JPH03261877A - 電力変換装置及びインバータ装置 - Google Patents

電力変換装置及びインバータ装置

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JPH03261877A
JPH03261877A JP2060321A JP6032190A JPH03261877A JP H03261877 A JPH03261877 A JP H03261877A JP 2060321 A JP2060321 A JP 2060321A JP 6032190 A JP6032190 A JP 6032190A JP H03261877 A JPH03261877 A JP H03261877A
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temperature
degree
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清俊 田中
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、電動機の速度制御に用いられるインバータ
装置のメンテナンスに関するものである。
[従来の技術] インバータ装置は周知のように、インバータ主回路に整
流素子、平滑コンデンサ、半導体スイッチング素子を備
えている9このインバータ主回路の点検は、インバータ
の定期点検時に整流素子や半導体スイッチング素子の場
合には各端子間の抵抗値をチエツクすることで、また平
滑コンデンサの場合には静電容量を測定することで行わ
れ、これによりそれぞれ異常の有無が判定され、これに
基づき部品交換等適当な処置が施されてきた。
[発明が解決しようとする課題] インバータ主回路の整流素子、平滑コンデンサ、半導体
スイッチング素子等の部品の寿命は、周囲温度と使用条
件により大きく左右される。
従って、これらの部品の劣化は成る時期より急速に進む
ことが多く、従来のような定期点検では部品の異常を発
見できず、インバータ装置の故障にまで至ってしまう場
合がある。また整流素子や半導体スイッチング素子の場
合は、各端子間の抵抗値をチエツクするだけでは異常や
故障の判定はできないことが多い。
この発明はかかる従来の課題を解決するためになされた
もので、インバータ主回路の整流素子、平滑コンデンサ
、半導体スイッチング素子の寿命時期を推定し、寿命時
期に達した部品を表示することができ、故障を未然に防
ぐことのできるインバータ装置を提供することを目的と
するものである。
[課題を解決するための手段] 請求項1に係る発明のインバータ装置は、インバータ主
回路の整流素子と半導体スイッチング素子の各ジャンク
ション温度を、電流値及び放熱フィン温度により推定す
る整流素子温度推定手段と半導体スイッチング素子温度
推定手段、この推定したジャンクション温度にもとづき
前記整流素子または半導体スイッチング素子の疲労の程
度をそれぞれ推定する整流素子運転履歴演算手段と半導
体スイチッング素子運転履歴演算手段、各疲労の程度が
所定値以上に達したか否かをそれぞれ判定する整流素子
寿命判定手段と半導体スイッチング素子寿命判定手段、
疲労の程度が所定値以上に達した場合に寿命部品を表示
する表示手段を備えたものである。
請求項2に係る発明のインバータ装置は、インバータ主
回路の平滑コンデンサの劣化の程度を、・電流入力手段
と平滑コンデンサ周囲温度の入力手段により入力した電
流値、平滑コンデンサの周囲温度により推定する平滑コ
ンデンサ運転履歴演算手段、劣化の程度が所定値以上に
達したか否かを判定する平滑コンデンサ寿命判定手段、
疲労の程度が所定値以上に達した場合に当該部品を表示
する表示手段を備えたものである。
また請求項3に係る発明のインバータ装置は、インバー
タ主回路の平滑コンデンサの劣化の程度を、電流入力手
段により入力した電流値、放熱フィン温度入力手段によ
り入力した放熱フィン温度により推定した平滑コンデン
サ周囲温度により推定する平滑コンデンサ運転履歴演算
手段、劣化の程度が所定値以上に達したか否かを判定す
る平滑コンデンサ寿命判定手段、疲労の程度が所定値以
上に達した場合に当該部品を表示する表示手段を備えた
