JP2006067690A - 電力変換器用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保全作業者の労力を増大させることがなく、パワースイッチング素子の交換作業を可能にする電力変換器用制御装置の提供。
【解決手段】上記目的は、電力変換器に用いられるパワースイッチング素子のパワーサイクルによる残存寿命を推定する残存寿命推定手段１１と、該残存寿命推定手段１１により推定した寿命に至る前にパワースイッチング素子の交換を指示する信号を出力する診断結果出力手段１５と、電力変換器の負荷パターンを記憶して所定期間の負荷パターンの移動平均値を求める負荷パターン記憶手段１２と、将来の負荷パターンを移動平均値としてパワースイッチング素子の故障に至る時期を推定して交換時期を設定する交換時期設定手段１３と、該交換時期設定手段１３からの情報により電力変換器の出力を制限する指令を出力する出力制限設定手段１４を備えた電力変換器用制御装置によって、達成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワースイッチング素子を用いた電力変換器を制御する電力変換器用制御装置に係り、パワースイッチング素子が破壊する前に、パワースイッチング素子を新品に交換させることを可能にする電力変換器用制御装置に関するものである。

従来の電力変換器２０としては、図６に示すように、整流回路２１と平滑回路２２とインバータ回路２３とからなっていると共に、そのインバータ回路２３をパワートランジスタ、ＩＧＢＴなどのパワースイッチング素子２４で構成するようにしたものが知られている。そして、この電力変換器２０は、交流入力電源２５から入力した商用三相交流を、整流回路２１と平滑回路２２によって直流電力に変換し、その直流電力をインバータ回路２３のパワースイッチング素子２４のスイッチングによって三相の所定周波数の交流に変換させるように動作する。したがって、電力変換器２０のインバータ回路２３からの交流電力を電動機２６に印加すると、その電動機２６は、インバータ回路２３からの交流電力の周波数に応じた回転速度で駆動させられる。

ところが、パワースイッチング素子２４からなるインバータ回路２３を含むところの電力変換器２０にあっては、その電力変換器２０運転時にパワースイッチング素子２４が発熱してチップのジャンクション温度が上昇し、かつ、その運転が停止した時にパワースイッチング素子２４の発熱が止まってチップのジャンクション温度が低下する。そのため、電力変換器２０の運転停止が繰り返されると、パワースイッチング素子２４のチップ部分が熱膨張と熱収縮を繰り返すことになるので、熱膨張係数の異なるボンディングワイヤーとチップ部分との間に熱膨張応力が加わることとなり、徐々にボンディングワイヤーがチップ部分から剥離して、最終的にはボンディングワイヤーがチップ部分から完全に剥離したオープン状態、すなわち、パワースイッチング素子２４の不良あるいは破壊の状態に至る。

上記ボンディングワイヤーが、熱膨張応力により、チップ部分から完全に剥離して、パワースイッチング素子２４の不良あるいは破壊の状態に至るまでの、熱膨張と熱収縮のサイクル数を、一般にパワーサイクル数Ｃｐと呼ばれ、このパワーサイクル数Ｃｐとチップのジャンクション温度差△Ｔｊとは、図７に示す関係を有している。図７によれば、ジャンクション温度差△Ｔｊが大きいほど、パワーサイクル数Ｃｐが小さくなる、すなわち、パワースイッチング素子２４の不良あるいは破壊の状態に至るまでの寿命が短くなり、かつ、ジャンクション温度差△Ｔｊが小さいほど、パワーサイクル数Ｃｐが大きくなる、すなわち、パワースイッチング素子２４の不良あるいは破壊の状態に至るまでの寿命が長くなることが判る。

