WO2013183118A1 - 電動機制御装置 - Google Patents

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加藤　昌則
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三菱電機株式会社
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    • G01R31/40—Testing power supplies
    • G01R31/42—AC power supplies

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor control device, and more particularly, to an electric motor control device having a life estimation function of a main circuit capacitor that stabilizes and forms a bus voltage of a switching circuit.
  • the switching circuit which is the main element of the inverter unit in the motor control device, generates drive power to the motor by switching the bus voltage with a switching element arranged between the DC buses of different polarity.
  • the bus voltage in this switching circuit is a DC voltage that has been stabilized by removing a ripple component of the DC voltage obtained by rectifying the AC voltage input by the converter circuit using a smoothing capacitor.
  • the smoothing capacitor that stabilizes and forms the bus voltage in the switching circuit is called a main circuit capacitor.
  • a ripple current due to a ripple component included in the output current of the converter circuit flows through the smoothing capacitor, and is output from the switching circuit to the DC bus during the regenerative operation of the motor driven by the inverter unit.
  • a ripple current due to a ripple component included in the regenerative power flows.
  • a smoothing capacitor made of an electrolytic capacitor causes heat generation when a ripple current flows.
  • the life of an aluminum electrolytic capacitor used as a smoothing capacitor is deteriorated according to the Arrhenius law due to thermal stress accompanying the temperature rise.
  • First conventional example For example, when the main power supply of the motor control device is turned off, a constant current I is allowed to flow for a certain period ⁇ to measure the voltage drop ⁇ V of the smoothing capacitor during that period, and the remaining capacity C of the smoothing capacitor is calculated.
  • the remaining capacity of the smoothing capacitor can be calculated with high accuracy without calculating the amount of thermal stress.
  • the amount of thermal stress of a smoothing capacitor is calculated by means for detecting the temperature of the smoothing capacitor, a coefficient normalized from the carrier frequency, and a coefficient normalized from the output voltage command. And a means for accumulating the amount of thermal stress during the operation time of the motor control device, calculating output power to the motor from the voltage command, and calculating thermal stress of the smoothing capacitor from the output power Techniques have been proposed for performing life integration calculations.
  • the life deterioration of the smoothing capacitor can be predicted online by integrating the amount of thermal stress of the smoothing capacitor.
  • Patent Document 2 proposes a technique for reducing or stopping the output power of the motor control device when it is predicted that the smoothing capacitor has reached the lifetime based on the prediction result of the lifetime deterioration. . Since the electric motor control device disclosed in Patent Document 2 has a configuration in which the capacitor is determined to have a lifetime, the smoothing capacitor itself may be overheated and damaged, or the ripple voltage may increase due to a decrease in the capacitor capacity. The durability of the device can be utilized as effectively as possible without causing unstable control of the electric motor or applying an overvoltage to the switching element to cause damage to the switching element.
  • the smoothing capacitor may reach the life without detecting the remaining capacity when continuously operating for a long time. Therefore, when performing maintenance, it is necessary to turn on and off the main power supply of the motor control device for each maintenance, and there is a problem that the efficiency of the maintenance work is poor.
  • the AC power input from the system power supply is rectified by a diode bridge via the inserted system impedance. Since the ripple component included in the output current of the converter circuit is greatly influenced by the system impedance, it is difficult to accurately calculate the amount of thermal stress of the smoothing capacitor, and the desired estimated life accuracy cannot be obtained. .
  • the operator checks the motor control device and checks its display and alarm to confirm the life determination result. Without it, life-prolonging treatment cannot be performed. In other words, if the display or alarm is overlooked, the motor control device stops the output due to the life determination without taking any life-prolonging treatment, so that there is a problem that the desired life time cannot be satisfied.
  • the present invention has been made in view of the above, and it is possible to obtain an electric motor control device that can accurately perform life deterioration estimation of a main circuit capacitor online without detecting a ripple current flowing into the main circuit capacitor. With the goal.
  • the present invention converts the AC power of the system power input through the inserted system impedance into DC power by full-wave rectification, and converts the positive and negative DC buses.
  • a converter circuit that outputs in between, a main circuit capacitor that smoothes and stabilizes the bus voltage between the positive and negative DC buses by removing ripple components contained therein, and a bus voltage that the main circuit capacitor forms stably
  • the inverter unit that generates AC power for switching to AC voltage to drive the motor by switching according to the control signal, the detected output current to the motor, and the set operation speed command and carrier frequency
  • the inverter And an inverter control unit that generates the control signal that defines a switching operation of the unit, Based on a voltage detection unit that detects a DC voltage applied to the main circuit capacitor, the DC voltage detected by the voltage detection unit, the detected output current to the motor, and the set carrier frequency Set in the inverter control unit that calculates output power to the motor, a system impedance setting unit that
  • a capacitor ripple current estimator for detecting the ambient temperature of the main circuit capacitor.
  • a second storage unit for storing capacitor life data; a DC voltage detected by the voltage detection unit; and an ambient temperature of the main circuit capacitor detected by the ambient temperature sensor and the second storage in advance. Based on the capacitor lifetime data prepared in the section, the internal temperature of the main circuit capacitor is estimated, the estimated internal temperature is used to estimate the lifetime of the main circuit capacitor, and the estimated internal temperature and lifetime are used.
  • a capacitor life estimation time and a capacitor life consumption rate are calculated and stored in the second storage unit every time a life calculation period is repeated; a capacitor life estimation unit estimated by the capacitor life estimation unit; Compare the basic life time stored as the capacitor life data in the second storage unit.
