JP4607018B2 - 電動機駆動用インバータ装置 - Google Patents

Description

この発明は、可変電圧可変周波数の交流電力を発生し、この交流電力により電動機、特に、ファン，ポンプなどの駆動に供される電動機を可変速駆動する電動機駆動用インバータ装置に関する。

図６は、この種のインバータ装置の従来例を示す回路構成図である。この図において、１は商用電源などの交流電源、２は電動機駆動用インバータ装置、３は電動機駆動用インバータ装置２により可変速駆動される誘導電動機などの電動機である。

電動機駆動用インバータ装置２は、交流電源１の商用の定電圧、定周波数の商用電力を、その出力電圧Ｖと周波数ｆの比（Ｖ／ｆ）をほぼ一定に保ちつつ可変電圧、可変周波数の交流電力に変換する汎用的に使用されている汎用インバータ２１と、切換スイッチを構成する電磁接触器２２、２３と、シーケンス制御回路２４とから構成されている。電磁接触器２２，２３は、電動機３を交流電源１の出力と汎用インバータ２１の出力に切換接続するように開閉制御される。
汎用インバータ２１が正常に運転されている通常時は、シーケンス制御回路２４から電磁接触器２２の接点をオン、電磁接触器２３の接点をオフにする操作信号Ｓ２２、Ｓ２３がそれぞれ電磁接触器２２、２３に与えられる。これにより、汎用インバータ２１が出力する所望の電圧および周波数の交流電力が電動機３に供給され、電動機３の負荷としての図示しない例えばポンプやファンなどが駆動される。

このようなインバータ装置おいて、運転中の汎用インバータ２１に何らかの不具合が発生すると、この汎用インバータ２１は交流電力の発生を停止すると共に、シーケンス制御回路２４に故障信号Ｅを送出する。この故障信号Ｅに基づいてシーケンス制御回路２４は、電磁接触器２２，２３へ与える操作信号Ｓ２２，Ｓ２３を切り換え、電磁接触器２２がオフ、電磁接触器２３がオンとなるようにする。この結果、電動機３は、交流電源１から直接電力が供給されて、運転を継続するようになる。

しかしながら、このような従来の電動機駆動装置においては、電動機３が汎用インバータ２１で駆動されている状態と、交流電源１で直接駆動されている状態とでは電動機３の回転数が異なることから、例えば、電動機３の負荷がポンプやファンなどの場合は、その能力が変わってしまうという問題があった。

このような問題の解決策として、例えば、下記特許文献１には、一つの給水系に対して２組のインバータと誘導電動機とポンプとを用いて、交互に運転する方法が開示されている。
特開昭６１−３８１８２号公報（第３〜４頁、第１図）

図６に示した従来の電動機駆動用インバータ装置２においては、汎用インバータ２１が１組しか設けられていないので、このインバータに何らかの不具合が発生し、電動機３に交流電源１の電力が供給される状態になると、上述の如く、電動機の負荷のファンやポンプの動作状態が変わる恐れがあった。そしてまた、長期間（例えば、数年以上）汎用インバータ２１を正常に運転した後に、この汎用インバータ２１に何らかの不具合が発生した場合、交流電源１からの給電に切り換えるときに、電磁接触器２２、２３の接点の溶着などによる動作不良が原因で、交流電源１からの給電への切り換えが不能になる恐れもあった。

また、上記特許文献１に開示されているように、一つの給水系に対して２組のインバータと誘導電動機とポンプとを用いて交互に運転する構成では、より広い設置スペースを必要とし、また、この装置全体が高価格になるという問題があった。

