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1. (WO2018189872) 電力変換装置、電力変換装置の制御システム、電子機器及び冷却ファンの制御方法
Document

明 細 書

発明の名称 電力変換装置、電力変換装置の制御システム、電子機器及び冷却ファンの制御方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006   0007   0008  

課題を解決するための手段

0009  

発明の効果

0010  

図面の簡単な説明

0011  

発明を実施するための形態

0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111  

符号の説明

0112  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14  

明 細 書

発明の名称 : 電力変換装置、電力変換装置の制御システム、電子機器及び冷却ファンの制御方法

技術分野

[0001]
 本発明は、寿命診断機能を有する電力変換装置及び電子機器、電力変換装置の制御システム、並びに、電力変換装置に搭載された冷却ファンの制御方法に関する。

背景技術

[0002]
 電力変換装置には、冷却ファン又は電解コンデンサといった部品が搭載されている。これらの部品は交換が必要となるため、これまでにこれらの部品の寿命を予測し、故障前の交換を可能にする取り組みが行われている。
[0003]
 下記特許文献1には、冷却ファンの寿命が周囲温度によって決定されるという原理に基づき、温度検出手段で検出した温度とメモリに予め書き込まれた周囲温度と寿命との関係から、冷却ファンの寿命を予測する技術が開示されている。同様に、下記特許文献2には、主回路電解コンデンサの寿命を予測する技術が開示されている。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開平3-304495号公報
特許文献2 : 特開平11-356036号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 電力変換装置内の冷却ファンの駆動量によって、電力変換装置内の周囲温度が変化する。また、周囲温度によって、冷却ファン及び電解コンデンサの寿命が変化する。よって、冷却ファンの駆動量、すなわち回転数により、冷却ファンの寿命、及び電解コンデンサの寿命が変化する。
[0006]
 ここで、特許文献1及び特許文献2の技術は、冷却ファンあるいは電解コンデンサの寿命の予測を行うことは可能であるが、冷却ファンの駆動量に基づいた冷却ファンの寿命及び電解コンデンサの寿命の制御は行えない。
[0007]
 近年、予防保全の要望から、電解コンデンサ及び冷却ファンといった部品の寿命を制御する技術が望まれている。
[0008]
 本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、部品の寿命を制御できる電力変換装置を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009]
 上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、第1の部品と、第1の部品の駆動量を制御する制御部と、第1の部品の駆動量によって寿命が変化する第2の部品と、を備える。制御部は、駆動量と、第1の部品の寿命及び前記第2の部品の寿命と、の関係に基づいて、駆動量を制御する。

発明の効果

[0010]
 本発明によれば、電力変換装置の部品の寿命を制御することができる、という効果を奏する。

図面の簡単な説明

[0011]
[図1] 実施の形態1に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図
[図2] 温度Taと動作時間0のときの電解コンデンサの寿命Lsc(Ta)との関係の一例を示す図
[図3] 温度Taと動作時間0のときの冷却ファンの寿命Lsf(Ta,N)との関係の一例を示す図
[図4] 実施の形態1の冷却ファン動作決定部における処理の流れを示すフローチャート
[図5] 冷却ファンの回転数Nと温度Taとの関係の一例を示す図
[図6] 図4に示したフローチャートにおけるデータの流れを示す第1フロー図
[図7] 図4に示したフローチャートにおけるデータの流れを示す第2フロー図
[図8] 冷却ファンの回転数Nと冷却ファンの寿命Lf(N)との関係及び冷却ファンの回転数Nと電解コンデンサの寿命Lc(N)との関係を同一のグラフ上で比較して示した図
[図9] 実施の形態2に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図
[図10] 実施の形態2の冷却ファン動作決定部における処理の流れを示すフローチャート
[図11] 図10に示したフローチャートにおけるデータの流れを示すフロー図
[図12] 実施の形態1,2における冷却ファン制御部を具現するハードウェア構成の一例を示すブロック図
[図13] 実施の形態1,2における冷却ファン制御部を具現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図
[図14] 実施の形態3に係る電力変換装置の制御システムの構成例を示す図

