(57)【要約】この発明の電動機制御装置は、温度変化推定部１１で、スイッチング回路５の半導体素子を流れる電流から演算した出力電流信号１０５と運転周波数信号とキャリア周波数信号とに基づき半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅１０８を演算し、熱ストレス演算部１３で、パワーサイクル曲線データ記憶部１４に格納されたパワーサイクル曲線データから温度変化振幅１０８に対応するパワーサイクル数１１０に換算し、熱ストレス信号１１１を演算し、寿命推定部１５ａで、熱ストレス信号１１１に基づいて半導体素子の寿命推定をし、寿命推定結果信号１１２として表示部１６に出力する。
2004082114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワートランジスタとこのパワートランジスタに並列接続されるダイオードなどの半導体素子を有するスイッチング回路と、
運転周波数設定部で設定された運転周波数信号とキャリア周波数設定部で設定されたキャリア周波数信号に基づき駆動パルスを生成する制御部と、
この制御部から出力された前記駆動パルスを増幅して前記スイッチング回路のパワートランジスタをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動回路と、を有し、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換し、負荷としての電動機を可変制御する電動機制御装置において、
前記半導体素子を流れる電流から出力電流を演算するとともに、演算した出力電流信号が電流制限レベル調節部から出力された電流制限値信号を上回った場合には前記制御部に電流遮断信号を出力する電流演算部と、この出力電流信号と前記運転周波数信号と前記キャリア周波数信号とに基づき前記半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅を演算する温度変化推定部と、
温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連を示すパワーサイクル曲線データを格納するパワーサイクル曲線データ記憶部と、
前記温度変化推定部で演算した温度変化振幅を前記パワーサイクル曲線データにより半導体素子のパワーサイクル寿命としてのパワーサイクル数に換算し、
熱ストレス信号を演算する熱ストレス演算部と、
この熱ストレス信号に基づいて前記半導体素子の寿命推定をし、寿命推定結果信号として表示部に出力するとともに、さらに設定時間当りの寿命時間を算出して期待寿命と比較し、寿命時間が期待寿命よりも小さい場合に、寿命判定信号としてアラームを前記表示部に出力する寿命推定部と、
を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記寿命推定部は、前記寿命推定結果信号と前記寿命判定信号とを前記電流制限レベル調節部に出力するとともに、
前記電流制限レベル調節部は、前記寿命推定結果信号に警告情報が含まれていた場合、または前記寿命判定信号が入力された場合には、前記電流演算部に出力する電流制限値信号を小さくするように自動調整するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記寿命推定部は、前記寿命推定結果信号と前記寿命判定信号とを前記キャリア周波数設定部に出力するとともに、
前記キャリア周波数設定部は、前記寿命推定結果信号に警告情報が含まれていた場合、または前記寿命判定信号が入力された場合には、前記キャリア周波数の上限値を下げるように自動調整してキャリア周波数信号を前記制御部に出力するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この発明は、電動機を可変速制御する電動機制御装置に関するものである。
【背景技術】  インバータ装置など、電力用半導体素子を用いた電動機制御装置では、同装置の運転時に電力用半導体素子が発熱してチップのジャンクション温度が上昇し、同装置の停止時には発熱が止ってジャンクション温度が低下する。また、電動機の運転始動時、運転停止時および負荷の急変時においては、装置の出力電流が大きく変化するため、電力用半導体素子のジャンクション温度も大きく変化する。このため、運転と停止の繰り返しおよび速度や負荷の急激な変化の繰り返しにより、電力用半導体素子のチップ部分が熱膨張と熱収縮を繰り返す。