この発明の課題は、上記問題点を解決するこのできる電動機駆動用インバータ装置を提供することにある。

前記の課題を解決するため、この第１の発明は可変電圧可変周波数の交流電力を発生し、この発生した交流電力により電動機を可変速駆動する電動機駆動用インバータ装置において、前記インバータ装置を構成するそれぞれの構成要素のうち、少なくとも交流電力を発生するためのインバータ主回路構成部を２組備えるとともに、通常時は、運転中の一方 の組のインバータ主回路構成部に起動指令からの運転時間が予め設定した設定時間内に停 止指令が与えられたときは、その後に新たな起動指令が与えられたときに待機中の他方の 組のインバータ主回路構成部へ運転を切り換える指令を与えるとともに、運転中の一方の 組のインバータ主回路構成部に前記設定時間内に停止指令が与えられなかったときは、前 記設定時間の経過後に待機中の他方の組のインバータ主回路構成部へ運転を切り換える指 令を与えることにより前記２組のインバータ主回路構成部を交互に運転し、この運転中の 一方の組のインバータ主回路構成部に不具合が検知されたときには、この運転中の一方の 組のインバータ主回路構成部の運転を停止して待機中の他方の組のインバータ主回路構成 部へ運転を切り換える指令を与えて待機中の他方の組のインバータ主回路構成部に運転を 切り換える交互運転制御手段を備えたことを特徴とする。

また第２の発明は前記第１の発明のインバータ装置において、前記２組のインバータ主回路構成部を一体化したヒートシンクに搭載したことを特徴とする。

さらに第３の発明は前記第２の発明のインバータ装置において、前記ヒートシンクを冷却するファンを２組設け、通常時は各組のファンを１組ずつ交互に運転を行い、この運転中の組のファンに不具合が検知されたときには、他方の組のファンに運転を切り換えることを特徴とする。

この発明によれば、電動機駆動用インバータ装置における交流電力変換部を構成するインバータ主回路構成部を２組設け、各組のインバータ主回路構成部を交互に切り換えて運転するようにしているので、１組のインバータ主回路構成部が故障して他方の組のインバータ主回路構成部により条件を変えずに電動機の運転を継続することができ、したがって電動機の負荷機器を含む装置全体の動作信頼性が改善される。そして、この場合、電動機およびこれによって駆動されるポンプやファンなどの負荷は１組設けるだけであるので、装置全体の小型化および低価格化が可能となる。また、インバータ装置における１組のインバータ主回路構成部を運転しつつ、停止中の他方の組のインバータ主回路構成部については、保守，点検作業を行うことができる。さらに、各組のインバータ主回路構成部を交互に運転することにより、双方のインバータ主回路構成部の稼働時間をほぼ等しくできるので、万一、運転中のインバータ主回路構成部に不具合が発生したときにも、その原因が経年性の劣化によるものであれば、他方の健全なインバータ主回路構成部も交換時期に来ていることを知ることができ、予防的に保全を図ることができる。

以下にこの発明を図に示す実施例について説明する。
図１は、この発明による電動機駆動用インバータ装置の第１の実施例を示す回路構成図であり、図６に示した従来例の構成要素と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図１に示した電動機駆動用インバータ装置４は、個々に独立して可変電圧可変周波数の交流電力を発生することができるように汎用インバータのような完全にユニット化された２組のインバータユニット４１、４２と、２組の電磁接触器４３、４４と、１組の交互運転制御回路４５とを備える。電磁接触器４３、４４は、動作中の一方のインバータユニットに接続された側がオンし、停止中のインバータユニットに接続された側がオフすることにより、電動機３とインバータユニット４１、４１の接続の切換を行うとともに、動作中の一方のインバータユニットの出力が停止中の他方のインバータユニットへ回り込むのを防止し、さらに、停止中のインバータユニットを主回路から切り離して保守、点検作業をより安全に行うために設置されている。

また、交互運転制御回路４５は、起動スイッチ４５ａおよび停止スイッチ４５ｂの操作に基づいて、インバータユニット４１とインバータユニット４２とを個別に運転または停止させるための入切信号Ｐ４１、Ｐ４２を送出するために、図２のフローチャートに示す制御動作を行う。さらに交互運転制御回路４５は、このインバータユニット４１と４２に対し、この電動機駆動用インバータ装置４として所望の電圧，周波数の交流電圧を発生させるための共通の設定信号Ｄを送出する。
さらにまた、この交互運転制御回路４５は、インバータユニット４１から故障信号Ｅ４１を受け取ることにより対応した故障表示ランプ４５ｃを点灯させつつ、共通の警報ブザー４５ｅを鳴動させ、インバータユニット４２から故障信号Ｅ４２を受け取ることによりこれに対応した故障表示ランプ４５ｄを点灯させつつ、共通の警報ブザー４５ｅを鳴動させる。また、運転中のインバータユニット４１からの故障信号Ｅ４１に基づいて停止中のインバータユニット４２にこれを起動させる入切信号Ｐ４２を送出し、その後、電磁接触器４３をオフ、電磁接触器４４をオンにする操作信号Ｓ４３、Ｓ４４を送出する。また、運転中のインバータユニット４２からの故障信号Ｅ４２に基づいてインバータユニット４１を起動させる入切信号Ｐ４１を送出し、その後、電磁接触器４４をオフ、電磁接触器４３をオンにする操作信号Ｓ４４，Ｓ４３を送出するなどのシーケンス制御動作を行う。