そこで、パワースイッチング素子のジャンクション温度差とパワーサイクル数との関係を用いて、パワースイッチング素子を用いた装置の運転回数を計測し、所定の温度差に対する基準回数を超えた際に、保護指示信号を出力することで、パワースイッチング素子の破壊前に、パワースイッチング素子を用いた装置の運転を停止することにより、パワースイッチング素子の不良あるいは破壊を防止するようにしたパワースイッチング素子の寿命監視装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、パワースイッチング素子のジャンクション温度差を、パワースイッチング素子を用いている装置の運転毎に求め、それら温度差に応じて基準温度差に対し重み付けを行い積算した積算サイクル数と動作可能サイクル数と比較して、積算サイクル数が動作可能サイクル数を上回る場合には、故障が近いと判定して警告等の表示を行うようにしたパワースイッチング素子の故障予測方法が開発されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平０８−５１７６８号公報（段落番号０００８〜段落番号００１４、図１） 特開平１０−３８９６０号公報（段落番号００４２〜段落番号００５０、図８）

しかしながら、上記特開平０８−５１７６８号公報のパワースイッチング素子の寿命監視装置及び上記特開平１０−３８９６０号公報のパワースイッチング素子の故障予測方法によれば、パワースイッチング素子を用いた電力変換器及びその電力変換器を用いたエレベーターなどの運転システムの定期保全実施日とは関係なく、パワースイッチング素子の寿命が近づくと、突然、電力変換器の運転を停止させてしまうために、パワースイッチング素子を新品に交換するための非定期保全業務を、電力変換器及びその電力変換器を用いたエレベーターなどの運転システムの通常の定期保全業務を実施する日とは別の日に実施しなければならない。

そのために、通常の定期保全業務を実施する定期保全実施日以外の日に、パワースイッチング素子を交換するという非定期保全業務が、飛び込み業務として行わなければならず、電力変換器を用いたエレベーターなどの運転システムが不稼動となって顧客に迷惑を掛けてしまうと共に、通常の定期保全業務を実施する定期保全実施日以外の日にパワースイッチング素子の交換作業を行うことになるので、保全作業者の労力が増大してしまうという問題があった。

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、
パワースイッチング素子を用いた電力変換器を組み込んだエレベーターなどの運転システムの不稼動時間を増大させることなく、かつ、保全作業者の労力を増大させることがなく、パワースイッチング素子の交換作業を行うことを可能にする電力変換器用制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、電力変換器に用いられるパワースイッチング素子のパワーサイクルによる残存寿命を推定する残存寿命推定手段と、この残存寿命推定手段により推定した寿命に至る前にパワースイッチング素子の交換を指示する信号を出力する診断結果出力手段とを少なくとも備えた電力変換器用制御装置において、前記電力変換器の負荷パターンを記憶して所定期間の負荷パターンの移動平均値を求める負荷パターン記憶手段と、将来の負荷パターンを移動平均値としてパワースイッチング素子の故障に至る時期を推定して交換時期を設定する交換時期設定手段と、この交換時期設定手段からの情報により前記電力変換器の出力を制限する指令を出力する出力制限設定手段とを備えたことを特徴としている。

さらに、前記交換時期設定手段によって、予想される故障発生日と保全日とを基に、交換日を設定するようにしたことを特徴とする。また、出力制限設定手段によって、前記交換時期設定手段で設定した交換時期を過ぎても、交換完了の入力がない場合、残存寿命に応じて電力変換器の出力を制限して運転を継続させるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、電力変換器を組み込んだエレベーターなどの運転システムの不稼動時間及び保全作業者の労力を増大させることがなく、パワースイッチング素子の交換作業を行うことを可能にした電力変換器用制御装置を提供できる。

以下、本発明の電力変換器用制御装置の一実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係わる電力変換器及びその電力変換器用制御装置の構成説明図、図２は、本発明の一実施形態に係わる電力変換器用制御装置によってパワースイッチング素子の残存寿命を推定する処理手順を示すフローチャート、図３は、本発明の一実施形態に係わる電力変換器用制御装置によってパワースイッチング素子の負荷パターンを記憶する処理手順を示すフローチャート、図４は、本発明の一実施形態に係わる電力変換器用制御装置によってパワースイッチング素子の交換時期を設定する処理手順を示すフローチャート、図５は、本発明の一実施形態に係わる電力変換器用制御装置によって出力制限を設定する処理手順を示すフローチャートである。

