JP3570880B2 - Power control module - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ及びファン等の可変速回転機械を含むシステム等の運転制御に好適なパワー制御モジュールに係り、特に回転機械等の運転速度を制御するインバータ装置と、そのインバータ装置を制御するCPU素子を搭載したインバータ制御モジュールと、インバータ装置が供給する電力により可変速運転する回転機械等を含むシステムの運転を制御するCPU素子を搭載したシーケンス制御モジュールとを備えたパワー制御モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
ポンプ及びファン等の回転機械に、商用交流電源の周波数及び電圧を任意の周波数及び電圧に変換するインバータ装置を用いることにより、ポンプやファン等の回転機械を可変速運転することが広く行われている。インバータ装置は、ポンプやファンを駆動するモータの運転速度を任意に変えられるため、ポンプやファン等の負荷に対応した最適な運転速度で運転することにより、定格速度で運転するのと比較して省エネルギー化が図れる。
【0003】
又、各種の給水装置等においては、ポンプ吐出側に圧力センサを取り付け、検出された圧力信号が圧力設定値と一致するようにPI制御部から運転速度信号をインバータ装置に送ることにより、ポンプの運転速度を制御し、ポンプの吐出圧力を一定に制御する吐出圧力一定制御運転を行うことが行われている。更に、流量センサあるいは運転速度から逐次ポンプ吐出目標圧力を適切に変化させることにより、末端の需要家における供給水圧を一定に制御する推定末端圧力一定制御運転が行われている。
【0004】
又、空調装置等においては、ファン吐出側に温度センサを取り付け、ファンが送風する空気温度が予め定められた温度設定値と一致するようにPI制御部からファンの運転速度をインバータ装置により制御する温度一定制御運転を行うことが知られている。
【0005】
ところでこの様なインバータ装置を備えた可変速ポンプあるいは可変速ファンは、給水装置あるいは空調装置に組み入れられる場合には、各種の運転制御が必要となる。例えば給水装置に用いられる場合には、ポンプから離れた場所にある制御ステーションからの運転、停止指令に基づいて可変速ポンプの発停制御が行われる。そしてこれらの運転状態の表示も必要である。又、吐出圧力を一定に保つ自動運転の場合には、ポンプ吐出口に備えられた圧力センサの信号を給水装置内の制御装置に取込み、吐出圧力を一定に保つように回転数を可変速制御する必要がある。更に、ポンプの負荷である給水量が極めて少なくなった場合には、ポンプは締切状態で運転することになるので、ポンプの吐出口側に設けた圧力タンクに水を蓄圧して、ポンプを停止する等の運転制御も必要である。
【0006】
従って、インバータ装置を備えた可変速ポンプも、給水装置に組み込んで用いる場合には、給水装置としての運転制御装置が必要となり、この運転制御装置には一般にCPUとメモリが用いられている。
【0007】
インバータ装置は、一般的に、商用交流電源等の交流電力を整流するダイオードモジュール等の整流回路から成るコンバータ部と、整流された交流電力を平滑化すると共に直流電力として蓄積するコンデンサ部と、コンデンサ部に蓄えられた直流電力を所定の周波数及び電圧の交流電力に逆変換するインバータ部とから構成されている。コンバータ部には突入電流防止用抵抗あるいはマグネットスイッチ、又はサイリスタなどから構成される突入電流防止回路を備えることが一般的である。又、インバータ部は、パワートランジスタ、IGBTなどの電力素子から構成されている。その電力素子を駆動するドライバ回路と、そのドライバ回路に電力素子の開閉信号を出力するCPU及びメモリ等からなる制御回路と、その制御回路に例えば+5V等の直流電源を供給する制御電源回路と、電力素子等を過電圧あるいは過電流等から保護する保護回路等も周辺の付属回路として必要である。
【0008】
ところで、半導体メーカから、コンバータ部とインバータ部の電力素子と、インバータ部のドライバ回路と、電力素子に関連した保護回路とを1個のパッケージに収容したインバータ用のパワーモジュールが市販されている。ここで保護回路は、例えば電力素子の温度の過度の上昇を検出するサーミスタ素子などである。そして、パワーモジュールにコンデンサを接続し、ドライバ回路にインバータ部の電力素子の開閉信号を出力するCPU及びメモリ等からなる制御回路を組合せることで、上述のインバータ用のパワーモジュールを動作させることができる。
【0009】
この制御回路は、例えばパルス幅変調(PWM)信号を出力することで、インバータ装置に任意の周波数・電圧の交流電力出力を形成することができる。又、これらの制御回路を搭載した回路基板は、一般的にはインバータ装置とは別個の基板として筐体に収納され、筐体内には放熱フィン、ファン等を備え、発熱の大きい電力素子等を冷却している。
【0010】
