JP2019037024A

JP2019037024A - クレーンにおけるインバータのｉｇｂｔ寿命予測方法及びその装置

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Publication number: JP2019037024A
Application number: JP2017155396A
Authority: JP
Inventors: 栄作川尻; Eisaku Kawajiri; 吉田　豊; Yutaka Yoshida; 豊吉田
Original assignee: Hitachi Plant Mechanics Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Mechanics Co Ltd
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-08-10
Also published as: JP6844084B2

Abstract

【課題】ＩＧＢＴの寿命予測を可能とすることで、クレーンの安定稼働に貢献し、さらに、ＩＧＢＴの傾向管理が可能となることで、ＩＧＢＴが突然故障する数か月前にインバータを購入し、予備品を不要としたクレーンのライフサイクルコスト低減にも貢献する、クレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法を提供すること。【解決手段】インバータの１次側に電力モニタを設置し、インバータの２次側に設置した電力モニタとの差分を計測することで、ＩＧＢＴ正常時からの劣化に伴うＶＣＥ電圧の変化をＩＧＢＴの発熱量として計測を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、クレーンにおけるインバータの寿命予測方法及びその装置に関し、特に、クレーンにおけるインバータの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor）（以下、本明細書において、「ＩＧＢＴ」という。）の寿命予測方法及びその装置に関するものである。

近年の省エネルギ化の機運の高まりから、クレーンにおける三相誘導電動機の可変速制御として、インバータ制御が適用されている。

しかしながら、インバータの問題点として、半導体の経年劣化があり、特に、インバータ駆動部に用いられるＩＧＢＴのパワーサイクル寿命による突然故障が発生し、クレーンが使用不可となり、生産設備の操業停止となることが問題となっていた。

このため、インバータの予備品を購入して不具合発生時に備えているが、インバータ回路を構成する主回路の基板に用いられている電界コンデンサは、未使用の場合でも劣化するため、予備品を備えていても、年数が経過しているといざ使用する場面では電界コンデンサの充電ができないことがあり、予備品の役目を果たすことができないという問題があった。

本発明は、上記従来のインバータの有する問題点、すなわち、インバータ駆動部に用いられるＩＧＢＴのパワーサイクル寿命に鑑み、ＩＧＢＴの寿命予測を可能とすることで、クレーンの安定稼働に貢献し、さらに、ＩＧＢＴの傾向管理が可能となることで、ＩＧＢＴが突然故障する数か月前にインバータを購入し、予備品を不要としたクレーンのライフサイクルコスト低減にも貢献する、クレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法及びその装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法は、インバータの１次側に電力モニタを設置し、インバータの２次側に設置した電力モニタとの差分を計測することで、ＩＧＢＴ正常時からの劣化に伴うＶＣＥ電圧の変化をＩＧＢＴの発熱量として計測を行うことを特徴とする。
ここで、ＶＣＥ電圧とは、コレクタ−エミッタ間電圧をいう（以下、本明細書において、同じ。）。

この場合において、ＩＧＢＴのＶＣＥ電圧の変化を発熱量として計測することで、ＶＣＥ（ｓａｔ）最大保証電圧と設計値を基準として、傾向管理を行うようにすることができる。
ここで、ＶＣＥ（ｓａｔ）電圧とは、ＩＧＢＴメーカが公表しているデータシート記載のコレクタ−エミッタ間飽和電圧をいう（以下、本明細書において、同じ。）。

また、同じ目的を達成するため、本発明のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測装置は、以下の（Ａ）及び（Ｂ）のデータをクレーンの制御装置に取り込んで、（Ａ）及び（Ｂ）の早く到達した方を寿命と判断して表示装置に表示させることを特徴とする。
（Ａ）インバータの新品時の２次側のモータへの出力Ｐ３に対する１次側の電力値をＰ１、インバータ使用後のＩＧＢＴのＶＣＥ電圧の変化に伴い発熱量が増加した１次側電力値をＰ２、ＩＧＢＴメーカが公表しているデータシート記載のコレクタ−エミッタ間飽和電圧（ＶＣＥ（ｓａｔ））の基準値をＶ１、同最大値をＶ２とした場合、
｛（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１−Ｐ３）｝＜（Ｖ２／Ｖ１）×α ・・・（１）
α：補正係数
の関係を満たさなくなった場合に、ＩＧＢＴモジュールの寿命と判断する。
（Ｂ）線形累積損傷則の公式から寿命回数に達した場合に、ＩＧＢＴモジュールの寿命と判断する。

