JP2021072654A - 電力変換装置の診断システム - Google Patents

Abstract

【課題】 既設の電力変換装置に容易に設置できるセンサの出力信号を用いて、各デバイスの温度を精度良く推定し、推定した温度に基づいて各デバイスを診断可能な電力変換装置の診断システムを提供する。【解決手段】 入力電力を多相交流電力に変換して出力する電力変換装置の診断システムであって、前記電力変換装置の出力端子から取得した各相の出力電位を線間電圧に変換する特徴量変換部と、前記線間電圧が正閾値より大きい場合に線間電圧波形を正極性と判断し、前記線間電圧が負閾値より小さい場合に線間電圧波形を負極性と判断する電圧極性検出部と、電圧極性検出部が求めた極性に基づいて電力用半導体素子のターンオフ時間を抽出する特徴量抽出部と、該特徴量抽出部が抽出したターンオフ時間と、前記電力変換装置の出力端子から取得した各相の電流値の相関から前記電力用半導体素子の劣化を診断する診断部と、を備える、電力変換装置の診断システム。【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置の劣化を診断する診断システムに関する。

エレベータや鉄道車両等に搭載される大容量の電力変換装置（インバータ）に内蔵されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）デバイス等の電力用半導体素子は、スイッチング動作に伴う発熱や冷却による温度サイクルが問題となる。デバイスの温度サイクルは、デバイス近傍のはんだを疲労させ、はんだの剥離が発生することがある。はんだの剥離はデバイスの接合温度を上昇させ、最終的にはデバイスの劣化や故障に至る可能性がある。そこで、電力変換装置（インバータ）においては、各デバイスの計測温度や推定温度に基づいて劣化を診断できる診断システムが求められている。

電力変換装置の各アームを構成するＩＧＢＴデバイスの接合部温度を計測する技術としては、例えば、特許文献１に開示された技術がある。例えば、この文献の要約書には「ＩＧＢＴデバイスのスイッチオフ段階中のミラープラトー段階によって形成されたエッジと相関するパルスを取得するために、測定されるＩＧＢＴデバイスのゲート−エミッタ電圧の特性を受け取り、ゲート−エミッタ電圧の特性を区別する差動ユニットと、ＩＧＢＴデバイスのスイッチオフ段階中のミラープラトー段階の開始及び終了を示すものであって取得されたパルス間の時間遅延を測定するタイマユニットと、測定された時間遅延に基づいてＩＧＢＴデバイスの接合部温度を決定する接合部温度計算ユニットと、を具備するシステム」が開示されており、デバイスのゲート・エミッタ間のミラープラトー時間から素子温度を推定している。

特開２０１３−１４２７０４号公報

しかしながら、特許文献１では、各アームのＩＧＢＴデバイスのゲート・エミッタ間のミラープラトー段階を検出する必要があるため、温度を推定する差動ユニットとタイマユニットをインバータ内部のＩＧＢＴ駆動回路近傍に設ける必要があるが、それらのユニットを有しない既設のインバータの内部に差動ユニットとタイマユニットを後から設置することは困難であるため、特許文献１の適用対象は非常に限定されていた。

そこで、本発明では、既設の電力変換装置（インバータ）に容易に設置できるセンサの出力信号を用いて、各デバイスの温度を精度良く推定し、推定した温度に基づいて各デバイスを診断可能な電力変換装置の診断システム及び診断方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の診断システムは、入力電力を多相交流電力に変換して出力する電力変換装置を診断するものであって、前記電力変換装置の出力端子から取得した各相の出力電位を線間電圧に変換する特徴量変換部と、前記線間電圧が正閾値より大きい場合に線間電圧波形を正極性と判断し、前記線間電圧が負閾値より小さい場合に線間電圧波形を負極性と判断する電圧極性検出部と、電圧極性検出部が求めた極性に基づいて電力用半導体素子のターンオフ時間を抽出する特徴量抽出部と、該特徴量抽出部が抽出したターンオフ時間と、前記電力変換装置の出力端子から取得した各相の電流値の相関から前記電力用半導体素子の劣化を診断する診断部と、を備えるものとした。

本発明の診断システム及び診断方法によれば、既設の電力変換装置（インバータ）に容易に設置できるセンサの出力信号を用いて、各デバイスの温度を精度良く推定し、推定した温度に基づいて各デバイスを診断することができる。

