체 스위치(9)로서는, 단락 검출로부터 이것을 차단할 때까지의 시간에 적합한 트랜지스터를 이용하는 것이 필요로 된다. 즉, 반도체 스위치(9)는, 단락 상태에서의 온 상태가 계속되면 열 파괴되게 되기 때문에, 마이크로컴퓨 터 MCU로부터의 오프 명령을, 반도체 스위치(9)의 열 파괴 전에 송신하여, 오프 제어를 완료시킬 필요가 있다.

도 5는, 본 실시예에 이용하는 반도체 스위치(트랜지스터)의 안전 동작 영역을 도시하는 도면이다. 이 영역은, 트랜지스터의 온 상태에서의 발생 손실P=V_CE*I_C(인가 전압과 인가 전류의 곱)로 결정된다.

정상적인 상태의 트랜지스터는, 오프 시에는 콜렉터·에미터간 전압은 높지만, 콜렉터 전류는 작다(통상은, 누설 전류 정도). 또한, 온 시에는, 콜렉터·에미터간 전압은 낮지만, 콜렉터 전류는 크다. 즉, 통상은 이와 같은 상태에서 동작하고 있다.

그러나, 냉각 팬(6)의 전원 단락 고장과 같은 이상이 발생하면, 트랜지스터에는 온 시임에도 불구하고 콜렉터·에미터간 전압이 높고(포화 영역으로부터 활성 영역으로 이행), 콜렉터 전류가 크다(단락 전류)고 하는 이중의 책무(콜렉터·에미터간 전압이 높고, 또한, 콜렉터 전류가 큼)가 지어지게 되어, 트랜지스터는 그 발생 손실에 의해 열 파괴에 이르게 된다.

트랜지스터가 파괴되면, 반도체 스위치(9)가 기능하지 않게 되기 때문에, 단락 고장이 검출되었다고 해도 2차 파괴를 방지할 수 없다.

도 5는, 이 손실에 대한 콜렉터·에미터간 전압, 콜렉터 전류 및 그 인가 시간의 상관을 도시한 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 예를 들면, 냉각 팬(6)의 전원 단락 고장을 검출하고, 1㎳ 이내에 트랜지스터를 차단할 수 있으면, 트랜 지스터의 콜렉터·에미터간 전압과 콜렉터 전류는, I_C1, C, D, V_CE1로 둘러싸여지는 영역의 내측에서 사용 가능하여, 트랜지스터를 열 파괴시킬 수는 없다.

또한，100㎳ 이내에 트랜지스터를 차단하면, 트랜지스터의 콜렉터·에미터간 전압과 콜렉터 전류는, I_C1, A, F, V_CE1로 둘러싸여지는 영역의 내측에서 사용 가능하여, 트랜지스터를 열 파괴시키는 것은 아닌 것을 의미하고 있다.

즉, 냉각 팬(6)의 이상 전원 단락 고장을 바로 검출하고, 반도체 스위치(트랜지스터)(9)를 차단하면, 냉각 팬(6)에의 공급 전원만을 차단할 수 있게 된다. 바꾸어 말하면, 어떠한 부품 단품 이상이 발생한 경우, 이상 개소의 공급 전원만을 끊을 수 있으면, 2차 파괴를 미연에 방지할 수 있는 것이다.

본 실시예의 전력 변환 장치와 같이, 평활 콘덴서(2)로부터의 직류 전압을 받아 각 구성에 전압을 공급하는 스위칭 레귤레이터 회로(18)를 포함하고, 이 스위칭 레귤레이터 회로(18)로부터 공급되는 각 구성 중, 공급되는 전압이 크고, 게다가 수명 부품으로서 위치지어지는 냉각 팬(6)에의 공급을 차단함으로써, 전력 변환 장치 자체의 신뢰성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 구체적으로는, 이상이 발생한 냉각 팬에의 공급 전원 24V만을 반도체 스위치(9)를 이용하여 주회로로부터 끊는 것이 가능한 구성으로 함으로써, 다양한 설치 환경에서 전력 변환 장치를 사용할 수 있다.

이와 같이 구성함으로써, 주 회로(인버터 등의 전력 변환 부분) 자체의 동작을 정지할 필요는 없으며, 제어 회로 상의 MCU가, 냉각 팬의 단락 고장을 조작 패 널(8)에 전송하고, 조작 패널(8)의 표시기에 이 에러(예: 냉각 팬 단락 고장)를 표시할 수 있다. 따라서, 유저는, 전력 변환 장치 내의 냉각 팬(6)만이 이상해진 것을 알 수 있어, 설비 정지 시간을 최소한으로 그치게 할 수 있다.

도 6은, 냉각 팬(6)의 제어를 행하는 회로를 도시하는 도면으로서, 도 4와는 다른 예를 도시하고 있다. 냉각 팬(6)에 단락 고장의 이상이 발생한 경우, 그 이상에 관련되는 이상 표시를 조작 패널(8)의 표시부에 표시하는 점은, 도 4에 도시하는 예와 마찬가지이다. 앞의 실시예와의 상위는, 냉각 팬(6)의 단락 고장의 고장 출력 신호 Sig1을 알람 경고 신호로서 제어 단자대(16)로부터 출력할 수 있도록 구성한 것이다.