ものである。
さらに請求項4に係る発明のインバータ装置は、特に部
品の疲労または劣化の程度の状態を運転履歴記憶手段に
て停電時に記憶回路に転送し、通電時に記憶回路より復
帰する手段を備えたものである。
[作用コ 請求項1に係る発明のインバータ装置においては、イン
バータ主回路の整流素子と半導体スイッチング素子の各
ジャンクション温度が、電流入力手段、放熱フィン温度
入力手段により入力した電流値及び放熱フィン温度によ
り整流素子温度推定手段または半導体スイッチング素子
温度推定手段により推定される。そしてこの推定された
ジャンクション温度にもとづき前記整流素子または半導
体スイッチング素子の疲労の程度が、整流素子運転履歴
演算手段または半導体スッチング素子運転履歴演算手段
によって推定される。さらに各疲労の程度が所定値以上
に達したか否かが整流素子寿命判定手段または半導体ス
イッチング素子寿命判定手段により判定され、疲労の程
度が所定値以上に達した場合には寿命部品が表示手段で
表示されることになる。
従って、整流素子や半導体スイッチング素子のジャンク
ション温度の上昇、下降による熱疲労を監視でき、故障
に至るまえに寿命であることが分かるようになる。
請求項2に係る発明のインバータ装置においては、イン
バータ主回路の平滑コンデンサの劣化の程度が、電流入
力手段と平滑コンデンサ周囲温度の入力手段により入力
した電流値、平滑コンデンサの周囲温度により平滑コン
デンサ運転履歴演算手段により推定される。そして推定
された劣化の程度が所定値以上に達したか否かが平滑コ
ンデンサ寿命判定手段により判定され、疲労の程度が所
定値以上に達した場合は当該部品が表示手段で表示され
ることになる。従って、平滑コンデンサの温度等による
劣化を監視でき、故障に至るまえに寿命であることが分
かるようになる。
請求項3に係る発明のインバータ装置においては、イン
バータ主回路の平滑コンデンサの劣化の程度が、電流入
力手段により入力した電流値、放熱フィン温度入力手段
により入力した放熱フィン温度により推定した平滑コン
デンサ周囲温度により平滑コンデンサ運転履歴演算手段
により推定される。推定された劣化の程度が所定値以上
に達したか否かが平滑コンデンサ寿命判定手段により判
定され、疲労の程度が所定値以上に達した場合は当該部
品が表示手段で表示されることになる。従って、平滑コ
ンデンサの温度等による劣化を監視でき、故障に至るま
えに寿命であることが分かるようになる。
さらに請求項4に係る発明のインバータ装置においては
、特に部品の疲労又は劣化の程度の状態が停電時には記
憶回路に転送されるので、停電等があってもいままでの
疲労した度合いのデータが消失されることなく保持され
、通電時には疲労した度合いのデータを復帰させること
ができるようになる。
[実施例] 第1図から第8図までの各図はいずれもこの発明の一実
施例を示し、その第1図はインバータ装置の回路構成図
である。同図において、1は整流素子、2は平滑コンデ
ンサ、3は半導体スイッチング素子で、これらによりイ
ンバータ装置の主回路が構成されている。半導体スイッ
チング素子3は、例えばトランジスタ4と還流ダイオー
ド5とをそれぞれ逆並列に接続してなる6本のアームか
ら3相形に構成され、負荷の誘導電動F!16を可変速
運転させることができる。
7は電流検出回路で、インバータ装置の直流電源ライン
に例えばホール素子により構成した電流検出部材7aを
設けてなり、主回路の電流を検出する。10は整流素子
1及び半導体スイッチング素子3を冷却する放熱フィン
11の温度を検出する温度検出素子I、12は平滑コン
デンサ2の周囲温度を検出する温度検出素子■で、それ
ぞれ例えばサーミスタなどの感熱素子により構成されて
いる。
8はマイクロコンピュータ(以下マイコンと略称する〉
を含む制御回路で、半導体スイッチング素子3を駆動す
るベースドライブ回路9へ信号を送り、半導体スイッチ
ング素子3を制御し、誘導電動機6を可変速運転させる
とともに、電流積出回N7により主回路に流れる電流値
を入力し、また温度検出素子110により放熱)イン1
1の温度を、温度検出素子1112により平滑コンデン
サ2の周囲温度をそれぞれ入力する。13は表示手段で
、例えばLEDにより構成され、インバータ装置の運転