発明を実施するための形態

[0012]
 以下に、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
[0013]
実施の形態1.
 図1は、実施の形態1に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図1では、交流電源1に接続され、交流電源1の交流電力を直流電力に変換してモータ3を駆動するように構成された電力変換装置2の構成が示されている。なお、直流電源を交流電源に変換する電力変換装置に用いてもよいことは言うまでもない。
[0014]
 電力変換装置2は、交流を直流に変換する整流回路4と、平滑用の電解コンデンサ5と、直流を交流に変換するパワーモジュール6と、パワーモジュール6を冷却するヒートシンク7と、電解コンデンサ5及びヒートシンク7を冷却する冷却ファン8と、電解コンデンサ5及び冷却ファン8の周囲の温度を計測する第1の温度センサである温度センサ9aと、冷却ファン8の動作を決定する冷却ファン制御部10と、冷却ファン制御部10との間のインタフェースである操作パネル11とを有している。冷却ファン8は、電力変換装置2が具備する第1の部品の一例であり、電解コンデンサ5は、電力変換装置2が具備する第2の部品の一例である。温度センサ9aは、電力変換装置2に設けられるセンサのうちの一つである。冷却ファン制御部10は、電解コンデンサ5及び冷却ファン8の寿命を考慮して冷却ファン8の動作を決定する。すなわち、冷却ファン制御部10は、実施の形態1における寿命制御部を成す。また、冷却ファン制御部10が冷却ファン8に出力する信号は、冷却ファン8を駆動するための駆動信号となる。
[0015]
 電力変換装置2は、交流電源1より入力された交流を整流回路4で直流に変換した後、変化した直流から周波数可変の交流を生成してモータ3に印加する。
[0016]
 また、冷却ファン制御部10は、電解コンデンサ寿命記憶部12と、冷却ファン寿命記憶部13と、動作時間計測部14と、係数導出部15と冷却ファン動作決定部16と、を有している。なお、図1における冷却ファン制御部10の括りは便宜的なものであり、各部は、冷却ファン制御部10の内部に構成されていても外部に構成されていてもよい。
[0017]
 電解コンデンサ寿命記憶部12は、温度Taと、動作時間が零すなわち未使用である電解コンデンサ5の寿命Lscとの関係を冷却ファン動作決定部16に出力する。以下、動作時間が零であることを「動作時間0」と表記する。ここで、温度Taは冷却ファン8の周囲の温度であり、例えば、電力変換装置2の筐体の内部の温度であってもよい。または、電力変換装置2が設置される周辺の温度であってもよい。
[0018]
 図2は、冷却ファン8の周囲の温度Taと動作時間0のときの電解コンデンサ5の寿命Lscとの関係の一例を示す図である。温度Taと寿命Lscとの関係は、予め電解コンデンサ寿命記憶部12、又は図1では図示しない不揮発性メモリに書き込んでおく。温度Taと寿命Lscとの関係を示す情報は、電解コンデンサの製造メーカから提供を受けること、又は、インターネットもしくはカタログといった公開情報を利用することで入手することができる。以下、温度Taと寿命Lscとの関係は、適宜「Lsc(Ta)」と表記する。
[0019]
 冷却ファン寿命記憶部13は、冷却ファン8の回転数がNのときの、温度Taと動作時間0における冷却ファン8の寿命Lsfとの関係を冷却ファン動作決定部16に出力する。ここで、冷却ファン8の回転数とは、単位時間あたりに冷却ファン8が回転する回数のことを言う。
[0020]
 図3は、冷却ファン8の周囲の温度Taと動作時間0のときの冷却ファン8の寿命Lsfとの関係の一例を示す図である。冷却ファン8の寿命Lsfは、温度Taだけでなく、冷却ファン8の回転数Nによっても異なる。このため、冷却ファン8における複数の回転数Nにおける寿命のデータを冷却ファン寿命記憶部13、又は図1では図示しない不揮発性メモリに書き込んでおく。温度Taと冷却ファン8の回転数Nと動作時間0のときの冷却ファン8の寿命Lsfとの関係を示す情報は、冷却ファンの製造メーカから提供を受けること、又は、インターネットもしくはカタログといった公開情報を利用することで入手することができる。なお、以下、温度Taと冷却ファン8の回転数Nと動作時間0のときの冷却ファン8の寿命Lsfとの関係は、適宜「Lsf(Ta,N)」と表記する。
[0021]
 図3には、2つの異なる回転数で冷却ファン8を駆動したときに取得した寿命のデータの例が示されている。具体的に、実線で示される曲線K1は冷却ファン8の回転数Nが定格回転数Nrのときの寿命の温度特性を示し、破線で示される曲線K2は冷却ファン8の回転数Nが最大値Nmaxのときの寿命の温度特性を示している。なお、データを取得していない冷却ファン8の回転数Nにおける寿命の温度特性は、データを取得している2つの冷却ファン8の回転数Nにおける寿命のデータを線形補間して求めることができる。
[0022]
 図1に戻り、動作時間計測部14は、電力変換装置2における運転中の経過時間を計測し、計測した経過時間すなわち電力変換装置2の動作時間を冷却ファン動作決定部16に出力する。
[0023]
 係数導出部15には、温度センサ9aからの検出値と、操作パネル11からの信号とが入力される。係数導出部15は、これらの検出値及び信号を使用して、冷却ファン8の回転数制御用の信号を冷却ファン8に出力する。また、係数導出部15は、冷却ファン8の回転数Nと温度Taとの関係を示す情報を冷却ファン動作決定部16に出力する。
[0024]
 冷却ファン動作決定部16には、温度Taと寿命Lsc(Ta)との関係を示す情報、冷却ファン8における温度Taと、回転数ごとの寿命Lsf(Ta,N)との関係を示す情報、電力変換装置2の動作時間、温度センサ9aからの検出値、及び冷却ファン8の回転数Nと温度Taとの関係を示す情報が入力される。冷却ファン動作決定部16は、これらの入力信号又は入力情報に基づいて、冷却ファン8に対する回転数制御用の信号を生成し、生成した信号を冷却ファン8に出力する。
[0025]
 また、冷却ファン動作決定部16は、電力変換装置2の動作時間、冷却ファン8の回転数制御用の信号、及び温度Taに基づいて、電力変換装置2における動作中の継続時間T(t,k)を計測して保持する。ここで、継続時間T(t,k)とは、冷却ファン8の回転数Nがkであるときに、周囲温度がtの状態が継続したときの累積時間である。
[0026]
 ここで、継続時間T(t,k)において、kは0から最大回転数の範囲内の値をとり、tは周囲温度の最小値から最大値の範囲内の値をとる。このため、冷却ファン動作決定部16には、複数の運転周波数における電力変換装置2の動作時間の情報、及び複数の温度Taにおける電力変換装置2の動作時間の情報が保持される。一例を挙げると、温度Taの最大値をTa_maxとし、冷却ファン8の回転数Nの最大値をNmaxとすると、T(Ta_max,0)は、周囲温度が最大で冷却ファンが停止しているときにおける電力変換装置2のこれまでの動作時間を表している。なお、計測した継続時間T(t,k)は、冷却ファン動作決定部16に保持してもよいし、図1では図示しない不揮発性メモリに保持してもよい。
[0027]
 次に、実施の形態1に係る電力変換装置2の動作について、図1から図8の図面を参照して説明する。図4は、実施の形態1の冷却ファン動作決定部16における処理の流れを示すフローチャートである。図5は、冷却ファン8の回転数Nと温度Taとの関係の一例を示す図である。図6は、図4に示したフローチャートにおけるデータの流れを示す第1フロー図である。図7は、図4に示したフローチャートにおけるデータの流れを示す第2フロー図である。図8は、冷却ファン8の回転数Nと冷却ファン8の寿命Lf(N)との関係及び冷却ファン8の回転数Nと電解コンデンサ5の寿命Lc(N)との関係を同一のグラフ上で比較して示した図である。
[0028]
 図4において、まず、ステップST101では、係数導出部15の内部で使用する変数iが、i=0とされる。
[0029]
 ステップST102では、操作パネル11から係数導出部15に温度測定回数nが入力される。なお、nは、2以上の整数である。
[0030]
 ステップST103では、係数導出部15は、冷却ファン8を回転数Niで運転させるための信号を冷却ファン8に出力する。冷却ファン8の回転数Niは、次式を用いて決定することができる。
[0031]
[数1]