  • a capacitor life determination unit to be generated, and at least a display unit to display a pre-alarm generated by the capacitor life determination unit are provided.
  • the ripple current of the main circuit capacitor can be estimated based on the output power to the motor and the system impedance without detecting the ripple current flowing into the main circuit capacitor. Capacitor ripple current estimation and life estimation calculations can be performed. At that time, since the system impedance data that has a large effect on the ripple current estimation of the main circuit capacitor is used, it is possible to estimate the capacitor ripple current according to the magnitude of the system impedance, and the main circuit capacitor life estimation calculation with high accuracy can be performed. There is an effect that it becomes possible.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an electric motor control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the life characteristics of an aluminum electrolytic capacitor used for the main circuit capacitor.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the motor control device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an electric motor control apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the configuration for estimating the life of the main circuit capacitor is shown in a form using a part of the general configuration of the motor control device.
  • a converter circuit 1 is a three-phase full-wave rectifier circuit constituted by a diode bridge, and an AC input terminal is connected to a system power supply 3 via an inserted system impedance (reactor) 2, and a DC output terminal Are connected to the positive electrode bus P and the negative electrode bus N. That is, the converter circuit 1 converts the three-phase AC voltage of the system power supply 3 input via the inserted system impedance 2 into a DC voltage including a ripple component by performing three-phase full-wave rectification, and converts it to the positive bus P Output between the negative bus N.
  • a smoothing capacitor 4 and a switching circuit 5 are arranged in parallel.
  • the smoothing capacitor 4 removes a ripple component included in the DC voltage rectified and output between the positive bus P and the negative bus N by the converter circuit 1 to form a stable bus voltage.
  • the smoothing capacitor 4 is referred to as a main circuit capacitor 4.
  • a series circuit of switching elements Q1 and Q2 a series circuit of switching elements Q3 and Q4, and a series circuit of switching elements Q5 and Q6 are arranged in parallel between the positive electrode bus P and the negative electrode bus N.
  • the diodes D1 to D6 are connected in antiparallel to the switching elements Q1 to Q6, respectively.
  • the control terminals of the switching elements Q1 to Q6 are connected to the output terminal of the drive circuit 6.
  • the drive circuit 6 individually drives each of the switching elements Q1 to Q6 in accordance with a switching pulse (PWM signal) 8 from the inverter control unit 7a.
  • PWM signal switching pulse
  • the entirety of the switching circuit 5 and the drive circuit 6 is a so-called inverter unit.
  • a connection end of the switching elements in each series circuit of the switching elements Q1 to Q6 serves as an output end, and a power cable to the electric motor 9 is connected.
  • a current sensor 10 is provided on the power cable to the electric motor 9.
  • the current calculation unit 11 calculates the output current I OUT from the detection current of the current sensor 7.
  • the inverter control unit 7a uses the output current I OUT calculated by the current calculation unit 11, the operation speed command ⁇ set in the operation speed setting unit 12, and the switching frequency of the switching circuit 5 set in the carrier frequency setting circuit 13.
  • a switching pulse (PWM signal) 8 to the drive circuit 6 is generated based on a certain carrier frequency fSW .
  • the voltage detection unit 14 the system impedance setting unit 15, the capacitor ripple current estimation unit 16, and the ripple current calculation data
  • a storage unit 17, an ambient temperature sensor 18, a capacitor life estimation unit 19a, a capacitor life data storage unit 20, a capacitor life determination unit 21a, and a display unit 22 are added, and some functions are added to the inverter control unit 7a. Has been made.
  • a ripple current due to a ripple component contained in the output current of the converter circuit 1 flows through the main circuit capacitor 4, and the regenerative power output from the switching circuit 5 to the DC bus (P, N) during the regenerative operation of the electric motor 9.
  • a ripple current due to the included ripple component flows.
  • the ripple current causes the main circuit capacitor 4 to generate heat.
  • Tx the internal temperature of the capacitor.
  • Ta the ambient temperature of the main circuit capacitor 4.
  • ⁇ Tx a temperature rise from the ambient temperature.
  • I R is the ripple current flowing through the main circuit capacitor 4.
  • R is an equivalent series resistance of the main circuit capacitor 4.
  • ⁇ is a heat dissipation coefficient of the main circuit capacitor 4.
  • the aluminum electrolytic capacitor used as the main circuit capacitor 4 causes life deterioration according to the Arrhenius law due to the thermal stress accompanying the temperature rise.
  • Lo is a basic life time when the rated voltage is applied and the rated ripple voltage is applied under the upper limit temperature of the main circuit capacitor 4.
  • Vo is the rated voltage of the main circuit capacitor 4.
  • Vx is a DC voltage applied to the main circuit capacitor 4 during use.
  • the exponent K is the applied voltage reduction rate of the main circuit capacitor 4.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the life characteristics of an aluminum electrolytic capacitor used for the main circuit capacitor.
  • the vertical axis represents the lifetime L
  • the horizontal axis represents the internal temperature Tx.
  • the voltage detection unit 14 detects the DC voltage Vx applied to the main circuit capacitor 4 and outputs it to the inverter control unit 7a and the capacitor life estimation unit 19a.
  • the inverter control unit 7a is based on the operation speed command ⁇ set in the operation speed setting circuit 12, the output current I OUT calculated by the current calculation unit 11, and the applied DC voltage Vx detected by the voltage detection unit 14. It calculates the output power P OUT to 9, and outputs the capacitor ripple current estimator 16.