実施例１に係る電力変換装置及びその診断システムの構成を示す図。 実施例１の診断システムの診断手順を示すフローチャート。 線間電圧の極性から診断する素子を特定する一例を示す図。 実施例１に関わる波形図。 実施例１の診断方法に関わる波形図。 実施例１に係る特徴量抽出結果を示す図。 実施例１の診断システムにおける、初期値データの入力方法。 実施例１の診断システムにおける、診断結果の表示方法。 実施例１の診断システムにおける、診断結果の表示方法。 実施例２の診断システムの診断手順を示すフローチャート。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

まず、図１のブロック図を参照して、本発明の実施例１に係る診断システムの構成例について説明する。

図１において、１は診断装置、２はインバータ（電力変換装置）、３は三相交流電源、４は負荷装置である。そして、インバータ２を接地線ＧＮＤによって接地するとともに、インバータ２の入力端子２０ｉに三相交流電源３を接続し、インバータ２の出力端子２０ｏに負荷装置４（例えば、エレベータの巻上機に組み込まれた三相モータ）を接続することで、電力変換システム１００が構成されている。

＜インバータ２＞
インバータ２は、入力電力を任意の周波数と電圧の交流電力に変換して出力するものであり、入力端子２０ｉ、出力端子２０ｏ、交流直流変換部２１、平滑コンデンサ２２、絶縁・駆動部２３、制御部２４、寄生インダクタンス２５、複数の電力用半導体素子（上アーム２６、下アーム２７）、制御用電流センサ２８を備える。

なお、図１の例では、三相交流電源３から入力電力を得るため、交流電力を直流電力に変換する交流直流変換部２１（コンバータ）を備えているが、直流電源から入力電力を得る場合は、交流直流変換部２１を省略できる。

また、図１のインバータ２は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相からなる三相入力電力を、周波数と電圧が異なる、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相出力電力に変換するものであるため、入力端子２０ｉ、出力端子２０ｏ、上アーム２６、下アーム２７、制御用電流センサ２８の各々は、入力端子２０ｉ_Ｒ，２０ｉ_Ｓ，２０ｉ_Ｔ、出力端子２０ｏ_Ｕ，２０ｏ_Ｖ，２０ｏ_Ｗ、上アーム２６_Ｕ，２６_Ｖ，２６_Ｗ、下アーム２７_Ｕ，２７_Ｖ，２７_Ｗ、制御用電流センサ２８_Ｕ，２８_Ｖ，２８_Ｗのように、各々が三相分用意されている。同様に、診断装置１がインバータ２を診断する際に用いる、後述する診断用電流センサ１９ｉと電圧プローブ１９ｖも、診断用電流センサ１９ｉ_Ｕ、１９ｉ_Ｖ、１９ｉ_Ｗ、電圧プローブ１９ｖ_Ｕ、１９ｖ_Ｖ、１９ｖ_Ｗのように、各々が三相分用意されている。

＜交流直流変換部２１＞
交流直流変換部２１は、入力端子２０ｉに入力された三相交流電力を、直流電力に変換して出力する、例えば３組のダイオードブリッジ回路やコンバータである。交流直流変換部２１の出力端のうち高電位側は正極性の直流電源線Ｐに接続されており、低電位側は負極性の直流電源線Ｎ（接地線ＧＮＤ）に接続されている。直流電源線Ｐと直流電源線Ｎの間には平滑コンデンサ２２が配置されているため、交流直流変換部２１が出力する直流電力の不要な振動成分は、平滑コンデンサ２２によって除去される。

なお、正極性の直流電源線Ｐには、分布定数的に寄生インダクタンスが存在しており、図１では寄生インダクタンス２５として図示している。一方、負極性の直流電源線Ｎにも、同様に寄生インダクタンスが存在しているが、図１では省略している。

＜上アーム２６、下アーム２７＞
インバータ２では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相出力電力を生成するために、正極性の直流電源線Ｐと負極性の直流電源線Ｎの間に、三相分のレグを備えている。Ｕ相のレグは、正極側の電力用半導体素子である上アーム２６_Ｕと負極側の電力用半導体素子である下アーム２７_Ｕを直列接続したものである。同様に、Ｖ相のレグは、上アーム２６_Ｖと下アーム２７_Ｖを直列接続したものであり、Ｗ相のレグは、上アーム２６_Ｗと下アーム２７_Ｗを直列接続したものである。各相のレグにおける上アーム２６と下アーム２７の接続点Ｕ，Ｖ，Ｗは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子２０ｏ_Ｕ，２０ｏ_Ｖ，２０ｏ_Ｗとなる。なお、上アーム２６、下アーム２７の夫々は、電力用半導体素子と逆並列に接続された寄生ダイオードまたは付与された逆並列ダイオードを備えている。