状態(例えば運転周波数など)を表示するとともに、寿
命に達し交換を要する部品があればそれを表示する。
14は停電時でも記憶されたデータが消失することのな
いように、例えばE E P ROMで構成された不揮
発性の記憶回路である。
第2図は制御回路8のマイコンに内蔵されたプログラム
の寿命推定手段の構成図で、同図における23は整流素
子温度推定手段である。これは電流検出回路7より電流
入力手段20によって入力した電流値Iと、温度検出素
子110より放熱フィン温度入力手段21によって入力
した放熱フィン11の温度Tt(sより整流素子1のジ
ャンクション温度TDjを推定する。24は半導体スイ
ッチング素子温度推定手段で、電流値■と温度’1ll
sより半導体スイッチング素子3のジャンクション温度
Tojを推定する。
26は整流素子運転履歴演算手段、27は半導体スイッ
チング素子運転履歴演算手段、28は平滑コンデンサ運
転履歴演算手段で、それぞれ整流素子1、半導体スイッ
チング素子3、平滑コンデンサ2の消耗の度合いを演算
する。25は運転履歴記憶手段で、整流素子運転履歴演
算手段26、半導体スイッチング素子運転履歴演算手段
27、平滑コンデンサ運転履歴演算手段28で演算した
結果を、例えば停電等の時でも消失することのないよう
に記憶する。即ち、停電を検出したときには所定時間毎
に演算した結果を記憶回路14に転送し、逆に通電時に
はマイコンに記憶内容を復帰させる。29は整流素子l
が寿命に達したか否かを判定する整流素子寿命判定手段
、30は半導体スイッチング素子3が寿命に達したか否
かを判定する半導体スイッチング素子寿命判定手段、3
1は平滑コンデンサ2が寿命に達したか否かを判定する
平滑コンデンサ寿命判定手段で、それぞれ整流素子運転
履歴演算手段26、半導体スイッチング素子運転履歴演
算手段27、平滑コンデンサ運転履歴演算手段28で得
られた結果と所定値との比較により、整流素子1、半導
体スイッチング素子3、平滑コンデンサ2が寿命に達し
たかどうかを判定する。整流素子寿命判定手段29、半
導体スイッチング素子寿命判定手段30、平滑コンデン
サ寿命判定手段31の出力は、表示手段13に入力され
、表示手段13は寿命に達した当該部品を表示する。
次に、動作について第3図と第4図のフローチャート及
び第5図と第6図の各説明図により説明する。始めに整
流素子1の寿命の判定について説明すると、整流素子1
等の半導体素子は、素子に流れる電流による自己発熱に
よる熱疲労により劣化し、素子の割れやダイボンドの割
れ等が発生するため、所定の寿命があることが知られて
いる。この寿命は、後述するように半導体材料やその構
造が一定であれば自己発熱等による繰り返し回数とその
温度差により推定できる。従って、この寿命を判定する
ため番二6よ整流素子1のジャンクション温度を知る必
要がある。
整流素子1のジャンクション温度TDjは、電流値I、
放熱フィン11の温度THsにより整流素子温度推定手
段23により次の計算式に基づいて推定する。
TDj=T cIj−c+Ttls ここで、T D j −cは整流素子1のジャンクショ
ンとケース間の温度差、THsは放熱フィン11の温度
、8Dj−cは整流素子1のジャンクションとケース間
の熱抵抗、 PDは整流素子1の損失、VDは整流素子
1の順方向電圧、IDは整流素子1の推定電流、■は検
出電流である。またID=1・定数、PD=ID、VD
、Tpj  c=f3Dj−c・PDである。
一方、整流素子1のジャンクション温度Tt)jは、イ
ンバータ装置の運転、停止により時間とともに変化する
。その様子を横軸に時間tを、縦軸にジャンクション温
度TDjをとった第5図に示した。図より、インバータ
装置が運転しているときは、TDjが上昇し、停止して
いるときはTDjが下降する。つまり、インバータ装置
が停止したときTDjulに達し、運転を再開したとき
にTDjL+に達し、以下TOju2 、Toj L2
  ・ ・ ’と繰り返す。
このように変化するTDjを上記整流素子温度推定手段
23により常に監視することによりその温度差△Tjを
求めこれにより寿命を推定する。
また半導体素子の熱疲労による寿命は、下記の式にて推
定できることが知られている。