本発明のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法及びその装置によれば、クレーンにおけるインバータのＩＧＢＴの傾向管理が可能となり、インバータ故障が突然発生することなく、インバータ予備品を持たずに交換が可能となり、いままでインバータの故障が突然発生する関係から適用できなかった製鋼所のレードルクレーン等に好適に用いることができる。

本発明のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法に用いるインバータの１次側電力と２次側電力の差分を計測するインバータブロック図である。本発明のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法と併用可能な線形累積損傷則法に用いるＩＧＢＴの接合部温度上昇（ジャンクション温度）と動作回数の関係を表した寿命対数グラフである。ＩＧＢＴ単体におけるＶＣＥ（ｓａｔ）コレクタ−エミッタ間飽和電圧と動作回数の関係を表したグラフである。ＩＧＢＴのＶＣＥ電圧をインバータに組み込んだ状態で測定した波形を表したグラフである。ＩＧＢＴ寿命予測装置の実施例を示した説明図である。ＩＧＢＴ寿命予測装置の画面を示し、寿命予測設定画面と演算結果、診断結果の図である。ＩＧＢＴ基準電力の測定画面を示した説明図である。

以下、本発明のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法の実施の形態を、図面に基づいて説明する。

高電力を取り扱うＩＧＢＴモジュールの典型的な故障メカニズムとして、熱疲労故障が存在することが知られている。この故障は、モジュール構造部材の線膨張係数の違いから生じる熱応力が、各部材間の接合部に繰り返し加わることに起因するものある。主な故障部位及びその故障メカニズムは、次の（１）〜（３）である。
（１）アルミニウムワイヤとシリコンチップの接合部
アルミニウムワイヤとシリコンチップの線膨張係数差により、接合端面に応力が加わり、亀裂が発生して進展する。最終的には、亀裂が接合面を横断し、剥離破壊に至る。
（２）シリコンチップと絶縁基板間のはんだ接合部
シリコンチップと絶縁基板の線膨張係数差により、はんだ接合端面に応力が加わり、亀裂が発生して進展する。これにより、シリコンチップの放熱が妨げられ、さらに進展すると熱破壊に至る。
（３）絶縁基板と銅ベース間のはんだ接合部
絶縁基板と銅ベース間の線膨張係数差により、はんだ接合端面に応力が加わり、亀裂が発生して進展する。これにより、（２）と同様に、シリコンチップの放熱が妨げられ、熱破壊に至る。

上記知見に鑑み、本発明のＩＧＢＴの寿命予測方法は、インバータの１次側に電力モニタを設置し、インバータの２次側に設置した電力モニタとの差分を計測することで、ＩＧＢＴ正常時からの劣化に伴うＶＣＥ電圧の変化をＩＧＢＴの発熱量（温度上昇）として計測を行い、負荷に対するＩＧＢＴの電力量をモニタすることで、熱疲労故障を事前に検知し、寿命を予測するものである。

図１に、本発明のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法に用いるインバータの１次側電力と２次側電力の差分を計測するインバータブロック図の一例を示す。

このクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法は、インバータの１次側に電力モニタ（電力変換器）を設置し、インバータの２次側に設置した電力モニタとの差分を計測することで、ＩＧＢＴ正常時からの劣化に伴うＶＣＥ電圧の変化をＩＧＢＴの発熱量として計測を行うようにする。
具体的には、インバータの１次側の電力値（入力値）及びインバータの２次側の電力値（出力値）をそれぞれＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）にアナログ値として入力する。