図２は、起動スイッチ４５ａおよび停止スイッチ４５ｂの操作に基づく交互運転制御回路４５の通常時の制御動作を説明するフローチャートである。

先ず、初期状態として、インバータユニット４１，インバータユニット４２が停止し、電磁接触器４３、４４がオフにされ、後述のタイマが「０」に設定されており、起動スイッチ４５ａが押され、起動指令が加わるのを待つ状態にある（ステップＳ１，分岐Ｎ）。ここで起動スイッチ４５ａが押され起動指令が加わると、ステップＳ１において分岐Ｙが選択され、ステップＳ２に移り、インバータユニット４１への入切信号Ｐ４１を「入り」として送出することにより、インバータユニット４１が運転を開始し、設定信号Ｄに基づいた電圧、周波数の交流電力を発生させつつ、電磁接触器４３へオンの操作信号Ｓ４３を与え、これをオンにし、インバータユニット４１から電動機３への給電を開始して、ステップＳ３に移る。ステップＳ３において、交互運転制御回路４５に内蔵されたインバータユニットの運転時間をカウントするタイマが起動され、このタイマにより、インバータユニット４１の運転時間のカウントが開始される。

次に、ステップＳ４では停止スイッチ４５ｂが押されて停止指令が加わるのを待つ状態にあり、未だ押されていないときには、ステップＳ４の分岐Ｎから、ステップＳ５に移り、前記タイマのカウント値が、予め設定された時間、例えば、２４時間以上になっているか否かをチェックし、設定値の２４時間未満であればステップＳ５の分岐ＮからステップＳ４に戻る。
また、停止スイッチ４５ｂが押されて、停止指令が与えられると、ステップＳ４で分岐Ｙが選択され、ステップＳ６へ移る。ステップ６ではインバータユニット４１を停止させるため、これへの入切信号Ｐ４１を「切り」として送出することにより、インバータユニット４１の運転を停止させ、電磁接触器４３をオフにした後、ステップＳ７に移り、前記タイマのカウントを停止させ、そのカウント値を「０」に戻す。

次のステップＳ８では再び起動スイッチ４５ａが押されて起動指令が加わるのを待つ状態（ステップＳ８、分岐Ｎ）にあり、起動スイッチ４５ａが押されて起動指令が加わると、ステップＳ８の分岐Ｙから、ステップＳ９に移る。ステップＳ９では、インバータユニット４２への入切信号Ｐ４２を「入り」として送出することにより、インバータユニット４２の運転を開始させ、設定信号Ｄに基づいた電圧、周波数の交流電力を発生させつつ、電磁接触器４４へオンさせる操作信号Ｓ４４与え、これをオンにし、インバータユニット４２から電動機３へ給電を開始して、ステップＳ１０に移り、タイマを再び起動させ、このタイマにより、インバータユニット４２の運転時間のカウントを開始する。

