JP2008271703A - 電力変換装置及びパワーサイクル寿命予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電力変換装置を用いて始動・停止を頻繁に繰り返す用途に用いられる場合において、設備側からの使い勝手の向上を図った電力変換装置及びパワーサイクル寿命予測方法を提供する。
【解決手段】
可変電圧可変周波数の交流電力を供給する電力変換回路１〜３と、電力変換回路内のパワー半導体９の温度を検出する検出回路１１と、検出回路１１での検出値でパワー半導体９のパワーサイクル寿命を診断する演算装置とを備えたもので、演算装置は、検出回路１１で検出される最大温度上昇値に基づいてパワー半導体９のパワーサイクル寿命を演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置及びパワーサイクル寿命予測方法に関する。

電力変換装置であるインバータは、産業界をはじめ家電製品にも電動機の速度制御装置として多く採用されている。電力変換装置内のパワー半導体は大きな損失が発生するため、この損失による発熱を冷却する構造が採用されている。すなわち、冷却フィンと冷却ファンとを備え、発熱体たるパワー半導体からの熱を冷却フィンに熱伝導させ、冷却ファンによって冷却フィンに空気を送って熱交換させ、空冷方式によって放熱させている。

エレベータ及び業務用洗濯機（コインランドリー）等始動・停止を頻繁に繰り返す用途では、大きな損失を発生するパワー半導体内部のチップのジャンクション温度Tjは、高温状態（装置運転時にはシリコンチップのジャンクション温度が上昇）→中温状態（装置停止時にはシリコンチップのジャンクション温度が低下）→高温状態（装置運転時にはシリコンチップのジャンクション温度が上昇）となるいわゆるパワーサイクルを繰り返させられ、よく知られたパワーサイクル寿命で前記パワー半導体が熱疲労破壊するという現象が発生する。

パワー半導体は、熱膨張係数の異なる材料（シリコンチップ、銅熱拡散板、プラスチックケース、シリコンゲル等）で構成されているため、熱膨張、熱収縮の繰返しによる熱応力でアルミボンディングワイヤの剥離やはんだクラックが発生し、最終的にパワー半導体が破壊する。この現象をパワーサイクルという。

特許文献１には、電流及び冷却フィンの温度によりパワー半導体のジャンクション温度を推定し、この推定値とパワー半導体の運転履歴演算手段によりパワー半導体の疲労の程度を推定し、該疲労推定値が所定の値を超えたとき寿命を表示することが開示されている。

特許文献２には、電流、電圧及び冷却フィンの温度によりパワー半導体のジャンクション温度を推定し、この推定値によりパワー半導体の疲労の程度を推定し、該疲労推定値が所定の値を超えたときパワー半導体をオフすることが開示されている。

特許文献３には、インバータ装置の運転時と停止時のパワー素子のジャンクション温度差を入力設定し、パワーサイクル寿命曲線からパワー半導体の疲労の程度を推定し、該疲労推定値が所定の値を超えたときパワー半導体オフすることが開示されている。

特許文献４には、出力周波数指令値と出力電流値によりパワー半導体のジャンクション温度差を推定し、パワーサイクル寿命曲線からパワー半導体のパワーサイクル寿命の残存
率を表示することが開示されている。

このようにパワー半導体のジャンクション温度を推定することによって、パワー半導体の疲労の程度を推測し、パワー半導体部品の寿命推定が図られている。

特開平３−２６１８７７号公報 特開平７−１３５７３１号公報 特開平８−５１７６８号公報 特開２００６−２５４５７４号公報 特開２００５−３５４８１２号公報

エレベータ及び業務用洗濯機（コインランドリー）等始動・停止を頻繁に繰り返す用途では、大きな損失を発生するパワー半導体内部のチップのジャンクション温度Tjは、高温状態（装置運転時にはシリコンチップのジャンクション温度が上昇）→中温状態（装置停止時にはシリコンチップのジャンクション温度が低下）→高温状態（装置運転時にはシリコンチップのジャンクション温度が上昇）となるいわゆるパワーサイクルを繰り返させられ、よく知られたパワーサイクル寿命で前記パワー半導体が熱疲労破壊するという現象が発生する。

特にエレベータ等の用途では、前記パワーサイクル寿命で前記パワー半導体が熱疲労破壊し電力変換装置が故障すると、エレベータが動作しなくなる場合があり、用途によってはパワー半導体のパワーサイクル寿命の時期を診断できることが望まれる。