そして、インバータの新品時の２次側のモータへの出力Ｐ３に対する１次側の電力値をＰ１、インバータ使用後のＩＧＢＴのＶＣＥ電圧の変化に伴い発熱量が増加した１次側電力値をＰ２、ＩＧＢＴメーカが公表しているデータシート記載のコレクタ−エミッタ間飽和電圧（ＶＣＥ（ｓａｔ））の基準値をＶ１、同最大値をＶ２とした場合、
｛（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１−Ｐ３）｝＜（Ｖ２／Ｖ１）×α ・・・（１）
α：補正係数
の関係を満たさなくなった場合に、ＩＧＢＴモジュールの寿命と判断し、交換するようにする。
ここで、補正係数は、１．０を基本とし、温度等の使用環境のほか、万一、故障が生じた場合のリスク等を勘案して、例えば、０．７〜１．５の範囲で設定するようにする。
また、ＶＣＥ（ｓａｔ）の基準値Ｖ１は、Ａ社のＩＧＢＴモジュールでは、２．２Ｖ（テスト条件：Ｉ_ｃ＝６００Ａ、Ｖ_ＧＥ＝１５Ｖ）、Ｂ社のＩＧＢＴモジュールでは、１．７Ｖ（テスト条件：Ｉ_ｃ＝４５００Ａ、Ｖ_ＧＥ＝１５Ｖ、Ｔ_ｊ＝２５℃）、１．８Ｖ（テスト条件：Ｉ_ｃ＝４５００Ａ、Ｖ_ＧＥ＝１５Ｖ、Ｔ_ｊ＝１２５℃）、同最大値Ｖ２は、Ａ社のＩＧＢＴモジュールでは、２．８Ｖ（テスト条件：Ｉ_ｃ＝６００Ａ、Ｖ_ＧＥ＝１５Ｖ）、Ｂ社のＩＧＢＴモジュールでは、２．２Ｖ（テスト条件：Ｉ_ｃ＝４５００Ａ、Ｖ_ＧＥ＝１５Ｖ、Ｔ_ｊ＝２５℃）、２．３Ｖ（テスト条件：Ｉ_ｃ＝４５００Ａ、Ｖ_ＧＥ＝１５Ｖ、Ｔ_ｊ＝１２５℃）であった。

ここで、例えば、インバータの新品時の２次側のモータへの出力Ｐ３を４５ｋＷ、出力Ｐ３に対する１次側の電力値Ｐ１を４５．５ｋＷ、インバータ使用後のＩＧＢＴのＶＣＥ電圧の変化に伴い発熱量が増加した１次側電力値Ｐ２を４５．６ｋＷ、ＩＧＢＴメーカが公表しているデータシート記載のコレクタ−エミッタ間飽和電圧（ＶＣＥ（ｓａｔ））の基準値Ｖ１を２．２Ｖ、同最大値Ｖ２を２．８Ｖ、補正係数αを１．０として、式（１）に代入すると、
｛（４５．６−４５）／（４５．５−４５）｝＜（２．８／２．２）×１．０
（０．６／０．５）＝１．２＜１．２７
となり、正常範囲内であるが、インバータを長期間使用した後のＩＧＢＴのＶＣＥ電圧の変化に伴い発熱量が増加した１次側電力値Ｐ２が４５．７ｋＷとなると、
｛（４５．７−４５）／（４５．５−４５）｝＜（２．８／２．２）×１．０
（０．７／０．５）＝１．４＞１．２７
となり、正常範囲外であるため交換が必要と判断する。

なお、上記方法に代えて、ＩＧＢＴのＶＣＥ電圧を直接測定することも考えられるが、ＩＧＢＴモジュールをインバータに組み込んでしまうと、ＶＣＥ電圧の出力波形が、図４に示すようにＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御の波形として出力されるため、ＩＧＢＴのＶＣＥ電圧を直接測定できないため、本発明をなしたものである。

さらに、式（１）と、ＩＧＢＴの故障に至るまでのＩＧＢＴに流す一定電流に対するＩＧＢＴの接合部温度上昇と動作回数の関係を示す対数グラフを用い、巻上の場合、ブレーキ開放時に重量によって下向きに引っ張られることを考慮して巻上と巻下でインバータのブレーキ解放トルクが異なり、巻上は高く巻下は低く設定している。このため、巻上と巻下で電流値が異なる関係から、ＩＧＢＴの電流値を線形累積損傷則法により算出した寿命回数とを併用することができる。
具体的には、図２に示すように、ＩＧＢＴメーカより設計値として提供される、ＩＧＢＴの故障に至るまでのＩＧＢＴに流す一定電流に対するＩＧＢＴの接合部温度上昇（ジャンクション温度）と動作回数の関係を表す対数グラフから、巻上、巻下の起動時の電流に対する温度上昇値を入手し、寿命回数を求める。
例えば、巻上：３×１０^６回、巻下：７×１０^６回であった場合、線形累積損傷則の公式から寿命回数Ｐは、
Ｐ＝｛１／（３×１０^６）＋１／（７×１０^６）｝^−１
≒２,１０５,２６３回・・・（２）
として求められる。