  • the capacitor ripple current estimation unit 16 outputs the output power P OUT obtained by the inverter control unit 7 a, the carrier frequency f SW set in the carrier frequency setting circuit 13, and the impedance of the system impedance 3 set in the system impedance setting unit 15.
  • a coefficient Z S the coefficient k 1, k 2 stored in the ripple current calculation data storage unit 17 is applied to equation (3), to estimate the ripple current I R flowing through the main circuit capacitor 4, the capacitor lifetime estimation To the unit 19a.
  • I R P OUT ⁇ ⁇ ⁇ (k 1 ⁇ f SW ) 2 + (Z S ⁇ k 2 ) 2 ⁇ (3)
  • the coefficient k 1 is a carrier ripple current correction coefficient.
  • Coefficient k 2 is a system ripple current correction factor.
  • the capacitor life estimation unit 19a first includes the ambient temperature Ta of the main circuit capacitor 4 measured by the ambient temperature sensor 18, the DC voltage Vx applied to the main circuit capacitor 4 measured by the voltage detection unit 14, and the capacitor ripple current estimation unit. 16 and ripple current I R estimated in, by applying the life calculation data 24 stored in the capacitor lifetime data storing unit 20 in the formula (1) to calculate the internal temperature Tx of the main circuit capacitor 4.
  • the capacitor life estimation unit 19 a stores the calculated internal temperature Tx and the capacitor life data storage unit 20.
  • the capacitor life consumption rate L N / L 0 is calculated using the stored life calculation data 24, the equation (2), and the equation (4) for determining the capacitor life integration time L N.
  • L 0 is the basic life time.
  • the capacitor life integration time L N and the capacitor life consumption rate L N / L 0 calculated by the capacitor life estimation unit 19a are stored in the capacitor life data storage unit 20, and also the capacitor life determination unit 21a and the display unit 22 And output.
  • the capacitor life data storage unit 20 as the life calculation data 24, the equivalent series resistance R of the main circuit capacitor 4, the heat dissipation coefficient ⁇ , the rated voltage V 0 , the applied voltage reduction rate k, the allowable internal temperature T 0 , the basic life The time L 0 and the previous life integration data L N ⁇ 1 are stored.
  • Equation (4) for determining the capacitor life integrated time LN will be described.
  • L N L N ⁇ 1 + ( ⁇ t ⁇ k 3 ) / 3600 (4)
  • ⁇ t is a life deterioration calculation cycle [seconds].
  • k 3 is the lifetime coefficient obtained by Equation (5).
  • k 3 [2 ⁇ ⁇ (T 0 -T X ) / 10 ⁇ ] ⁇ (V 0 / V X ) K (5)
  • the capacitor life determination unit 21a includes the capacitor life integration time L N at the capacitor life consumption rate L N / L 0 estimated by the capacitor life estimation unit 19a and the life calculation data 23 stored in the capacitor life data storage unit 20. Compared with the basic life L 0 of L N ⁇ L 0 When this happens, a pre-alarm 25 is generated and displayed on the display 22.
  • the display 22 can display the life time L, the life consumption rate L N / L 0 , and the pre-alarm 24 of the main circuit capacitor 4 online.
  • the ripple current of the main circuit capacitor can be estimated based on the output power to the motor and the system impedance without detecting the ripple current flowing into the main circuit capacitor. On-line, it is possible to always perform the ripple current estimation and life estimation calculation of the main circuit capacitor.
  • FIG. FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the motor control device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • components that are the same as or equivalent to the components shown in FIG. 1 are assigned the same reference numerals.
  • the description will be focused on the portion related to the second embodiment.
  • the electric motor control apparatus has an expected life setting unit 26 and an operating time integrating unit 27 added to the configuration shown in FIG.
  • An inverter control unit 7b, a capacitor life estimation unit 19b, and a capacitor life determination unit 21b are provided.
  • Capacitor life estimator circuit 19b is a remaining life time of the main circuit capacitor 4
  • L R is calculated using Equation (6) to the capacitor life determination unit 21b.
  • L R (L 0 ⁇ L N ) ⁇ [2 ⁇ ⁇ (T 0 -T X ) / 10 ⁇ ] ⁇ (V 0 / V X ) K (6)
  • Expected life setting section 26 outputs an expected lifetime L E of the main circuit capacitor 4 which is set in the capacitor life determination unit 21b. Further, the operating time integrating unit 27 integrates the operating time TL of the electric motor control device and outputs it to the capacitor life determining unit 21b.
  • Capacitor life determination part 21b compares the difference between the operating time T L of the expected lifetime L E and the motor control unit, the main circuit capacitor 4 and a remaining lifetime L R, L R ⁇ L E ⁇ T L If a to and determines that it can not satisfy the expected life time L E of the main circuit capacitor 4 which is set to the expected service life estimation unit 26, and outputs a power alleviate instruction 28 to the inverter control unit 7b.
  • the inverter control unit 7 b When the inverter control unit 7 b receives the power reduction instruction 28 from the capacitor life determination unit 21 b, the inverter control unit 7 b outputs a switching pulse 8 that reduces the output power of the motor control device, that is, the output power to the motor 9, to the drive circuit 6.
  • the upper limit value of the output power of the motor control device is limited, so that the temperature rise of the main circuit capacitor 4 can be reduced, and the expected life time of the main circuit capacitor 4 set in the expected life estimation unit 25 the L E will be able to satisfy.