又、筐体には操作表示器を備え、動作周波数及び各種の警報等を表示できるようになっているのが一般的である。又、筐体外部へのインターフェース回路を備え、外部からインバータ装置の操作信号、あるいは保護回路が異常状態を検出した場合の警報信号等が出力できるようになっている。係る従来のインバータ装置及びその制御装置は、上述した各種の回路部品を購入して、複数の回路基板上に配置し、これらを各種コネクタなどで配線接続していた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のインバータ装置及びその制御装置では、上述した各種構成部品を複数の回路基板上に配置して筐体に収納し、コネクタなどで配線接続していたため、以下の問題があった。即ち、組立、配線等に工数がかかる、インバータ装置として全体的に小型化ができない、各種の構成部品はそれぞれがモールド樹脂封止等によりパッケージ化されており、これらを回路基板上に搭載して筐体の中に入れるため、全体的なサイズが大型化する上、余分なパッケージ分のコストも必要となり、全体的に製造コストが上昇する等である。
【0012】
又、インバータ装置は上述したように、その制御装置として、CPU、メモリ等の電子部品で制御回路が構成されるため、例えばポンプのケーシングに直接取り付けると、ポンプの取扱液により冷却されて電子部品の接続部分等に結露する可能性があり、このため湿気が入らないようにする、あるいは冷却されないようにする等の結露防止対策が必要であった。このため、筐体内に配置された制御装置は、ポンプ等とは別の場所に置かざるを得ず、システムのサイズが大型化するという問題があった。
【0013】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、小型にして、結露等の問題を生じることなく幅広い環境下でインバータ装置及びその制御装置を使用することができ、且つインバータ装置が供給する電力により可変速運転する回転機械を含むシステムの運転を制御するプログラムを容易に作成することができる回転機械の制御装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様は、 給水ポンプシステムに可変周波数の電力を供給するパワー制御モジュールであって、コンバータ部の電力素子とインバータ部の電力素子とを搭載したパワーモジュールと、前記給水ポンプシステムを運転制御するCPU素子を搭載したシーケンス制御モジュールと、CPU素子を搭載したインバータ制御モジュールとが箱体状の容器に収容され、前記箱体状の容器は底部に銅板を備え、前記パワーモジュールが該銅板に固設され、その上部に前記シーケンス制御モジュールとインバータ制御モジュールが搭載され、前記パワーモジュールおよびシーケンス制御モジュールとインバータ制御モジュールはそれぞれ異なる種類の樹脂で封止され、前記パワーモジュールを封止する樹脂は、熱伝導率が低いものであり、前記シーケンス制御モジュールとインバータ制御モジュールを封止する樹脂は耐湿性が良好なものであることを特徴とするパワー制御モジュールである。
【0015】
これにより、少なくともコンデンサを除くインバータ装置自体を構成する電力素子と、インバータ装置を動作させるためのCPU素子を含む制御用のモジュールとが箱体状の容器内に封止されていることから、極めてコンパクトな構造とすることができる。又、この制御装置はモールド樹脂等の気密的な封止により、可変速給水装置等の水を扱うシステムに使用しても、例えばポンプケーシングに直接固定する等の過酷な使用環境条件下においても結露等の問題を生じることなく安定に動作させることができる。又、シーケンス制御モジュールは、システムプログラムを搭載しているので、システムの運転を制御するアプリケーションプログラムを容易に製作することが可能である。これにより、例えば可変速給水ポンプ等を備えたシステムの運転制御と、インバータの制御とを矛盾なく行なえ、千差万別の設置現場に対応可能なアプリケーションプログラムを短期間に構築することができる。又、運転条件の変更等にも柔軟に対応が可能である。
【0016】
また、本発明の他の態様は、前記インバータ制御モジュールには、前記CPU素子の他に、ドライバ回路と、保護回路と、補助電源と、電気的に書換え可能なメモリ素子とを搭載したものである。これにより、ドライバ回路によりインバータ装置のインバータ部の電力素子をスイッチング動作することができ、又、保護回路により、電力素子を過電流、過電圧、温度の異常上昇等から保護することができる。又、補助電源により、+5V、+24V、±15V等の各種の電源電圧を各種の半導体チップに供給することができ、これにより、各種の制御動作が行える。又、電気的に書換え可能なメモリ素子を備えることにより、インバータ部の制御を、例えば三相誘導モータから直流ブラシレスモータ又は静止型インバータ装置に変更することが可能で、これによりシステムのフレキシビリティを増大することができる。
【0017】
また、本発明の他の態様は、前記シーケンス制御モジュールには、前記CPU素子の他に、メモリ素子と、通信用素子と、時計用素子とを搭載したものである。これにより、通信用素子とメモリ素子としてE2PROM等の電気的に書換え可能なものを用いることで、プログラムの内容を外部より書き換えることができる。従って、システムの運転制御プログラムを容易に変更することができ、特にシーケンス制御モジュールを箱状体の容器に対して脱着可能に装着することで、設置現場におけるデバッギングが可能となり、運転条件の変更等に迅速に対応が可能となる。又、時計用素子を搭載することで運転制御の基本となる各種タイミングを容易に形成することができる。
【0019】