[0032]
 上記(1)式において、Nmaxは冷却ファン8の最大回転数とする。
[0033]
 冷却ファン8を回転させるための信号が出力されると、実際に使用する運転パターンでモータ3の運転が開始される(ステップST104)。
[0034]
 ステップST105では、係数導出部15へ入力される温度センサ9aの検出値をもとに、周囲温度Taが飽和したか否かが判定される。周囲温度Taが飽和したか否かの判定は、周囲温度Taの今回値と前回値との差分を判定値と比較することで実施することができる。周囲温度Taが飽和したと判定されるまでの間、ステップST105を繰り返す。周囲温度Taが飽和したと判定された場合には、ステップST106に進む。
[0035]
 ステップST106では、冷却ファン8の回転数Niのときの周囲温度Ta(Ni)が測定され、測定された周囲温度Ta(Ni)が係数導出部15に記憶される。
[0036]
 ステップST107では、係数導出部15内の変数iの値が1ずつインクリメントされる。
[0037]
 ステップST108では、係数導出部15内で変数iと温度測定回数nとが比較され、変数iが温度測定回数n以上になった場合には(ステップST108,Yes)、ステップST109に進む。一方、変数iが測定回数n未満の場合には(ステップST108,No)、ステップST103に戻る。
[0038]
 ステップST109では、モータ3及び冷却ファン8の運転を停止する。
[0039]
 ここで、ステップST102からステップST109までの動作について、n=2の場合、すなわち温度測定を2回行う場合を一例として説明する。
[0040]
 まず、冷却ファン8の回転数が零、すなわち冷却ファン8を停止したままの状態でモータ3の運転を開始する。なお、冷却ファン8の回転数Nが零のときを、“N0”と表記する。
[0041]
 次に、周囲温度の飽和後(ステップST105,Yes)、係数導出部15にて冷却ファン8の回転数がN0のときの周囲温度であるTa(N0)の値が記憶される。
[0042]
 次に、冷却ファン8の回転数をNmaxとして、モータ3の運転を開始する。周囲温度が飽和した後、係数導出部15で冷却ファン8の回転数がNmaxのときの周囲温度であるTa(Nmax)の値が記憶され、モータ3及び冷却ファン8の運転は停止される。
[0043]
 図6及び図7には、ステップST110からステップST115までのデータの流れが示されている。
[0044]
 ステップST110では、係数導出部15において、冷却ファン8の回転数Nと温度Ta(N)との関係が求められる。具体的には、データ未取得の冷却ファン8の回転数Nのときの温度Ta(N)のデータを、取得済データのうちの2点のデータTa(Ni)を使用して線形補間することで求め、冷却ファン8の回転数Nと温度Taとの関係が求められる。冷却ファン8の回転数Nと温度Taとの関係を示す情報Ta(N)は、冷却ファン動作決定部16に出力される。なお、取得済データであるデータTa(Ni)は、ステップST106で測定されたデータであり、係数導出部15に保持されている。
[0045]
 図5は、温度測定回数nが4のときの冷却ファン8の回転数と周囲温度との関係の一例を示す図であり、冷却ファン8の回転数が高くなるほど周囲温度が低くなる関係が示されている。
[0046]
 図4及び図6のフローに戻り、ステップST111では、冷却ファン動作決定部16にて、温度Taと電解コンデンサ5の寿命Lc(Ta)との関係が求められる。具体的に、温度Taのときの電解コンデンサ5の寿命Lc(Ta)は、温度Taと動作時間0のときの電解コンデンサ5の寿命Lsc(Ta)との関係式、及び上述した継続時間T(t,k)より、次式のとおり計算できる。
[0047]
[数2]


