JP2007043860A - 保護用ヒューズの寿命推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保護用ヒューズが実装される半導体電力変換装置の運転パターンの違いや運転状態の変化に拘わらず、ヒューズの寿命時期を的確に判定する。
【解決手段】ヒューズ損失算定部２０は、インバータ１０を試験運転したときの電圧、電流、周波数をパラメータとしてヒューズに流れる電流をテーブル２１で求め、この電流とヒューズ抵抗値からヒューズ損失を求める。ヒューズ温度推定部３０は、ヒューズ損失にヒューズ熱抵抗を乗じ、これに熱時定数の遅れを加味させてヒューズ温度推定値を求める。ヒューズ寿命推定部４０は、ヒューズ温度推定値の時系列変化から温度リップルの有無を判定し、この温度リップルが生じた回数をカウントし、このカウント値が設定回数に達したときにヒューズ交換時期（寿命）と推定する。
ヒューズ損失算定部は近似式でヒューズ損失を求めることも含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの半導体電力変換装置に実装され、許容電流を越えたときに溶断して半導体素子や負荷を保護するヒューズに係り、特にヒューズの寿命推定装置に関する。

図３は、インバータの主回路に実装される保護ヒューズの例を示す。交流電源１と整流器２の間には入力段交流ヒューズ３が介挿され、このヒューズ３はインバータ以降の短絡事故に際して電源側とインバータを切り離す。平滑用電解コンデンサ４には直列に過放電防止用直流ヒューズ５が介挿され、このヒューズ５はインバータ主回路のＩＧＢＴ故障等による直流短絡時に電解コンデンサが放電し被害が拡大するのを防止する。インバータ本体６の直流側には逆変換保護用直流ヒューズ７が介挿され、このヒューズ７はインバータ主回路のＩＧＢＴ故障や負荷８等の出力短絡による過放電時に電解コンデンサ以前の整流器とＩＧＢＴ以降のインバータ本体とを切り離す。

ヒューズは、設置箇所および使用目的に応じた選定を必要とし、装置の寿命期間中に誤溶断がなく、異常発生時に速やかに溶断して保護できることが要望される。しかし、ヒューズの寿命（劣化）は、一義的に定まるものでなく、ヒューズに流れる電流形態の違い（一定電流とパルス性電流の違い、周期的電流と間欠的電流の違い、ラッシュ電流の有無による違いなど）、および周囲温度の違いによって異なる。

このため、ヒューズの選定には、最悪の条件で寿命設計する方法が採られていたが、これでは過剰な設備構成になってしまう。そこで、適当な条件の下でヒューズを選定し、このヒューズの劣化診断装置を設けておく方法も提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２４８３９０号公報

ヒューズの寿命に大きく影響を及ぼす要因として、温度リップルによる劣化がある。例えば、前記のインバータに設けられるヒューズ３，４等には、ラッシュ電流が流れ、これにより発生するジュール熱が繰り返し発生すると、ヒューズエレメントや半田部が酸化劣化や膨張収縮による金属疲労で断線に至る。

この温度リップル現象を基にしたヒューズの寿命設計として、半導体電力変換装置に設けるヒューズについて、設計時に運転パターンを想定し、ヒューズの温度リップルを推定し、この温度リップル回数により期待寿命を計算する手法が考えられる。

しかしながら、インバータ等の半導体電力変換装置は使用用途が限定されて運転パターンが明確であるものと、汎用インバータのように運転パターンが限定できないものがある。そのため、最悪のパターンで寿命設計するしかない。ヒューズの寿命は温度リップルの回数で規定されるため、一定の負荷運転が連続する場合には寿命は問題にならない。

また、昇降機や電気自動車のように負荷がある間隔でＯＮ／ＯＦＦする用途では温度リップルが大きくなるとともに、回数も増加するため寿命は短くなる。しかし、アプリケーションによってパターンをモデル化して温度リップルを想定し、ヒューズの寿命を決めると、用途によっては過剰設計になってしまう。この場合、資源の無駄を生じ、かつ不要な交換時間を割いていることになる。

