(57)【要約】【課題】電動機を駆動するインバータの冷却ファンが故障しても、電動機を継続して運転できる交流電動機駆動装置を提供する。【解決手段】交流電源１を入力とし、２乗トルク負荷を持つ交流電動機３を可変速駆動するインバータ２と、前記インバータ２の出力電圧／周波数を制御するインバータ制御手段４と、前記インバータ２を収納する盤上部に風路を共通として配置された冷却ファン５１、５２と、前記冷却ファン５１、５２を制御するファン制御手段９とで構成し、前記ファン制御手段９は、常時は冷却ファン５１，５２のうち一方を選択運転し、前記インバータ運転中にこの一方の冷却ファンの故障を検出したとき、故障した冷却ファンから健全な他方の冷却ファンに運転を切換えるとともに、前記インバータ２における前記交流電動機３の速度基準を所定値以下に下げる指令を、前記インバータ制御手段４に与えるようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を入力とし、２乗トルク負荷を持つ交流電動機を可変速駆動するインバータと、
前記インバータの出力電圧／周波数を制御するインバータ制御手段と、
前記インバータを収納する盤上部に、風路を共通として配置された複数台の冷却ファンと、
前記冷却ファンを制御するファン制御手段と
から構成され、
前記ファン制御手段は、常時は複数台の冷却ファンのうち一方の冷却ファンを選択運転し、前記インバータ運転中にこの冷却ファンの故障を検出したとき、前記一方の故障した冷却ファンから健全な他方の冷却ファンに運転を切換えるとともに、前記インバータにおける前記交流電動機の速度基準を所定値以下に下げる指令を、前記インバータ制御手段に与えることを特徴とする交流電動機駆動装置。
【請求項２】
前記冷却ファンの故障検出を前記冷却ファン駆動モータの過負荷検出で行うことを特徴とする請求項１記載の交流電動機駆動装置。
【請求項３】
前記冷却ファンの故障検出を前記冷却ファンの回転数検出で行うことを特徴とする請求項１記載の交流電動機駆動装置。
【請求項４】
前記速度基準の所定値は、前記複数台の冷却ファンの圧力−風量特性、冷却系の風量−圧力損失特性、及び前記インバータの発熱部分に設けられた冷却フィンの熱抵抗−風量特性から求められた熱抵抗の増大分に見合う値とすることを特徴とする請求項１記載の交流電動機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電動機の駆動装置に係わり、特に、電動機を駆動するインバータの冷却ファンが故障しても、電動機を継続して運転できる交流電動機駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電動機を駆動するインバータは、インバータの変換器主回路を冷却するため、冷却ファンがインバータ収納盤に設けられているのが普通である。インバータ運転中に、冷却ファンが故障した場合は、変換器主回路を構成しているパワーデバイス（例えば、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ等）が熱によって破損するのを防止するために、通常は冷却ファン故障を重故障信号として扱い、インバータ運転を停止している。
【０００３】
しかしながら、適用する設備によっては、冷却ファン等が故障した場合でも、システムとしてインバータ停止させることなく運転を継続したい要求がある。例えば石油化学プラントに用いられるボイラ用のブロワ等がこれに該当する。
【０００４】
このような要求がある場合、冷却ファンを２重化し、常時運転用の冷却ファンが故障した場合は、待機している冷却ファンに切換えて運転するようにしてシステム信頼性を向上させていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特公平５−７２１１９号公報（第２−３頁、第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
化学プラント等で使用され、負荷トルクが速度の２乗に比例する風水力機械（以下２乗トルク負荷と称する。）駆動用のインバータでは、インバータ収納盤の上部に、冷却ファン２台を冷却ファンの風路を共通として上下に設け、インバータ運転は２台の冷却ファンのうち１台を運転して行い、インバータ運転中に冷却ファンが故障した場合は、上記特許文献１に記されているように、冷却ファンの故障を検出することにより、待機している冷却ファンに運転を切換え、インバータの運転を継続して行えるようにしている。尚、冷却ファン２台を上下に設けるのはスペースファクタ向上のためである。