냉각 팬(6) 내부 회로 내의 진애에 의해 일과성의 단락이 발생하는 경우가 있으므로, 단락 고장의 알람 경고 신호 Sig1은, 이와 같은 일과성의 경우를 상정하고, 보유(래치)하지 않도록 구성해도 된다. 즉, 알람 경고 신호 Sig1이 해제되는 구성으로 하여도 된다.

또한, 이상 검출 회로(17)에 의해 냉각 팬(6)의 단락 이상이 검출된 경우에, 냉각 팬(6)의 이상을 알리는 신호를 출력하고, 단락 이상의 검출이 없어진 경우에는 이상을 알리는 신호가 정지되는 회로를 별도로 구성해도 된다.

물론, 전력 변환 장치 내의 파워 반도체는, 큰 손실이 발생하기 때문에, 이 손실에 의한 발열을 냉각 핀에 열 전도시키고, 냉각 팬에 의해 냉각 핀을 냉각하지 않으면 파워 반도체를 과열에 의한 열 파괴로부터 보호할 수는 없기 때문에, 온도 검출기(7)의 온도 t가 절대로 초과해서는 안되는 온도로서 미리 설정된 설정값 T에 도달한 경우에는, 전력 변환 장치를 온도 과열 보호 정지시킬 필요가 있다. 즉, 설정값 T는, 전력 변환 장치의 운전이 계속 불가능하게 되는 온도로서 설정되는 것이며, 제어부는, 온도 검출기(7)의 검출 온도 t와, 도시하지 않은 기억부에 미리 설정되어 있는 설정값 T를 비교하고, t가 T에 도달하면 전력 변환 장치의 보호를 위해서, 운전을 정지한다.

따라서, 냉각 팬(6)이 고장난 경우에는, 다음과 같은 운전을 실현할 수 있게 된다. 냉각 팬(6)이 고장난 경우, 이상 검출 회로(17)에 의해 검출 가능하고, 또한, 표시부에 고장났다는 취지가 표시된다. 그 때문에, 전력 변환 장치, 혹은 이것을 이용한 설비를 사용하고 있는 유저는, 냉각 팬(6)의 고장을 인식할 수 있어, 필요한 대응을 취할 수 있다.

또한, 고장 표시를 즉시 알아차리지 못했다고 해도, 냉각 팬(6)의 고장에 의한 2차 파괴가 방지되기 때문에, 전력 변환 장치 및 그 설비에 피해가 발생하는 일은 없다. 이 때, 예를 들면, 주위의 온도가 낮은 경우나 저출력으로 운전되고 있는 경우 등과 같이, 냉각 팬(6)이 고장나 있어도, 전력 변환 장치 자체가 운전 가능한 상태이면, 2차 파괴가 발생하지 않기 때문에 그대로 운전을 계속해도 지장은 없다.

또한, 냉각 팬(6)이 고장난 상태에서 운전이 계속되어, 온도 검출기(7)에서 검출되는 온도가 설정값 T를 초과하면, 전력 변환 장치의 보호를 위해서 운전이 정지되기 때문에, 전력 변환 장치가 파손되는 일도 없다.

이 때에는, 장치 사용자가 의도하지 않은 정지가 발생하고 있기 때문에, 사 용자는 장치 정지의 원인을 특정할 때, 냉각 팬(6)의 고장에 기인하여 정지한 것이 표시에 의해 명백해지기 때문에, 냉각 팬의 교환을 행하면 되어, 설비 정지의 시간을 최소한으로 억제할 수 있다.

또한, 이상 설명한 본 발명의 실시예에 따르면, 하기와 같은 효과를 더 얻을 수 있다.

본 실시예에서는, 냉각 팬(6)의 단락 고장을, 냉각 팬(6)의 전원 단자 전압 Vc의 측정 전위를 비교기(10)에서 감시하고, 냉각 팬이 단락 고장을 일으킨 것을 비교기(10)의 출력 신호로부터 받아, MCU가 반도체 스위치(9)를 오프하는 것으로 하고 있다. 이와 같이 하면, 냉각 팬(6)에의 공급 전원 회로가 차단되기 때문에, 냉각 팬(6)의 단락 고장에 의한 단락 전류에 의해 공급 전원 회로를 2차 파괴로부터 보호할 수 있다. 이 때문에, 공급 전원 회로를 포함하는 고가의 드라이버 회로(12)를 보호할 수 있어, 단락 고장이 생긴 경우라도 드라이버 회로 기판까지 교환할 필요가 없다.

또한, 냉각 팬(6)의 단락 고장 등의 이상을 검출하는 이상 검출 회로(17)를 설치하고, 이상을 검출한 경우에는, 냉각 팬(6)에의 공급 전원의 차단과 아울러 냉각 팬(6)의 이상을 표시함으로써, 파워 반도체(13)의 과열의 요인 판별에 사용할 수 있다. 이 때문에, 무엇을 대책 혹은 교환하면 복구될지가 간단하게 판단 가능하여, 보수의 시간 단축 및 설비의 불가동 시간을 대폭 단축할 수 있다.