一方、電力用半導体素子は一般に熱膨張係数の異なる種々の材料を使って組み立てられているため、特にワイヤボンディング部や電力用半導体素子とヒートスプレッダの接合部が温度上昇すると、チップのコーティング剤の熱膨張応力により徐々にワイヤボンディングがチップから剥離し始めたり、チップとヒートスプレッダとの熱膨張係数の差異による熱膨張応力により接合材料が金属疲労し始める。運転と停止の繰り返しおよび速度や負荷の急激な変化の繰り返しにより、最終的には、ワイヤボンディングが完全に剥離してオープン状態になる。すなわち、電力用半導体素子の不良あるいは破壊にいたる。このワイヤボンディングが熱膨張応力により完全に剥離して不良あるいは破壊にいたるまでの熱膨張と熱収縮のサイクルがパワーサイクルと呼ばれる。
従って、インバータ装置をＡＣサーボ装置あるいはエレベータのモータ駆動に用いた場合など運転と停止の繰り返し頻度が高い装置や、コンプレッサに用いた場合などの負荷変動が激しい装置では、特にパワーサイクルにより電力用半導体素子の寿命が短くなるので、何らかの対策が必要である。
パワーサイクルによる電力用半導体素子の寿命を監視して、寿命が尽きる前に電力用半導体素子の保守の時期を把握し、電力用半導体素子の破壊を防止することを可能とする装置を提供することを目的としたものとして、特許文献１（特開平８−５１７６８号公報）に開示された電力用半導体素子の寿命監視装置がある。
特許文献１は、インバータ装置等に用いられる電力用半導体素子をパワーサイクルによる寿命にいたる前に保護することを目的としたもので、電力用半導体素子のジャンクション温度差とパワーサイクルとの相関関係から、インバータ装置における電力用半導体素子のジャンクション温度差に対応するパワーサイクルを寿命と推定し、カウンタでインバータ装置の運転回数をカウントし、カウント値が第一の基準値を越えた時に警報信号を出力し、カウント値が第二の基準値を越えた時にトリップ信号を出力してインバータ装置を強制的に停止させるようにしたものである。
特許文献１では、ジャンクション温度差の値は通常変化するが、ジャンクション温度差の値は装置の運転と停止における代表的な一点を選び固定値としており、所望の推定寿命精度が得られないという問題点があった。
また、電力用半導体素子の寿命になる以前に使用方法を改善するなどの延命処置ができるインバータ装置を得ることを目的としたものとして、特許文献２（特開平８−１２６３３７号公報）がある。
特許文献２には、電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基づいて演算した温度変化幅熱ストレス回数と電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基づいて演算した温度変化率熱ストレス回数とから求めた熱ストレス回数が許容熱ストレス回数を越えた場合にアラーム表示指令などのアラーム処理を行うこと、また、熱ストレス回数と許容熱ストレス回数とから残りの寿命時間を求め、表示指令を行うこと、また、設定時間毎の温度変化幅熱ストレス回数と設定時間毎の温度変化率熱ストレス回数とから求めた設定時間毎の熱ストレス回数が設定時間当たりの許容熱ストレス回数を越えた場合には、設定時間の運転で期待寿命時間だけ運転できないことになるため、アラーム表示指令などのアラーム処理を行うこと、また、設定時間の運転での運転可能寿命を求め、表示指令を行うことが記載されている。
特許文献２は、熱ストレスによる寿命推定により疲労に達した部品を表示して作業者が容易に判断でき故障を未然に防ぐことができるだけでなく、設定した時間の運転で期待寿命時間だけ運転可能か否かを推定することで、作業者がインバータ装置の使用方法や負荷状況および使用頻度の改善を行うことで延命処置ができるようにしたものであるが、作業者が表示部を検査してその表示やアラームを確認して寿命判定結果や寿命推定結果を確認しなければ、延命処置を施すことができず、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、インバータ装置は寿命判定により出力を停止してしまうため、システムが異常停止してしまうという問題点もあった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、精度の高い寿命推定が行える電動機制御装置を得るものである。