[0048]
 上記(2)式において、Ta_maxは温度Taの最大値であり、Ta_minは温度Taの最小値である。なお、温度Taと、動作時間0のときの電解コンデンサ5の寿命Lsc(Ta)との関係を示すデータは、電解コンデンサ寿命記憶部12に記憶されている。また、継続時間T(t,k)のデータは、冷却ファン動作決定部16に保持されている。
[0049]
 また、上記(2)式では、温度Taにおける未使用の電解コンデンサ5の寿命Lsc(Ta)から、温度Taに換算したときのこれまでの電解コンデンサ5の動作時間を引き、今後、温度Taで使用したときの電解コンデンサ5の寿命Lc(Ta)を算出している。
[0050]
 図7に進み、ステップST112では、冷却ファン動作決定部16にて、冷却ファン8の回転数Nと電解コンデンサ5の寿命Lc(N)との関係が求められる。具体的には、ステップST111で導出した(2)式に示されている温度TaにステップST110で算出した温度Ta(N)を代入した、以下の(3)式により、寿命Lc(N)を計算する。
[0051]
[数3]


[0052]
 図6に戻り、ステップST113では、冷却ファン動作決定部16にて、冷却ファン8の回転数がNのときの、温度Taと、冷却ファン8の寿命Lf(Ta,N)との関係が求められる。具体的に、冷却ファン8の回転数がNであり、且つ温度Taのときの冷却ファン8の寿命Lf(Ta,N)は、冷却ファン寿命記憶部13に記憶されている、温度Taと動作時間0のときの冷却ファン8の寿命Lsf(Ta,N)との関係、冷却ファン動作決定部16に保持されている上述した継続時間T(t,k)より、下記のとおり計算できる。
[0053]
[数4]


[0054]
 上記(4)式において、Ta_maxは温度Taの最大値であり、Ta_minは温度Taの最小値であり、N_maxは冷却ファン8の回転数Nの最大値である。なお、温度Taと、動作時間0のときの冷却ファン8の寿命Lsf(Ta,N)との関係を示すデータは、冷却ファン寿命記憶部13に記憶されている。また、継続時間T(t,k)のデータは、冷却ファン動作決定部16に保持されている。
[0055]
 また、上記(4)式では、冷却ファン8の回転数がNのときの、温度Taにおける未使用の冷却ファン8の寿命Lsf(Ta,N)から、冷却ファン8の回転数がNであり、温度Taに換算したときのこれまでの冷却ファン8の動作時間を引き、今後、温度Ta、且つ回転数Nで使用したときの冷却ファン8の寿命Lf(Ta,N)を算出している。
[0056]
 図7に進み、ステップST114では、冷却ファン動作決定部16にて、冷却ファン8の回転数Nと、冷却ファン8の寿命Lf(N)との関係が求められる。具体的には、ステップST113で導出された(4)式に示されている温度TaにステップST110で算出した温度Ta(N)を代入した、以下の(5)式により、寿命Lf(N)を計算する。
[0057]
[数5]


[0058]
 ステップST115では、冷却ファン動作決定部16にて、冷却ファン8と電解コンデンサ5の寿命が同等になる冷却ファン8の回転数Nxが決定される。この回転数Nxは、以下の(6)式、及び(7)式により決定される。
[0059]
[数6]


[数7]


[0060]
 図8には、図7のステップST115に示されている波形が図示されている。図8において、太実線で示す部分が上記(6)式で計算されるLI(N)の値であり、また、電解コンデンサ5の寿命Lc(N)と冷却ファン8の寿命Lf(N)との交点が、上記(7)式で計算されるLI(Nx)の値を示している。
[0061]
 図8において、冷却ファン8の定格駆動時、すなわち定格回転数で駆動される際の回転数をN1とする。このとき、冷却ファン8の寿命はLf(N1)であり、電解コンデンサ5の寿命Lc(N1)よりも短い。電解コンデンサ5の寿命をLc(N1)よりも短くすることが可能な場合、本実施の形態では、冷却ファン8の回転数をN1よりも低くすることによって、電解コンデンサ5の寿命をLc(N1)よりも短くするとともに、冷却ファン8の寿命をLf(N1)よりも長くすることができる。
[0062]
 あるいは、図8において、冷却ファンの定格駆動時、すなわち定格回転数で駆動される際の回転数をN2とする。このとき、冷却ファン8の寿命はLf(N2)であり、電解コンデンサ5の寿命Lc(N2)よりも長い。冷却ファン8の寿命をLf(N2)よりも短くすることが可能な場合、本実施の形態では、冷却ファン8の回転数をN2よりも大きくすることによって、冷却ファン8の寿命をLf(N2)よりも短くするとともに、電解コンデンサ5の寿命をLc(N2)よりも長くすることができる。
[0063]
 上述の様に、本実施の形態の手法を用いれば、第1の部品である冷却ファン及び、冷却ファンの駆動量である回転数によって寿命が変化する第2の部品である電解コンデンサと、冷却ファンの駆動量と、の関係に基づいて、冷却ファンと電解コンデンサの寿命を制御することが可能となる。
[0064]
 このように、第1の部品と第2の部品の寿命を制御することによって、第1の部品あるいは第2の部品の交換時期を制御することが可能となる。
[0065]
 また、例えば、図8において、冷却ファン回転数Nを、冷却ファン8の寿命と電解コンデンサ5の寿命とが異なるN1あるいはN2に設定した場合、一方の備品は寿命に至っていないにも関わらず、他方の部品の交換が必要となる。本実施の形態において、冷却ファン8の寿命と電解コンデンサ5の寿命とを同程度となる冷却ファン回転数Nxを用いれば、両部品の交換時期を同じにすることができる。ここで、部品の交換とは、電力変換装置自体を取り換えることも含める。
[0066]
 例えば、一方の部品の交換の為に電力変換装置自体を取り換える必要があれば、本実施の形態により部品の最短寿命を延ばすことが可能となるので、電力変換装置自体の寿命を延ばす効果が得られる。
[0067]
 すなわち、寿命を延伸化するための回転数Nxは、(6)式及び(7)式から求まる値とすることも、上述したように、次式を満たす値とすることもできる。
[0068]
[数8]