前記特許文献には、パワー半導体のジャンクション温度を推定することによって、パワー半導体の疲労の程度を推測し、部品の寿命推定が図られることが開示されている。

しかし、パワー半導体の疲労を設備稼動２年後あるいは３年後に警告するものであり、有事の際であるパワー半導体の疲労破壊の直前に判る方式である。すなわち、設備導入の試運転時に実運転パターン状況からパワー半導体の疲労寿命を推定することはできず、設備側からの使い勝手に関して考慮されていなかった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、設備側からの使い勝手の向上を図った電力変換装置を提供することを目的としている。また、設備側からの使い勝手の向上を図ったパワーサイクル寿命予測方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置の具体的態様は、可変電圧可変周波数の交流電力を供給する電力変換回路と、前記電力変換回路内のパワー半導体の温度を検出する検出回路と、前記検出回路での検出値で前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を診断する演算装置とを備えたものとした。

また、上記の電力変換装置において、より好ましい態様は下記の通りである。
（１）前記演算装置は、前記電力変換装置の始動及び停止の運転パターンにおける最大温度上昇値に基づいて前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を演算すること。
（２）前記検出回路が前記パワー半導体の内部に設けられ、パワー半導体モジュール内部に設けられた温度検出素子からの温度検出信号を用いて前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を演算すること。
（３）前記パワー半導体を搭載した冷却フィンを備え、この冷却フィンに設けられた温度検出素子からの温度検出信号を用いて前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を演算すること。
（４）上記の（２）（３）のものにあっては、前記温度検出回路内の温度検出素子が温度に比例した抵抗値を示すサーミスタで構成されていること。
（５）前記検出回路によって検出された温度により、パワーサイクル寿命年数を表示する表示部を備えたこと。
（６）表示部を備えたものにあっては、この表示部に前記パワーサイクル寿命年数演算時の温度差を表示すること。
（７）上記（５）（６）のように表示部を備えたものにあっては、さらに、該電力変換装置の運転条件を設定する操作パネルを備え、前記表示部がこの操作パネルに設けられていること。
（８）操作パネルを備えたものにあっては、前記操作パネルから該電力変換装置の運転条件として試運転モードを選択することができること。
（９）試運転モードが選択された場合に、該電力変換装置の運転条件として、「単位時間当りの繰り返される始動・停止の繰返し回数」と「一日の稼動時間」と「年間の稼動日数」とを前記操作パネルから設定できること。

また、上記目的を達成するための、パワーサイクル寿命予測方法の具体的態様は、可変電圧可変周波数の交流電力を供給する電力変換回路に設けられるパワー半導体のパワーサイクル寿命を診断するパワーサイクル寿命予測方法において、前記パワー半導体の温度を検出し、検出された前記パワー半導体の温度の最大温度上昇値に基づいて前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を演算するものとした。

本発明によれば、設備側からの使い勝手の向上を図った電力変換装置及びパワーサイクル寿命予測方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明に基づく実施例に係る電力変換装置の主回路構成図を示す。本実施例の電力変換回路は、交流電源の交流電圧を整流して直流電圧に変換する順変換器１と、この順変換器１の直流電圧を平滑する平滑用コンデンサ２と、順変換器１の直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器３とを有し、可変電圧可変周波数の交流電力を交流電動機４へ出力する。

本実施例の電力変換装置の各種制御データはデジタル操作パネル８によって設定、変更が可能となっており、このデジタル操作パネル８には表示部が設けられて、異常表示が行える構成となっている。

順変換器１及び逆変換器３内のパワー半導体モジュールは、後述する冷却フィンに搭載され、冷却ファン６によって空冷方式で冷却される。これらの具体的な構成については後述する。温度検出器７は冷却フィン上に搭載され、順変換器１及び逆変換器３内のパワー半導体モジュールの加熱を検出する。

パワー半導体モジュールの内部には温度検出器１１が設けられており、この温度検出器１１はシリコンチップの近傍に設けられている。これらの温度検出器７、１１としては、温度により抵抗値が変化するサーミスタが好適である。サーミスタは温度上昇と共に抵抗値が上昇する特性のものでも、温度上昇と共に抵抗値が減少する特性のものでも差し支えない。