図１に示す電力変換器１は、整流回路２と平滑回路３とインバータ回路４とを備え、そのインバータ回路４がパワートランジスタ、ＩＧＢＴなどのパワースイッチング素子５で構成されている。この電力変換器１は、交流入力電源６から入力した商用三相交流を、整流回路２と平滑回路３によって直流電力に変換し、その直流電力をインバータ回路３のパワースイッチング素子５のスイッチングによって三相の所定周波数の交流に変換させるように動作する。したがって、電力変換器１のインバータ回路４からの交流電力を電動機７に印加すると、その電動機７は、インバータ回路４からの交流電力の周波数に応じた回転速度で駆動させられる。

電動機７の回転制御は、マイクロコンピューターで構成された制御装置８によって行われる。制御装置８からのスイッチング指令９が、電力変換器１のインバータ回路４のパワースイッチング素子５に入力されると、そのパワースイッチング素子５がスイッチング動作して、電動機７に電流が供給される。この電流を電流検出器１０で検出することにより、電流偏差を最小とするようにスイッチング指令９を制御することで、電動機７を円滑に制御するようにしている。

制御装置８には、電力変換器１に用いられるパワースイッチング素子５のパワーサイクルによる残存寿命を推定する残存寿命推定手段１１と、電力変換器１の負荷パターンを記憶して所定期間の負荷パターンの移動平均値を求める負荷パターン記憶手段１２と、将来の負荷パターンを移動平均値としてパワースイッチング素子５の故障に至る時期を推定して交換時期を設定する交換時期設定手段１３と、この交換時期設定手段１３からの情報により電力変換器１の出力を制限する指令を出力する出力制限設定手段１４と、残存寿命推定手段１１により推定した寿命に至る前にパワースイッチング素子５の交換を指示する信号を出力する診断結果出力手段１５とからなるところの、パワースイッチング素子５の最適交換を可能にする手段が内蔵されている。

交換時期設定手段１３は、予想される故障発生日と保全日とを基に、交換日を設定する機能を有している。出力制限設定手段１４は、交換時期設定手段１４で設定した交換時期を過ぎても、交換完了の入力がない場合、残存寿命に応じて電力変換器１の出力を制限して運転を継続させる機能を有している。

次に、制御装置８の残存寿命推定手段１１によるパワースイッチング素子の残存寿命Ｃｐ(ｓ)を推定する処理手順を、図２に基づき、説明する。

まず、図２のステップＳ１にて、電流検出器１０の検出値を基に、加速した時の最大電流Ｉｍａｘを読み出して記憶する。

次いで、図２のステップＳ１で読み出した最大電流Ｉｍａｘから、図示しない最大電流Ｉｍａｘ−△Ｔｊテーブルを参照することにより、図２のステップＳ２に示すように、ジャンクション温度差△Ｔｊを読み出す。

次いで、図２のステップＳ３に進んで、図７に示すようなパワースイッチング素子に関するパワーサイクル数とジャンクション温度差の特性図に基づき、図２のステップＳ２で読み出したジャンクション温度差△Ｔｊに対するパワーサイクル数Ｃｐを読み出す。

次いで、図２のステップＳ４に示すように、これまで蓄積された劣化の度合となる累積パワーサイクルΣＣｐ(n)を算出する。すなわち、前回までの累積パワーサイクルΣＣｐ(ｎ−1)に対して、今回の運転での劣化度合を加算することによって得られる。具体的には、前回までの累積パワーサイクルΣＣｐ(ｎ−1)に、基準パワーサイクルＣｐ＊に対する今回の運転でのパワーサイクルＣｐ(n)の比を加算することによって、累積パワーサイクルΣＣｐ(n)を算出する。