そして、寿命予測の信頼性を高めるために上記式（１）及び式（２）を併用して、例えば、早く到達した方を寿命として適用するようにする。本発明を制御装置に適用する場合、公式やグラフを取り込めるようにして演算した結果を出力する。

図５にＩＧＢＴ寿命予測装置の構成図を示す。タッチパネルから寿命診断の基準データとなるパラメータ情報を設定することで、ＰＬＣから寿命予測結果を出力し、表示することができる。例えば、図６に示すようにＩＧＢＴの基準電圧、最大電圧を設定し、補正係数を入力することで、ＶＣＥ電圧の最大電圧に対する基準電圧の比を表示することができる。また、インバータの１次電力と２次電力に対する電力比を表示し、図７に示すインバータが新品時の無負荷時の荷重に対する電力値と定格負荷に対する基準電力値から新品時の電力比の線形性を求め、劣化後の１次電力と２次電力の電力比との比較を行い寿命計算を行うことができる。また、巻上と巻下それぞれの設計寿命回数を入力することで、線形累積損傷則法により寿命回数換算値を表示し、実際に稼働した巻上回数と巻下回数の換算結果との比較から寿命計算を行うことができる。

式（１）及び式（２）に関するデータをクレーンの制御装置に取り込んで、式（１）及び式（２）の早く到達した方を寿命と判断して上記タッチパネル等の表示装置に表示させることができる。
この場合、式（１）及び式（２）の診断結果を寿命に対する到達率を％で表し、到達率５０％までを判定Ａ、７０％までの到達率を判定Ｂ、９０％までの到達率を判定Ｃとして予想寿命の表示を行うようにすることができる。

以上、本発明のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法及びその装置について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法及びその装置は、ＩＧＢＴの寿命予測を可能とすることで、クレーンの安定稼働に貢献し、さらに、ＩＧＢＴの傾向管理が可能となることで、ＩＧＢＴが突然故障する数か月前にインバータを購入し、予備品を不要としたクレーンのライフサイクルコスト低減にも貢献するものであることから、インバータ制御を行うクレーンの用途に広く用いることができ、例えば、いままでインバータの故障が突然発生する関係から適用できなかった製鋼所のレードルクレーン等の用途にもインバータ制御を行うクレーンを用いることが可能となる。

Claims

インバータの１次側に電力モニタを設置し、インバータの２次側に設置した電力モニタとの差分を計測することで、ＩＧＢＴ正常時からの劣化に伴うＶＣＥ電圧の変化をＩＧＢＴの発熱量として計測を行うことを特徴とするクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法。
ＩＧＢＴのＶＣＥ電圧の変化を発熱量として計測することで、ＶＣＥ（ｓａｔ）最大保証電圧と設計値を基準として、傾向管理を行うことを特徴とする請求項１に記載のクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測方法。
以下の（Ａ）及び（Ｂ）のデータをクレーンの制御装置に取り込んで、（Ａ）及び（Ｂ）の早く到達した方を寿命と判断して表示装置に表示させることを特徴とするクレーンにおけるインバータのＩＧＢＴ寿命予測装置。
（Ａ）インバータの新品時の２次側のモータへの出力Ｐ３に対する１次側の電力値をＰ１、インバータ使用後のＩＧＢＴのＶＣＥ電圧の変化に伴い発熱量が増加した１次側電力値をＰ２、ＩＧＢＴメーカが公表しているデータシート記載のコレクタ−エミッタ間飽和電圧（ＶＣＥ（ｓａｔ））の基準値をＶ１、同最大値をＶ２とした場合、
｛（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１−Ｐ３）｝＜（Ｖ２／Ｖ１）×α ・・・（１）
α：補正係数
の関係を満たさなくなった場合に、ＩＧＢＴモジュールの寿命と判断する。
（Ｂ）線形累積損傷則の公式から寿命回数に達した場合に、ＩＧＢＴモジュールの寿命と判断する。