逆変換機３に用いられるパワー半導体であるスイッチング素子は、マイコンが搭載された制御回路５によって制御され、この制御回路５は電力変換装置全体の制御を司る働きをする。具体的には、デジタル操作パネル８から入力される各種の制御データに応じて必要な制御処理が行なえるように構成されている。また、符号１２で示した部分は逆変換器３のスイッチング素子を駆動するドライバ回路である。

図２は、主回路部品配置図の一例である。順変換器１と逆変換器３と温度センサ７が一個のモジュール内に搭載された集合パワー半導体である複合モジュール１３が冷却フィン１４に搭載され、冷却フィン１４を冷却するための冷却ファン６（図中の点線部分）が冷却フィンの上面に取り付けられた構造である。

集合パワー半導体として構成された複合モジュール１３は、大きな損失を発生するため、この損失による発熱を冷却フィン１４に熱伝導させ、冷却ファン６により冷却フィン１４を冷却する。この冷却ファン６により、集合パワー半導体である複合モジュール１３を温度上昇の過熱から保護することができる。

ここで、電力変換装置の周囲温度が異常に高かった場合、この周囲温度を吸気する冷却ファンの吸気温度が高くなり、冷却効果が落ち、温度検出器７で検出される温度があらかじめ設定された温度以上になると電力変換装置を停止し、パワー半導体の温度過熱を表示することもできる。

しかし、エレベータ及び業務用洗濯機（コインランドリー）等、始動・停止を頻繁に繰り返す用途では、大きな損失を発生するパワー半導体内部のチップのジャンクション温度Tjは、高温状態（装置運転時にはシリコンチップのジャンクション温度が上昇）→中温状態（装置停止時にはシリコンチップのジャンクション温度が低下）→高温状態（装置運転時にはシリコンチップのジャンクション温度が上昇）となるいわゆるパワーサイクルを繰り返させられる。これらの繰り返しによって、パワー半導体が温度過熱に至る訳でもないのに、パワーサイクル寿命でパワー半導体が熱疲労破壊するという現象が発生する。

エレベータ等の用途では、パワーサイクル寿命でパワー半導体が熱疲労破壊し電力変換装置が故障した場合、エレベータが動作しなくなってしまうため、用途によってはパワー半導体のパワーサイクル寿命の時期を診断できることが望まれる。

特許文献に開示された内容は、パワー半導体のパワーサイクル寿命をジャンクション温度から推定する方式であり、運転サイクルによっては設備稼働後１年近くで寿命警告が出ることが考えられる。つまり、設備稼動後何年位で寿命になるのかが予知できない問題を内在している。設備稼働後比較的短期間にパワーサイクル寿命による熱疲労破壊が発生することがないかどうかを試運転時に予知することができない。

この場合には、パワー半導体の寿命警告が出るため設備停止は免れるが、寿命警告が出たとしても、稼働後わずか１年でパワーサイクル寿命による熱疲労破壊が発生するのであれば、設備として問題であり、電力変換装置の容量選定が間違っていた可能性を設備試運転時にあらかじめ検証することができないという問題がある。

図３は、始動・停止を頻繁に繰り返すエレベータ用途における運転パターンの一例である。フィンの検出温度は、図１における冷却フィン上に搭載された温度検出器７の検出温度である。エレベータが、始動し指定の階に到着すれば停止となるが、この際、電力変換装置内で大きな損失を発生するパワー半導体９内部のチップジャンクション温度Tjは、高温状態（装置運転時にはシリコンチップのジャンクション温度が上昇）→中温状態（装置停止時にはシリコンチップのジャンクション温度が低下）→高温状態（装置運転時にはシリコンチップのジャンクション温度が上昇）となる。

始動・停止を頻繁に繰り返す運転パターンでは、パワー半導体９の内部チップ温度は、いわゆるパワーサイクルを繰り返えさせられている。

この場合、当然発熱体たるパワー半導体からの熱を冷却フィンに熱伝導させパワー半導体を冷却している冷却フィンの温度Ｔcもチップジャンクション温度Tjにある相関を持って上がり下がりすることになる。この運転パターンにおけるパワー半導体９の近傍に設置された冷却フィン１４上の温度検出器７の検出温度を監視すれば、当該運転パターンにおけるパワーサイクル寿命回数を予知することができる。