次に、ステップＳ１１では停止スイッチ４５ｂが押されて停止指令が加わるのを待つ状態にあり、未だ押されていないときには、ステップＳ１１の分岐Ｎから、ステップＳ１２に移り、タイマのカウント値が設定値の２４時間以上になっているか否かをチェックし、２４時間未満であれば、ステップＳ１２の分岐Ｎから、ステップＳ１１に戻る。また、停止スイッチ４５ｂが押されて停止指令が加わると、ステップＳ１１の分岐Ｙから、ステップＳ１３に移り、インバータユニット４２への入切信号Ｐ４２を「切り」として送出することにより、インバータユニット４２の運転を停止させるとともに、電磁接触器４４へオフする操作信号Ｓ４４を与え、これをオフにして、ステップＳ１４に移る。ステップＳ１４では、タイマを再び停止させ、そのカウント値を「０」にして、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ５において、タイマのカウント値が設定値の２４時間以上になったときにはステップＳ５の分岐Ｙから、ステップＳ１５に移り、インバータユニット４１への入切信号Ｐ４１を「切り」として送出することにより、インバータユニット４１の運転を停止させ、電磁接触器４３への操作信号Ｓ４３をオフにして、これをオフさせて、ステップＳ１６に移る。ステップＳ１６では、タイマを停止させ、そのカウント値を「０」にして、ステップＳ９へ移る。

また、ステップＳ１２において、タイマのカウント値が設定値の２４時間以上になったときには、ステップＳ１２の分岐Ｙから、ステップＳ１７へ移り、インバータユニット４２への入切信号Ｐ４２を「切り」として送出することにより、インバータユニット４２の動作を停止させ、電磁接触器４４への操作信号Ｓ４４をオフにしてこれをオフさせて、ステップＳ１８に移る。ステップＳ１８では、タイマを停止させ、そのカウント値を「０」にしてからステップＳ２へ移る。

このように、交互運転制御回路４５により、電動機駆動用インバータ装置４を図２のフローチャートに示すとおりに制御を行うことにより、起動スイッチ４５ａと停止スイッチ４５ｂとを、予め設定された時間、例えば２４時間以内に交互に押すことにより、インバータユニット４１とインバータユニット４２とが交互に運転されるようになり、また、一旦、起動スイッチ４５ａが押された後は、何も操作をしなくても自動的に、設定した２４時間毎にインバータユニット４１とインバータユニット４２とが交互に運転されることになる。その結果、電磁接触器４３、４４も比較的短時間で交互に操作されることとなり、その動作信頼性を向上させることができる。

一方、運転中のインバータユニット４１またはインバータユニット４２に不具合が発生したときには、それぞれ、故障信号Ｅ４１またはＥ４２が交互運転制御回路４５に割り込み信号として与えられる。交互運転制御回路４５がこのような故障信号Ｅ４１またはＥ４２を受け取ると、交互運転制御回路４５は、図３に示すように、自動的に健全なインバータユニット４２若しくはインバータユニット４１に運転を切り換えるとともに、電磁接触器４３と４４のオン、オフを状態を切り換えて、電動機３への給電を継続するようにする。
また、運転中のインバータユニット４１またはインバータユニット４２に不具合が発生したときは、故障信号Ｅ４１またはＥ４２により対応の故障表示ランプ４５ｃまたは４５ｄが点灯され、警報ブザー４５ｅが鳴動することにより、故障の発生を検知できるので、一旦その運転中のインバータの運転を自動または手動的に停止させて、電動機３への給電を停止し、故障の発生を確認の上、新たに起動スイッチ４５ａを押すことにより、他方の健全な待機中のインバータユニット４２若しくはインバータユニット４１の運転を開始し、この運転を開始したインバータから給電を再開するようにすることができる。

図４は、この発明の電動機駆動用インバータ装置の第２の実施例を示す回路構成図であり、図６に示した従来例の構成要素と同一機能を有するものには同一符号を付している。

図４における電動機駆動用インバータ装置５は、ダイオード整流回路，電解コンデンサ，インバータ回路などからそれぞれ形成された交流電力変換部を構成する２組のインバータ主回路構成部５１、５２と、このインバータ主回路構成部５１またはインバータ主回路構成部５２から可変電圧可変周波数の交流電力を発生させるための制御を行う２組のインバータ主回路構成部５１、５２に共通に１組のインバータ制御回路５３と、２組の電磁接触器５４、５５と、１組の交互運転制御回路５６と、インバータ主回路構成部５１またはインバータ主回路構成部５２からの発熱を放熱する１組のヒートシンク５７と、ヒートシンク５７を冷却する２組のファン５７ａと５７ｂと、ヒートシンク５７の温度を検知する１組の温度センサ５８とから構成されている。前記の電磁接触器５４、５５は電動機３のインバータ主回路構成部５１および５２の出力への接続を切り換えるととともに、動作中の一方のインバータ主回路構成部５１または５２の出力が停止中の他方のインバータ主回路構成部５２または５１への回り込みを防止する。さらに停止中のインバータ主回路構成部５１またはインバータ主回路構成部５２を運転回路から切り離して保守，点検作業をより安全に行うために設置されている。