これらの上アーム２６と下アーム２７は、後述する制御部２４と絶縁・駆動部２３によって、出力端子２０ｏから任意の周波数、任意の電圧の三相交流電力を出力するように統括して制御される。

＜絶縁・駆動部２３、制御部２４＞
絶縁・駆動部２３は、制御部２４との絶縁を維持しつつ、上アーム２６や下アーム２７を駆動するものである。

また、制御部２４は、絶縁・駆動部２３を介して、上アーム２６や下アーム２７のスイッチング動作を制御し、交流直流変換部２１から出力された直流電力をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調して、所望の周波数、電圧の三相交流電力を生成し、生成した三相交流電力を出力端子２０ｏから出力する。これにより、制御部２４は、負荷装置４（三相モータ）の回転数やトルクを制御することができる。

具体的には、制御部２４は、三相交流電力の出力端子２０ｏ_Ｕ，２０ｏ_Ｖ，２０ｏ_Ｗに設けた制御用電流センサ２８_Ｕ，２８_Ｖ，２８_Ｗが検出した相電流Ｉ_Ｕ，Ｉ_Ｖ，Ｉ_Ｗを参照し、絶縁・駆動部２３を介して各相の上アーム２６と下アーム２７のスイッチング動作を統合的に制御する。

＜診断装置１＞
図１に示すように、診断装置１は、特徴量変換部１１、電圧極性検出部１２、抽出条件設定部１３、特徴量抽出部１４、制御部１５、通信端子１６、記憶媒体部１７、診断部１８を備える。インバータ２の出力端子２０ｏと接続される特徴量変換部１１の入力インピーダンスは、インバータ２の運用の妨げにならないように十分に高く設定されている。なお、診断装置１は、具体的には、ＣＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備えた計算機である。そして、記憶装置にロードされたプログラムを演算装置が実行することで、特徴量変換部１１等の各機能を実現するが、このような計算機分野での周知技術を適宜省略しながら説明する。

以下では、図２のフローチャートに沿って診断装置１による診断方法を説明する。なお、以下では、負荷装置４がエレベータの巻上機に組み込まれた三相モータであるものとして説明する。

まず、ステップＳ１では、作業員は、環境温度を計測する温度センサ１９ｔをインバータ２の近傍に設置する。なお、温度センサ１９ｔの設置場所は、空調などの影響を受けない場所である。

次に、ステップＳ２では、作業員は、出力端子２０ｏ_Ｕ，２０ｏ_Ｖ，２０ｏ_Ｗの各々に電圧プローブ１９ｖ_Ｕ、１９ｖ_Ｖ、１９ｖ_Ｗを接続する。

ステップＳ３では、作業員は、出力端子２０ｏと負荷装置４を接続する配線の各々に、相電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗを検出する診断用電流センサ１９ｉ_Ｕ、１９ｉ_Ｖ、１９ｉ_Ｗを接続する。なお、診断用電流センサ１９ｉを負荷装置４の近くに設置すると、配線の寄生インダクタンスや寄生容量による影響でノイズを受けやすくなり正確な相電流を計測できないため、診断用電流センサ１９ｉは、なるべく出力端子２０ｏの近くに接続するのがよい。

次に、ステップＳ４では、作業員は、診断装置１の電源を投入し、通信端子１６に接続したパソコン等の情報機器から初期値を読み込む。なお、初期値とは負荷装置４を組み込んだエレベータの設置年月日や、電圧極性検出部１２で利用する極性検出のための閾値（正閾値Ｖ_ｔｈ１、負閾値Ｖ_ｔｈ２）の値や、抽出条件設定部１３で利用する電圧条件Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４の値や、特徴量抽出部１４の設定や、診断部１８の診断アルゴリズムや、上アーム２６や下アーム２７の素子温度を推定するためのターンオフ時間と素子温度の相関データや、素子温度と劣化度の相関データや、劣化のマスターカーブ等である。なお、過去に読み込んだ初期値に変更がなければ電源投入の度に情報機器を接続する必要はなく、記憶媒体部１７に過去に記憶された初期値を再利用すればよい。