[0069]
 上記(8)式において、Nrは冷却ファン8の定格回転数である。何れにしても、定格値である定格回転数Nrで冷却ファン8を動作させたときに比して、電解コンデンサ5の寿命Lcと冷却ファン8の寿命Lfとの差が小さくなる回転数Nを選択すること、別言すれば、電解コンデンサ5の寿命Lc及び冷却ファン8の寿命Lfのうちの短い方の寿命が長くなるような回転数Nを選択することにより、電力変換装置2の寿命の延伸化を図ることができる。
[0070]
 なお、本実施の形態では冷却ファン8の単位時間当たりの回転数を冷却ファン8の駆動量とした。簡単には、回転数のみで寿命の制御が可能であるが、厳密な寿命を求めるために、冷却ファン8の駆動時間又は駆動開始時の回転数増加に関する駆動シーケンス等も含めた要素を考慮してもよい。
[0071]
 また、本実施の形態では、第1の部品と第2の部品との寿命を制御したが、さらに、第1の部品の駆動量によって寿命が変化するその他の部品の寿命との関係を考慮して各部品の寿命を制御してもよいことは言うまでもない。
[0072]
 また、本実施の形態では、電力変換装置を例に挙げたが、例えば、電子機器であってもよく、第1の部品が冷却ファンで、第2の部品が冷却ファンで冷却される電子回路であってもよい。電子機器に含まれる、第1の部品と、第1の部品の駆動量によって寿命が変化する第2の部品とに本実施の形態は適用することができる。
[0073]
実施の形態2.
 図9は、実施の形態2に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態2に係る電力変換装置2Aでは、図1に示す実施の形態1に係る電力変換装置2の構成から、負荷電流を検出する電流センサ22と、第2の温度センサである温度センサ9bとが付加され、また、冷却ファン制御部10の内部にジャンクション温度推定部21が付加されて冷却ファン制御部10Aが構成されている。その他の構成については、実施の形態1の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
[0074]
 実施の形態2において、温度センサ9bは、電力変換装置2Aに設けられるセンサのうちの一つである。第1の温度センサである温度センサ9aが電解コンデンサ5及び冷却ファン8の周囲温度を計測するのに対し、第2の温度センサである温度センサ9bは、ヒートシンク7に取り付けられた図示しないフィンの温度を計測する。
[0075]
 電流センサ22は、モータ3に流出入する電流である負荷電流を検出する。ジャンクション温度推定部21には、電流センサ22からの検出値と、温度センサ9bからの検出値とが入力される。ジャンクション温度推定部21の内部には、パワーモジュール6の熱抵抗データ、及び負荷電流ごとの損失に関するテーブルデータが保存されている。ジャンクション温度推定部21は、電流センサ22からの検出値と、温度センサ9bからの検出値と、内部で保持しているデータを使用して、パワーモジュール6におけるジャンクション温度Tjを推定して冷却ファン動作決定部16に出力する。ここで、ジャンクション温度Tjとは、半導体チップが接合される接合領域の温度を言う。これにより、冷却ファン動作決定部16には、実施の形態1のときの入力情報に加え、パワーモジュール6におけるジャンクション温度Tjの情報が入力される。
[0076]
 なお、温度センサ9bは、ヒートシンク7に取り付けられた図示しないフィンの温度を計測するとして説明したが、フィンの温度を計測するのに代えて、図示しないフィン取付部の温度を検出してもよい。すなわち、パワーモジュール6におけるジャンクション温度Tjを推定することができさえすれば、温度センサ9bは、冷却器であるヒートシンク7の何れの部位に設けてもよい。
[0077]
 実施の形態1では、冷却ファン動作決定部16で決定した冷却ファン8の回転数Nxで電力変換装置2を運転することで、電力変換装置2の長寿命化を図ることとしていた。これに対し、実施の形態2の冷却ファン動作決定部16では、パワーモジュール6におけるジャンクション温度Tjの情報を使用して冷却ファン8の回転数Nxを推定する。これにより、パワーモジュール6が損傷しない範囲で、冷却ファン8の回転数Nxが決定され、電力変換装置2Aの長寿命化が図れる。
[0078]
 次に、実施の形態2に係る電力変換装置2Aの動作について、図9から図11の図面を参照して説明する。図10は、実施の形態2の冷却ファン動作決定部16における処理の流れを示すフローチャートである。図11は、図10に示したフローチャートにおけるデータの流れを示すフロー図である。
[0079]
 まず、図10において、ステップST101からステップST104までの処理は、図4に示す実施の形態1の処理と同じである。ステップST104の処理を終えるとステップST201に進む。
[0080]
 ステップST201では、ジャンクション温度推定部21において、ジャンクション温度Tjが、次式を用いて推定される。
[0081]
[数9]