  • the output power of the motor control device is slightly limited.
  • the ambient temperature of the motor control device is high and the life of the main circuit capacitor 4 cannot satisfy the expected life time.
  • the main circuit capacitor can satisfy the desired expected life time.
  • the motor control device is useful as a motor control device that can accurately estimate the life deterioration of the main circuit capacitor online without detecting the ripple current flowing into the main circuit capacitor. is there.
  • Converter circuit 2 System impedance 3 System power supply 4 Smoothing capacitor (Main circuit capacitor) DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Switching circuit 6 Drive circuit 7a, 7b Inverter control part 9 Electric motor 10 Current sensor 11 Current calculation part 12 Driving speed setting part 13 Carrier frequency setting part 14 Voltage detection part 15 System impedance setting part 16 Capacitor ripple current estimation part 17 Ripple current calculation Data storage unit 18 Ambient temperature sensor 19a, 19b Capacitor life estimation unit 20 Capacitor life data storage unit 21a, 21b Capacitor life determination unit 22 Display unit 26 Expected life setting unit 27 Operating time integration unit

Abstract

　主回路コンデンサ４に流入するリプル電流を電動機９への出力電力および系統インピーダンス２に基づき推定することで、オンラインにおいて、常時主回路コンデンサ４のリプル電流推定および寿命推定演算を実施することを可能にする。主回路コンデンサ４のリプル電流推定に大きな影響を与える系統インピーダンス２のデータＺｓを用いるので、系統インピーダンス２の大小に応じたコンデンサリプル電流を推定することができ、精度の高い主回路コンデンサ寿命推定演算が可能になる。

Description

電動機制御装置
　本発明は、電動機制御装置に関し、特にスイッチング回路の母線電圧を安定化形成する主回路コンデンサの寿命推定機能を備えた電動機制御装置に関するものである。
　電動機制御装置におけるインバータ部の主たる要素であるスイッチング回路は、異極の直流母線間に配置されるスイッチング素子により母線電圧をスイッチングして電動機への駆動電力を生成する。このスイッチング回路における母線電圧は、コンバータ回路が入力される交流電圧を整流した直流電圧のリプル成分を平滑コンデンサにより取り除いて安定化した直流電圧である。このようにスイッチング回路における母線電圧を安定化形成する平滑コンデンサは、主回路コンデンサと称されている。
　ところで、電動機制御装置においては、この平滑コンデンサに、コンバータ回路の出力電流に含まれるリプル成分によるリプル電流が流れ、また、インバータ部が駆動する電動機の回生動作時にスイッチング回路から直流母線に出力される回生電力に含まれるリプル成分によるリプル電流が流れる。
　電解コンデンサからなる平滑コンデンサは、リプル電流が流れると、発熱を惹起する。平滑コンデンサとして使用されるアルミ電解コンデンサは、その温度上昇に伴う熱的ストレスにより、アレニウス則に従い寿命が劣化する。
　しかし、スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦにより電動機への駆動交流電力を生成するスイッチング回路を備える電動機制御装置においては、その構造上平滑コンデンサに流れるリプル電流を検出する電流センサの設置が困難である。そのため、従来の電動機制御装置においては、リプル電流を用いないで、平滑コンデンサの寿命劣化を診断する方法が実施されている。具体例を３つ示す。
　第１の従来例：例えば、電動機制御装置の主電源をＯＦＦする際に、一定期間Δτに一定の電流Ｉを流してその間の平滑コンデンサの電圧降下ΔＶを計測し、平滑コンデンサの残容量Ｃを、式「Ｃ＝（Ｉ×Δτ）／ΔＶ」に適用して算出し、コンデンサ容量の許容値と比較しオフラインにて寿命劣化の診断を行う方法が知られている。この第１の従来例では、熱的ストレス量を算出することなく、平滑コンデンサの残容量を高精度に算出することができる。