交互運転制御回路５６は、起動スイッチ５６ａおよび停止スイッチ５６ｂの操作に基づいて、インバータ制御回路５３を介してインバータ主回路構成部５１とインバータ主回路構成部５２とを個別に運転または停止させるための切換信号Ｃを送出するために、先述の電動機駆動用インバータ装置４における図２に示したフローチャートと同様の制御動作を行う。インバータ制御回路５３は、交互運転制御回路５６から与えられる切換信号Ｃに基づいて、インバータ主回路構成部５１または５２へ選択的に設定信号Ｄに応じて制御信号を与え、２組のインバータ主回路構成部に対して共通に作用する。
また、交互運転制御回路５６は、インバータ制御回路５３を介してインバータ主回路構成部５１とインバータ主回路構成部５２に対し、この電動機駆動用インバータ装置５が所望の電圧，周波数の交流電力を発生させるための設定信号Ｄを送出する。さらに、交互運転制御回路５６には、電磁接触器５４、５５の接点を介して電動機３に供給されるインバータ主回路構成部５１または５２出力電圧を取込み、その電圧の状態から運転中のインバータ主回路構成部の故障を検知し、検知されたときには運転中のインバータ主回路構成部に対応した故障表示ランプ５６ｃまたは５６ｄを点灯させつつ、警報ブザー５６ｅを鳴動させて故障の発生を報知する。
さらにまた、運転中のインバータ主回路構成部５１に故障が発生したことが検知された場合は、これに基づいてインバータ主回路構成部５２を動作させるようにする切換信号Ｃをインバータ制御回路５３に送出し、その後、電磁接触器５４をオフ、電磁接触器５５をオンにする操作信号Ｓ５４，Ｓ５５を送出する。そしてインバータ主回路構成部５２を運転中に、故障の発生を検知した場合には、これに基づいてインバータ主回路構成部５１を動作させるようにする切換信号Ｃをインバータ制御回路５３に送出し、その後、電磁接触器５５をオフ、電磁接触器５４をオンにする操作信号Ｓ５５，Ｓ５４を送出するなどの一連のシーケンス制御動作を行う。
したがって、この実施例における、インバータ主回路構成部５１と５２は、前記の実施例におけるインバータユニット４１と４２と全く同様に交互に切換運転されるので、その詳細な運転の説明は省略する。

図５は、図４に示したヒートシンク５７とファン５７ａとファン５７ｂの模式的概念構成図であり、この図においては、共通のヒートシンク５７上に２組のインバータ主回路構成部５１とインバータ主回路構成部５２とが搭載され、２組のファン５７ａとファン５７ｂと図示の冷却フィン５７ｃとにより、インバータ主回路構成部５１またはインバータ主回路構成部５２の冷却装置を構成する。
２組のインバータ主回路構成部５１，５２が運転中に発生した熱が、ヒートシンク５７に伝達され、この熱が、冷却用ファン５７ａ、５７ｂから送られる冷却風によって冷却される冷却フィン５７ｃから放熱される。なお、このとき、交互運転制御回路５６では、通常、インバータ主回路構成部５１が動作中にはファン５７ａを回転させ、ファン５７ｂを停止させ、また、インバータ主回路構成部５２が動作中にはファン５７ｂを回転させ、ファン５７ａを停止させるようにする。しかし、インバータ主回路構成部５１が正常に交流電力を出力中と判定されている状態で、温度センサ５８で検知されたヒートシンク５７の温度が予め定めた上限値を越えたときには、ファン５７ａが故障したと判定し、故障表示ランプ５６ｃ，ブザー５６ｅを動作させると共に、健全なファン５７ｂを運転するようにしている。