【０００７】
ところで、通常冷却ファンの故障は、冷却ファンの磨耗部分であるベアリングの故障によるものが多く、従って、冷却ファンとしてはロック状態になることが想定される。一方の冷却ファンのロック状態で、他方の冷却ファンを運転することを考えると、上下に配置した冷却ファンのうち１台がロックしているため、正常に運転する冷却ファンにとっては、ロックした冷却ファンが冷却風に対し損失となり、運転を継続させているインバータを冷却させる能力を確保できないという問題あった。これは、２台の冷却ファンの容量をともに大きくすれば解決できることになるが、容量を大きくすることは、冷却ファン、及び、インバータ収納盤のサイズアップとなり、交流電動機駆動装置にとっては好ましくない。
【０００８】
本発明は，上記問題に鑑みてなされたもので、冷却ファン、及び、インバータ収納盤のサイズを大きくすることなく、冷却ファンが故障しても、残りの待機している冷却ファンに自動的に切換えて、インバータを継続して運転することができる交流電動機駆動装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の交流電動機駆動装置は、交流電源を入力とし、２乗トルク負荷を持つ交流電動機を可変速駆動するインバータと、前記インバータの出力電圧／周波数を制御するインバータ制御手段と、前記インバータを収納する盤上部に、風路を共通として配置された複数台の冷却ファンと、前記冷却ファンを制御するファン制御手段とから構成され、前記ファン制御手段は、常時は複数台の冷却ファンのうちの一方の冷却ファンを選択運転し、前記インバータ運転中にこの冷却ファンの故障を検出したとき、前記一方の故障した冷却ファンから健全な他方の冷却ファンに運転を切換えるとともに、前記インバータにおける前記交流電動機の速度基準を所定値以下に下げる指令を、前記インバータ制御手段に与えることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、冷却ファンの切換運転時にインバータの速度基準を低下させるようにしたので、インバータを継続して運転することができる交流電動機駆動装置を提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に、本発明による交流電動機駆動装置の第１の実施の形態を図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本発明の交流電動機駆動装置のブロック構成図である。
【００１２】
３相交流電源１から与えられる電力は、インバータ２でその電圧、周波数が変換され、交流電動機３を駆動する。インバータ２は通常は交流を直流に変換するコンバータと、得られた直流を再び交流に変換するインバータとから構成されるのが普通であるが、ここでは、インバータ２にはコンバータ機能も含むものとした。尚、インバータ２は交流を直接交流に変換するサイクロコンバータやマトリクスコンバータであっても良い。
【００１３】
インバータ２の内部にはパワーデバイスを複数個使用して電力変換を行う電力変換主回路２１のほか、入力電圧検出器２２、出力電圧検出器２３、また出力電流検出器２４等が収納されている。尚、後述するように、インバータ２には必要であれば変圧器やリアクトル等の発熱部品を含んでも良い。
【００１４】
インバータ制御部４は上記インバータ２を制御するためのものである。このインバータ制御部４は、外部からの速度指令と、詳細は後述するファン制御回路９からの速度低下指令を受け、速度基準を出力する速度基準回路４１と、この速度基準を受け、前述の入力電圧検出器２２、出力電圧検出器２３、及び出力電流検出器２４からのフィードバック出力と連携しながらインバータ２の入出力制御を行うインバータ制御回路４２とから構成されている。
【００１５】
インバータ２の電力変換主回路２１に使用されているパワーデバイスの発熱による温度上昇を抑制するため、インバータ２の収納盤の上部には２台のインバータ主回路用冷却ファン５１、５２が風路を共通として配置されている。これらの冷却ファン５１、５２用の駆動モータは、夫々遮断器６１、６２、過負荷継電器７１、７２、コンタクタ８１、８２を介して制御電源から電力が供給されている。