また、第２の目的は、半導体素子の温度変化の振幅を自動的に小さくすることにより、設定された期待寿命を満足することができる電動機制御装置を得るものである。
【発明の開示】
この発明の電動機制御装置は、パワートランジスタとこのパワートランジスタに並列接続されるダイオードなどの半導体素子を有するスイッチング回路と、運転周波数設定部で設定された運転周波数信号とキャリア周波数設定部で設定されたキャリア周波数信号に基づき駆動パルスを生成する制御部と、この制御部から出力された駆動パルスを増幅してスイッチング回路のパワートランジスタをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動回路と、を有し、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換し、負荷としての電動機を可変制御する電動機制御装置において、
半導体素子を流れる電流から出力電流を演算するとともに、演算した出力電流信号が電流制限レベル調節部から出力された電流制限値信号を上回った場合には制御部に電流遮断信号を出力する電流演算部と、この出力電流信号と運転周波数信号とキャリア周波数信号とに基づき半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅を演算する温度変化推定部と、温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連を示すパワーサイクル曲線データを格納するパワーサイクル曲線データ記憶部と、温度変化推定部で演算した温度変化振幅を前記パワーサイクル曲線データにより半導体素子のパワーサイクル寿命としてのパワーサイクル数に換算し、熱ストレス信号を演算する熱ストレス演算部と、この熱ストレス信号に基づいて半導体素子の寿命推定をし、寿命推定結果信号として表示部に出力するとともに、さらに設定時間当りの寿命時間を算出して期待寿命と比較し、寿命時間が期待寿命よりも小さい場合に、寿命判定信号としてアラームを表示部に出力する寿命推定部と、を備えたので、
精度の高い寿命推定が行うことができる。
また、寿命推定部は、寿命推定結果信号と寿命判定信号とを電流制限レベル調節部に出力するとともに、電流制限レベル調節部は、寿命推定結果信号に警告情報が含まれていた場合、または寿命判定信号が入力された場合には、電流演算部に出力する電流制限値信号を小さくするように自動調整するようにしたので、
半導体素子の温度変化の振幅を自動的に小さくすることができ、設定された期待寿命を満足することができる。
さらに、寿命推定部は、寿命推定結果信号と寿命判定信号とをキャリア周波数設定部に出力するとともに、キャリア周波数設定部は、寿命推定結果信号に警告情報が含まれていた場合、または寿命判定信号が入力された場合には、キャリア周波数の上限値を下げるように自動調整してキャリア周波数信号を前記制御部に出力するようにしたので、
半導体素子の温度変化の振幅を自動的に小さくすることができ、設定された期待寿命を満足することができる。
【図面の簡単な説明】  第１図はこの発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の構成を示す図である。
第２図はパワートランジスタおよびダイオードなどの半導体素子の定常損失特性の一例を示す図である。
第３図はパワートランジスタおよびダイオードなどの半導体素子のスイッチング損失特性の一例を示す図である。
第４図は半導体素子の温度変化の一例を示す図である。
第５図は実施の形態１に係る電動機制御装置においてパワーサイクル曲線データ記憶部１４に格納されるパワーサイクル曲線の特性の一例を示す図である。
第６図はこの発明の実施の形態２に係る電動機制御装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】実施の形態１．
第１図はこの発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の構成を示す図である。図において、制御部１は、運転周波数設定部２で設定された運転周波数信号１００とキャリア周波数設定部３ａで設定されたキャリア周波数信号１０１に基づき駆動パルス１０２を生成し、駆動回路４に出力する。駆動回路４は、駆動パルス１０２により増幅した駆動パルス１０３を生成し、スイッチング回路５を構成するパワートランジスタ６をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換し、負荷としての電動機８を可変制御する。また、７はパワートランジスタ６に並列接続されるダイオードである。