ステップＳ１〜Ｓ４の前処理が完了すると、ステップＳ５では、作業員は、エレベータを起動して往復運転を開始させ、診断装置１による計測を開始する。

ステップＳ６では、特徴量変換部１１は、エレベータの往復運転中の線間電圧を生成する。エレベータの往復運転中には、出力端子２０ｏの端子間に負荷装置４を駆動する電圧が発生する。特徴量変換部１１では、出力端子２０ｏ_Ｕ，２０ｏ_Ｖ，２０ｏ_Ｗの出力電位であるＶ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗの電位差を、線間電圧Ｖ_ＵＶ、Ｖ_ＶＷ、Ｖ_ＷＵとして出力する。

ステップＳ７では、電圧極性検出部１２は、線間電圧Ｖ_ＵＶ、Ｖ_ＶＷ、Ｖ_ＷＵの各々の極性を判定する。具体的には、ある線間電圧の電圧値を正閾値Ｖ_ｔｈ１または負閾値Ｖ_ｔｈ２と比較して、その線間電圧値が正閾値Ｖ_ｔｈ１より大きければその線間電圧の極性を正と判定し、その線間電圧値が負閾値Ｖ_ｔｈ２より小さければその線間電圧の極性を負と判定し、制御部１５に判定結果を送る。なお、線間電圧値の正負だけに依拠して線間電圧の極性を判定する方法も考えられるが、線間電圧値がゼロ付近にある場合は極性を正確に判断でいない可能性があるため、本実施例では、線間電圧値の絶対値が十分に大きい場合のみ、線間電圧の極性を判断している。

ステップＳ８では、抽出条件設定部１３は、電圧極性検出部１２の判定結果に応じて、特徴量を抽出する電圧条件を特徴量抽出部１４に設定する。具体的には、線間電圧の極性が正と判定された場合は正の電圧条件Ｖ_１、Ｖ_２を設定し（ステップＳ８ａ）、負と判定された場合は負の電圧条件Ｖ_３、Ｖ_４を設定する（ステップＳ８ｂ）。なお、線間電圧値がゼロ付近にあり極性を判定できなかった場合は、特徴量抽出部１４に既に設定されている電圧条件を維持する（ステップＳ８ｃ）。なお、ステップＳ８の処理は、線間電圧Ｖ_ＵＶ、Ｖ_ＶＷ、Ｖ_ＷＵの各々に対して実施される。

ステップＳ９では、特徴量抽出部１４は、抽出条件設定部１３から設定された電圧条件に従い、特徴量である線間電圧のターンオフ時間を計測する。具体的には、線間電圧が正極性である場合は、正の電圧条件Ｖ_１、Ｖ_２を用いて線間電圧のターンオフ時間を計測し（ステップＳ９ａ）、線間電圧が負極性である場合は、負の電圧条件Ｖ_３、Ｖ_４を用いて線間電圧のターンオフ時間を計測する（ステップＳ９ｂ）。なお、ステップＳ９の処理は、線間電圧Ｖ_ＵＶ、Ｖ_ＶＷ、Ｖ_ＷＵの各々に対して実施される。

ステップＳ１０では、特徴量抽出部１４は、線間電圧Ｖ_ＵＶ、Ｖ_ＶＷ、Ｖ_ＷＵの各々の特徴量（ターンオフ時間）を診断部１８に送信する。

ステップＳ１１では、診断部１８は、時間計測結果、線間電圧値、相電流値、温度センサ値の各々にタイムスタンプを付与し診断を行う。診断方法の詳細は後述する。なお、この診断は診断部１８でなくとも、通信端子１６を介して接続したパソコンなどの端末やサーバなどで行ってもよい。

ステップＳ１２では、診断部１８または作業者は、測定を継続するか判定する。そして、診断に必要な特徴量が取得できていればエレベータ往復運転を停止し計測を終了し、そうでなければ継続して計測する。

診断装置１の制御部１５は、図２のフローチャートに従って極性判定と抽出条件の設定をリアルタイムにおこなうことで、インバータ２の出力端子２０ｏに取り付けた診断用電流センサ１９ｉ、電圧プローブ１９ｖの出力信号から、エレベータ稼働中の特徴量（線間電圧のターンオフ時間）を抽出することが可能になる。