　第２の従来例：例えば特許文献１では、平滑コンデンサの温度を検出する手段と、キャリア周波数から正規化した係数および出力電圧指令から正規化した係数により、平滑コンデンサの熱的ストレス量を算出する手段と、電動機制御装置の動作時間の間に前記熱的ストレス量を積算する手段を備え、電圧指令から電動機への出力電力を計算し、その出力電力から平滑コンデンサの熱的ストレスを算出して寿命積算演算を行う技術が提案されている。この第２の従来例では、平滑コンデンサの熱的ストレス量を積算することにより、オンラインで平滑コンデンサの寿命劣化を予測することができる。
　第３の従来例：例えば特許文献２では、寿命劣化の予測結果に基づいて、平滑コンデンサが寿命に到達したと予測した時点で電動機制御装置の出力電力を低減または停止させる技術が提案されている。この特許文献２に開示された電動機制御装置は、コンデンサが寿命と判定する構成を備えているので、平滑コンデンサ自身が過熱し破損に至ったり、コンデンサ容量の低下に伴うリプル電圧の振幅の増加により電動機の制御が不安定になったりすることや、スイッチング素子に対し過電圧が印加されスイッチング素子の破損を招くことがなく、機器の耐久力を極力有効に活用することができる。
特開２００７－０４９８３７公報 特開２００４－１２０９６９公報
　しかし、オフラインで平滑コンデンサの寿命劣化を検出する電動機制御装置では、長時間連続動作し続ける場合に、平滑コンデンサは、残容量の検出が行われることなく寿命に到達してしまう場合がある。したがって、メンテナンスを行う際には、メンテナンス毎に電動機制御装置の主電源をＯＮ・ＯＦＦする必要があり、メンテナンス作業の効率が悪いという問題がある。
　また、平滑コンデンサの温度と電圧指令とから平滑コンデンサの熱的ストレス量を算出し積算演算する電動機制御装置では、挿入した系統インピーダンスを介して系統電源から入力される交流電力をダイオードブリッジで整流するコンバータ回路の出力電流に含まれるリプル成分がその系統インピーダンスに大きく左右されるため、平滑コンデンサの正確な熱的ストレス量の算出が困難であり、所望の推定寿命精度が得られないという問題がある。
　加えて、平滑コンデンサの寿命判定時に電動機への出力を自動的に低減または停止する電動機制御装置では、作業者が電動機制御装置をチェックしてその表示やアラームを確認して寿命判定結果を確認しなければ、延命処置を施すことができない。つまり、表示やアラームを見落とした場合には、延命処置を施すことなく、電動機制御装置は寿命判定により出力を停止してしまうため、所望の寿命時間を満足てきないという問題がある。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、主回路コンデンサに流入するリプル電流を検出しなくとも、オンラインにおいて、主回路コンデンサの寿命劣化推定を高精度に実施できる電動機制御装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、挿入される系統インピーダンスを介して入力される系統電源の交流電力を全波整流により直流電力へ変換し正極と負極の直流母線間に出力するコンバータ回路と、前記正極と負極の直流母線間の母線電圧をそれに含まれるリプル成分を取り除いて平滑し安定化させる主回路コンデンサと、前記主回路コンデンサが安定化形成する母線電圧を制御信号に従ってスイッチングして交流電圧へ変換し電動機を駆動する交流電力を生成するインバータ部と、検出された前記電動機への出力電流と、設定された運転速度指令およびキャリア周波数とに基づき、前記インバータ部のスイッチング動作を規定する前記制御信号を生成するインバータ制御部とを備える電動機制御装置において、前記主回路コンデンサに印加される直流電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部にて検出された直流電圧と前記検出された前記電動機への出力電流と前記設定されたキャリア周波数とに基づき前記電動機への出力電力を演算する前記インバータ制御部と、前記挿入される系統インピーダンスを設定する系統インピーダンス設定部と、リプル電流算出データを記憶する第１の記憶部と、前記系統インピーダンス設定部に設定された系統インピーダンスと前記インバータ制御部にて算出された出力電力と前記設定されたキャリア周波数と予め前記第１の記憶部に用意したリプル電流算出データとに基づき前記主回路コンデンサのリプル電流を推定するコンデンサリプル電流推定部と、前記主回路コンデンサの周囲温度を検出する周囲温度センサと、コンデンサ寿命データを記憶する第２の記憶部と、前記電圧検出部にて検出された直流電圧と前記周囲温度センサにて検出されて前記主回路コンデンサの周囲温度と予め前記第２の記憶部に用意したコンデンサ寿命データとに基づき、前記主回路コンデンサの内部温度を推定し、推定した内部温度を用いて前記主回路コンデンサの寿命時間を推定し、推定した内部温度および寿命時間を用いてコンデンサ寿命積算時間とコンデンサ寿命消費率とを算出し、前記第２の記憶部に蓄積することを寿命演算周期毎に繰り返すコンデンサ寿命推定部と、前記コンデンサ寿命推定部が推定したコンデンサ寿命積算時間と前記第２の記憶部にコンデンサ寿命データとして記憶されている基本寿命時間とを比較し、両者がほぼ等しいときプリアラームを生成するコンデンサ寿命判定部と、少なくとも、前記コンデンサ寿命判定部が生成するプリアラームを表示する表示部とを備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、主回路コンデンサに流入するリプル電流を検出しなくとも、電動機への出力電力および系統インピーダンスに基づき主回路コンデンサのリプル電流を推定することができるので、オンラインにおいて、常時主回路コンデンサのリプル電流推定および寿命推定演算を実施することがきる。そのとき、主回路コンデンサのリプル電流推定に大きな影響を与える系統インピーダンスのデータを用いるので、系統インピーダンスの大小に応じたコンデンサリプル電流を推定することができ、精度の高い主回路コンデンサ寿命推定演算が可能になるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１による電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、主回路コンデンサに使用されるアルミ電解コンデンサの寿命特性の一例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態２による電動機制御装置の構成を示すブロック図である。