すなわち、図４に示したインバータ主回路構成部５１及びインバータ主回路構成部５２においては、インバータ主回路構成部の構成要素のうち経年劣化による寿命時間が数年程度と比較的短い電解コンデンサと、瞬時の過電圧，過電流またはノイズでも損傷する恐れのある電力用半導体素子などの大きなダメージを受ける主回路要素を含むインバータ主回路構成部を２組設け、また、この２組のインバータ主回路構成部を共通に搭載する図５に示したヒートシンク５７を冷却する２組のファン５７ａ、５７ｂを設け、さらに、これらのインバータ主回路構成部を交互に運転することにより、電動機駆動用インバータ装置全体の動作信頼性を向上させている。

一方、運転中のインバータ主回路構成部５１またはインバータ主回路構成部５２に不具合が発生したときには、自動的に健全なインバータ主回路構成部５２若しくはインバータ主回路構成部５１に切り換えて、電動機３への給電を継続するようにしているが、運転中のインバータ主回路構成部５１またはインバータ主回路構成部５２に不具合が発生したときには、一旦、電動機３への給電を停止し、新たに起動スイッチ５６ａが押されたことにより、健全なインバータ主回路構成部５２若しくはインバータ主回路構成部５１による給電を再開するようにすることもできる。

なお、上述の図１または図４に示した回路構成では電動機３の負荷として、図示しないポンプ，ファンなどを駆動する例について説明をしたが、この発明の電動機駆動装置は、交流電源に代えて、蓄電池などを入力電源とする電気自動車など車両駆動用電動機の駆動装置としても利用可能で、この場合には、駆動装置の信頼性が高まり、電気自動車が走行不能に陥ることを極力回避できる。

この発明の第１の実施例を示す電動機駆動用インバータ装置の回路構成図 図１の動作を説明するフローチャート 図１の動作を説明する回路構成図 この発明の第２の実施例を示す電動機駆動用インバータ装置の回路構成図 図４の構成を説明する模式的概念構成図 従来例を示す電動機駆動用インバータ装置の回路構成図

１…交流電源、２，４，５…電動機駆動用インバータ装置、３…電動機、２１…汎用インバータ、２２，２３…電磁接触器、２４…シーケンス回路、４１，４２…インバータユニット４２、４３，４４…電磁接触器、４５…交互運転制御回路、５１、５２…インバータ主回路構成部、５３…インバータ制御回路、５４，５５…電磁接触器、５６…交互運転制御回路、５７…ヒートシンク、５７ａ，５７ｂ…ファン、５８…温度センサ。

Claims (3)

1. 可変電圧可変周波数の交流電力を発生し、この発生した交流電力により電動機を可変速駆動する電動機駆動用インバータ装置において、前記インバータ装置を構成するそれぞれの構成要素のうち、少なくとも交流電力を発生するためのインバータ主回路構成部を２組備えるとともに、通常時は、運転中の一方の組のインバータ主回路構成部に起動指令からの運転時間が予め設定した設定時間内に停止指令が与えられたときは、その後に新たな起動指令が与えられたときに待機中の他方の組のインバータ主回路構成部へ運転を切り換える指令を与えるとともに、運転中の一方の組のインバータ主回路構成部に前記設定時間内に停止指令が与えられなかったときは、前記設定時間の経過後に待機中の他方の組のインバータ主回路構成部へ運転を切り換える指令を与えることにより前記２組のインバータ主回路構成部を交互に運転し、この運転中の一方の組のインバータ主回路構成部に不具合が検知されたときには、この運転中の一方の組のインバータ主回路構成部の運転を停止して待機中の他方の組のインバータ主回路構成部へ運転を切り換える指令を与えて待機中の他方の組のインバータ主回路構成部に運転を切り換える交互運転制御手段を備えたことを特徴とする電動機駆動用インバータ装置。
2. 請求項１に記載の電動機駆動用インバータ装置において、前記２組の主回路構成部を共通のヒートシンクに搭載したことを特徴とする電動機駆動用インバータ装置。
3. 請求項２に記載の電動機駆動用インバータ装置において、前記ヒートシンクを冷却するファンを２組設け、通常時は各組のファンを１組ずつ交互に運転し、この運転中の組のファンに不具合が検知されたときには、他方の組のファンに運転を切り換えることを特徴とする電動機駆動用インバータ装置。

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