ここで、図３を使って、線間電圧のターンオフと電力用半導体素子（上アーム２６または下アーム２７）のターンオフの関係の一例について説明する。

図３（ａ）は、図１のＵ相レグの近傍を拡大した図であり、相電流Ｉ_Ｕが接続点Ｕから負荷装置４に向かう方向を相電流の正方向と定義している。

図３（ｂ）は、相電流Ｉ_Ｕが正方向に流れ、Ｖ相の接続点Ｖの電位がＶ_Ｎのときのタイムチャートである。ここでは、上アーム２６_Ｕのコレクタエミッタ間電圧Ｖ_ＣＥ１のターンオンとターンオフは、下アーム２７_Ｕのコレクタエミッタ間電圧Ｖ_ＣＥ２のオフ期間に発生する。Ｖ_ＣＥ１がオフの時はＶ_ＣＥ２がオンとなるため、接続点Ｕの出力電位Ｖ_ＵはＶ_Ｎとなり、Ｖ_ＣＥ１がオンの時はＶ_ＣＥ２がオフとなるためＶ_Ｕの電位はＶ_Ｐとなる。よって、線間電圧Ｖ_ＵＶが正極性のときの立ち上がり電圧からから上アーム２６_Ｕのターンオンを、立ち下り電圧から上アーム２６_Ｕのターンオフを抽出することができる。

一方、図３（ｃ）は、相電流Ｉ_Ｕが負方向に流れ、Ｖ相の接続点Ｖの電位がＶ_Ｐのときのタイムチャートである。ここでは、下アーム２７_Ｕのコレクタエミッタ間電圧Ｖ_ＣＥ２のターンオンとターンオフは、上アーム２６_Ｕのコレクタエミッタ間電圧Ｖ_ＣＥ１のオフ期間に発生する。Ｖ_ＣＥ２がオフの時はＶ_ＣＥ１がオンとなるため、接続点Ｕの出力電位Ｖ_ＵはＶ_Ｐとなり、Ｖ_ＣＥ２がオンの時はＶ_ＣＥ１がオフとなるためＶ_Ｕの電位はＶ_Ｎとなる。よって、線間電圧Ｖ_ＵＶが負極性のときの立ち下がり電圧からから下アーム２７_Ｕのターンオンを、立ち上り電圧から上アーム２７_Ｕのターンオフを抽出することができる。

このようにして、線間電圧の極性から上アーム２６や下アーム２７のターンオフ波形を抽出することができる。図３に示したように、相電流は振幅が時間で変化するだけでなく、ゼロクロス付近では相電流の極性が変わる前に線間電圧の極性が変わることがある。これは誤検出につながるため、本実施例では、相電流の方向ではなく線間電圧の正負に基づいて極性を検出する。なお、本実施例では、線間電圧の極性と相電流の極性が同じ場合を例示したが、線間電圧波形には上アームのターンオフ（ターンオン）の波形、または、下アームのターンオフ（ターンオン）の波形が含まれており、線間電圧の極性で上アームか下アームかを分離できること説明するのが、図３を説明した意図である。

次に、図４を参照して、診断装置１における特徴量抽出処理までを説明する。

図４は、インバータ２の出力電位Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖを特徴量変換部１１で変換した線間電圧Ｖ_ＵＶから、特徴量（ターンオフ時間）を抽出する処理を説明する図であり、特徴量変換部１１から出力される線間電圧Ｖ_ＵＶ（実線）と、電圧極性検出部１２に設定された正閾値Ｖ_ｔｈ１、負閾値Ｖ_ｔｈ２（破線）と、抽出条件設定部１３に設定された正の電圧条件Ｖ_１、Ｖ_２、負の電圧条件Ｖ_３、Ｖ_４（一点鎖線）と、Ｕ相電流Ｉ_Ｕの時間変化の関係を図４（ａ）に示し、特徴量抽出部１４で生成されるターンオフ時間をパルス幅（二点鎖線）に変換した電圧波形を図４（ｂ）に示している。

図４（ａ）において、線間電圧Ｖ_ＵＶが正閾値Ｖ_ｔｈ１より大きい期間では、電圧極性検出部１２は線間電圧Ｖ_ＵＶが正極性であると判断し、抽出条件設定部１３は正の電圧条件Ｖ_１、Ｖ_２（Ｖ_１＞Ｖ_２とする）を出力する。そして、特徴量抽出部１４では、線間電圧Ｖ_ＵＶがＶ_２からＶ_１に上昇する時間と、Ｖ_１からＶ_２に下降する時間を、図４（ｂ）に示すようにパルス幅として診断部１８に出力する。

一方、線間電圧Ｖ_ＵＶがＶ_ｔｈ２より小さい期間では、電圧極性検出部１２は線間電圧Ｖ_ＵＶが負極性であると判断し、抽出条件設定部１３は負の電圧条件Ｖ_３、Ｖ_４（Ｖ_３＞Ｖ_４とする）を出力する。そして、特徴量抽出部１４では、線間電圧Ｖ_ＵＶがＶ_３からＶ_４に下降する時間と、Ｖ_４からＶ_３に上昇する時間を、図４（ｂ）に示すようにパルス幅として診断部１８に出力する。