　以下に、本発明にかかる電動機制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１による電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図１では、主回路コンデンサの寿命推定を行う構成が電動機制御装置の一般的な構成の一部を利用する形で示されている。
　まず、電動機制御装置の一般的な構成について簡単に説明する。
　図１において、コンバータ回路１は、ダイオードブリッジで構成される三相全波整流回路であり、交流入力端は、挿入した系統インピーダンス（リアクトル）２を介して系統電源３に接続され、直流出力端は、正極母線Ｐおよび負極母線Ｎに接続される。つまり、コンバータ回路１は、挿入した系統インピーダンス２を介して入力される系統電源３の三相交流電圧を三相全波整流してリプル成分を含む直流電圧へ変換し、それを正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に出力する。
　正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間には、平滑コンデンサ４とスイッチング回路５とが並列に配置されている。平滑コンデンサ４は、コンバータ回路１が正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に整流出力する直流電圧に含まれるリプル成分を取り除き安定した母線電圧を形成する。以降、平滑コンデンサ４は、主回路コンデンサ４と称する。
　スイッチング回路５は、正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路と、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の直列回路と、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の直列回路とが並列に配置された構成であり、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のそれぞれには、ダイオードＤ１～Ｄ６が逆並列に接続されている。
　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６それぞれの制御端子は、駆動回路６の出力端に接続されている。駆動回路６は、インバータ制御部７ａからのスイッチングパルス（ＰＷＭ信号）８に従って、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のそれぞれを個別にＯＮ・ＯＦＦ駆動する。スイッチング回路５と駆動回路６との全体がいわゆるインバータ部である。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の各直列回路におけるスイッチング素子同士の接続端が出力端となり、電動機９への電源ケーブルが接続される。この電動機９への電源ケーブルには、電流センサ１０が設けられている。
　電流演算部１１は、電流センサ７の検出電流から出力電流ＩＯＵＴを演算する。インバータ制御部７ａは、電流演算部１１が演算した出力電流ＩＯＵＴと、運転速度設定部１２に設定された運転速度指令ωと、キャリア周波数設定回路１３に設定されたスイッチング回路５のスイッチング周波数であるキャリア周波数ｆＳＷとに基づき、駆動回路６へのスイッチングパルス（ＰＷＭ信号）８を生成する。
　以上の一般的な構成において、主回路コンデンサ４の寿命推定をオンラインにて行えるようにするため、電圧検出部１４と、系統インピーダンス設定部１５と、コンデンサリプル電流推定部１６と、リプル電流算出データ記憶部１７と、周囲温度センサ１８と、コンデンサ寿命推定部１９ａと、コンデンサ寿命データ記憶部２０と、コンデンサ寿命判定部２１ａと、表示部２２とが追加され、インバータ制御部７ａに若干の機能追加がなされている。
　主回路コンデンサ４には、コンバータ回路１の出力電流に含まれるリプル成分によるリプル電流が流れ、また、電動機９の回生動作時にスイッチング回路５から直流母線（Ｐ，Ｎ）に出力される回生電力に含まれるリプル成分によるリプル電流が流れる。このリプル電流により主回路コンデンサ４は発熱する。
　主回路コンデンサ４に生ずる発熱は、コンデンサの内部温度をＴｘとして式（１）で表される。
　　　Ｔｘ＝Ｔａ＋ΔＴｘ＝Ｔａ＋ＩＲ ２×Ｒ×β　　…（１）
なお、式（１）において、Ｔａは主回路コンデンサ４の周囲温度である。ΔＴｘは周囲温度からの温度上昇である。ＩＲは主回路コンデンサ４に流れるリプル電流である。Ｒは主回路コンデンサ４の等価直列抵抗である。βは主回路コンデンサ４の放熱係数である。
　主回路コンデンサ４として使用されるアルミ電解コンデンサは、その温度上昇に伴う熱的ストレスにより、アレニウス則に従い寿命劣化を惹起する。アルミ電解コンデンサの寿命時間Ｌは式（２）で表される。
　　　Ｌ＝Ｌ０×［２^｛(Ｔ０-ＴＸ)／１０｝］×(Ｖ０／ＶＸ)K　　…（２）
　なお、式（２）において、Ｌｏは主回路コンデンサ４の使用上限温度下での定格電圧印加かつ定格リプル電圧印加での基本寿命時間である。Ｔｏは主回路コンデンサ４の許容内部温度である。Ｖｏは主回路コンデンサ４の定格電圧である。Ｖｘは使用時に主回路コンデンサ４に印加される直流電圧である。べき数Ｋは主回路コンデンサ４の印加電圧軽減率である。