最後に、図２のステップＳ５に示すように、基準パワーサイクルＣｐ＊から累積パワーサイクルΣＣｐ(n)を減算することで、残存寿命Ｃｐ(ｓ)が求められる。

上記ステップＳ１からステップＳ５の処理手順によれば、前回までの累積パワーサイクルΣＣｐ(ｎ−1)に、基準パワーサイクルＣｐ＊に対する今回の運転でのパワーサイクルＣｐ(n)の比を加算することによって、累積パワーサイクルΣＣｐ(n)を算出するようにしたので、精度の高い、残存寿命Ｃｐ(ｓ)を求めることができる。なお、図２のステップＳ２において、最大電流Ｉｍａｘ−△Ｔｊテーブルを、パワースイッチング素子毎にメーカーから発行される技術資料を基に算出する、あるいは実側したケース（パワースイッチング素子５を取り付けた絶縁基板を保持するケース）の温度と熱抵抗を用いて設定するようにしてもよい。

次に、制御装置８の負荷パターン記憶手段１２による負荷パターンの移動平均値を求める処理手順を、図３に基づき、説明する。

まず、図３のステップＳ１１にて、所定期間（例えば、１ヶ月）の平均負荷ΔＴｊ(m)を算出して、その平均負荷ΔＴｊ(m)と運転回数Ｄｃ(m) を制御装置８に記憶させる。平均負荷ΔＴｊ(m)は、各運転のジャンクション温度差△Ｔｊの和ΣΔＴｊを運転回数Ｄｃ(m)で割算することによって、求められる。ここで、所定期間は、利用用途に応じて自由に設定可能である。

次いで、図３のステップＳ１２にて、所定期間（例えば、６ヶ月）の負荷の加重移動平均負荷値ΔＴｊｗを、算出して記憶する。具体的には、当月の平均負荷ΔＴｊ(m)に６の重み付けを、１ヶ月前の月の平均負荷ΔＴｊ(m−１)に５の重み付けを、２ヶ月前の月の平均負荷ΔＴｊ(m−２)に４の重み付けを、３ヶ月前の月の平均負荷ΔＴｊ(m−３)に３の重み付けを、４ヶ月前の月の平均負荷ΔＴｊ(m−４)に２の重み付けを、５ヶ月前の月の平均負荷ΔＴｊ(m−１)に１の重み付けを、それぞれ行ったものを、すべて加算して、その加算したものを所定期間で割算することによって、加重移動平均負荷値ΔＴｊｗを算出する。運転回数の加重移動平均回数値Dｃｗを、加重移動平均負荷値ΔＴｊｗの算出方法と同様に算出して、その加重移動平均負荷値ΔＴｊｗ及び加重移動平均回数値Dｃｗを制御装置８に記憶させる。

次に、制御装置８の交換時期設定手段１３による交換時期を設定する処理手順を、図４に基づき、説明する。

まず、図４のステップＳ２１に示すように、パワーサイクル特性を基に図３のステップＳ１２で求めた加重移動平均負荷値ΔＴｊｗから月平均パワーサイクルＣｐｗを設定する。

次いで、図４のステップＳ２２に示すように、例えば、１２ヶ月という第１の所定期間までに寿命に至らないか否かの判定を行う。すなわち、残存寿命Ｃｐ(ｓ)を基準に、将来の推定負荷（＝月平均パワーサイクルＣｐｗ）が、第１の所定期間まで継続使用可能かの判定を行う。図４のステップＳ２２にて継続使用可能と判定されれば、パワースイッチング素子５の交換が不要であって、「交換不要」と制御装置８の記憶部１６に記憶される。一方、図４のステップＳ２２にて継続使用不可と判定されれば、図４のステップＳ２３に進む。