もちろん、前記冷却フィン上の温度Ｔcからチップジャンクション温度Tjを下記式により推定し、このジャンクション温度Tjからパワーサイクル寿命回数を予知することも可能であり、本実施例の意図するところは何ら変わらない。

Tj＝Tc＋Rjc＊Pl
ここで、Rjcは、ジャンクションとケース間の熱抵抗値、Plは、電力変換装置の運転パターンにおけるパワー半導体９の損失である。この損失Plは、下式で一般的に表される。

Pl＝Pon＋Poff＋Psat
ここで、Ponはパワー半導体９がオフ状態からオン状態に移行する際のオン損失、Poff はパワー半導体９がオン状態からオフ状態に移行する際のオフ損失、Psatは定常損失である。

前記パワー半導体９の損失Plを精度良く検出演算することはかなり面倒なため、ここでは、前記冷却フィンの検出温度Ｔcを用いる方法について説明する。

図４は、パワー半導体９のパワーサイクル寿命曲線である。この寿命曲線は、パワー半導体固有のもので、パワー半導体の周囲温度ではなく、パワー半導体の温度上昇値で一義的に決まるものである点が重要である。

つまり、ケース温度の上昇値が決まれば、前記パワーサイクル寿命曲線からサイクル寿命回数を簡単に読取れる訳である。

例えば、ケース温度の最大温度上昇値ΔＴc2におけるサイクル寿命回数を求める場合、図４からΔＴc2とサイクル寿命曲線の交点Ａに当るサイクル寿命回数Ｎc2がその解である。

実際に数値を代入してサイクル寿命回数Ｎc2を定量的に求めてみる。

前記ケース温度の最大温度上昇値ΔＴc2におけるエレベータの運転パターンサイクルを求める必要がある。ここで、該運転パターンが15秒（図３におけるΔt2に相当）に一回の頻度で繰り返され、一日10時間稼動する運転条件では、年間の運転パターンサイクル回数Ｘは、
Ｘ＝60／15＊60＊10＊365＝876,000回/年
の始動・停止を繰り返すことになる。
ここで、
・60／15：一分間におけるエレベータの運転・停止回数
・60／15＊60：一時間におけるエレベータの運転・停止回数
・60／15＊60＊10：一日におけるエレベータの運転・停止回数
この条件下でのケース温度の最大温度上昇値ΔＴc2におけるパワーサイクル寿命回数Ｎc2が、1,000,000回（図４における交点Ａ）であったとすると、この運転パターン条件でのパワー半導体９のパワーサイクル寿命年数Ｙは、
Ｙ＝1000000／876000＝1.1年
となる。

つまり、前記運転パターンで運転すれば、エレベータ稼動後わずか１年強でパワー半導体９が熱疲労破壊し、エレベータ設備が停止することになる。

特許文献に開示された内容は、パワー半導体のパワーサイクル寿命をジャンクション温度から推定する方式であり、運転サイクルによっては設備稼働後１年近くで寿命警告が出ることが考えられる。つまり、設備稼動後何年位で寿命になるのかが設備試運転時に予知できない問題を内在している。設備稼働後比較的短期間にパワーサイクル寿命による熱疲労破壊が発生することがないかどうかを試運転時に予知することができない。

この場合には、パワー半導体の寿命警告が出るため設備停止は免れるが、寿命警告が出たとしても、稼働後１年近く経過して初めてパワーサイクル寿命による熱疲労破壊が発生することが寿命警告信号等で判るため、設備として問題であり、電力変換装置の容量選定が間違っていた可能性を設備試運転時にあらかじめ検証することができないという問題がある。

図５は、前記問題に鑑みなされた電力変換装置内のパワー半導体のパワーサイクル寿命による熱疲労の時期を設備試運転時に推定予知診断する方法に関する実施例である。

前記パワーサイクル寿命年数を求めるに必要な要素は、具体的には以下の用件である。（１）設備運転パターンの始動・停止時から次の始動時におけるパワー半導体の最大温度上昇差を検出する温度検出回路１７を設けること。
（２）パワー半導体のパワーサイクル寿命曲線を記憶する記憶手段（例えば不揮発性メモリ１６）を設けること。
（３）運転モード選択及び設備運転パターンにおける単位時間当りの繰返し回数Ｍを設定できる操作パネルを備えること。
（４）前記操作パネルから単位時間当りの繰返し回数Ｍを設定すると、前記パワー半導体の最大温度上昇差と前記記憶パワーサイクル寿命曲線データとからパワーサイクル寿命年数Ｙを演算する手段（例えばマイコン１５）を設けること。
（５）前記演算パワーサイクル寿命年数を表示する表示部を設けた操作パネルを備えること。