　そして、内部温度Ｔｘと寿命時間Ｌとの関係は、例えば図２に示すようになる。なお、図２は、主回路コンデンサに使用されるアルミ電解コンデンサの寿命特性の一例を示す図である。図２では、縦軸が寿命時間Ｌであり、横軸が内部温度Ｔｘである。図２に示すように、主回路コンデンサ４の許容内部温度をＴｏとし、基本寿命時間をＬｏとすれば、内部温度Ｔｘが、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ０と上昇すると、寿命時間Ｌは、右肩下がりの寿命曲線２３に沿って、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ０と短くなっていく。
　さて、図１において、電圧検出部１４は、主回路コンデンサ４に印加される直流電圧Ｖｘを検出し、インバータ制御部７ａとコンデンサ寿命推定部１９ａとに出力する。
　インバータ制御部７ａは、運転速度設定回路１２に設定された運転速度指令ωと、電流演算部１１が演算した出力電流ＩＯＵＴと、電圧検出部１４が検出した印加直流電圧Ｖｘとに基づき、電動機９への出力電力ＰＯＵＴを演算し、コンデンサリプル電流推定部１６へ出力する。
　コンデンサリプル電流推定部１６は、インバータ制御部７ａが求めた出力電力ＰＯＵＴと、キャリア周波数設定回路１３に設定されたキャリア周波数ｆＳＷと、系統インピーダンス設定部１５に設定された系統インピーダンス３のインピーダンス係数ＺＳと、リプル電流算出データ記憶部１７に記憶された係数ｋ１，ｋ２とを式（３）に適用して、主回路コンデンサ４に流れるリプル電流ＩＲを推定し、コンデンサ寿命推定部１９ａへ出力する。
　　ＩＲ＝ＰＯＵＴ×√｛（ｋ１×ｆＳＷ）２＋（ＺＳ×ｋ２）２｝　…（３）
なお、係数ｋ１は、キャリアリプル電流補正係数である。係数ｋ２は、系統リプル電流補正係数である。
　コンデンサ寿命推定部１９ａは、まず、周囲温度センサ１８が計測した主回路コンデンサ４の周囲温度Ｔａと、電圧検出部１４が計測した主回路コンデンサ４への印加直流電圧Ｖｘと、コンデンサリプル電流推定部１６にて推定されたリプル電流ＩＲと、コンデンサ寿命データ記憶部２０に記憶されている寿命計算データ２４とを前記式（１）に適用して主回路コンデンサ４の内部温度Ｔｘを算出する。
　ついで、主回路コンデンサ４の内部温度Ｔｘと寿命時間Ｌとの関係は、式（２）で定められるので、コンデンサ寿命推定部１９ａは、算出された内部温度Ｔｘと、コンデンサ寿命データ記憶部２０に記憶されている寿命計算データ２４と、式（２）と、コンデンサ寿命積算時間ＬＮを定める式（４）とを用いてコンデンサ寿命消費率ＬＮ／Ｌ０を算出する。なお、Ｌ０は基本寿命時間である。
　コンデンサ寿命推定部１９ａにて算出されたコンデンサ寿命積算時間ＬＮとコンデンサ寿命消費率ＬＮ／Ｌ０とは、コンデンサ寿命データ記憶部２０に記憶されるとともに、コンデンサ寿命判定部２１ａと表示部２２とに出力される。
　すなわち、コンデンサ寿命データ記憶部２０には、寿命計算データ２４として、主回路コンデンサ４の等価直列抵抗Ｒ、放熱係数β、定格電圧Ｖ０、印加電圧低減率ｋ、許容内部温度Ｔ０、基本寿命時間Ｌ０および寿命積算前回データＬＮ－１などが記憶されている。
　ここで、コンデンサ寿命積算時間ＬＮを定める式（４）について説明する。
　　ＬＮ＝ＬＮー１＋（Δｔ×ｋ３）／３６００　　…（４）
なお、式（４）において、Δｔは寿命劣化演算周期［秒］である。ｋ３は式（５）により求められる寿命係数である。
　　ｋ３＝［２^｛(Ｔ０-ＴＸ)／１０｝］×(Ｖ０／ＶＸ)K　　…（５）
　コンデンサ寿命判定部２１ａは、コンデンサ寿命推定部１９ａにて推定されたコンデンサ寿命消費率ＬＮ／Ｌ０におけるコンデンサ寿命積算時間ＬＮとコンデンサ寿命データ記憶部２０に記憶されている寿命計算データ２３中の基本寿命Ｌ０とを比較し、
　　　ＬＮ≒Ｌ０
となった場合に、プリアラーム２５を生成し、表示器２２に表示させる。
　したがって、表示器２２は、オンラインにおいて、主回路コンデンサ４の寿命時間Ｌや寿命消費率ＬＮ／Ｌ０、プリアラーム２４を表示することができる。
　以上のように、実施の形態１によれば、主回路コンデンサに流入するリプル電流を検出しなくとも、電動機への出力電力および系統インピーダンスに基づき主回路コンデンサのリプル電流を推定することができるので、オンラインにおいて、常時主回路コンデンサのリプル電流推定および寿命推定演算を実施することがきる。
　そして、主回路コンデンサのリプル電流推定に大きな影響を与える系統インピーダンスのデータを用いるので、系統インピーダンスの大小に応じたコンデンサリプル電流を推定することができ、精度の高い主回路コンデンサ寿命推定演算が可能になる。
実施の形態２．
　図３は、本発明の実施の形態２による電動機制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図３では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないし同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。
　図に示すように、この実施の形態２による電動機制御装置は、図１（実施の形態１）に示した構成において、期待寿命設定部２６および稼動時間積算部２７が追加され、符号を変えたインバータ制御部７ｂ、コンデンサ寿命推定部１９ｂおよびコンデンサ寿命判定部２１ｂが設けられている。
　コンデンサ寿命推定回路１９ｂは、主回路コンデンサ４の残寿命時間ＬＲを式（６）を用いて算出し、コンデンサ寿命判定部２１ｂに出力する。
　　ＬＲ＝（Ｌ０－ＬＮ）×［２^｛(Ｔ０-ＴＸ)／１０｝］×(Ｖ０／ＶＸ)K　　…（６）
　期待寿命設定部２６は、設定された主回路コンデンサ４の期待寿命時間ＬＥをコンデンサ寿命判定部２１ｂに出力する。また、稼動時間積算部２７は、当該電動機制御装置の稼動時間ＴＬを積算し、コンデンサ寿命判定部２１ｂに出力する。
　コンデンサ寿命判定部２１ｂは、期待寿命時間ＬＥと電動機制御装置の稼動時間ＴＬとの差分と、主回路コンデンサ４の残寿命時間ＬＲとを比較し、
　　ＬＲ≦ＬＥ－ＴＬ