これにより、電力素子が銅板に固着されるので放熱を効率的に行える。又、パワーモジュールを封止する樹脂は、熱伝導率が比較的低いので、パワーモジュールによる熱をCPU素子が搭載されたインバータ制御モジュール又はシーケンス制御モジュール側に伝達されるのを防止できる。従って、発熱の大きなインバータ装置部分と、高温を嫌うCPU素子とをコンパクトな構造の箱体状の容器内に収納できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0021】
図1は、本発明の一実施の形態のパワー制御モジュールに、外付けのコンデンサを取り付けた状態を示す。図2(a)はその上面図であり、図2(b)はその側面図である。これは、インバータ装置自体であると共に、可変周波数・電圧を形成するインバータの制御装置及びインバータが供給する電力により可変速運転する回転機械を含むシステムの運転を制御する制御装置とを兼ねたものである。
【0022】
この制御装置10は、箱体状の容器11内に以下に述べる各モジュールが収納されており、全体としてモールド樹脂により封止されている。箱体状の容器11の寸法は、弁当箱程度の大きさであり、きわめて小型コンパクト化した構造となっている。箱体状の容器11の下端面は、銅板21で構成されており、パワーモジュールで生じる熱を外部に伝熱するようになっている。
【0023】
この制御装置10内には、インバータ装置を構成するコンバータ部の電力素子と、インバータ部の電力素子と、その保護回路等を搭載したパワーモジュールが収納されている。又、上述したようにコンデンサ12は外付けであり、このコンデンサとパワーモジュールとを組合せて回転機械の可変速運転に必要な可変周波数/可変電圧の電力が回転機械に供給される。
【0024】
又、制御装置10内には、インバータ部の電力素子のスイッチングを駆動するドライバ回路、CPU素子、メモリ素子、補助電源回路等を搭載したインバータ制御モジュールが収納されている。又、インバータ装置が供給する電力により可変速運転する回転機械を含むシステムの運転を制御するCPU素子を搭載したシステム制御モジュールもこの制御装置10内に収納されている。そしてインバータ制御モジュールとシーケンス制御モジュールとはそれらの端子が電気的に接続され、CPU素子間で相互に信号を伝達できるようになっている。
【0025】
箱体状の容器11の上端面には、各種の端子及びコネクタが配置されている。端子15は、三相商用交流電源線(R,S,T)を接続する端子であり、端子16はインバータ出力電力を供給するU,V,W相の端子であり、モータポンプ等の各種の回転機械に接続される。端子17は、コンデンサの接続端子であり、コンデンサ12を搭載した外付けの基板13に接続される。コネクタ18は、例えばRS485等の通信用のコネクタであり、中央監視装置等からの通信回線に接続され、外部との信号の授受ができるようになっている。又、コネクタ19は、各種デジタル信号の入出力線及びアナログ信号の入出力線が接続される。デジタル信号入力Diは、例えばシステムの運転/停止指令であり、デジタル信号出力Doは、例えば警報の出力指令である。又、アナログ信号入力Aiは、例えばセンサの出力信号であり、アナログ信号出力Aoは、例えばインバータ周波数の出力信号である。
【0026】
図3は、制御装置の内部構造の一例を示す図である。箱体状の容器11の下端面は銅板21であり、この銅板にインバータ装置のコンバータ部を構成する大電力のダイオード素子23及びインバータ部を構成するIGBT、パワートランジスタ等の電力素子24が固定されたセラミック基板22が配設されている。又、IGBT等の電力素子が配置された部分にはサーミスタ素子25が配置され、電力素子の温度上昇を検出できるようになっている。これらの電力素子21,23からは熱放散が大であるが、セラミック基板22及び銅板21をとおして良好に放熱することができる。尚、銅板21は例えば可変速給水ポンプシステムの給水する水を利用して冷却できるように、可変速給水ポンプシステム内の例えばポンプケーシングに制御装置10を配置することもできる。
【0027】
箱体状の容器11の中段には、インバータ制御モジュールを搭載した印刷配線基板27が配置され、ここにはインバータ制御のCPU素子28等の各種の素子が搭載されている。ここには図示していないが、ドライバ回路、E2PROM、RAM等のメモリ素子、各種チップに+5V、+24V、±15V等の電源を供給する補助電源回路、保護回路等が搭載されている。これらの各種の制御用素子が搭載された基板27と、下側の電力素子が搭載された基板22とは、中継端子29により接続され、相互に信号が伝達されるようになっている。
【0028】
箱体状の容器11内部の上段には、可変速給水ポンプシステム等を運転制御するCPU素子等のシーケンス制御モジュールを配置した基板30が搭載されている。この基板30にはCPU素子31の他に、E2PROM、RAM等のメモリ素子、通信用素子、時計用素子等の各種の制御用チップが搭載されている。この基板30はピン32により下側の基板27に対して支持されていると共に、配線ケーブルを用いて相互に信号が伝達するように接続されている。
【0029】