n xD×△T=に こで、nはサイクル寿命、Dは半田接合部の一辺の長さ
、△Tは温度差、Cは定数である。
上式より、D、Cは半導体の機種により決まる固有値で
あるので、k−(C/Dfとすると、上式はn=k・△
Tとなる。
この実施例では、上式を用いて整流素子1が寿命に達し
たかどうかを判定するが、温度差△Tは使用方法、運転
時間等により異なり常に一定値とは限らない。従って、
過去の運転により整流素子1がどの程度熱疲労を受けた
か、つまり過去の運転履歴を記憶する必要がある。これ
を整流素子運転履歴演算手段26で行っている。
この整流素子運転履歴演算手段26のプログラムの内容
を第3図のフローチャートにより示した。即ち、半サイ
クルの熱疲労を基準温度差△T D j sのときの熱
疲労サイクル回数に換算し、それを積算するようにして
いる。つまり、△nD−(△TDj/△TDjs) ・
1/2により計算した△nDを積算する。第3図のフロ
ーチャートにより説明すると、ステップ40で整流素子
1のジャンクション温度TDjが最大または最小に達し
たかを判断する。つまり、第5図のT D j uかT
DjLの位置かどうかを判定する。この時、TDjが最
大または最小でなかったらプログラムを終了する。最大
ならばステップ41に進み、 △T”1=TDju−TDj L によりΔTDjを計算する。ステップ42では前述した
計算式により、△nDを算出し、ステップ43で過去の
△nDの積算値nDpに△nDを加えプログラムを終了
する。ただし、このプログラムはメインプログラムのタ
スクとして常に繰り返して実行される。このようにして
積算したnDpにより整流素子寿命判定手段29により
、nDpが予め設定した所定値以上になり、寿命に達し
たかどうか判定し、寿命に達した場合は表示手段13に
より整流素子lが寿命であることを表示する。
次に半導体スイッチング素子3の寿命の判定について説
明する9 半導体スイッチング素子3も整流素子lと同様に熱疲労
により劣化し所定の寿命があり、整流素子1と同様な仕
方でその寿命を判定することができるが、半導体スイッ
チング素子温度推定手段24は前述の整流素子温度推定
手段23と異なっている。ここではこの半導体スイッチ
ング素子温度推定手段24について説明し、半導体スイ
ッチング素子運転履歴演算手段27、半導体スイッチン
グ素子寿命判定手段30については整流素子1の場合と
同様であるのでその説明を省略する。
半導体スイッチング素子3のジャンクション温度Ttj
は、電流値I、放熱フィン11の温度TI′Isにより
半導体スイッチング素子温度推定手段24にて次の計算
式により推定する。
Ttj−=Ttj−c+TMs ここで、Ttj−cは半導体スイッチング素子3のジャ
ンクションとケース間の温度差、TH5は放熱フィン1
1の温度、θtj−cは半導体スイッチング素子3のジ
ャンクションとケース間の熱抵抗、PTは半導体スイッ
チング素子3の損失、VTは半導体スイッチング素子3
のON電圧、ITは半導体スイッチング素子3の推定電
流、■は検出電流、Pt5wは半導体スイッチング素子
3のスイッチング損失である。
またIT二I・定数、PT= IT・VT十Pt5w、
Tt j−c−f31’t j−PTである。
次に、平滑コンデンサ2の寿命の判定について説明する
インバータ装置の平滑コンデンサ2には、アルミニウム
電解コンデンサが一般に使われている。このアルミニウ
ム電解コンデンサ(以下電解コンデンサという)は電気
化学的な作用を基に構成された部品であり、通常液体で
ある電解液を用いていることから、電解液の消費や外部
への飛散により特性が劣化し、寿命に至る。電解コンデ
ンサの寿命に影響を与える主な要因は、温度とリップル
電流であり、寿命とこれらの関ここで、tは温度Tのと
きの寿命時間、tsは温度Tsのときの寿命時間、Bは
リップル電流による加速係数で、このBは電解コンデン
サの種類により決定される係数で、リップルを流の関数
である。第6図は上記Bとリップル電流の関係を示した
一例で、横軸はリップル電流Irと定格リップル電流I
rsの比の2乗(Ir/ I r s )’で示し、縦
軸はBの値をLOG目盛りで表しである。
この実施例の平滑コンデンサ2も電解コンデンサであり
、平滑コンデンサ2の寿命は、上記計算式により計算で