【００１６】
ファン制御回路９は冷却ファン５１、５２の運転制御を行う。前述の過負荷継電器７１、７２で検出された過負荷信号は故障検出回路９１に入力される。故障検出回路９１は、どの冷却ファンが故障し、どの冷却ファンが健全であるかの信号をファンシーケンス回路９２に発し、この信号を受けてファンシーケンス回路９２は、ファン切換回路９３を介して故障した冷却ファンを、待機している健全ファンへ運転切換を自動的に行うとともに、外部に警報信号を出力し、またインバータ制御部４の速度基準回路４１に速度低下指令を出力する。
【００１７】
以下、図２を参照して本発明に係る交流電動機駆動装置の作用について説明する。図２は本発明の交流電動機駆動装置の冷却特性の説明図である。
【００１８】
図２（ａ）には、横軸に風量、縦軸に吐出圧力をとったときの冷却ファンの特性カーブと、電力変換主回路冷却系の圧力損失カーブが示されている。冷却ファンの特性カーブは、風量が増加すると吐出圧力がすこしずつ低下する右下がりの特性となっている。電力変換主回路冷却系の圧力損失は、風量の増加に従って略その２乗に比例して増加するカーブとなる。
【００１９】
実線で示した圧力損失カーブは２台の冷却ファン共正常で、そのうちの１台を運転した場合の定常状態の圧力損失カーブである。これに対し、１点鎖線で示したのは、冷却ファン１台がロック故障した場合の圧力損失カーブである。従って、正常運転時には冷却ファンの特性カーブと実線の圧力損失カーブとの交点Ａで運転され、ファンが故障しロック状態になり、待機している他のファンに切換運転されて定常状態に到達すると、冷却ファンの特性カーブと１点鎖線の圧力損失カーブとの交点Ｂで運転されることになる。すなわちファンの風量はｆａからｆｂに低下する。
【００２０】
図２（ｂ）に、ファンによる冷却風の風速に対する冷却フィンの熱抵抗カーブを示す。尚、冷却フィンは電力変換主回路のパワーデバイスに密着配置されており、冷却風を通してパワーデバイスの発生損失を外部に排出する。
【００２１】
上述したように、ファンが１台ロック故障して風量がｆａからｆｂに低下すると、冷却フィン部の風速はこれに比例し、ＳａからＳｂに低下する。風速（風量）が低下すれば、図示したように冷却フィンの熱抵抗はｒａからｒｂへとΔｒだけ増加し、このΔｒに相当する分だけパワーデバイスの温度が上昇する。このため、例えばインバータ２を定格運転している場合には、パワーデバイスを保護するため運転を停止する必要がある。
【００２２】
しかしながら、熱抵抗がΔｒ増大しても、これに相当する分だけパワーデバイスの損失を減らせばパワーデバイスの温度を上昇させることなく運転継続が可能となる。パワーデバイスの温度上昇は損失と熱抵抗に比例し、また交流電動機３の負荷が２乗トルク負荷であれば、負荷電流は速度の２乗に比例する。パワーデバイスの損失が負荷電流にほぼ比例する状態を想定すれば、例えば熱抵抗の増加分Δｒが当初の熱抵抗ｒａに対して２０％のとき、運転速度の上限を１０％下げ、９０％速度で運転すれば良いことになる。
【００２３】
以上の説明で分かるように、使用している冷却ファンの特性や、交流電動機３が駆動している機械の特性、更にパワーデバイスの冷却フィンの特性等により、運転速度をどれだけ下げる必要があるかが一意に決めることができる。この運転速度の上限値を限界速度ｆＬとする。
【００２４】
図３は、冷却ファンが故障したときの運転速度の推移を示したタイムチャートである。図３（ａ）は速度指令ｆＲが上記限界速度ｆＬより大きい状態で運転している場合のタイムチャートである。時刻Ｔで故障が発生すると、図示するように速度基準低下指令により、速度指令ｆＲが限界速度ｆＬ以上の場合であっても、速度基準は限界速度ｆＬに保たれる。一方、図３（ｂ）に示すように、速度指令ｆＲが限界速度ｆＬ以下の状態で故障が発生したときは、速度基準はｆＲのまま維持される。
【００２５】
このように速度低下指令を速度基準回路４１に出力し、速度基準回路４１はこの指令をもとに、速度指令が限界速度ｆＬより大きい場合は、限界速度ｆＬまで速度基準を下げ、また、速度指令が限界速度ｆＬより小さい場合は、速度基準は、速度指令と同じ値をそのまま出力させる。このように制御することにより、冷却ファンがロック状態で故障した場合、待機状態の冷却ファンに切換運転すると、運転している冷却ファンにとっては、ロックした冷却ファンが冷却風に対し損失となり冷却能力が下がるが、電動機負荷が２乗トルク特性の負荷の時は、速度基準が下げられて運転継続される。