本発明の目的は、保護用ヒューズが実装される半導体電力変換装置の運転パターンの違いや運転状態の変化に拘わらず、ヒューズの寿命時期を的確に判定できる寿命推定装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、ヒューズに発生する電力損失を求め、この電力損失を基にヒューズの温度推定を行い、この推定温度のリップル回数を積算し、このリップル回数が規定回数に達した否かによりヒューズの交換時期を判定するようにしたもので、以下の装置を特徴とする。

（１）半導体電力変換装置に実装され、許容電流を越えた電流が流れたときに溶断して該装置を構成する半導体素子や負荷を保護するヒューズの寿命推定装置であって、
前記ヒューズに流れる電流を求め、この電流とヒューズ抵抗値からヒューズ損失を求めるヒューズ損失算定部と、
前記ヒューズ損失にヒューズ熱抵抗を乗じ、これに熱時定数の遅れを加味させてヒューズ温度推定値を求めるヒューズ温度推定部と、
前記ヒューズ温度推定値の時系列変化から温度リップルの有無を判定し、この温度リップルが生じた回数をカウントし、このカウント値が設定回数に達したときにヒューズ交換時期（寿命）と推定するヒューズ寿命推定部と、
前記ヒューズ交換時期が推定されたことを、人が認識できる情報として提示するヒューズ交換提示部とを備えたことを特徴とする。

（２）前記ヒューズ損失算定部は、前記電力変換装置を試験運転したときのヒューズ電流発生の要因となる該電力変換装置の電圧、電流、周波数をパラメータとしてヒューズに流れる電流を求めるヒューズ電流テーブルを備えたことを特徴とする。

（３）前記ヒューズ損失算定部は、前記電力変換装置の出力電圧と出力電流およびヒューズ抵抗値から、下記の近似式、
ヒューズ損失＝ヒューズ抵抗値×（係数×出力電圧×出力電流）
の演算でヒューズ損失を求めることを特徴とする。

（４）前記ヒューズ寿命推定部は、前記温度リップルが生じた回数が設定回数に対して所定比率に達したときにヒューズ交換時期（寿命）が近づいていると推定することを特徴とする。

（５）前記ヒューズ交換提示部は、公衆回線または専用回線を介した通信手段を設け、ヒューズ交換時期がきた場合にはメールを送信あるいは保守用サーバに接続し、電力変換装置の製造／販売側に交換部品情報を送る手段を設けたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、ヒューズに発生する電力損失を求め、この電力損失を基にヒューズの温度推定を行い、この推定温度のリップル回数を積算し、このリップル回数が規定回数に達した否かによりヒューズの交換時期を判定するようにしたため、保護用ヒューズが実装される半導体電力変換装置の運転パターンの違いや運転状態の変化に拘わらず、ヒューズの寿命時期を的確に判定できる。

また、ヒューズの寿命時期の判定により、ヒューズの過剰な寿命設計および施工が不要になる。

また、電力変換装置のヒューズの交換時期を早期に提示することにより、ヒューズの寿命発生前に装置の予防保全が可能となる。

また、公衆回線を使ったヒューズ寿命時期の自動通信により、ヒューズ交換時期をメーカやユーザに自動通知できるようになり、ヒューズの保守点検を確実、容易にする。

図１は、本発明の実施形態を示すヒューズ寿命推定装置のブロック構成図である。半導体電力変換装置としてのインバータ装置１０は、図３のものと同じヒューズ３，５，７を備えた主回路とその制御装置で構成され、制御装置ではＰＷＭ制御機能をもつものとする。

図１において、ヒューズ損失算定部２０は、ヒューズ電流テーブル２１によってヒューズに流れる電流を求め、ヒューズ損失演算部２２によってヒューズ電流とヒューズ抵抗値からヒューズ損失を求める。