きる。この計算式の中でリップル電流1rは、インバー
タ装置の電流値Iと強い相関があり、 Ir=I・定数により得られる。
しかし、平滑コンデンサ2は、一定の周囲温度T、リッ
プル電流Irで使用されることはないので、整流素子1
等の場合のように過去どれ程劣化したかの運転履歴を記
憶しておく必要がある。これを行っているのが平滑コン
デンサ運転履歴演算手段28であり、そのプログラム内
容を第4図にフローチャートで示した。このプログラム
は所定時間△を毎にメインプログラムのタスクとして実
行され、△tを前記電解コンデンサの寿命計算式を変形
した次式により基準温度tsのときの運転時間△tpに
換算し、それを積算するようにしている。
0 第4図のフローチャートにより説明すると、ステップ4
4によりBを計算する。BはIrを■より求めその■に
より第6図に示すような関係をプログラムにて得るよう
に楕威し求める。
ステップ45で上式により△tpを計算する。
ここでTは平滑コンデンサ周囲温度入力手段22により
得られた値を用いる。ステップ46では過去の△tpの
積算値tpに△tpを加えプログラムを終了する。この
ようにして、積算したtpにより、平滑コンデンサ寿命
判定手段31により、tpが予め設定した所定値以上に
なって寿命に達したかどうかを判定し、寿命に達した場
合には表示手段13により平滑コンデンサ2が寿命であ
ることを表示する。
以上説明した中で、表示手段13によりどの部品が故障
したのかを識別できるように表示しなければならないが
、これは各部品に番号をつけて番号表示するようにする
とか、絵表示で表すとか、音声によるとか、インバータ
装置にホストコンピュータを標準インターフェイス、例
えばR3−232C等により接続しホストコンピュータ
の端末にて表示する等種々の方法がある。
次に第7図により本発明の他の実施例を説明する。第7
図は制御回路8のマイコンに内蔵されたプログラムの寿
命推定手段の構成図である。
この実施例では、平滑コンデンサ2の温度を平滑コンデ
ンサ周囲温度入力手段22によらず、平滑コンデンサ温
度推定手段33により演算によって求めており、その他
は前記の実施例の場合と同様である。
平滑コンデンサ2の周囲温度と放熱フィン11の温度と
の間には相関があり、それにより放熱フィン11の温度
より平滑コンデンサ2の周囲温度を推定し、以下前記実
施例と同様に平滑コンデンサ2の寿命を判定して表示す
る。この場合、寿命推定の精度はやや悪くなるが実用的
には問題はないレベルである。また、この実施例によれ
ば平滑コンデンサ2の周囲温度を入力する温度検出素子
1112は不用となる。
なお、電流検出回路7の電流検出部材7aは、必ずしも
半導体スイッチング素子3の直流入力側に設ける必要は
なく、第8図に示すように半導体スイッチング素子3の
交流出力側に設けてもよい。また、これまで説明してき
た計算式は、もっと厳密な計算式によっても良く、或は
寿命を推定するのに必要な精度が確保される範囲におい
て簡略化した計算式にしても良い等、要旨を逸脱しない
範囲内で種々変形して実施できるものである。また、整
流素子温度推定手段23や半導体スイッチング素子温度
推定手段24、説明した計算式は半導体素子の構造やプ
ロセス等に依って異なってくる。さらに、実施例では3
相インバータ装置について説明したが、単相インバータ
や多相インバータにも同様に実施することができ、イン
バータ装置以外の例えば直流電源装置等にも実施するこ
とができる。
[発明の効果] 以上説明したとおり、この発明の請求項1のインバータ
装置によれば、表示手段により寿命に達した主回路の部
品が表示されるので、整流素子または半導体スイッチン
グ素子がジャンクション温度の上昇、下降による熱疲労
により劣化し故障にいたる前に寿命であることが発見で
き、当該部品を交換することによりインバータ装置の故
障を未然に防ぐことができる。
また、この発明の請求項2のインバータ装置によれば、
表示手段により寿命に達した主回路の部品が表示される
ので、平滑コンデンサが温度等により劣化し故障にいた
る前に寿命であることが発見でき、当該部品を交換する
ことによりインバータ装置の故障を未然に防ぐことがで
きる。
また、この発明の請求項3のインバータ装置によれば、