[0082]
 上記(9)式において、Iは電流センサ22の検出値より求めた負荷電流、Pは損失テーブルデータと負荷電流Iより求めたチップ損失、Rthはパワーモジュール6の熱抵抗、Tfは温度センサ9bの検出値より求めたフィン温度である。ジャンクション温度推定部21が推定したジャンクション温度Tjは、冷却ファン動作決定部16に出力される。
[0083]
 ステップST202では、冷却ファン動作決定部16において、ステップST201で求めたジャンクション温度Tjが、予め設定された規定温度Tjmax_lim以下であるか否かが判定される。ここで、規定温度はパワーモジュールの損傷を抑制するために仕様が決定されたジャンクション温度とする。
[0084]
 ジャンクション温度Tjが規定温度Tjmax_lim以下の場合には(ステップST202,Yes)、ステップST105に進む。一方、ジャンクション温度Tjが規定温度Tjmax_limよりも大きい場合には(ステップST202,No)、ステップST203に進んでモータ3の運転を一旦停止した後に、ステップST107に進む。
[0085]
 なお、上記ステップST202の判定処理では、ジャンクション温度Tjが規定温度Tjmax_limに等しい場合を“Yes”と判定しているが、“No”と判定してもよい。すなわち、ジャンクション温度Tjと規定温度Tjmax_limとが等しい場合を“Yes”又は“No”の何れで判定してもよい。
[0086]
 ステップST105の判定処理及びステップST106の温度測定は、実施の形態1と同一又は同等である。但し、温度Taが飽和していないと判定された場合には(ステップST105,No)、ステップST201の処理に戻る。また、温度Taが飽和していると判定された場合には(ステップST105,Yes)、ステップST106の処理を行ってステップST204に進む。
[0087]
 ステップST204では、冷却ファン回転数Niのときのジャンクション温度Tjの最大値Tjmax(Ni)が推定される。推定された最大値Tjmax(Ni)は、冷却ファン動作決定部16に保持される。なお、最大値Tjmax(Ni)は、運転の1周期分にわたり上記(9)式を用いて推定したジャンクション温度Tjの最大値とする。
[0088]
 ステップST204の処理の後、ステップST107からステップST1114の処理が行われるが、これらの処理は、図4に示す実施の形態1の処理と同じである。ステップST114の処理を終えるとステップST205に進む。
[0089]
 図11には、ステップST110からステップST114、ステップST205及びステップST115bのデータの流れが示されている。
[0090]
 図11において、ステップST112では、冷却ファン動作決定部16にて、冷却ファン8の回転数Nと電解コンデンサ5の寿命Lc(N)との関係が求められる。この処理では、図示のようにステップST111で導出された電解コンデンサ5の寿命Lc(Ta)の情報と、ステップST110で算出された温度Ta(N)の情報とが用いられる。
[0091]
 また、ステップST114では、冷却ファン動作決定部16にて、冷却ファン8の回転数Nと、冷却ファン8の寿命Lf(N)との関係が求められる。この処理では、図示のようにステップST113で導出された冷却ファン8の寿命Lf(Ta,N)の情報と、ステップST110で算出された温度Ta(N)の情報とが用いられる。
[0092]
 そして、ステップST205では、冷却ファン動作決定部16にて、冷却ファン8の回転数Nとジャンクション温度Tjの最大値Tjmaxとの関係が求められる。具体的には、データ未取得の冷却ファン8の回転数Nのときのジャンクション温度Tjの最大値Tjmax(N)のデータを、取得済データのうちの2点のデータTjmax(Ni)を使用して線形補間することで求め、冷却ファン8の回転数Nとジャンクション温度Tjの最大値Tjmaxとの関係が求められる。冷却ファン8の回転数Nとジャンクション温度Tjの最大値Tjmaxとの関係を示す情報は、冷却ファン動作決定部16に出力される。なお、取得済データであるデータTjmax(Ni)は、ステップST201で推定されたデータであり、冷却ファン動作決定部16に保持されている。
[0093]
 ステップST115bでは、冷却ファン動作決定部16にて、電力変換装置2Aの寿命が最も長くなる冷却ファン回転数Nxが決定される。冷却ファン回転数Nxは、上記した(7)式、及び以下の(10)式により決定される。
[0094]
[数10]