各モジュールを封止する樹脂は少なくとも2種類A,Bが用いられている。熱放散の大きいパワーモジュールを封止する樹脂Aは、熱伝導率が比較的低いシリコン樹脂が用いられている。この樹脂Aの部分を図中にハッチングで示す。その上側の基板27,30は、耐湿性の良好な例えばエポキシ等の樹脂Bが用いられて封止されている。これにより、電力素子が銅板に固着されるので放熱を効率的に行なえると共に、パワーモジュールを封止する樹脂Aは、熱伝導率が比較的低く、熱を伝えにくいので、パワーモジュールによる熱がCPU素子が搭載されたインバータ制御モジュール又はシーケンス制御モジュール側に伝達されるのを防止できる。従って、発熱の大きなインバータ装置部分と、高温を嫌うCPU素子とをコンパクトな構造の箱体状の容器内に共存して収納できる。
【0030】
尚、上記実施の形態においては、シーケンス制御モジュールを箱状体の容器内にモールド樹脂で封止した例について述べたが、シーケンス制御モジュールを容器外部に、容器に設けたコネクタを介して脱着可能に装着するようにしてもよい。これにより設置現場でシーケンス制御モジュールのプログラムの変更が可能となり、パワー制御モジュールの利便性が向上する。又、上記実施の形態においては、箱状体の容器内をモールド樹脂で封止する例について述べたが、結露等の問題を生じない用途については、モールド樹脂による封止は、必ずしも必要ではない。封止の形態は、用途に応じて最適なものに適宜変更すべきである。
【0031】
図4は、制御装置の回路ブロックの構成を示す。図中に示すパワーモジュールには、ダイオード23及びIGBT等の電力素子24が搭載されていることは上述したとおりである。ここでコンデンサは外付けであり、その接続端子が制御装置の箱体状の容器の上端部に配置されている。保護回路37としては、過電流の検出回路、過電圧の検出回路、サーミスタによる電力素子温度の過上昇の検出回路等である。これらの信号は、インバータ制御モジュールのインバータ制御用CPU素子28に伝達される。又、インバータ制御モジュールにはドライバ回路40を備え、IGBT等の電力素子26のベース(ゲート)端子にそれぞれのパルス幅変調信号等の駆動電流を供給するようになっている。
【0032】
又、インバータ制御モジュールには補助電源回路41を備え、これはCPU素子の電源のための+5V、インタフェース用の+24V、アナログ信号の入出力用の±15V等の直流電圧を供給できる電源が備えられている。これは、インバータ装置の直流電圧をDC−DCコンバータにより、これらの各種の直流電圧を有する電源を形成している。この補助電源から、他のモジュールである例えば可変速給水装置等のシステムの運転制御用のCPU素子31に電源が供給される。またこの電源は、シーケンス制御モジュールに配置されたE2PROM42、RAM43、時計用チップ44、RS485等の通信制御用チップ45等の各種チップにも同様に供給される。RS485等の通信用素子45は、CPU素子31と外部のコネクタ18に接続され、通信回線を通して離れた場所にある中央制御装置等との信号の授受が可能となっている。又、時計用素子には電池端子46を備え、外部に電池を接続することで停電時にもバックアップが可能となっている。
【0033】
次にインバータ制御用CPU素子28と、シーケンス制御用CPU素子31の制御内容について説明する。インバータ制御用CPU素子28は、インバータ装置の出力周波数及び電圧の指令を受けて、その出力周波数及び電圧となるように、ドライバ回路40にインバータ部の電力素子36のスイッチングの指令信号を出力する。この出力周波数及び電圧の形成は、例えばパルス幅変調(PWM)信号が用いられており、入力された指令から出力パルス数を演算することで、任意の出力周波数及び電圧が形成される。この他にインバータ制御用CPU素子28は、ポンプ起動時の緩やかな立上りを実現するソフトスタート機能及びポンプ停止時の緩やかな立下りを実現するソフトストップ機能等のインバータの制御動作に固有のプログラムを備えている。勿論、ポンプの発停等に伴う信号を受けて、インバータ出力の発停を行う等の基本的なプログラムを備えている。
【0034】
これらのプログラムは、通常アセンブラ言語で記述されており、CPU素子28に内蔵されたROMに収納されている。しかしながら、メモリをE2PROM等の電気的に書換え可能なものにして、設置現場の状況に対応してプログラムの内容を書換え、これで、直流ブラシレスモータ及び静止型インバータ装置等のその他の駆動形式にも対応が可能である。
【0035】
シーケンス制御用CPU素子31は、インバータが供給する交流電力を受けて動作する回転機械を含むシステムの全体的な制御動作を行う。例えば、可変速モータポンプを含む給水システムの制御動作を行うもので、給水水圧を一定に保持するポンプ吐出圧力一定制御、水道管需要末端での給水水圧を一定に保持する末端圧力一定制御、ポンプの負荷に応じた運転台数の制御、異常時の警報の発令及び緊急停止等の保護動作等を行う。
【0036】
これらの制御動作は、メモリに記憶されたプログラムで行われるが、プログラムは大別してシステムプログラムとアプリケーションプログラムとから構成されており、シーケンス制御用CPU素子31には内蔵されたメモリ(ROM)にシステムプログラムを備えている。このシステムプログラムは、アプリケーションプログラムに記述された言語でCPUを動作させるプログラムであり、例えば四則演算のルーチン、論理演算のルーチン、PID(比例積分微分)制御動作のルーチン等から構成されている。アプリケーションプログラムは、例えばラダー言語等の簡易言語を用いて制御動作をシーケンスとして簡単に記述できるようになっており、例えばポンプ給水システムの制御動作が記述されている。従って、ポンプ給水システム等においては、このCPU素子31とE2PROM42のアプリケーションプログラムにより、上述のポンプ吐出圧力一定制御等のすべての制御動作が実行可能である。