図４のステップＳ２３では、例えば、６ヶ月という第２の所定期間までに寿命に至らないか否かの判定を行う。すなわち、残存寿命Ｃｐ(ｓ)を基準に、将来の推定負荷（＝月平均パワーサイクルＣｐｗ）が、第２の所定期間まで継続使用可能かの判定を行う。図４のステップＳ２３にて継続使用可能と判定されれば、パワースイッチング素子５を交換するための部品手配が必要であって、「部品手配要」と制御装置８の記憶部１６に記憶される。一方、図４のステップＳ２３にて継続使用不可と判定された場合には、図４のステップＳ２４に進む。
図４のステップＳ２４では、パワースイッチング素子５の交換時期が近いことから、部品交換済の入力があったか否かの判定を行う。図４のステップＳ２４で部品交換済の入力があったと判定されれば、図４のステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、残存寿命推定に使用する累積パワーサイクルΣＣｐ(n)を、リセットすることで、劣化度合を０に更新する。一方、図４のステップＳ２４で部品交換済の入力がなかったと判定されれば、図４のステップＳ２６に進む。

図４のステップＳ２６では、例えば、３ヶ月という第３の所定期間までに寿命に至らないか否かの判定を行う。すなわち、残存寿命Ｃｐ(ｓ)を基準に、将来の推定負荷（＝月平均パワーサイクルＣｐｗ）が、第３の所定期間まで継続使用可能かの判定を行う。図４のステップＳ２６にて継続使用可能と判定されれば、次回保全時にパワースイッチング素子５を交換することが必要であって、「次回保全時交換要」と制御装置８の記憶部１６に記憶される。図４のステップＳ２６にて継続使用不可と判定された場合には、図４のステップＳ２７に進む。

図４のステップＳ２７では、残存寿命Ｃｐ(ｓ)から故障発生日を推定する。具体的には、残存寿命Ｃｐ(ｓ)と月平均パワーサイクルＣｐｗから故障発生までの日数を求め、その日数から所定のマージン日数を引算することで、故障発生日を推定する。そして、図４のステップＳ２７で故障発生日を推定した後、図４のステップＳ２８に進む。

図４のステップＳ２８では、現在が推定した故障発生日以前か否かの判定を行う。そして、現在が推定した故障発生日以前である場合は、パワースイッチング素子５を即時交換することが必要であって、「即時交換」と制御装置８の記憶部１６に記憶される。また、現在が推定した故障発生日以前でない場合は、パワースイッチング素子５の故障の発生確率が高めるため、「出力制限運転要」と制御装置８の記憶部１６に記憶される。

上記交換時期を設定する処理手順において、第１の所定期間を１２ヶ月に、第２の所定期間を６ヶ月に、第３の所定期間を３ヶ月に、それぞれ設定したがこれに限定されるものではなく、これら３つの期間は、用途に応じ自由に設定できるものである。

次に、制御装置８の出力制限設定手段１４による出力制限を設定する処理手順を、図５に基づき、説明する。

まず、図５のステップＳ３１に示すように、出力制限運転要か否かを判定する。判定の結果、出力制限運転が必要でない場合には、処理が終了する。出力制限運転が必要の場合には、図５のステップＳ３２に進む。

図５のステップＳ３２では、運転継続日数を設定する。具体的には、延命化を図るため、ジャンクション温度差△Ｔｊに制限をかけて△Ｔｊlim以下で運転するもので、残存寿命Ｃｐ(ｓ)を制限後の△Ｔｊlimに相当するパワーサイクルＣｐｊlimと月平均パワーサイクルＣｐｗの比で延命し、この比と運転回数の加重移動平均回数値Dｃｗから、継続許可日数を算出する。

制御装置８の診断結果出力手段（交換指示出力手段）１５は、制御装置８の図示しない記憶部１６に記憶された「交換不要」、「部品手配要」、「次回保全時交換要」、「即時交換」などのデータを読み出して、そのデータを、図示しない保全装置に出力したり、図示しない遠隔監視センターなどに自動送信したりすると共に、「出力制限運転要」のデータを読み出した場合には、そのデータと一緒に図５のステップＳ３２で算出された「継続許可日数」を、図示しない保全装置に出力したり、図示しない遠隔監視センターなどに自動送信したりする。そして、制御装置８によって、診断結果出力手段（交換指示出力手段）１５から出力された「出力制限運転要」及び「継続許可日数」のデータに基づき、所定の制限運転を許可された運転継続日まで、電力変換器１の出力が制限され、電力変換器１を組み込んだ装置の運転が制御される。