도 1은 전력 변환 장치의 주회로 구성도.

도 2는 전력 변환 장치의 주회로 부품의 배치도의 일례를 도시하는 도면.

도 3은 전력 변환 장치의 주회로 구성도에서의 전원 공급 구성을 도시하는 도면.

도 4는 냉각 팬 제어를 행하는 회로를 도시하는 도면.

도 5는 본 실시예에서 이용하는 반도체 스위치의 안전 동작 영역을 도시하는 도면.

도 6은 냉각 팬 제어를 행하는 회로를 도시하는 도면에서, 도 4와는 다른 예를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

4: 교류 전동기

6: 냉각 팬

7: 온도 검출기

8: 조작 패널

12: 드라이버 회로

14: 냉각 핀

17: 이상 검출 회로

Claims (11)

1. 교류 전동기에 가변 전압 가변 주파수의 교류 전력을 공급하는 전력 변환 회로와 그 전력 변환 회로 내의 파워 반도체를 탑재한 냉각 핀을 냉각하기 위한 냉각 팬을 포함하고,

   상기 냉각 팬의 단락을 검출하는 검출 회로를 갖고, 그 검출 회로에 의해 단락이 검출된 경우, 상기 냉각 팬에의 공급 전원이 차단되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
2. 교류 전원의 교류 전압을 정류하여 직류 전압으로 변환하는 순변환기와, 이 순변환기의 직류 전압을 평활하는 평활 콘덴서와, 상기 순변환기의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 역변환기를 포함하고, 가변 전압 가변 주파수의 교류 전력을 출력하는 전력 변환 장치로서,

   상기 순변환기 및 상기 역변환기를 구성하는 파워 반도체를 냉각하는 냉각 핀과,

   상기 냉각 핀을 냉각하기 위한 냉각 팬과,

   상기 파워 반도체의 온도를 검출하는 온도 검출기와,

   상기 평활 콘덴서로부터 직류 전압을 받아 상기 냉각 팬에 직류 전압을 공급하는 스위칭 레귤레이터 회로와,

   상기 냉각 팬에의 공급 전압을 검출하는 검출 회로와,

   상기 온도 검출기에 의해 검출되는 온도가 설정값을 초과하면 장치를 정지하도록 제어하고, 또한, 상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락이 검출되면 상기 냉각 팬에의 전원 공급을 차단하도록 제어하는 제어 장치

   를 포함하는 전력 변환 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락이 검출되었을 때에 단락 이상을 표시하는 표시부를 포함하는 전력 변환 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 전력 변환 장치의 운전 조건을 설정하는 조작 패널을 포함하고, 상기 표시부는 이 조작 패널에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락이 검출된 경우에, 상기 제어 장치는, 상기 전력 변환 장치의 출력을 유지하고 상기 냉각 팬에의 전원 공급을 차단하는 전력 변환 장치.
6. 제2항에 있어서,

   상기 스위칭 레귤레이터 회로는, 적어도 상기 제어 장치를 포함하는 제어 회 로 및 상기 검출 회로에 전원을 공급하고,

   상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락이 검출된 경우에는, 상기 전력 변환 장치의 출력, 상기 제어 회로 및 상기 검출 회로에의 전원 공급을 유지하고, 상기 냉각 팬에의 전원 공급이 차단되는 전력 변환 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락이 검출된 경우, 상기 냉각 팬의 이상을 알리는 출력 신호를 보유하지 않는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 검출 회로에 의해 상기 냉각 팬의 단락이 검출된 경우, 상기 냉각 팬의 이상을 알리는 신호를 출력하고, 상기 단락의 검출이 없어진 경우에는 상기 이상을 알리는 신호가 해제되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
9. 제2항에 있어서,

   상기 냉각 팬에의 전원 공급을 차단하기 위해서 상기 제어 장치에 의해 온 오프 제어되는 반도체 스위치를 포함하고,

   상기 제어 장치는, 상기 냉각 팬의 단락 이상의 검출로부터 상기 반도체 스위치를 오프로 할 때까지의 시간을, 상기 반도체 스위치의 온 상태에서의 발생 손실에 의해 온 상태가 계속되었을 때에 열 파괴에 이르기까지의 시간 내로 들어가는 전력 변환 장치.
10. 교류 전동기에 가변 전압 가변 주파수의 교류 전력을 공급하는 전력 변환 회로와 그 전력 변환 회로 내의 파워 반도체를 탑재한 냉각 핀을 냉각하기 위한 냉각 팬을 포함한 전력 변환 장치의 제어 방법으로서,

    상기 파워 반도체의 온도의 검출값이 설정값을 초과하면 상기 전력 변환 장치가 정지되고,

    상기 냉각 팬에의 공급 전압을 검출하는 검출 회로의 출력에 기초하여 상기 냉각 팬에의 전원 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 냉각 팬의 단락이 검출되면 상기 냉각 팬에의 전원 공급이 차단되는 전력 변환 장치의 제어 방법.

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