(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパワー半導体素子から構成され、モータに印加する速度周波数に応じた交流電圧を作り出すインバータ装置の制御装置において、
前記インバータ装置を構成する各パワー半導体素子についてのパワーサイクル寿命の劣化状態を推定する劣化状態推定部と、該劣化状態推定部にて求められた前記パワーサイクル寿命の劣化状態から、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子と最も遅いパワー半導体素子との電気的な位相差と算出する位相算出部とを備え、
前記位相算出部は、前記パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子の劣化状態と、前記パワーサイクル寿命の劣化が最も遅いパワー半導体素子の劣化状態の差を推定し、これらの劣化状態の差が予め設定された閾値を超えたとき、その旨を示す信号を出力することを特徴とするインバータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のインバータ制御装置において、
被制御対象の基準位置における前記モータの制御位相を検出する基準位置検出器と、該基準位置検出器にて検出された前記被制御対象の基準位置における前記モータの制御位相、前記劣化状態推定部にて求められた前記パワーサイクル寿命の劣化状態、及び前記モータの駆動時間を記憶する記憶手段と、前記パワーサイクル寿命の劣化状態及び前記モータの駆動時間から、前記各パワー半導体素子がパワーサイクル寿命に到達するまでの推定時間を算出する演算部とを更に備えたことを特徴とするインバータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ制御装置に係り、特に、インバータ装置を構成する複数のパワー半導体素子の劣化状態を推定し、その推定結果に基づいて各パワー半導体素子の劣化状態を均等化する手段に関する。
【０００２】
パワー半導体素子は、通電時には損失によりシリコンチップのジャンクション温度が上昇し、電流遮断時にはシリコンチップのジャンクション温度が低下する。このため、エレベータなど、始動と停止を頻繁に繰り返す用途に適用されるインバータ装置においては、これを構成するパワー半導体素子が、パワーサイクル寿命（サーマルサイクル寿命とも呼ばれる。）で熱疲労破壊するという現象が発生する。
【０００３】
インバータ装置について、所期の寿命を確保するためには、これに用いられている個々のパワー半導体素子のパワーサイクル寿命を正確に推定し、劣化の程度が進んだパワー半導体素子を寿命に到達する前に交換できるようにすることが求められる。かかる技術的な要請に対処するため、パワー半導体素子のパワーサイクル寿命を推定するための監視手段や演算装置を備えたインバータ制御装置が従来提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願２００６−２５４５７４号公報
【特許文献２】特願２００８−１７１７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に記載の技術は、いずれも、パワー半導体素子のパワーサイクル寿命を推定することに留まっているので、インバータ装置を構成する個々のパワー半導体素子のパワーサイクル寿命が尽きる前に、当該パワー半導体素子の交換作業を行わなくてはならず、メンテナンスに多大な労力を要するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、インバータ装置を構成する個々のパワー半導体素子の劣化状態を均等化可能で、インバータ装置の長寿命化とメンテナンスの容易化を図ることができるインバータ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、複数のパワー半導体素子から構成され、モータに印加する速度周波数に応じた交流電圧を作り出すインバータ装置の制御装置において、前記インバータ装置を構成する各パワー半導体素子についてのパワーサイクル寿命の劣化状態を推定する劣化状態推定部と、該劣化状態推定部にて求められた前記パワーサイクル寿命の劣化状態から、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子と最も遅いパワー半導体素子との電気的な位相差と算出する位相算出部とを備え、前記位相算出部は、前記パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子の劣化状態と、前記パワーサイクル寿命の劣化が最も遅いパワー半導体素子の劣化状態の差を推定し、これらの劣化状態の差が予め設定された閾値を超えたとき、その旨を示す信号を出力することを特徴とする。
【０００８】