【0037】
この簡易言語によるアプリケーションプログラムの記述は、アセンブラ言語によるプログラムと比較して作成が極めて容易であり、短時間で各種の制御動作を記述することが可能である。又、パソコンを用いたエミュレーションが可能であり、システムのデバッグが容易である。アプリケーションプログラムは、電気的に書換え可能なE2PROM42に収納しておくことが好ましい。例えばポンプ給水システムにおいては、設置現場により、運転条件が千差万別であり、それぞれの現場に応じた最適の制御内容にプログラムを書換える必要があるからである。尚、この書換えは、通信回線を介して、外部から実行可能とすることもできるが、シーケンス制御モジュールを箱状体の容器内に脱着可能に装着することで、設置現場でパソコンを用いて容易にプログラムの変更を行うことができる。
【0038】
尚、上記実施の形態においては、インバータ装置の電力素子を搭載したパワーモジュールと、インバータ制御モジュールと、シーケンス制御モジュールとをそれぞれ独立した基板に搭載した例について説明したが、これらは、同一の基板に搭載するようにしても勿論よい。電気的に書換え可能なメモリについてもE2PROMの例について説明したが、他の形式のものでもよい。又、制御装置の制御対象としてインバータ装置による可変速ポンプを用いた給水システムの例について説明したが、本発明の趣旨はこれらに限定されるものでなく、三相誘導モータに限らず、DCブラシレスモータ等の可変速装置により運転制御される回転機械と、これらの回転機械を運転制御する制御装置にも広く適用可能である。又、回転機械を対象としない例えば交流/直流変換等の静止型インバータ装置を用いたシステムにも適用可能である。
【0039】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、コンデンサを除くインバータ装置自体と、インバータ装置を動作させるための制御装置と、回転機械等を含むシステムの運転制御装置とが、箱体状の超小型の容器内に封止されて提供される。そして、この制御装置は例えばモールド樹脂により封止されているので、可変速給水装置等の水を扱うシステムのポンプケーシングに直接固定して使用しても、結露等の問題を生じない。又、シーケンス制御モジュールは、システムプログラムを搭載しているので、システムの運転を制御するアプリケーションプログラムを容易に製作することが可能である。これにより、千差万別の設置現場に対応可能なアプリケーションプログラムを短期間に構築することができ、又、運転条件の変更等にも柔軟に対応が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の制御装置の斜視図である。
【図2】図1の(a)平面図であり、(b)側面図である。
【図3】図1の要部の断面を示す図である。
【図4】図1の制御装置の回路ブロックの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
10 制御装置
11 箱体状の容器
12 コンデンサ
15,16,17 端子
18,19 コネクタ
21 セラミクス基板(パワーモジュール)
23 整流素子(ダイオード)
24 電力素子(IGBT)
27 基板(インバータ制御モジュール)
28,31 CPU素子
30 基板(シーケンス制御モジュール)
40 ドライバ回路
41 補助電源回路
42,43 メモリ
44 時計用素子
45 通信制御素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power control module suitable for operation control of a system including a variable-speed rotating machine such as a pump and a fan, and more particularly to an inverter device for controlling an operating speed of a rotating machine and a CPU for controlling the inverter device. The present invention relates to a power control module including an inverter control module equipped with elements and a sequence control module equipped with a CPU element that controls the operation of a system including a rotating machine or the like that operates at a variable speed by power supplied from an inverter device.