図６は、上記用件に対する本実施例のフローチャートである。

始動・停止を頻繁に繰り返すエレベータ等の用途において、設備試運転時に電力変換装置に搭載されたデジタル操作パネル８で試運転モードを選択し、試運転モード欄に設けられた試運転単位時間内に繰り返される始動・停止の回数Ｍと一日の稼動時間Ｈ及び年間の稼動日数Ｄを入力する。なお、試運転モードにおいては、代表的な運転パターンを予め記憶手段に複数記憶し、これらから適宜選択しても良く、この代表的な運転パターンを表示した上で、設定者がこの表示された運転パターンを増減して、Ｍ、Ｈ、Ｄを設定しても良い。

試運転を開始して始動・停止を繰り返す。この際、パワー半導体近傍に搭載された温度検出器７の信号が温度検出回路１７を通してマイコン１５に伝送される。

温度検出器７は、サーミスタである。この場合のサーミスタの温度特性は、温度上昇と共にその抵抗値が減少する物の場合を例に取って説明する。

温度Ｔにおけるサーミスタの抵抗値ＲTは、下式で表される。
ＲT ＝Ｒ25＊exp[Ｂ＊{1／(T+273)−1／(T25+273)}]---------------（１）
ここで、
Ｒ25：温度25℃におけるサーミスタの抵抗値
Ｔ25：温度25℃（Ｔ25＝25）
Ｂ：定数
サーミスタの温度が上昇すると、サーミスタの抵抗値ＲTが小さくなり、温度検出回路１７に搭載された分圧抵抗Ｒ１によりマイコン１５のアナログポート端子ＡＤの入力電圧が大きくなる。この電圧値に従い、マイコンが前記（１）式から温度Ｔをリアルタイムに演算する。

または、前記（１）式は演算が複雑なため、サーミスタの抵抗値に比例したアナログポート端子ＡＤの入力電圧とサーミスタの温度との相関を示すデータを前記（１）式から求め、これを予め不揮発性のメモリ１６にテーブルデータとして持ち、このテーブルデータからサーミスタの温度Ｔをリアルタイムに呼び出しても良い。

最も厳しい運転パターンでの試運転を開始し、図２に示す始動・停止期間Δt1におけるパワー半導体９の温度上昇差ΔＴc1を演算し、次の始動・停止期間Δt2におけるパワー半導体９の温度上昇差ΔＴc2を演算する。

順次、始動・停止期間Δtnにおけるパワー半導体９の温度上昇差ΔＴcnを演算で求め、これらの温度上昇差ΔＴcnの中から一番高い温度上昇差ΔＴcjを保持する。

ここで、初回の温度上昇差ΔＴc1のみ、前記一番高い温度上昇差ΔＴcjから除いても良い。すなわち、温度上昇差ΔＴc2以降の中から一番高い温度上昇差ΔＴcjを保持しても良いという意味である。

ここで初回の温度上昇差ΔＴc1を除くことが出来る点について説明する。

複合モジュール１３の中には、逆変換器３を構成するIGBTのチップが実装されている。

このIGBTチップの温度特性は、正帰還であり、チップ温度が上昇すればチップのコレクタとエミッタ間の電圧V_CEsatは増加（正帰還）する。

IGBTチップの温度特性を負帰還（チップ温度が上昇すればチップのコレクタとエミッタ間の電圧V_CEsatは減少）に設計することももちろん可能である。

この温度特性は、IGBTチップ設計時の設計思想である。

例えば、定格電流600AのIGBTモジュールを製作する場合、600Aのチップを１個製作するよりも、200Aのチップを3個並列接続または300Aのチップを２個並列接続した方がチップ歩留まりの点でも有利であることは自明である。このため、小さい定格電流のチップを多数並列接続して大きい定格電流のモジュールを製作するのが一般的である。