また、電流演算部９は電流検出器１０で検出した電流検出信号１０４から出力電流を演算して出力電流信号１０５を温度変化推定部１１に出力する。また、電流演算部９は、演算した出力電流信号１０５と、電流制限レベル調節部１２ａでパワートランジスタ６およびダイオード７などの半導体素子および電動機８を過電流から保護するために設定された電流制限値信号１０６とを比較し、出力電流信号１０５が電流制限値信号１０６を上回った場合は、制御部１に電流遮断信号１０７を出力する。
また、温度変化推定部１１は、運転周波数設定部２で設定された運転周波数信号１００とキャリア周波数設定部３ａで設定されたキャリア周波数信号１０１と電流演算部９で演算した出力電流信号１０５とに基づいて、パワートランジスタ６およびダイオード７などの半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅を演算する。
温度変化推定部１１における温度変化推定処理について説明する。
パワートランジスタおよびダイオードなどの半導体素子の定常損失特性の一例を第２図に示す。第２図において、横軸は出力電流Ｉ（電流演算部９で演算した出力電流信号１０５）で、縦軸が定常損失Ｐｓである。定常損失Ｐｓは出力電流Ｉの増加に伴い増加する特性となる。
また、パワートランジスタおよびダイオードなどの半導体素子のスイッチング損失特性の一例を第３図に示す。第３図において、横軸は出力電流Ｉ（電流演算部９で演算した出力電流信号１０５）で、縦軸がスイッチング損失Ｐｓｗである。スイッチング損失Ｐｓｗは出力電流Ｉの増加に伴い増加する特性となる。
まず、電流演算部９で演算した出力電流信号１０５（第２図、第３図では出力電流Ｉとして記載）を用いて、第２図に示す定常損失特性により定常損失Ｐｓ、第３図に示すスイッチング損失特性によりスイッチング損失Ｐｓｗを求める。次に、定常損失Ｐｓおよびスイッチング損失Ｐｓｗと、キャリア周波数設定部３ａで設定されたキャリア周波数信号１０１であるキャリア周波数ｆｃと、演算周期Δτとから、（１）式により、スイッチング回路５を構成するパワートランジスタ６とダイオード７などの半導体素子の発熱量Ｑを求める。
Ｑ＝Ｐｓ（Ｉ）＋Ｐｓｗ（Ｉ）×ｆｃ×Δτ・・・・・（１）
演算時間Δτ間における温度変化量Δθは、パワートランジスタ６およびダイオード７の発熱量Ｑと、パワートランジスタ６およびダイオード７の実装状態により定まる過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）とから求めることができ、温度変化量Δθを積算演算して温度変化を求め、この極大点と極小点を抽出して温度変化振幅ΔＴ１を計算し、温度変化振幅信号１０８として熱ストレス演算部１３に出力する。
半導体素子の温度変化の一例を第４図に示す。第４図において、Δｔは設定時間、ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３、ΔＴ４、ΔＴｎは温度変化振幅、ΔＴｍａｘは設定時間Δｔにおける最大温度変化振幅である。この半導体素子の温度上昇のサイクルにより不良となるまでの熱膨張と熱収縮のサイクルをパワーサイクルと呼ぶ。
熱ストレス演算部１３は、パワーサイクル曲線データ記憶部１４に格納されている温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連を示すパワーサイクル曲線データにより、温度変化振幅信号１０９に対応するパワーサイクル寿命をパワーサイクル数信号１１０として演算する。
実施の形態１に係る電動機制御装置においてパワーサイクル曲線データ記憶部に格納されるパワーサイクル曲線の特性の一例を第５図に示す。第５図において、横軸は温度変化振幅ΔＴ（熱ストレス演算部１３から出力される温度変化振幅信号１０９）、縦軸は半導体素子のパワーサイクル寿命としてのパワーサイクル数Ｓ（熱ストレス演算部１３に出力するパワーサイクル数信号１１０）である。温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命とは相関関係があり、温度変化振幅が大きい（ΔＴ１＞ΔＴ２）ほどパワーサイクル寿命が短く（Ｓ１＜Ｓ２）なる。