なお、線間電圧Ｖ_ＵＶの波形は、図４（ａ）に例示するように、ターンオン時やターンオフ時にオーバーシュートが発生したり、三相交流電源３の電圧変動で定常状態の最大振幅値も変動したりすることがある。そのため、正閾値Ｖ_ｔｈ１、負閾値Ｖ_ｔｈ２を、線間電圧の振幅中央値付近や、オーバーシュート部分、定常状態の最大振幅値付近に設定すると、振幅中央値付近ではノイズの影響により、また、最大振幅値付近ではオーバーシュートの影響により、線間電圧の正負極性を間違って検出する頻度が高くなり、診断部１８での診断精度が低くなるため、正閾値Ｖ_ｔｈ１や負閾値Ｖ_ｔｈ２は線間電圧の振幅中央値と定常状態の最大電圧値の０％付近（振幅中央値付近）や１００％付近（最大振幅値付近）を避けた、２０％〜８０％に設定するのが好適である。また、抽出条件設定部１３が出力する条件電圧は各極性に２つ設け、独立した値を設定できるようにすることで、線間電圧のオフセットなどの問題に対応することが可能となる。

次に、図５を参照して、図４に示した特徴量抽出処理に続く、診断処理について説明する。

図５（ａ）は、診断装置１が取得した正サイクルの相電流であり、図５（ｂ）は、図４の処理により診断装置１が取得したターンオフ時間である。上述したように、相電流のゼロクロス付近には線間電圧の極性が反転する部分があることと、相電流のピーク付近ではターンオフ時間の変化が小さいことを考慮して、両者を除外すると、ターンオフ時間と相電流は、図５（ｃ）に示すように、相関の強い線形性を持つため、一次関数で近似することができる。これまでの経験上、決定係数（Ｒ２）値はおよそ０．６〜０．９であることがわかっている。この近似式を診断に使うことで、任意の電流値のターンオフ時間を求めることができ、データ数の大幅な削減が可能となり、診断部１８の処理負荷を軽減することが可能となる。

図６は、稼働中のエレベータから相電流を計測し、計測した相電流と図５の近似式から求めた、電力用半導体素子（例えば、下アーム２７_Ｕ）のターンオフの時間変化である。エレベータの起動直後は、比較的低い環境温度から温度上昇を開始するため温度上昇幅が大きく、時間が経過するとインバータの放熱部とのバランスがとれるため飽和してくる。図６（ａ）では、ターンオフ時間変化量が、エレベータの起動直後は上昇幅が大きく、時間が経過すると飽和しているため、上記した温度の変化がターンオフ時間の変化量でよくあらわされていることが分かる。

また、図６（ｂ）に示したように、過去の同条件下での計測結果が点線であり、現在の同条件下での計測結果が実線だとすると、経年により、この温度上昇分ΔＴだけインバータ２の劣化が進行したということになる。このようにして、近似式を用いることで任意の相電流に対応するターンオフ時間を求めることができ、その変化から温度変化や、インバータ２の劣化を診断することができる。

＜初期値データの入力方法＞
次に、図７を参照して、本実施例に係る診断システムにおける、初期値データの入力方法について説明する。図２のステップＳ４に示した初期値はエレベータの機種毎に異なるため、作業員は診断に先立ち、診断装置１に初期値を設定する必要があるが、設定値の入力ミス防止、作業効率を良くするために以下の形態で初期値の設定をおこなう。

通信端子１６に接続される端末の初期値設定画面７には、エレベータのサイト名入力欄７１、機種名入力欄７２、識別番号入力欄７３、初期値読み込みボタン７４が表示されており、各入力欄のプルダウンメニューから診断するエレベータの情報を選択し、初期値読み込みボタン７４を押すと端末内に保存されている初期値データであるエレベータ設置年月日と、極性判定のための正閾値Ｖ_ｔｈ１、負閾値Ｖ_ｔｈ２と、特徴量を抽出するための電圧条件Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｖ_４と、診断のためのターンオフ時間−素子温度相関データと寿命予測カーブを診断システムに設定することができる。これにより、作業員は入力ミスを防ぎつつ、効率よく初期値の設定を行うことができる。