インバータ装置は、６個のパワー半導体素子で構成され、これらをＯＮ／ＯＦＦすることにより、被制御対象に備えられたモータに印加する速度周波数に応じた交流電圧を作り出す電力変換装置である。ルームエアコンや冷蔵庫などの家電品は、決められた始動位置及び停止位置というものがないので、これに適用されるインバータ装置の各パワー半導体素子には、熱負荷がほぼ均等に作用し、各パワー半導体素子のパワーサイクル寿命には差が生じないものと考えられる。これに対してエレベータは、各階床に対する乗りかごの停止位置が決められているので、これに適用されるインバータ装置においては、各階床への乗りかごの停止時及び各階床からの乗りかごの始動時に通電されるパワー半導体素子により大きな熱負荷が作用し、パワーサイクル寿命が短くなる。これを放置すれば、この特定のパワー半導体素子のパワーサイクル寿命が、インバータ装置の予定寿命よりも短くなって、メンテナンスに多大の労力を要することになる。そこで、各パワー半導体素子についてパワーサイクル寿命を推定した上で、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子と最も遅いパワー半導体素子との電気的な位相差を算出し、例えばこの位相差を表示部に表示すると、エレベータの管理者は、この表示部に表示された位相差に基づいて、各階床への乗りかごの停止時及び各階床からの乗りかごの始動時に通電されるパワー半導体素子が、パワーサイクル寿命の劣化が最も遅いパワー半導体素子となるようにエレベータ駆動用のモータの制御位相を調整することにより、各パワー半導体素子についてのパワーサイクル寿命を均等化できるので、インバータ装置の寿命を、予定された寿命まで延長することができる。また、算出された位相差からモータの制御量を更に算出すれば、この制御量に基づいてモータの制御位相を自動的に調整することもできる。さらに、位相算出部により、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子の劣化状態と、パワーサイクル寿命の劣化が最も遅いパワー半導体素子の劣化状態の差を推定し、これらの劣化状態の差が予め設定された閾値を超えたとき、その旨を示す信号を出力すると、各パワー半導体素子の劣化状態の差が所定の閾値に達するごとに被制御対象の調整を行うことができるので、インバータ装置及びその被制御対象のメンテナンスをより容易化することができる。なお、上記においては、エレベータ用のインバータ制御装置を例にとって説明したが、本発明は、パワー半導体素子のパワーサイクル寿命に差が生じる用途に適用される全てのインバータ制御装置に適用することができる。
【００１１】
また本発明は、前記構成のインバータ制御装置において、被制御対象の基準位置における前記モータの制御位相を検出する基準位置検出器と、該基準位置検出器にて検出された前記被制御対象の基準位置における前記モータの制御位相、前記劣化状態推定部にて求められた前記パワーサイクル寿命の劣化状態、及び前記モータの駆動時間を記憶する記憶手段と、前記パワーサイクル寿命の劣化状態及び前記モータの駆動時間から、前記各パワー半導体素子がパワーサイクル寿命に到達するまでの推定時間を算出する演算部とを更に備えたことを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によると、被制御対象（例えばエレベータ）の基準位置（例えば１階の乗りかごの停止位置）におけるモータの制御位相を検出する基準位置検出器を備えるので、例えば表示部に、当該基準位置検出器にて検出された被制御対象の基準位置におけるモータの制御位相を表示することにより、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子と最も遅いパワー半導体素子との電気的な位相差に応じた被制御対象の調整後に、モータの制御位相が前記位相差に応じたものとなっているか否かを容易に確認することができる。また、演算部にて、各パワー半導体素子についてのパワーサイクル寿命の劣化状態とモータの駆動時間とから、各パワー半導体素子がパワーサイクル寿命に到達するまでの推定時間を算出するので、次回のモータの調整時期を確実に知ることができて、インバータ装置及び被制御対象のメンテナンスを効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、複数のパワー半導体素子のそれぞれについてのパワーサイクル寿命を推定すると共に、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子と最も遅いパワー半導体素子との電気的な位相差を算出するので、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子に作用する熱負荷が最も軽くなるように被制御対象を調整することが可能となり、インバータを構成する各パワー半導体素子のパワーサイクル寿命を均等化することができて、パワー半導体素子及びインバータ装置の寿命を最大限に利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係るインバータ制御装置の構成図である。