また、熱ストレス演算部１３は、温度変化振幅ΔＴ１対応して求めたパワーサイクル数Ｓ１をパワーサイクル数信号１１０として受け取り、熱ストレス係数ｘ１を（２）式により、
ｘ１＝１／Ｓ１・・・・・（２）
演算して、その結果を熱ストレス信号１１１として寿命推定部１５ａへ出力する。
以降、同様にして温度変化振幅ΔＴ２、ΔＴ３、ΔＴ４、・・・に対応したパワーサイクル数Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、・・・をパワーサイクル曲線データ記憶部１４から受け取り、熱ストレス係数ｘ２（＝１／Ｓ２）、ｘ３（＝１／Ｓ３）、ｘ４（＝１／Ｓ４）、・・・を演算して、熱ストレス信号１１１として寿命推定部１５ａへ出力する。
寿命推定部１５ａは、熱ストレス信号１１１として熱ストレス係数を入力すると、積算熱ストレス係数Ｘを（３）式のように、
Ｘ＝Ｘ０（前回値）＋ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＋ｘ４＋・・・（３）
加算して求め、寿命推定結果信号１１２として表示部１６に出力する。
また、積算熱ストレス係数Ｘ＝１の場合が寿命に相当するので、積算熱ストレス係数Ｘが１に近づいた場合は、寿命推定結果信号１１２として警告を表示部１６に出力して、寿命に近づいた旨を作業者に知らせる。
また、寿命推定部１５ａは、運転時間設定部１７より設定された設定時間Δｔを設定時間信号１１３として受け取り、設定時間Δｔの間だけ熱ストレス演算部１３から出力される熱ストレス信号１１１により、熱ストレス係数ｘ１、ｘ２、ｘ３、・・・、ｘｎを受け取り積算し、設定時間Δｔ当りの熱ストレス係数Ｘｔを、（４）式で求める。
Ｘｔ＝ｘ１＋ｘ２＋…＋ｘｎ・・・・・（４）
また、寿命時間ｔＬを（５）式により算出し、
ｔＬ＝Δｔ×（１／Ｘｔ）  ・・・・・（５）
期待寿命設定部１８で設定された期待寿命ｔｅである期待寿命信号１１４と、（５）式により算出した寿命時間ｔＬとを比較し、ｔＬ＜ｔｅとなった場合は、寿命判定信号１１５としてアラームを表示部１６に出力して、作業者に延命処置を促す。
上記のように、実施の形態１によれば、温度変化推定部で演算した温度変化振幅毎に、半導体素子固有のパワーサイクル曲線データを参照してパワーサイクル寿命を算出するようにしたので、いかなる温度変化の振幅に対してもその振幅に基づいて重みづけされた熱ストレスを演算して積算することが可能となり、精度の高い寿命の推定および期待寿命との判定が実現可能となる。
実施の形態２．
第６図はこの発明の実施の形態２に係る電動機制御装置の構成を示す図である。図において、１、２、４〜１１、１３、１４、１６〜１８、１００〜１１５は、第１図と同様であり、その説明を省略する。
寿命推定部１５ｂは、寿命推定結果信号１１２と寿命判定信号１１５とをキャリア周波数設定部３ｂおよび電流制限レベル調節部１２ｂに出力する。
電流制限レベル調節部１２ｂは、入力した寿命推定結果信号１１２に含まれる積算熱ストレス係数Ｘが１に近づいた場合、または寿命時間ｔＬが期待寿命ｔｅを下回った場合に出力される寿命判定信号１１５が入力された場合には、電流演算部９に出力する電流制限値信号１０６を小さくするように自動調整する。
パワートランジスタ６、ダイオード７などの半導体素子の寿命が短くなった場合に、電流制限値信号１０６を小さくするように自動調整し、出力電流Ｉを低めに制限することにより、第２図、第３図に示される定常損失Ｐｓ、スイッチング損失Ｐｓｗを小さくすることができるので、半導体素子の発熱量Ｑを抑制することができる。このため、作業者が電動機制御装置を検査して延命処置を施す処置をしなくとも、期待寿命設定部１８にて設定された半導体素子の期待寿命を満足するように自動調整することができる。
また、キャリア周波数設定部３ｂは、入力した寿命推定結果信号１１２に含まれる積算熱ストレス係数Ｘが１に近づいた場合、または寿命時間ｔＬが期待寿命ｔｅを下回った場合に出力される寿命判定信号１１５が入力された場合には、キャリア周波数の上限値を下げるように自動調整してキャリア周波数信号１０１を制御部１に出力する。
パワートランジスタ６、ダイオード７などの半導体素子の寿命が短くなった場合に、キャリア周波数の上限値を下げるように自動調整したので、半導体素子の発熱量Ｑを求める（１）式のスイッチング損失Ｐｓｗの項を小さくすることができ、半導体素子の発熱量Ｑを抑制することができる。このため、作業者が電動機制御装置を検査して延命処置を施す処置をしなくとも、期待寿命設定部１８にて設定された半導体素子の期待寿命を満足するように自動調整することができる。