チップを多数並列接続するため、チップの温度特性を正帰還特性に設計するか負帰還特性に設計するかを考えた場合、当然正帰還特性に設計する方が有利である。

２個のチップを並列接続した場合、２個の並列チップが全く同じ特性であれば、流れる電流は２個のチップに均等に流れる。しかし、実際には２個のチップが全く同じ特性を示すことはなく、特性バラツキが必ず発生する。

仮に負帰還特性に設計したチップを２個並列接続した場合を考えると、チップのコレクタとエミッタ間の電圧V_CEsatが低い方のチップに電流が偏り流れるが、この電流によりチップ温度が上昇すると、負帰還特性に設計したチップのため温度上昇と共に更にコレクタとエミッタ間の電圧V_CEsatが低くなり、このチップの電流が増加し、コレクタとエミッタ間の電圧V_CEsatが高い方のチップの分担電流はさらに減少することになる。

この様になると、同じ定格電流のチップを並列接続したにも関わらず２個のチップに流れる分担電流は均等ではなくなり、一方のチップのみが過負荷になることになる。

このため、チップの温度特性を設計する場合、必然的に正帰還特性に設計する方が有利であるからである。

このチップの温度特性を踏まえて考えれば、チップ自体が周囲温度と同じである試運転時の初回温度上昇差ΔＴc1が、温度上昇差ΔＴcnの中で一番高くなることはあり得ない。

当然パターン運転を実施する中で、チップの温度が上昇して行く過程でチップの発生損失が増大する訳であり、温度上昇差ΔＴcjが最も高くなることが容易に想像可能である。

こうした検討から、初回の温度上昇差ΔＴc1を削除し、前記一番高い温度上昇差ΔＴcjから除いても良い。

この温度上昇差ΔＴcjに該当するパワーサイクル寿命回数Ｎjを予め不揮発性メモリに格納しておいたパワーサイクル寿命曲線データから読み取る。

パワーサイクル曲線の温度との相関を示すデータを予め不揮発性のメモリ１６にテーブルデータとして持ち、このテーブルデータから温度におけるパワーサイクル寿命をリアルタイムに呼び出しても良い。

次に、デジタル操作パネル８から設定入力した一時間内に繰り返される始動・停止の回数Ｍと一日の稼動時間Ｈ及び年間の稼動日数Ｄのデータを用いて、この運転パターン条件でのパワー半導体９のパワーサイクル寿命年数Ｙを下式で演算する。
Ｙ＝α＊Ｎj／（Ｍ＊Ｈ＊Ｄ）
αは、デジタル操作パネル８から設定入力可能な安全係数（α≦１）である。

この演算寿命年数の結果を前記操作パネル８の表示部に表示する。

更に、前記温度上昇差ΔＴcjも前記操作パネル８の表示部に表示することが可能である。

この様にすれば、設備試運転時に設備に対する電力変換装置の容量選定が正しいか予知することができる。

ここで、前記始動・停止の設定回数Ｍは一時間当たりではなく、一分当たりであっても発明の意図するところは変わらない。

上記操作パネル８に表示された演算寿命年数の値を見て、予め目標とした寿命年数（例えば１０年）以下であれば、目標寿命年数を満足する対策を設備の試運転時に行うことができる。

その対策としては、以下の方法がある。
（１）電力変換装置のスイッチング周波数を下げ、パワー半導体の発生損失を低減する。
（２）電力変換装置自体の容量を上げ、パワー半導体の温度上昇差を低減する。
（３）電力変換装置内部のパワー半導体自体の容量を上げ、パワー半導体の温度上昇差を低減する。
（４）エレベータ装置への最大搭乗人数を低減し、パワー半導体の発生損失を低減する。

上記対策案のいずれかを選択し、再度試運転モードにてパワー半導体９のパワーサイクル寿命年数Ｙを求め、目標寿命年数を満足する対策を実施すれば良い。

上記の実施例によれば、設備稼働後比較的短期間にパワーサイクル寿命による熱疲労破壊が発生することがないかどうかを試運転時に予知することができる。

具体的には、電力変換装置内のパワー半導体の温度検出回路による検出温度とパワー半導体のパワーサイクル寿命曲線を用いて、パワー半導体のパワーサイクル寿命の時期を設備試運転時に診断することができるため、設備稼動後いつの時点でパワー半導体あるいは電力変換装置自体を交換すれば良いかが簡単に判断可能である。

また、設備試運転時にパワーサイクル寿命の時期を診断することができるため、設備稼働後比較的短期間にパワーサイクル寿命による熱疲労破壊が発生することがないかどうかを試運転時に予知することができる。