【図２】インバータ制御装置に備えられる複数のパワー半導体素子間に生じるパワーサイクル寿命の差とこれを均等化するための方法を示す説明図である。
【図３】実施形態に係るインバータ制御装置をエレベータシステムに適用した場合における制御位相の調整方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施形態に係るインバータ制御装置につき、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１に示すように、実施形態に係るインバータ制御装置は、モータ１の駆動を制御するインバータ装置３及びコンバータ装置４と接続され、これらの各装置３，４を構成する複数個のパワー半導体素子２のパワーサイクル寿命を推定する。なお、本実施形態においては、パワー半導体素子２として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１〜６が用いられている。モータ１は、インバータ装置３に接続され、インバータ装置３より供給される可変電圧可変周波数の３相交流電力より可変速度制御される。インバータ装置３は、コンバータ装置４と接続され、コンバータ装置４は、商用電源５から給電される３相交流電力を直流電力に変換する。
【００１７】
インバータ制御装置６は、モータ１の回転位置を検出するエンコーダ７と電流検出器８とを備えており、これらの各検出器の出力信号に基づいて、インバータ装置３及びコンバータ装置４をフィードバック制御する。また、このインバータ制御装置６には、インバータ装置３及びコンバータ装置４を構成する各パワー半導体素子２のパワーサイクル（サーマルサイクル）に起因する劣化状態を推定する劣化状態推定部９と、該劣化状態推定部９にて求められたパワーサイクル寿命の劣化状態から、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子と最も遅いパワー半導体素子との電気的な位相差を算出する位相算出部１０と、該位相算出部１０にて算出された位相差を表示する表示部１１が備えられており、インバータ装置３及びコンバータ装置４の長寿命化を支援できるようになっている。
【００１８】
劣化状態推定部９は、電流検出器８の帰還信号８ａなどからインバータ装置３及びコンバータ装置４を構成するパワー半導体素子２のジャンクション温度の上昇値を推定し、推定した上昇値にパワーサイクル数を積算して、各パワー半導体素子２の劣化状態を推定する。なお、かかる方法に代えて、特許文献１，２に記載の方法で、パワー半導体素子２の劣化状態を推定することもできる。
【００１９】
位相算出部１０は、劣化状態推定部９にて求められたパワーサイクル寿命の劣化状態から、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いＩＧＢＴと最も遅いＩＧＢＴとの電気的な位相差を算出すると共に、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いＩＧＢＴの劣化状態と最も遅いＩＧＢＴの劣化状態の差を算出する。図２（ａ）に、位相算出部１０にて行われる位相差の算出原理を示す。また、図２（ｂ）に、ＩＧＢＴ１〜６の劣化状態を均等化する方法を示す。図２（ａ）に示すように、モータ１の電気的制御位相である０〜３６０度に対して、インバータ装置３を構成するＩＧＢＴ１〜６が通電した場合の制御位相は、素子毎に６０度ずれた６方向に表される。図２（ａ）では、ＩＧＢＴ１〜６のパワーサイクル寿命を基準寿命１として換算し、この基準寿命１に対する劣化状態を数値及び太線で表示している。インバータ装置３を構成するＩＧＢＴ１〜６の劣化状態は、インバータ装置３の駆動条件、つまりは制御対象となるモータ１の駆動条件により決まり、エレベータなどのモータ１を特定の位置で起動・停止を繰り返す装置においては、モータ１の起動・停止位置に相当する制御位相で通電する素子の通電量及び通電頻度が高くなる。したがって、図２（ａ）に示すように、各素子により、劣化状態に違いが生じる。
【００２０】
図２（ａ）の例では、ＩＧＢＴ１（位相角が０度）の劣化が最も早く、ＩＧＢＴ２（位相角が１８０度）の劣化が最も遅くなっている。従って、本例の場合、劣化が最も早いパワー半導体素子（ＩＧＢＴ１）と劣化が最も遅いパワー半導体素子（ＩＧＢＴ２）との電気的な位相差は１８０度となり、この値が表示部１１に表示される。また、ＩＧＢＴ１の劣化状態は０．５であり、ＩＧＢＴ２の劣化状態は０．３５であって、その差（０．１５）が予め定められた閾値以上である場合には、その旨が表示部１１に表示される。
【００２１】