また、半導体素子の寿命が短くなったと判断して自動調整によりキャリア周波数を下げた場合、電動機の騒音が増加するので、作業者に半導体素子の寿命が近づいたことを促すことができ、半導体素子の寿命による故障でシステムが異常停止する前に、作業者が電動機制御装置を交換する処置を施すことができる。
実施の形態２においては、半導体素子の寿命が短くなった場合に、電流制限値信号１０６を小さくするように自動調整することにより、またキャリア周波数の上限値を下げるように自動調整することにより、半導体素子の発熱量Ｑを抑制するようにしたので、負荷変動の大きいコンプレッサ等などの場合に発生する急激な出力電流変動により熱ストレスで半導体素子が急速に寿命に至った場合においても、作業者が表示部１６にて表示されるアラームを検査する以前に、システムが停止することを防ぐことができる。また、作業者が電動機制御装置を検査して延命処置を施す処置をしなくとも、期待寿命設定部１８にて設定された半導体素子の期待寿命を満足するように自動調整することができる。
【産業上の利用可能性】  以上のように、本発明の電動機制御装置は精度の高い寿命の推定および期待寿命との判定が実現可能となるので、始動・停止制御が頻繁に行われる用途に適している。また、作業者が表示部を検査して延命処置を施す処置をしなくとも、期待寿命設定部にて設定された半導体素子の期待寿命を満足するように自動調整することができるので、指令速度に対して運転速度の低下が許容される用途に適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年2月8日(2006.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】        明細書
【特許請求の範囲】
【請求項１】  パワートランジスタとこのパワートランジスタに並列接続されるダイオードなどの半導体素子を有するスイッチング回路と、
運転周波数設定部で設定された運転周波数信号とキャリア周波数設定部で設定されたキャリア周波数信号に基づき駆動パルスを生成する制御部と、
この制御部から出力された前記駆動パルスを増幅して前記スイッチング回路のパワートランジスタをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動回路と、を有し、
直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換し、負荷としての電動機を可変制御する電動機制御装置において、
前記半導体素子を流れる電流から出力電流を演算するとともに、演算した出力電流信号が電流制限レベル調節部から出力された電流制限値信号を上回った場合には前記制御部に電流遮断信号を出力する電流演算部と、
この出力電流信号と前記運転周波数信号と前記キャリア周波数信号とに基づき前記半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅を演算する温度変化推定部と、
温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連を示すパワーサイクル曲線データを格納するパワーサイクル曲線データ記憶部と、
前記温度変化推定部で演算した温度変化振幅を前記パワーサイクル曲線データにより半導体素子のパワーサイクル寿命としてのパワーサイクル数に換算し、
熱ストレス信号を演算する熱ストレス演算部と、
この熱ストレス信号に基づいて前記半導体素子の寿命推定をし、寿命推定結果信号として表示部に出力するとともに、さらに設定時間当りの寿命時間を算出して期待寿命と比較し、寿命時間が期待寿命よりも小さい場合に、寿命判定信号としてアラームを前記表示部に出力する寿命推定部と、
を備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】  前記寿命推定部は、前記寿命推定結果信号と前記寿命判定信号とを前記電流制限レベル調節部に出力するとともに、
前記電流制限レベル調節部は、前記寿命推定結果信号に警告情報が含まれていた場合、または前記寿命判定信号が入力された場合には、前記電流演算部に出力する電流制限値信号を小さくするように自動調整するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項３】  前記寿命推定部は、前記寿命推定結果信号と前記寿命判定信号とを前記キャリア周波数設定部に出力するとともに、