[0095]
 上記(10)式において、Nlimは、ジャンクション温度Tjの最大値Tjmaxが予め設定された規定温度になるときの冷却ファン8の回転数とする。すなわち、Nlimは、半導体チップの接合信頼度が保証される最低限の回転数である。また、冷却ファン8の回転数Nxは、(7)式、及び(10)式から求まる値に限らず、上記(8)式を満たす値としてもよい。
[0096]
 以上に示した実施の形態2の手法を用いれば、実施の形態1で説明した効果に加え、パワーモジュール6が損傷しない範囲内で、冷却ファン8の回転数Nを決定することができる。
[0097]
 次に、実施の形態1,2における冷却ファン制御部10,10Aの機能を実現するハードウェア構成について、図12及び図13の図面を参照して説明する。図12は、実施の形態1,2における冷却ファン制御部10,10Aを具現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図13は、実施の形態1,2における冷却ファン制御部10,10Aを具現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
[0098]
 上述した冷却ファン制御部10,10Aの機能を実現する場合には、図12に示すように、演算を行うCPU(Central Processing Unit:中央処理装置)200、CPU200によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ202及び信号の入出力を行うインタフェース204を含む構成とすることができる。なお、CPU200は、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はDSP(Digital Signal Processor)といった演算手段であってもよい。また、メモリ202とは、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(Electrically EPROM)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリが該当する。冷却ファン制御部10,10Aを構成する各部が算出又は導出したデータ又は情報は、不揮発性メモリに保持することができる。
[0099]
 具体的に、メモリ202には、冷却ファン制御部10,10Aの機能を実行するプログラムが格納されている。CPU200は、インタフェース204を介して、必要な情報の授受を行うことにより、実施の形態1,2で説明された各種の演算処理を実行する。また、冷却ファン制御部10,10Aを構成する各部が算出又は導出したデータは、メモリ202のうちの不揮発性メモリに保持することができる。
[0100]
 また、図12に示すCPU200及びメモリ202は、図13のように処理回路203に置き換えてもよい。処理回路203は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
[0101]
実施の形態3.
 図14は、実施の形態3に係る電力変換装置の制御システムの構成例を示す図である。実施の形態3に係る電力変換装置の制御システムは、電力変換装置2がPLC(Programmable Logic Controller)103と接続されている点が異なる。なお、PLC103は情報処理装置101に接続され、情報処理装置101は通信ネットワーク105を介してサーバ100に接続可能である。以下、実施の形態1又は2と異なる点を主に説明する。
[0102]
 実施の形態3では、図1及び図9に示した冷却ファン制御部10,10Aは、情報処理装置101に搭載される。図14に示すように、情報処理装置101は、複数の電力変換装置2に設けられる図14では図示しないそれぞれの冷却ファン8の駆動制御を行う。すなわち、実施の形態3に係る電力変換装置の制御システムは、冷却ファンの制御システムを構成する。
[0103]
 情報処理装置101は、PLC3を介して複数の電力変換装置2における電解コンデンサ5及び冷却ファン8の寿命を記憶する。さらに、図8で示すような寿命特性を複数の電力変換装置2について求め、例えば、複数の電力変換装置2の電解コンデンサ5の寿命が同程度になるように、各電力変換装置2の冷却ファン回転数Nを求める。このようにすることによって、複数の電力変換装置2の電解コンデンサ5及び冷却ファン8の交換度を同時期に設定でき、交換メンテナンス頻度を低減することができる。
[0104]
 あるいは、電解コンデンサ5の在庫状況によって電解コンデンサ5の交換数を調整することも可能である。このとき、サーバ100に部品の在庫数、納入時期、納入個数等のデータを保管しておき、このデータをサーバ100で随時確認することによって、情報処理装置101による電解コンデンサ5や冷却ファンの寿命制御に反映させることができる。
[0105]
 また、モータ3が設置される例えば工場内の温度状況、モータ3の稼働予定状況等のデータをサーバ100に保管しておき、推定した電解コンデンサ5や冷却ファンの寿命特性に、当該データを用いて部品交換時期を制御することも可能である。
[0106]
 実施の形態1又は2で述べたように、電解コンデンサ5及び冷却ファンの寿命特性を推定し、冷却ファン回転数N、すなわち冷却ファン8の制御によってこれら部品の寿命を制御することが可能となる。そのため、実施の形態3に係る冷却ファンの制御システムを用いて、冷却ファン8の動作を決定する際に複数の電力変換装置2の寿命、交換部品の在庫状況、又はモータが設置される工場内のその他のデータを考慮して冷却ファン回転数Nを決定できる。
[0107]
 なお、本実施の形態ではPLC103を用いたが、PLC103は必ずしも用いなくてもよく、情報処理装置101を直接電力変換装置2に接続してもよい。
[0108]
 また、本実施の形態では複数の電力変換装置2を用いたが、必ずしも複数の電力変換装置2を用いる必要はない。実施の形態1又は2で説明したように単一の電力変換装置2内の電解コンデンサ及び冷却ファンの寿命を制御する場合であっても、交換部品の在庫状況や工場内のデータを考慮することができる。
[0109]
 また、本実施の形態では情報処理装置101が各種の寿命記憶部を備える例を説明したが、必ずしもこれに限られない。寿命記憶部はPLC103が有していてもよいし、サーバ100にあってもよいし、実施の形態1及び2のように、電力変換装置2にあってもよい。
[0110]
 また、本実施の形態において、通信ネットワーク105は有線でも無線でもよく、サーバ100はクラウド上にあるクラウドサーバであってもよい。このようなシステム形態の場合、遠隔地からサーバ100に例えば部品の納品予定などのデータを登録することが可能となり、遠隔地からのデータを冷却ファン8の制御に反映させることが可能となる。
[0111]
 なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