平滑コンデンサが温度等により劣化し故障にいたる前に
寿命であることが発見できるうえ、温度検出手段が不用
になる。
そしてこの発明の請求項4のインバータ装置によれば、
停電等があっても、それまでの疲労の度合いにかかるデ
ータが消失することなく保持され、部品の寿命の判定が
確かなものになる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明によるインバータ装置の一実施例を示
す電気回路のブロック構成国、第2図は同じくそのマイ
コンに内蔵されたプログラムの構成国、第3図は同じく
整流素子運転履歴演算手段のフローチャート、第4図は
平滑コンデンサ運転履歴演算手段のフローチャート、第
5図は整流素子運転履歴演算手段の説明図、第6図は平
滑コンデンサ運転履歴演算手段の説明図、第7図はこの
発明の他の実施例におけるマイコンに内蔵されたプログ
ラムの構成国、第8図はこの発明の異なる実施例を示す
電気回路の構成国である0図において、1は整流素子、
2は平滑コンデンサ、3は半導体スイッチング素子、6
は誘導電動機、7は電流検出回路、8は制御回路、10
は温度検出素子■、11は放熱フィン、12は温度検出
素子■、13は表示手段、14は記憶回路、20は電流
入力手段、21は放熱フィン温度入力手段、22は平滑
コンデンサ周囲温度入力手段、23は整流素子温度推定
手段、24は半導体スイッチング素子温度推定手段、2
5は運転履歴記憶手段、26は整流素子運転履歴演算手
段、27は半導体スイッチング素子運転履歴演算手段、
28は平滑コンデンサ運転履歴演算手段、29は整流素
子寿命判定手段、30は半導体スイッチング素子寿命判
定手段、31は平滑コンデンサ寿命判定手段である。な
お、図中同一符号は、同−又は相当部分を示す。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)、インバータ主回路の整流素子、または半導体ス
    イッチング素子のジャンクション温度を、電流入力手段
    、放熱フィン温度入力手段により入力した電流値及び放
    熱フィン温度により整流素子温度推定手段または半導体
    スイッチング素子温度推定手段により推定し、この推定
    したジャンクション温度にもとづき前記整流素子または
    半導体スイッチング素子の疲労の程度を、整流素子運転
    履歴演算手段または半導体スイッチング素子運転履歴演
    算手段によって推定し、各疲労の程度が所定値以上に達
    したか否かを整流素子寿命判定手段または半導体スイッ
    チング素子寿命判定手段により判定し、疲労の程度が所
    定値以上に達した場合には寿命部品を表示手段で表示す
    るように構成したことを特徴とするインバータ装置。
  2. (2)、インバータ主回路の平滑コンデンサの劣化の程
    度を、電流入力手段と平滑コンデンサ周囲温度の入力手
    段により入力した電流値、平滑コンデンサの周囲温度に
    より平滑コンデンサ運転履歴演算手段により推定し、劣
    化の程度が所定値以上に達したか否かを平滑コンデンサ
    寿命判定手段により判定し、疲労の程度が所定値以上に
    達した場合には当該部品を表示手段で表示するように構
    成したことを特徴とするインバータ装置。
  3. (3)、インバータ主回路の平滑コンデンサの劣化の程
    度を、電流入力手段により入力した電流値、放熱フィン
    温度入力手段により入力した放熱フィン温度により推定
    した平滑コンデンサ周囲温度により平滑コンデンサ運転
    履歴演算手段により推定し、劣化の程度が所定値以上に
    達したか否かを平滑コンデンサ寿命判定手段により判定
    し、疲労の程度が所定値以上に達した場合には当該部品
    を表示手段で表示するように構成したことを特徴とする
    インバータ装置。
  4. (4)、疲労または劣化の程度を運転履歴記憶手段によ
    り停電時に記憶回路に転送し、通電時には記憶回路より
    復帰するようにしたことを特徴とする請求項1又は請求
    項2又は請求項3に記載のインバータ装置。
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