[0002]
[Prior art]
By using an inverter device that converts the frequency and voltage of a commercial AC power supply into an arbitrary frequency and voltage for a rotating machine such as a pump and a fan, it is widely performed to operate the rotating machine such as a pump and a fan at a variable speed. I have. Inverter devices can change the operating speed of the motor that drives the pumps and fans arbitrarily, so operating at the optimum operating speed corresponding to the load of the pumps and fans, etc., compared to operating at the rated speed Energy saving can be achieved.
[0003]
In addition, in various water supply devices, a pressure sensor is attached to the pump discharge side, and an operation speed signal is sent from the PI control unit to the inverter device so that the detected pressure signal matches the set pressure value. 2. Description of the Related Art A constant discharge pressure control operation for controlling an operation speed and keeping a discharge pressure of a pump constant has been performed. Further, an estimated terminal pressure constant control operation for controlling the supply water pressure at the end customer to be constant by performing an appropriate change of the pump discharge target pressure sequentially from the flow rate sensor or the operation speed is performed.
[0004]
In an air conditioner or the like, a temperature sensor is attached to the fan discharge side, and the operation speed of the fan is controlled by an inverter device from the PI control unit so that the temperature of air blown by the fan matches a predetermined temperature set value. It is known to perform a constant temperature control operation.
[0005]
When a variable speed pump or a variable speed fan having such an inverter device is incorporated in a water supply device or an air conditioner, various operation controls are required. For example, when used for a water supply device, the start / stop control of the variable speed pump is performed based on an operation / stop command from a control station located away from the pump. It is also necessary to display these operating conditions. In the case of automatic operation that keeps the discharge pressure constant, the signal of the pressure sensor provided at the pump discharge port is taken into the control device in the water supply device, and the rotation speed is controlled at a variable speed so that the discharge pressure is kept constant. There is a need to. Furthermore, when the amount of water supply, which is the load of the pump, becomes extremely small, the pump operates in a shut-off state, so water is accumulated in the pressure tank provided on the discharge port side of the pump, and the pump is stopped. It is also necessary to perform operation control such as performing.
[0006]
Therefore, when a variable speed pump provided with an inverter device is also incorporated in a water supply device and used, an operation control device as a water supply device is required, and the operation control device generally uses a CPU and a memory.
[0007]
An inverter device generally includes a converter unit including a rectifier circuit such as a diode module that rectifies AC power such as a commercial AC power supply, a capacitor unit that smoothes rectified AC power and stores the DC power as DC power, and a capacitor. And an inverter for inversely converting the DC power stored in the unit into AC power having a predetermined frequency and voltage. Generally, the converter unit includes an inrush current prevention circuit including a rush current prevention resistor, a magnet switch, or a thyristor. Further, the inverter unit is composed of a power element such as a power transistor and an IGBT. A driver circuit for driving the power element, a control circuit including a CPU and a memory for outputting an open / close signal of the power element to the driver circuit, a control power supply circuit for supplying a DC power supply such as +5 V to the control circuit, A protection circuit or the like for protecting the power element or the like from overvoltage or overcurrent is also required as a peripheral accessory circuit.
[0008]
By the way, a semiconductor manufacturer sells a power module for an inverter in which a power element of a converter section and an inverter section, a driver circuit of the inverter section, and a protection circuit related to the power element are housed in one package. Here, the protection circuit is, for example, a thermistor element that detects an excessive rise in the temperature of the power element. By connecting a capacitor to the power module and combining a driver circuit with a control circuit including a CPU and a memory for outputting an open / close signal of the power element of the inverter unit, the power module for the inverter can be operated. it can.
[0009]
The control circuit can form an AC power output of an arbitrary frequency and voltage in the inverter device by outputting, for example, a pulse width modulation (PWM) signal. In addition, a circuit board on which these control circuits are mounted is generally housed in a housing as a separate substrate from the inverter device. Cooling.
[0010]
In general, the housing is provided with an operation indicator so that the operating frequency and various alarms can be displayed. Further, an interface circuit to the outside of the housing is provided, so that an operation signal of the inverter device or an alarm signal when the protection circuit detects an abnormal state can be output from the outside. Such a conventional inverter device and its control device purchase various circuit components described above, arrange them on a plurality of circuit boards, and connect these with various connectors and the like.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional inverter device and its control device, the above-described various components are arranged on a plurality of circuit boards, housed in a housing, and wired and connected by a connector or the like. In other words, it takes a lot of man-hours to assemble, wire, etc., the overall size of the inverter device cannot be reduced, and various components are packaged by molding resin sealing or the like, and these components are mounted on a circuit board. Since it is housed in the housing, the overall size is increased, and the cost for an extra package is also required, so that the manufacturing cost is increased as a whole.