本実施例では、電力変換装置の運転条件あるいは運転パターンを操作パネルから入力し、該運転状態でのパワー半導体の温度検出回路の検出温度とパワー半導体のパワーサイクル寿命曲線を用いることができる。

特に、電力変換装置を用いた始動・停止を頻繁に繰り返す用途において、設備導入の試運転時にパワー半導体の疲労寿命を推定することができ、設備稼働後比較的短期間にパワーサイクル寿命による熱疲労破壊が発生することがないかどうかを試運転時に予知することができる。このように、電力変換装置の容量選定が適切かの推定判断が設備試運転時にできるため、不安を抱きながらの設備稼動に入ることがなくなるため、設備側からの使い勝手の向上及び設備不稼動時間を大幅に短縮できると言う効果がある。

また、交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給できるようにした電力変換装置のパワー半導体のパワーサイクル寿命による熱疲労の時期を設備試運転時に推定予知診断することができ、設備の不稼動時間を大幅に短縮できるパワーサイクル寿命予測に利用可能である。

電力変換装置の主回路構成図 電力変換装置の主回路部品配置図の一例 運転パターンと温度検出器の検出温度の一例 パワー半導体のパワーサイクル寿命曲線 パワーサイクル寿命による熱疲労の時期推定予知診断の実施例 本発明のフローチャートの実施例

符号の説明

１…順変換器、２…平滑用電解コンデンサ、３…逆変換器、４…交流電動機、５…制御回路、６…冷却ファン、７…温度検出器（温度センサ）、８…デジタル操作パネル、９…パワー半導体、１０…樹脂モールドケース、１１…パワー半導体モジュール内部に設けられた温度検出器（温度センサ）、１２…ドライバー回路、１３… 順変換器と逆変換器と温度センサが一個のモジュールケース内に搭載された複合モジュール、１４…冷却フィン、１５… マイコン（ＭＣＵ）、１６…不揮発性メモリ、１７…温度検出回路、ΔTc…冷却フィンの温度上昇差、Ｎc…パワーサイクル寿命回数、ｔ…時間、Ｎc2…冷却フィンの温度上昇差ΔTc2におけるパワーサイクル寿命回数、Ｒ1…分圧抵抗、＊…乗算因子、／…除算因子。

Claims (11)

1. 可変電圧可変周波数の交流電力を供給する電力変換回路と、
   前記電力変換回路内のパワー半導体の温度を検出する検出回路と、
   前記検出回路での検出値で前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を診断する演算装置とを備えた電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記演算装置は、前記電力変換装置の始動及び停止の運転パターンにおける最大温度上昇値に基づいて前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を演算することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記検出回路が前記パワー半導体の内部に設けられ、パワー半導体モジュール内部に設けられた温度検出素子からの温度検出信号を用いて前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を演算することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記パワー半導体を搭載した冷却フィンを備え、この冷却フィンに設けられた温度検出素子からの温度検出信号を用いて前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を演算することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項３または４に記載の電力変換装置において、
   前記温度検出回路内の温度検出素子が温度に比例した抵抗値を示すサーミスタで構成されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記検出回路によって検出された温度により、パワーサイクル寿命年数を表示する表示部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記パワーサイクル寿命年数演算時の温度差を表示する表示部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項６または７に記載の電力変換装置において、
   該電力変換装置の運転条件を設定する操作パネルを備え、
   前記表示部はこの操作パネルに設けられていることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項８に記載の電力変換装置において、
   前記操作パネルから該電力変換装置の運転条件として試運転モードを選択することができることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項９に記載の電力変換装置において、
    前記試運転モードを選択した際、該電力変換装置の運転条件として、
    単位時間当りの繰り返される始動・停止の繰返し回数と
    一日の稼動時間と
    年間の稼動日数と
    を前記操作パネルから設定できることを特徴とする電力変換装置。
11. 可変電圧可変周波数の交流電力を供給する電力変換回路に設けられるパワー半導体のパワーサイクル寿命を診断するパワーサイクル寿命予測方法において、
    前記パワー半導体の温度を検出し、
    検出された前記パワー半導体の温度の最大温度上昇値に基づいて前記パワー半導体のパワーサイクル寿命を演算するパワーサイクル寿命予測方法。

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