＜診断結果の表示方法＞
次に、図８Ａ、図８Ｂを参照して、本実施例に係る診断システムにおける、診断結果の表示方法について説明する。

図８Ａは、通信端子１６に接続される端末の診断結果表示画面８の一例である。ここには、診断したエレベータのサイト名８１、機種名８２、識別番号８３、設置年月日８４、運転年数８５、診断開始ボタン８６、診断結果８７が表示されており、診断開始ボタン８６を押すと、インバータ２の上アーム２６と下アーム２７に対して、上記した診断を行う。診断結果はｃｓｖなどのテキストベースの電子ファイルとして保存する。ファイル名にはサイト名、機種名、識別番号、診断日、素子温度を含ませるのが好ましい。

図８Ｂは、診断結果８７の表示内容を具体的に示しており、表示させたい電力半導体素子（上アーム２６、下アーム２７）の診断結果を選択する素子選択ボタン８７ａ、素子交換時期が近い素子を選択して表示させるボタン８７ｂ、ボタン８７ａまたはボタン８７ｂによって選択した素子の交換時期を表示する表示欄８７ｃ、素子交換までの月数（または年数、日数）を表示する表示欄８７ｄを少なくも備えている。さらに診断結果のグラフ表示８７ｅのように診断結果の履歴、素子交換時期（予測値）、故障時期（予測値）を表示させてもよい。その場合、診断結果の電子ファイル名にはサイト名、機種名、識別番号、診断日、素子温度を含んでおくと検索時間を短縮できる。

以上で説明した本実施例の診断システムによれば、既設の電力変換装置（インバータ）に取り付けたセンサの出力信号を用いて、ＩＧＢＴ等の電力用半導体素子のターンオフ時間を従来よりも正確に測定できるため、その正確な測定結果を利用して、電力用半導体素子を備えたインバータの温度や劣化をより正確に診断することができる。

次に、図９を参照して本発明の実施例２に係る診断装置について説明する。なお、実施例１との共通点は重複説明を省略する。

実施例１では、診断を行う際に、エレベータの動作内容を特に考慮していなかったが、エレベータの上昇時と下降時では、負荷装置４（三相交流モータ）の負荷が異なることもあるため、エレベータの動作内容を考慮して診断を行えば、より高精度な診断を行うことができる。そこで、本実施例では、エレベータの動作状況を考慮して、診断を行うこととした。

図９は、エレベータのインバータを診断する際の、本実施例のフローチャートである。実施例１の図２で説明したように、診断装置１の診断部１８では、特徴量抽出部１４の時間計測結果データを受けたときの診断用電流センサ１９ｉの相電流値、線間電圧値、温度センサ１９ｔのデータをタイムスタンプで管理している。

＜診断方法＞
まず、ステップＳ２１では、エレベータ上昇時のデータを抽出する。エレベータは上昇時（ｕｐ）と下降時（ｄｏｗｎ）で負荷装置４の状況が異なるため、データを上昇時と下降時に分離する必要がある。これはタイムスタンプとエレベータの稼働時刻が一致していれば分離が容易である。また、診断装置でデータを取得するときの再現性を確保するため運転方法は決めておく必要がある。例えば、かごの中は空として、最下階から最上階への上昇と下降の往復運転を決められた分速で決められた時間運転させるなどである。ここでは上昇時のデータで診断するとして説明する。

次に、ステップＳ２２では、相電流値に対するターンオフ時間を抽出する。これは、図５で説明した方法などである電流値のターンオフ時間を時系列毎に求める。

ステップＳ２３では、ターンオフ時間−素子温度の関係から、素子温度を算出する。これは、あらかじめ電力用半導体素子のダブルパルス試験などで取得したターンオフ時間と素子温度の相関データから素子温度に変換する。

ステップＳ２４では、素子温度上昇分を求める。この際、温度センサ１９ｔで取得した温度と求めた素子温度の差から環境温度の影響を取り除く。

ステップＳ２５では、過去のデータと比較する。次に同じように取得した過去の温度結果と比較し温度上昇分を求める。

ステップＳ２６では、寿命予測カーブから電力用半導体素子の交換時期及び故障時期を予測あらかじめ作成しておいた取得した素子温度から劣化度を推定し、その劣化度から故障時期や交換時期を求める寿命予測カーブを使って予測する。温度上昇と劣化度の関係は電力用半導体素子メーカーから入手可能なパワーサイクル試験結果とエレベータの運行パタンを基に作成できる。