[0012]
Further, as described above, since the control circuit of the inverter device is constituted by electronic components such as a CPU and a memory as the control device, if the inverter device is directly mounted on a casing of the pump, for example, the inverter device is cooled by a liquid handled by the pump and becomes There is a possibility that dew may condense on the connection portion of the device, and therefore, measures to prevent dew condensation, such as preventing moisture from entering or preventing cooling, are required. For this reason, the control device arranged in the housing must be placed in a different place from the pump and the like, and there is a problem that the size of the system is increased.
[0013]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can be used in a wide range of environments without causing problems such as dew condensation and the like, and can be used in an inverter device and its control device, and supplied by the inverter device. It is an object of the present invention to provide a control device for a rotating machine that can easily create a program for controlling the operation of a system including a rotating machine that operates at a variable speed with electric power.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
One embodiment of the present invention provides:A power control module for supplying variable frequency power to the feedwater pump system,A power module equipped with a power element of a converter section and a power element of an inverter section,A sequence control module equipped with a CPU element for controlling the operation of the feedwater pump system,An inverter control module equipped with a CPU element is housed in a box-shaped container, the box-shaped container includes a copper plate on the bottom, the power module is fixed to the copper plate, and theSequence control module andAn inverter control module is mounted, and the power module andSequence control module andEach inverter control moduleDifferent kindsThe resin that is sealed with a resin and seals the power module has a low thermal conductivity,Sequence control module andA resin that seals the inverter control module is a power control module that has good moisture resistance..
[0015]
Accordingly, since the power device constituting the inverter device itself except for at least the capacitor and the control module including the CPU device for operating the inverter device are sealed in a box-shaped container, The structure can be made compact. In addition, this control device can be used in a system that handles water such as a variable speed water supply device by sealing hermetically with mold resin or the like, or under severe operating environment conditions such as fixing directly to a pump casing. It is possible to operate stably without problems such as dew condensation. Further, since the sequence control module has a system program, it is possible to easily produce an application program for controlling the operation of the system. As a result, for example, the operation control of the system including the variable speed water supply pump and the like and the control of the inverter can be performed without contradiction, and an application program that can respond to various installation sites can be constructed in a short time. Further, it is possible to flexibly cope with a change in the operating conditions and the like.
[0016]
Also,The present inventionOther aspects ofIn the inverter control module, in addition to the CPU element, a driver circuit, a protection circuit, an auxiliary power supply, and an electrically rewritable memory element are mounted..Thus, the power element of the inverter unit of the inverter device can be switched by the driver circuit, and the power element can be protected from overcurrent, overvoltage, abnormal temperature rise, and the like by the protection circuit. Also, various power supply voltages such as +5 V, +24 V, ± 15 V, etc. can be supplied to various semiconductor chips by the auxiliary power supply, thereby performing various control operations. Also, by providing an electrically rewritable memory element, the control of the inverter unit can be changed from, for example, a three-phase induction motor to a DC brushless motor or a stationary inverter device, thereby increasing the flexibility of the system. Can increase.
[0017]
Also,The present inventionOther aspects ofIn the sequence control module, in addition to the CPU element, a memory element, a communication element, and a clock element are mounted..As a result, E as a communication element and a memory element2By using an electrically rewritable device such as a PROM, the contents of the program can be rewritten from outside. Therefore, the operation control program of the system can be easily changed. In particular, by mounting the sequence control module detachably on the box-shaped container, debugging at the installation site becomes possible, and changing operation conditions, etc. Swift response is possible. In addition, by mounting a clock element, various timings that are the basis of operation control can be easily formed.
[0019]
Thereby, the power element is fixed to the copper plate, so that heat can be efficiently radiated. Further, since the resin for sealing the power module has a relatively low thermal conductivity, it is possible to prevent heat from the power module from being transmitted to the inverter control module or the sequence control module on which the CPU element is mounted. Therefore, the inverter device generating a large amount of heat and the CPU element that dislikes high temperature can be housed in a box-shaped container having a compact structure.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 shows a state in which an external capacitor is attached to a power control module according to an embodiment of the present invention. FIG. 2A is a top view thereof, and FIG. 2B is a side view thereof. This is not only the inverter device itself, but also serves as a control device for the inverter that forms a variable frequency and a voltage and a control device for controlling the operation of a system including a rotating machine that operates at a variable speed with the power supplied by the inverter. is there.
[0022]
In the
[0023]
In the
[0024]
Further, the
[0025]
Various terminals and connectors are arranged on the upper end surface of the box-shaped container 11.