上述のように、パワーサイクル寿命の劣化は、モータ１の起動・停止位置に相当する制御位相で通電するパワー半導体素子２ほど早く進む。したがって、表示部１１の表示内容に従い、モータ１の起動・停止位置に相当する制御位相で通電しており、劣化が最も早く進行したＩＧＢＴ１を、モータ１の起動・停止位置に相当する制御位相で通電しないようにし、また、モータ１の起動・停止位置に相当する制御位相で通電しておらず、劣化の進行が最も遅いＩＧＢＴ２を、モータ１の起動・停止位置に相当する制御位相で通電するようにモータ１の制御位相を調整し直せば、劣化が最も早く進行したＩＧＢＴ１については、劣化の進行を遅らせることができ、劣化の進行が最も遅いＩＧＢＴ２については、劣化の進行を早めることができて、ＩＧＢＴ１〜６の劣化状態を均等化することができる。即ち、ＩＧＢＴ１〜６の劣化状態が図２（ａ）に示すアンバランスな状態から、モータ１の制御位相を１８０度変更することにより、図２（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ１〜６の劣化状態を全て均等な状態にすることができる。
【００２２】
以下、エレベータ装置を例にとって、モータ１における制御位相の調整方法を説明する。図３（ａ），（ｂ）に示すように、モータ１の制御位相は回転子の磁束３１であり、永久磁石モータでは磁石位置に相当する。被駆動側は主ロープ３２によって連結された乗りかご３３及びカウンターウェイト３４に相当する。モータ１の回転子に直結されたシーブ３５と主ロープ３２との摩擦力により乗りかご３３及びカウンターウェイト３４を上下に駆動する構造であるため、乗りかご３３及びカウンターウェイト３４の非常止め装置（図示省略）を動作させるなどでシーブ３５と主ロープ３２との摩擦力を低減することで、シーブ３５及び回転子側の磁束位置と主ロープの位置関係を低い回転力・トルクで変更することができる。この状態において、前述の位相差に相当する制御量回転子側を手動又はモータで駆動させる。図３（ｂ）は磁束位置を１８０度ずらした場合の例である。本操作により、ＩＧＢＴ１〜６の劣化状態を均等化できる。
【００２３】
なお、図２（ａ），（ｂ）の例では、１回の制御位相の調整で、ＩＧＢＴ１〜６がほぼパワーサイクル寿命に到達するようになっているが、より実際的には、上述の操作を何度も繰り返すことにより、各素子の劣化状態を平均的に進行させることが可能となり、インバータ装置３の寿命及びインバータ装置３を構成する各パワー半導体素子２の寿命を最大限に利用することに貢献できる。
【００２４】
また、図１に示すインバータ制御装置６には、被制御対象の基準位置におけるモータ１の制御位相を検出する基準位置検出器と、該基準位置検出器にて検出された被制御対象の基準位置における前記モータの制御位相、劣化状態推定部９にて求められた各パワー半導体素子２についてのパワーサイクル寿命の劣化状態、及びモータ１の駆動時間を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶されたパワーサイクル寿命の劣化状態とモータ１の駆動時間とから、各パワー半導体素子２がパワーサイクル寿命に到達するまでの推定時間を算出する演算部とを更に備え、表示部１１に、被制御対象の基準位置におけるモータ１の制御位相、各パワー半導体素子２についてのパワーサイクル寿命の劣化状態、モータ１の駆動時間、及び各パワー半導体素子がパワーサイクル寿命に到達するまでの残寿命推定時間を表示する構成とすることができる。
【００２５】
かかる構成によると、表示部１１に、基準位置検出器にて検出された被制御対象の基準位置におけるモータ１の制御位相を表示するので、パワーサイクル寿命の劣化が最も早いパワー半導体素子と最も遅いパワー半導体素子との電気的な位相差に応じた被制御対象の調整後に、モータ１の制御位相が、表示部１１に表示された位相差に応じたものとなっているか否かを容易に確認することができる。また、表示部１１に、各パワー半導体素子２についてのパワーサイクル寿命の劣化状態、モータ１の駆動時間、及び各パワー半導体素子２がパワーサイクル寿命に到達するまでの残寿命推定時間を表示するので、次回の被制御対象の調整時期を知ることができ、インバータ装置及び被制御対象のメンテナンスを容易かつ効率的なものにすることができる。
【００２６】
更に、前記各実施形態においては、劣化状態推定部９にて求められたパワーサイクル寿命の劣化状態、位相算出部１０にて算出された位相差、及び、演算部にて求められたパワーサイクル寿命に到達するまでの推定時間を表示部１１に表示する構成としたが、かかる構成に代えて、或いはかかる構成と共に、これらの各データからモータ１の制御量を更に算出し、この制御量に基づいてモータ１の制御位相を自動的に調整するという構成にすることもできる。これにより、インバータ装置及び被制御対象のメンテナンスをより容易かつ効率的なものにすることができる。
【符号の説明】
【００２７】
１    モータ
２    パワー半導体素子
３    インバータ装置
４    コンバータ装置
５    商用電源
６    インバータ制御装置
７    エンコーダ
８    電流検出器
９    劣化状態推定部
１０    位相算出部
１１    表示部
【図１】
0005481318.tif 000002
【図２】
0005481318.tif 000003
【図３】
0005481318.tif 000004