ヒューズ電流テーブル２１は、インバータ装置１０の運転における出力電流、出力電圧（または出力周波数）およびＰＷＭ制御のキャリア周波数等をパラメータとして当該ヒューズ３，５，７に流れるヒューズ電流をテーブルデータから求める。ヒューズ損失演算部２２は、ヒューズ電流ｉの二乗ｉ²×抵抗値Ｒからヒューズ損失を求める。ヒューズ温度推定部３０は、ヒューズ損失にヒューズがもつ熱抵抗を乗じ、さらに熱時定数Ｔの遅れを作用させたヒューズ温度推定値として求める。これら演算によってヒューズ温度が推定できる理由を以下に説明する。

ヒューズの温度は、ヒューズの熱抵抗と温度時定数、ヒューズの抵抗値、ヒューズを流れる電流で決定される。ヒューズの熱抵抗は設置環境によって多少変化するが、ここでは一定であると仮定する。ヒューズの温度時定数及びヒューズの抵抗値はヒューズ固有のものなので、ここでは既知のものとする。よって、ヒューズを流れる電流が分かればヒューズの損失を求めることができ、この損失とヒューズの熱抵抗、熱時定数から温度を推定できる。

ここでは、外気の影響はヒューズの温度リップル範囲に対し微小なので無視する。ヒューズに流れる電流はヒューズの設置位置によって決まるが、インバータ内部の電流はインバータの出力電力によって決まる。

例えば、入力段交流ヒューズ３には有効電力分が流れ、過放電防止用直流ヒューズ５には入力電圧リップル及び出力のＰＷＭリップル電流が流れ、逆変換保護用直流ヒューズ７には有効電力分とＰＷＭリップル分の電流が流れ、どのヒューズにおいても有効電力にほぼ比例して電流が流れる。ただし、実際には高調波成分（ＰＷＭリップル分）も流れるために単純な比例ではない。

本実施形態のヒューズ損失算定部２０では、インバータを試験運転し、このときにヒューズ電流発生の要因となるインバータの電圧、電流、周波数（例えば、出力電流及び出力電圧、出力周波数及びキャリア周波数）をパラメータとしてヒューズに流れる電流を求め、これをヒューズ電流テーブル２１にデータ化しておく。

また、ヒューズ温度推定部３０では、ヒューズの温度は、損失とヒューズの熱抵抗、熱時定数によって決まるため、ヒューズ損失にヒューズ熱抵抗を乗じ、これに熱時定数の遅れを加味させてヒューズ温度推定値を求める。

次に、ヒューズ寿命推定部４０は、ヒューズ温度推定値の時系列変化から温度リップルの有無を判定し、この温度リップルが生じた回数をカウントし、このカウント値が設定回数に達したときにヒューズ交換時期（寿命）と推定する。

前記のように、ヒューズの寿命は、その温度リップル回数によって定義される。ただし、単純なリップル回数だとリップルレベルの情報が入らない。よって、あるリップルレベルを超えた場合の回数をピーク検出回数としてカウントするようにする。ピーク検出は図２に示すようになり、以下のルールに従って行う。

（ルール１）前回のピークに対しある温度差ΔＴｐを超えてピークが生じた場合に、暫定ピークと認定する。暫定ピークは、山ピークか谷ピークであるかを記憶しておく。

（ルール２）暫定ピークに対し、同じ方向（山と山、谷と谷）で、かつ前回ピークからより温度差のある方向であれば、暫定ピークを更新する。

（ルール３）暫定ピークに対し、ΔＴｐを超えて反対方向のピークが発生した場合には、前回ピークを暫定ピークに、暫定ピークを今回検出したピークに更新する。この場合、ピークカウントをインクリメントする。

（ルール４）以後、（ルール２）と（ルール３）を繰り返す。

図２の例では●で示す温度をピークと認定し、○で示す温度は暫定ピークになったがピークと認定されずに廃棄されたものである。

ヒューズ交換提示部５０は、検出されたピークカウント数が、設定値以上になった場合のヒューズ交換時期指令を受け、人が認識できる情報として提示する。この提示は、インバータ装置１０の制御盤にランプ表示やブザー鳴動、画面表示などによることができる。

なお、以上の実施形態において、より容易にヒューズ損失を計算するため、ヒューズ電流テーブル２１に代えて、ヒューズ損失を演算で求めることもできる。この演算には、以下の近似式を用いる。