符号の説明

[0112]
 1 交流電源、2,2A 電力変換装置、3 モータ、4 整流回路、5 電解コンデンサ、6 パワーモジュール、7 ヒートシンク、8 冷却ファン、9a 温度センサ(第1の温度センサ)、9b 温度センサ(第2の温度センサ)、10,10A 冷却ファン制御部、11 操作パネル、12 電解コンデンサ寿命記憶部、13 冷却ファン寿命記憶部、14 動作時間計測部、15 係数導出部、16 冷却ファン動作決定部、21 ジャンクション温度推定部、22 電流センサ、100 サーバ、101 情報処理装置、103 PLC、105 通信ネットワーク、200 CPU、202 メモリ、203 処理回路、204 インタフェース。

請求の範囲

[請求項1]
 第1の部品と、
 前記第1の部品の駆動量を制御する制御部と、
 前記第1の部品の駆動量によって寿命が変化する第2の部品と、
 を備え、
 前記制御部は、前記駆動量と、前記第1の部品の寿命及び前記第2の部品の寿命と、の関係に基づいて、前記駆動量を制御すること
 を特徴とする電力変換装置。
[請求項2]
 前記第1の部品は冷却ファンであることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
[請求項3]
 前記制御部は、前記第1の部品が定格駆動されるときの前記第1の部品の寿命及び前記第2の部品の寿命のうち短い方と比較して、前記第1の部品の寿命及び前記第2の部品の寿命がともに長くなるように、前記駆動量を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。
[請求項4]
 前記制御部は、前記第1の部品の駆動量と、前記第1の部品の周囲の温度と、の関係から、前記駆動量と、前記第1の部品の寿命及び前記第2の部品の寿命と、の関係を算出する係数導出部を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
[請求項5]
 半導体チップが搭載されたパワーモジュールをさらに備え、
 前記制御部は、前記半導体チップの接合領域におけるジャンクション温度と前記駆動量との関係に基づいて、前記ジャンクション温度が規定温度を超えないように前記駆動量を制御することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
[請求項6]
 第1の部品と、前記第1の部品の駆動量により寿命が変化する第2の部品と、を有する電力変換装置と、
 前記電力変換装置に接続され、前記駆動量を制御する制御部を有する情報処理装置と、
 を備え、
 前記制御部は、前記駆動量と、前記第1の部品の寿命及び前記第2の部品の寿命と、の関係に基づいて、前記駆動量を制御すること
 を特徴とする電力変換装置の制御システム。
[請求項7]
 前記第1の部品は冷却ファンであることを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置の制御システム。
[請求項8]
 前記制御部は、前記第1の部品の駆動量と、前記第1の部品の周囲の温度と、の関係から、前記駆動量と、前記第1の部品の寿命及び前記第2の部品の寿命と、の関係を算出する係数導出部を備えることを特徴とする請求項6又は7に記載の電力変換装置の制御システム。
[請求項9]
 前記情報処理装置は、複数の前記電力変換装置における前記駆動量を制御することを特徴とする請求項6から8のいずれか1項に記載の電力変換装置の制御システム。
[請求項10]
 前記情報処理装置は、クラウドサーバに接続され、
 前記クラウドサーバ上の前記第1の部品または前記第2の部品に関する情報に基づいて前記駆動量を制御することを特徴とする請求項6から9のいずれか1項に記載の電力変換装置の制御システム。
[請求項11]
 第1の部品と、
 前記第1の部品の駆動量を制御する制御部と、
 前記第1の部品の駆動量によって寿命が変化する第2の部品と、
 を備え、
 前記制御部は、前記駆動量と、前記第1の部品の寿命及び前記第2の部品の寿命と、の関係に基づいて、前記駆動量を制御することを特徴とする電子機器。
[請求項12]
 冷却ファンと、周囲温度を計測する第1の温度センサを含む1つ以上のセンサと、前記第1の温度センサで計測された温度が入力され前記冷却ファンの回転数を制御する制御部と、前記回転数によって寿命が変化する部品と、動作時間を計測する動作時間計測部と、を備えた電力変換装置における冷却ファンの制御方法であって、
 前記制御部で求めた前記冷却ファンの回転数と前記第1の温度センサが計測した温度との関係を求める第1ステップと、
 前記第1の温度センサが計測した温度と前記部品の寿命との関係を求める第2ステップと、
 前記動作時間計測部にて前記電力変換装置の動作時間を求める第3ステップと、
 前記第1ステップ、前記第2ステップ及び前記第3ステップの算出結果から前記冷却ファンの回転数と前記部品の寿命との関係を求める第4ステップと、
 前記第4ステップの算出結果から前記冷却ファンの回転数を決定する第5ステップと、
 を含むことを特徴とする冷却ファンの制御方法。
[請求項13]
 前記第5ステップでは、前記冷却ファンが定格駆動されるときの前記冷却ファンの寿命及び前記部品の寿命のうちの短い方と比較して、前記冷却ファンの寿命及び前記部品の寿命がともに長くなるように前記回転数を決定する
 ことを特徴とする請求項12に記載の冷却ファンの制御方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]