前記キャリア周波数設定部は、前記寿命推定結果信号に警告情報が含まれていた場合、または前記寿命判定信号が入力された場合には、前記キャリア周波数の上限値を下げるように自動調整してキャリア周波数信号を前記制御部に出力するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動機を可変速制御する電動機制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置など、電力用半導体素子を用いた電動機制御装置では、同装置の運転時に電力用半導体素子が発熱してチップのジャンクション温度が上昇し、同装置の停止時には発熱が止ってジャンクション温度が低下する。また、電動機の運転始動時、運転停止時および負荷の急変時においては、装置の出力電流が大きく変化するため、電力用半導体素子のジャンクション温度も大きく変化する。このため、運転と停止の繰り返しおよび速度や負荷の急激な変化の繰り返しにより、電力用半導体素子のチップ部分が熱膨張と熱収縮を繰り返す。
【０００３】
一方、電力用半導体素子は一般に熱膨張係数の異なる種々の材料を使って組み立てられているため、特にワイヤボンディング部や電力用半導体素子とヒートスプレッダの接合部が温度上昇すると、チップのコーティング剤の熱膨張応力により徐々にワイヤボンディングがチップから剥離し始めたり、チップとヒートスプレッダとの熱膨張係数の差異による熱膨張応力により接合材料が金属疲労し始める。運転と停止の繰り返しおよび速度や負荷の急激な変化の繰り返しにより、最終的には、ワイヤボンディングが完全に剥離してオープン状態になる。すなわち、電力用半導体素子の不良あるいは破壊にいたる。このワイヤボンディングが熱膨張応力により完全に剥離して不良あるいは破壊にいたるまでの熱膨張と熱収縮のサイクルがパワーサイクルと呼ばれる。
【０００４】
従って、インバータ装置をＡＣサーボ装置あるいはエレベータのモータ駆動に用いた場合など運転と停止の繰り返し頻度が高い装置や、コンプレッサに用いた場合などの負荷変動が激しい装置では、特にパワーサイクルにより電力用半導体素子の寿命が短くなるので、何らかの対策が必要である。
パワーサイクルによる電力用半導体素子の寿命を監視して、寿命が尽きる前に電力用半導体素子の保守の時期を把握し、電力用半導体素子の破壊を防止することを可能とする装置を提供することを目的としたものとして、特許文献１（特開平８−５１７６８号公報）に開示された電力用半導体素子の寿命監視装置がある。
【０００５】
特許文献１は、インバータ装置等に用いられる電力用半導体素子をパワーサイクルによる寿命にいたる前に保護することを目的としたもので、電力用半導体素子のジャンクション温度差とパワーサイクルとの相関関係から、インバータ装置における電力用半導体素子のジャンクション温度差に対応するパワーサイクルを寿命と推定し、カウンタでインバータ装置の運転回数をカウントし、カウント値が第一の基準値を越えた時に警報信号を出力し、カウント値が第二の基準値を越えた時にトリップ信号を出力してインバータ装置を強制的に停止させるようにしたものである。
【０００６】
また、電力用半導体素子の寿命になる以前に使用方法を改善するなどの延命処置ができるインバータ装置を得ることを目的としたものとして、特許文献２（特開平８−１２６３３７号公報）がある。
特許文献２には、電力用半導体素子の推定温度の変化における振幅に基づいて演算した温度変化幅熱ストレス回数と電力用半導体素子の推定温度の変化における割合に基づいて演算した温度変化率熱ストレス回数とから求めた熱ストレス回数が許容熱ストレス回数を越えた場合にアラーム表示指令などのアラーム処理を行うこと、また、熱ストレス回数と許容熱ストレス回数とから残りの寿命時間を求め、表示指令を行うこと、また、設定時間毎の温度変化幅熱ストレス回数と設定時間毎の温度変化率熱ストレス回数とから求めた設定時間毎の熱ストレス回数が設定時間当たりの許容熱ストレス回数を越えた場合には、設定時間の運転で期待寿命時間だけ運転できないことになるため、アラーム表示指令などのアラーム処理を行うこと、また、設定時間の運転での運転可能寿命を求め、表示指令を行うことが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】    特開平８−５１７６８号公報