ヒューズ損失＝ヒューズ抵抗値×（係数×出力電圧×出力電流）
この近似式を用いることにより、演算量が削減されるメリットがある。ただし、ＰＷＭリップルの影響等が考慮されていないため、誤差が大きくなる。しかし、最終的に推定温度のピーク回数をカウントするだけなので、多少の誤差は許容できる。

また、実施形態におけるピーク寿命推定部４０は、ピークカウント数が設定値に対する所定比率（例えば８０％）になったらヒューズ交換時期が近づいていると推定し、設定値の１００％になったらヒューズ寿命と推定することにより、早期にヒューズ交換時期を知らせることができる。これによりヒューズ交換の手配時間を調整することができ、スムースな保全作業を行うことができる。

また、実施形態におけるヒューズ交換提示部５０は、電話回線あるいはインターネット回線などの公衆回線または専用回線を介した通信を可能にし、ヒューズ交換時期がきた場合にはメーカやユーザにメールを送信、あるいは保守用サーバに接続し、インバータ装置の製造／販売側などに交換部品情報を送ることで、ユーザに負担をかけることなく、交換ヒューズを手配できる。

また、実施形態では、インバータ装置に適用した場合を示すが、ＤＣ−ＤＣコンバータなど、ヒューズに流れる電流形態が複雑になる他の半導体電力変換装置に適用して同等の作用効果を得ることができる。

本発明の実施形態を示すヒューズ寿命推定装置のブロック構成図。 実施形態における温度推定値からのピーク検出波形例。 インバータの主回路に実装される保護ヒューズの例。

符号の説明

３ 入力段交流ヒューズ
５ 過放電防止用ヒューズ
７ 逆変換保護用直流ヒューズ
１０ インバータ装置
２０ ヒューズ損失算定部
３０ ヒューズ温度推定部
４０ ヒューズ寿命推定部
５０ ヒューズ交換提示部

Claims (5)

1. 半導体電力変換装置に実装され、許容電流を越えた電流が流れたときに溶断して該装置を構成する半導体素子や負荷を保護するヒューズの寿命推定装置であって、
   前記ヒューズに流れる電流を求め、この電流とヒューズ抵抗値からヒューズ損失を求めるヒューズ損失算定部と、
   前記ヒューズ損失にヒューズ熱抵抗を乗じ、これに熱時定数の遅れを加味させてヒューズ温度推定値を求めるヒューズ温度推定部と、
   前記ヒューズ温度推定値の時系列変化から温度リップルの有無を判定し、この温度リップルが生じた回数をカウントし、このカウント値が設定回数に達したときにヒューズ交換時期（寿命）と推定するヒューズ寿命推定部と、
   前記ヒューズ交換時期が推定されたことを、人が認識できる情報として提示するヒューズ交換提示部とを備えたことを特徴とする保護用ヒューズの寿命推定装置。
2. 前記ヒューズ損失算定部は、前記電力変換装置を試験運転したときのヒューズ電流発生の要因となる該電力変換装置の電圧、電流、周波数をパラメータとしてヒューズに流れる電流を求めるヒューズ電流テーブルを備えたことを特徴とする請求項１に記載の保護用ヒューズの寿命推定装置。
3. 前記ヒューズ損失算定部は、前記電力変換装置の出力電圧と出力電流およびヒューズ抵抗値から、下記の近似式、
   ヒューズ損失＝ヒューズ抵抗値×（係数×出力電圧×出力電流）
   の演算でヒューズ損失を求めることを特徴とする請求項１に記載の保護用ヒューズの寿命推定装置。
4. 前記ヒューズ寿命推定部は、前記温度リップルが生じた回数が設定回数に対して所定比率に達したときにヒューズ交換時期（寿命）が近づいていると推定することを特徴とする請求項１に記載の保護用ヒューズの寿命推定装置。
5. 前記ヒューズ交換提示部は、公衆回線または専用回線を介した通信手段を設け、ヒューズ交換時期がきた場合にはメールを送信あるいは保守用サーバに接続し、電力変換装置の製造／販売側に交換部品情報を送る手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の保護用ヒューズの寿命推定装置。
   

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