以上のように本発明の一実施形態によれば、交換時期設定手段１３により、予想される故障発生日と保全日とを基に、「交換日」を設定することができるので、寿命を迎えるに至ったパワースイッチング素子５を、通常の定期保全実施予定日に交換するようにすることができる。したがって、パワースイッチング素子５のみを交換するための非定期保全業務を追加させることなく、通常の定期保全実施予定日の保全作業に組み込んで、パワースイッチング素子５の交換作業を行うことができるようになるので、電力変換器１を用いた装置及びその装置を組み込んだシステムの顧客に迷惑かけることが軽減されると共に、保全作業員の負担を増大させることがない。

さらに、出力制限設定手段１４により、交換時期設定手段１３で設定した「交換日」を過ぎても、交換完了の入力がない場合に、残存寿命に応じて電力変換器１の出力を制限して運転継続するようにしたので、万一、交換予定日までに、パワースイッチング素子５の交換が実施されなかった場合であっても、電力変換器１を用いた装置及びその装置を組み込んだシステムが突然に運転を停止してしまうことを阻止し、パワースイッチング素子５の余寿命の範囲で電力変換器１を用いた装置及びその装置を組み込んだシステムの運転を継続させ、その運転継続の期間中に、電力変換器１を用いた装置及びその装置を組み込んだシステムの保有者である顧客と、パワースイッチング素子５あるいはパワースイッチング素子５用いた電力変換器１を交換するための交換日の日程調整を、保守会社が行うことができる。

本発明の一実施形態に係わる電力変換器及びその電力変換器用制御装置の構成説明図である。 本発明の一実施形態に係わる電力変換器用制御装置によってパワースイッチング素子の残存寿命を推定する処理手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係わる電力変換器用制御装置によってパワースイッチング素子の負荷パターンを記憶する処理手順を示すフローチャート。 本発明の一実施形態に係わる電力変換器用制御装置によってパワースイッチング素子の交換時期を設定する処理手順を示すフローチャート。 本発明の一実施形態に係わる電力変換器用制御装置によって出力制限を設定する処理手順を示すフローチャートである。 従来のパワースイッチング素子を用いた電力変換器の要部構成説明図である。 従来のパワースイッチング素子に関するパワーサイクル数とジャンクション温度差の特性図である。

符号の説明

１ 電力変換器
２ 整流回路
３ 平滑回路
４ インバータ回路
５ パワースイッチング素子
６ 交流入力電源
７ 電動機
８ 制御装置
９ スイッチング指令
１０ 電流検出器
１１ 残存寿命推定手段
１２ 負荷パターン記憶手段
１３ 交換時期設定手段
１４ 出力制限設定手段
１５ 診断結果出力手段
１６ 記憶部

Claims (3)

1. 電力変換器に用いられるパワースイッチング素子のパワーサイクルによる残存寿命を推定する残存寿命推定手段と、この残存寿命推定手段により推定した寿命に至る前にパワースイッチング素子の交換を指示する信号を出力する診断結果出力手段とを、少なくとも備えた電力変換器用制御装置において、前記電力変換器の負荷パターンを記憶して所定期間の負荷パターンの移動平均値を求める負荷パターン記憶手段と、将来の負荷パターンを移動平均値としてパワースイッチング素子の故障に至る時期を推定して交換時期を設定する交換時期設定手段と、この交換時期設定手段からの情報により前記電力変換器の出力を制限する指令を出力する出力制限設定手段を備えたことを特徴とする電力変換器用制御装置。
2. 前記交換時期設定手段によって、予想される故障発生日と保全日とを基に、交換日を設定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換器用制御装置。
3. 前記出力制限設定手段によって、前記交換時期設定手段で設定した交換時期を過ぎても、交換完了の入力がない場合、残存寿命に応じて電力変換器の出力を制限して運転を継続させるようにしたことを特徴とする請求項２記載の電力変換器用制御装置。
   

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