[0026]
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the internal structure of the control device. The lower end surface of the box-shaped container 11 is a
[0027]
A printed
[0028]
A
[0029]
At least two types of resins A and B are used for sealing each module. Silicon resin having a relatively low thermal conductivity is used as the resin A for sealing the power module that dissipates a large amount of heat. This portion of the resin A is indicated by hatching in the figure. The
[0030]
In the above-described embodiment, the example in which the sequence control module is sealed in the box-shaped container with the mold resin has been described. However, the sequence control module can be detached to the outside of the container via a connector provided in the container. It may be attached to. Thereby, the program of the sequence control module can be changed at the installation site, and the convenience of the power control module is improved. Further, in the above-described embodiment, the example in which the inside of the box-shaped body is sealed with the mold resin is described. However, for applications that do not cause a problem such as dew condensation, the sealing with the mold resin is not necessarily required. . The form of the sealing should be appropriately changed to an optimum one according to the application.
[0031]
FIG. 4 shows a configuration of a circuit block of the control device. As described above, the power module shown in the figure is provided with the
[0032]
Further, the inverter control module includes an auxiliary
[0033]
Next, control contents of the inverter
[0034]
These programs are usually described in assembler language, and are stored in a ROM built in the
[0035]
The sequence
[0036]
These control operations are performed by a program stored in a memory. The program is roughly divided into a system program and an application program, and the system is stored in a memory (ROM) built in the sequence
[0037]
The description of the application program in the simple language is extremely easy to create as compared with the program in the assembler language, and various control operations can be described in a short time. In addition, emulation using a personal computer is possible, and debugging of the system is easy. The application program is an electrically rewritable E2It is preferable to store it in the
[0038]
In the above-described embodiment, an example is described in which the power module mounted with the power element of the inverter device, the inverter control module, and the sequence control module are mounted on independent boards, respectively. Needless to say, it may be mounted on a computer. E for electrically rewritable memory2Although the example of the PROM has been described, another type may be used. Also, an example of a water supply system using a variable speed pump by an inverter as a control target of the control device has been described. However, the gist of the present invention is not limited to these, and is not limited to a three-phase induction motor, and may be a DC brushless motor. The present invention can be widely applied to rotating machines whose operation is controlled by a variable speed device such as a motor, and a control device which controls the operation of these rotating machines. Further, the present invention can be applied to a system using a stationary inverter device such as an AC / DC converter that is not intended for a rotating machine.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the inverter device itself, excluding the capacitor, the control device for operating the inverter device, and the operation control device of the system including the rotating machine and the like are box-shaped ultra-small. And provided in a sealed container. And since this control device is sealed with a mold resin, for example, even if it is directly fixed to the pump casing of a water handling system such as a variable speed water supply device, there is no problem such as dew condensation. Further, since the sequence control module has a system program, it is possible to easily produce an application program for controlling the operation of the system. As a result, an application program that can respond to various installation sites can be constructed in a short period of time, and it is possible to flexibly respond to changes in operating conditions and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a control device according to an embodiment of the present invention.
2A is a plan view and FIG. 1B is a side view of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a cross section of a main part of FIG. 1;
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a circuit block of the control device in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
10 Control device
11 Box-shaped container
12 Capacitor
15, 16, 17 terminals
18, 19 Connector
21 Ceramics substrate (power module)
23 Rectifier (diode)
24 Power element (IGBT)
27 Board (Inverter control module)
28, 31 CPU element
30 substrates (sequence control module)
40 Driver circuit
41 Auxiliary power supply circuit
42, 43 memory
44 Watch element
45 Communication control element
Claims (4)
コンバータ部の電力素子とインバータ部の電力素子とを搭載したパワーモジュールと、前記給水ポンプシステムを運転制御するCPU素子を搭載したシーケンス制御モジュールと、CPU素子を搭載したインバータ制御モジュールとが箱体状の容器に収容され、
前記箱体状の容器は底部に銅板を備え、前記パワーモジュールが該銅板に固設され、その上部に前記シーケンス制御モジュールとインバータ制御モジュールが搭載され、
前記パワーモジュールおよびシーケンス制御モジュールとインバータ制御モジュールはそれぞれ異なる種類の樹脂で封止され、前記パワーモジュールを封止する樹脂は、熱伝導率が低いものであり、前記シーケンス制御モジュールとインバータ制御モジュールを封止する樹脂は耐湿性が良好なものであることを特徴とするパワー制御モジュール。 A power control module for supplying variable frequency power to the feedwater pump system,
A power module equipped with a power element of a converter unit and a power element of an inverter unit, a sequence control module equipped with a CPU element for controlling the operation of the feedwater pump system, and an inverter control module equipped with a CPU element are box-shaped. Housed in a container,
The box-shaped container is provided with a copper plate at the bottom, the power module is fixed to the copper plate, and the sequence control module and the inverter control module are mounted thereon,
The power module and the sequence control module and the inverter control module are respectively sealed with different types of resins, the resin sealing the power module has a low thermal conductivity, and the sequence control module and the inverter control module are A power control module characterized in that the resin to be sealed has good moisture resistance.
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