【００２６】
このように、冷却ファンの切換運転時にインバータの速度基準を低下させるようにしたので、冷却ファンの容量及びインバータ収納盤を大きくすることなく、且つインバータのパワーデバイスを過熱させずに、インバータの運転を継続することが可能となる。
【００２７】
尚、上記説明は冷却ファンが２台のときについて行ったが、冷却ファンは必ずしも２台である必要はない。例えば冷却ファン３台のうち２台を用いて常時の運転を行い、２台のうち１台が故障したとき、他の待機している１台に運転を切換えるように構成しても良い。
【００２８】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る交流電動機駆動装置のブロック構成図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態に係る交流電動機駆動装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。し、この第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、図１の過負荷継電器７１、７２を省き、冷却ファン５１、５２用の回転検出器５１Ｓ、５２Ｓを夫々追加し、これらの回転検出器５１Ｓ、５２Ｓの信号を故障検出回路９１の入力とした点である。
【００２９】
このように過負荷継電器７１、７２に代えて回転検出器５１Ｓ、５２Ｓの信号で故障検出を行うようにすれば、より正確に冷却ファンのロック状態を検出することが可能となる。
【００３０】
尚、過負荷継電器と回転検出器の両方を用いて故障検出を行っても良い。両者の論理積で故障検出を行えば、更に確実な冷却ファンのロック検出を行うことができ、また両者の論理和で故障検出を行えば、素早い故障検出が可能となる。
【００３１】
以上までの説明は、インバータの電力変換主回路を収納した盤の冷却に関して行ったが、第１の実施の形態の説明の中で触れたように、インバータを構成するのに必要な入力変圧器あるいはリアクトル等の発熱部品がある場合、これらの上部にも冷却ファンを複数台上下に配置して待機構成とすることも考えられる。このような場合でも、過負荷継電器、あるいは回転検出器、また、過負荷継電器と回転検出器の組み合わせによる冷却ファンの故障検出により、複数台設置された冷却ファンの残りの冷却ファンに自動的に切換えるとともに、速度指令が所定値以上の時は、速度基準を所定値まで下げることにより、インバータの運転を継続することが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の交流電動機駆動装置によれば、冷却ファン、及び、インバータ収納盤のサイズを大きくすることなく、冷却ファンが故障しても、残りの待機している冷却ファンに自動的に切換えて、インバータを継続して運転することができる交流電動機駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の交流電動機駆動装置のブロック構成図。
【図２】本発明の交流電動機駆動装置の冷却特性の説明図。
【図３】冷却ファンが故障したときの運転速度の推移を示したタイムチャート。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る交流電動機駆動装置のブロック構成図。
【符号の説明】
１  ３相電源
２  インバータ
２１  電力変換主回路
２２  入力電圧演出器
２３  出力電圧演出器
２４  出力電流検出器
３  交流電動機
４  インバータ制御部
４１  速度基準回路
４２  インバータ制御回路
５１，５２  冷却ファン
５１Ｓ、５２Ｓ  回転検出器
６１、６２  遮断器
７１、７２  過負荷継電器
８１，８２  コンタクタ
９  冷却ファン制御回路
９１  故障検出回路
９２  ファンシーケンス回路
９３  ファン切換回路
【図１】
2005039890.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005039890.tif 000006