１００…電力変換システム、
１…診断装置
１１…特徴量変換部
１２…電圧極性検出部
１３…抽出条件設定部
１４…特徴量抽出部
１５…制御部
１６…通信端子
１７…記憶媒体部
１８…診断部
１９ｉ（１９ｉ_Ｕ、１９ｉ_Ｖ、１９ｉ_Ｗ）…診断用電流センサ
１９ｔ…温度センサ
１９ｖ（１９ｖ_Ｕ、１９ｖ_Ｖ、１９ｖ_Ｗ）…電圧プローブ
２…インバータ
２０ｉ（２０ｉ_Ｒ，２０ｉ_Ｓ，２０ｉ_Ｔ）…入力端子
２０ｏ（２０ｏ_Ｕ，２０ｏ_Ｖ，２０ｏ_Ｗ）…出力端子
２１…交流直流変換部
２２…平滑コンデンサ
２３…絶縁・駆動部
２４…制御部
２５…寄生インダクタンス
２６（２６_Ｕ，２６_Ｖ，２６_Ｗ）…上アーム
２７（２７_Ｕ，２７_Ｖ，２７_Ｗ）…下アーム
２８（２８_Ｕ，２８_Ｖ，２８_Ｗ）…制御用電流センサ
３…三相交流電源
４…負荷装置
７…初期値設定画面
８…診断結果表示画面

Claims (7)

1. 入力電力を多相交流電力に変換して出力する電力変換装置の診断システムであって、
   前記電力変換装置の出力端子から取得した各相の出力電位を線間電圧に変換する特徴量変換部と、
   前記線間電圧が正閾値より大きい場合に線間電圧波形を正極性と判断し、前記線間電圧が負閾値より小さい場合に線間電圧波形を負極性と判断する電圧極性検出部と、
   電圧極性検出部が求めた極性に基づいて電力用半導体素子のターンオフ時間を抽出する特徴量抽出部と、
   該特徴量抽出部が抽出したターンオフ時間と、前記電力変換装置の出力端子から取得した各相の電流値の相関から前記電力用半導体素子の劣化を診断する診断部と、
   を備えることを特徴とする、電力変換装置の診断システム。
2. 請求項１に記載の電力変換装置の診断システムにおいて、
   前記電圧極性検出部に設定される正閾値または負閾値は、線間電圧振幅の振幅中央値付近や最大振幅値付近を避けて設定されていることを特徴とする電力変換装置の診断システム。
3. 請求項１に記載の電力変換装置の診断システムにおいて、
   前記特徴量抽出部は、
   前記線間電圧波形が正極性と判断された場合は、前記線間電圧波形が正値の電圧条件である第一電圧から第二電圧に変化した時間、または、前記第二電圧から前記第一電圧に変化した時間を、前記電力用半導体素子のターンオフ時間とし、
   前記線間電圧波形が負極性と判断された場合は、前記線間電圧波形が負値の電圧条件である第三電圧から第四電圧に変化した時間、または、前記第四電圧から前記第三電圧に変化した時間を、前記電力用半導体素子のターンオフ時間とすることを特徴とする電力変換装置の診断システム。
4. 請求項１に記載の電力変換装置の診断システムにおいて、
   作業者が初期設定を行う際に表示される初期値設定画面では、
   診断対象の電力変換装置のサイト名、機種名、識別番号を入力すると、
   前記電圧極性検出部の閾値条件、前記特徴量抽出部の電圧条件、前記電力変換装置の設置年月日、ターンオフ時間−素子温度相関データ、寿命予測カーブの少なくとも一つが初期値として設定されることを特徴とする電力変換装置の診断システム。
5. 請求項１に記載の電力変換装置の診断システムにおいて、
   作業者が診断結果を確認する際に表示される診断結果表示画面には、
   診断対象の電力変換装置のサイト名、機種名、識別番号、設置年月日、運転年数、および、診断結果が表示されることを特徴とする電力変換装置の診断システム。
6. 請求項５に記載の電力変換装置の診断システムにおいて、
   前記診断結果として、前記電力用半導体素子の交換推奨時期と、診断履歴を表示させることを特徴とする電力変換装置の診断システム。
7. 入力電力を多相交流電力に変換して出力する電力変換装置の診断方法であって、
   前記電力変換装置の出力端子から取得した各相の出力電位を線間電圧に変換し、
   前記線間電圧が正閾値より大きい場合は線間電圧波形を正極性と判断し、
   前記線間電圧が負閾値より小さい場合は線間電圧波形を負極性と判断し、
   前記線間電圧波形の極性に基づいて電力用半導体素子のターンオフ時間を抽出し、
   該ターンオフ時間と、前記電力変換装置の出力端子から取得した各相の電流値の相関から前記電力用半導体素子の劣化を診断することを特徴とする、電力変換装置の診断システム。

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