となった場合に、期待寿命推定部２６に設定された主回路コンデンサ４の期待寿命時間ＬＥを満足できないと判断し、電力軽減指示２８をインバータ制御部７ｂに出力する。
　インバータ制御部７ｂは、コンデンサ寿命判定部２１ｂから電力軽減指示２８を受け取ると、当該電動機制御装置の出力電力、つまり、電動機９への出力電力を軽減させるスイッチングパルス８を駆動回路６へ出力する。これによって、当該電動機制御装置の出力電力の上限値が制限されるので、主回路コンデンサ４の温度上昇を小さくすることができ、期待寿命推定部２５に設定された主回路コンデンサ４の期待寿命時間ＬＥを満足できるようになる。
　以上のように、この実施の形態２によれば、電動機制御装置の出力電力が若干制限されるが、電動機制御装置の周囲温度が高く主回路コンデンサ４の寿命が期待寿命時間を満足できない場合において、メンテナンス作業者が表示部に表示されるコンデンサ寿命消費率やプリアラームを確認して延命措置を施こさずとも、主回路コンデンサに所望の期待寿命時間を満足させることができる。
　以上のように、本発明にかかる電動機制御装置は、主回路コンデンサに流入するリプル電流を検出しなくとも、オンラインにおいて、主回路コンデンサの寿命劣化推定を高精度に実施できる電動機制御装置として有用である。
　１　コンバータ回路
　２　系統インピーダンス
　３　系統電源
　４　平滑コンデンサ（主回路コンデンサ）
　５　スイッチング回路
　６　駆動回路
　７ａ，７ｂ　インバータ制御部
　９　電動機
　１０　電流センサ
　１１　電流演算部
　１２　運転速度設定部
　１３　キャリア周波数設定部
　１４　電圧検出部
　１５　系統インピーダンス設定部
　１６　コンデンサリプル電流推定部
　１７　リプル電流算出データ記憶部
　１８　周囲温度センサ
　１９ａ，１９ｂ　コンデンサ寿命推定部
　２０　コンデンサ寿命データ記憶部
　２１ａ，２１ｂ　コンデンサ寿命判定部
　２２　表示部
　２６　期待寿命設定部
　２７　稼動時間積算部

Claims (2)

  1. 　挿入される系統インピーダンスを介して入力される系統電源の交流電力を全波整流により直流電力へ変換し正極と負極の直流母線間に出力するコンバータ回路と、前記正極と負極の直流母線間の母線電圧をそれに含まれるリプル成分を取り除いて平滑し安定化させる主回路コンデンサと、前記主回路コンデンサが安定化形成する母線電圧を制御信号に従ってスイッチングして交流電圧へ変換し電動機を駆動する交流電力を生成するインバータ部と、検出された前記電動機への出力電流と、設定された運転速度指令およびキャリア周波数とに基づき、前記インバータ部のスイッチング動作を規定する前記制御信号を生成するインバータ制御部とを備える電動機制御装置において、
    　前記主回路コンデンサに印加される直流電圧を検出する電圧検出部と、
    　前記電圧検出部にて検出された直流電圧と前記検出された前記電動機への出力電流と前記設定されたキャリア周波数とに基づき前記電動機への出力電力を演算する前記インバータ制御部と、
    　前記挿入される系統インピーダンスを設定する系統インピーダンス設定部と、
    　リプル電流算出データを記憶する第１の記憶部と、
    　前記系統インピーダンス設定部に設定された系統インピーダンスと前記インバータ制御部にて算出された出力電力と前記設定されたキャリア周波数と予め前記第１の記憶部に用意したリプル電流算出データとに基づき前記主回路コンデンサのリプル電流を推定するコンデンサリプル電流推定部と、
    　前記主回路コンデンサの周囲温度を検出する周囲温度センサと、
    　コンデンサ寿命データを記憶する第２の記憶部と、
    　前記電圧検出部にて検出された直流電圧と前記周囲温度センサにて検出されて前記主回路コンデンサの周囲温度と予め前記第２の記憶部に用意したコンデンサ寿命データとに基づき、前記主回路コンデンサの内部温度を推定し、推定した内部温度を用いて前記主回路コンデンサの寿命時間を推定し、推定した内部温度および寿命時間を用いてコンデンサ寿命積算時間とコンデンサ寿命消費率とを算出し、前記第２の記憶部に蓄積することを寿命演算周期毎に繰り返すコンデンサ寿命推定部と、
    　前記コンデンサ寿命推定部が推定したコンデンサ寿命積算時間と前記第２の記憶部にコンデンサ寿命データとして記憶されている基本寿命時間とを比較し、両者がほぼ等しいときプリアラームを生成するコンデンサ寿命判定部と、
    　少なくとも、前記コンデンサ寿命判定部が生成するプリアラームを表示する表示部と
    　を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
  2. 　前記電圧検出部にて検出された直流電圧と前記周囲温度センサにて検出されて前記主回路コンデンサの周囲温度と前記第２の記憶部に記憶されるコンデンサ寿命データとに基づき、前記主回路コンデンサの内部温度を推定し、推定した内部温度を用いて前記主回路コンデンサの残寿命時間を推定算出する前記コンデンサ寿命推定部と、
    　前記主回路コンデンサの期待寿命時間を設定する期待寿命設定部と、
    　当該電動機制御装置の稼動時間を積算する稼動時間積算部と、
    　前記期待寿命設定部に設定された前記主回路コンデンサの期待寿命時間と前記稼動時間積算部が積算した当該電動機制御装置の稼動時間との差分を求め、その求めた差分と前記コンデンサ寿命推定部にて推定された前記主回路コンデンサの残寿命時間とを比較し、前記主回路コンデンサの寿命時間が残寿命時間を満足できないと判定すると電力軽減指示を出力する前記コンデンサ寿命判定部と、
    　前記コンデンサ寿命判定部から前記電力軽減指示が入力されたとき、前記インバータ部へ出力する前記制御信号を、前記電動機への出力電力を減少させる制御信号に切り換える前記インバータ制御部と
    　を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
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