【特許文献２】    特開平８−１２６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１では、ジャンクション温度差の値は通常変化するが、ジャンクション温度差の値は装置の運転と停止における代表的な一点を選び固定値としており、所望の推定寿命精度が得られないという問題点があった。
【０００９】
特許文献２は、熱ストレスによる寿命推定により疲労に達した部品を表示して作業者が容易に判断でき故障を未然に防ぐことができるだけでなく、設定した時間の運転で期待寿命時間だけ運転可能か否かを推定することで、作業者がインバータ装置の使用方法や負荷状況および使用頻度の改善を行うことで延命処置ができるようにしたものであるが、作業者が表示部を検査してその表示やアラームを確認して寿命判定結果や寿命推定結果を確認しなければ、延命処置を施すことができず、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、インバータ装置は寿命判定により出力を停止してしまうため、システムが異常停止してしまうという問題点もあった。
【００１０】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は、精度の高い寿命推定が行える電動機制御装置を得るものである。
また、第２の目的は、半導体素子の温度変化の振幅を自動的に小さくすることにより、設定された期待寿命を満足することができる電動機制御装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の電動機制御装置は、パワートランジスタとこのパワートランジスタに並列接続されるダイオードなどの半導体素子を有するスイッチング回路と、運転周波数設定部で設定された運転周波数信号とキャリア周波数設定部で設定されたキャリア周波数信号に基づき駆動パルスを生成する制御部と、この制御部から出力された駆動パルスを増幅してスイッチング回路のパワートランジスタをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動回路と、を有し、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換し、負荷としての電動機を可変制御する電動機制御装置において、
半導体素子を流れる電流から出力電流を演算するとともに、演算した出力電流信号が電流制限レベル調節部から出力された電流制限値信号を上回った場合には制御部に電流遮断信号を出力する電流演算部と、この出力電流信号と運転周波数信号とキャリア周波数信号とに基づき半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅を演算する温度変化推定部と、温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連を示すパワーサイクル曲線データを格納するパワーサイクル曲線データ記憶部と、温度変化推定部で演算した温度変化振幅を前記パワーサイクル曲線データにより半導体素子のパワーサイクル寿命としてのパワーサイクル数に換算し、熱ストレス信号を演算する熱ストレス演算部と、この熱ストレス信号に基づいて半導体素子の寿命推定をし、寿命推定結果信号として表示部に出力するとともに、さらに設定時間当りの寿命時間を算出して期待寿命と比較し、寿命時間が期待寿命よりも小さい場合に、寿命判定信号としてアラームを表示部に出力する寿命推定部と、を備えたものである。
【００１２】
また、寿命推定部は、寿命推定結果信号と寿命判定信号とを電流制限レベル調節部に出力するとともに、電流制限レベル調節部は、寿命推定結果信号に警告情報が含まれていた場合、または寿命判定信号が入力された場合には、電流演算部に出力する電流制限値信号を小さくするように自動調整するようにしたので、
半導体素子の温度変化の振幅を自動的に小さくすることができ、設定された期待寿命を満足することができる。
【００１３】
さらに、寿命推定部は、寿命推定結果信号と寿命判定信号とをキャリア周波数設定部に出力するとともに、キャリア周波数設定部は、寿命推定結果信号に警告情報が含まれていた場合、または寿命判定信号が入力された場合には、キャリア周波数の上限値を下げるように自動調整してキャリア周波数信号を前記制御部に出力するようにしたので、
半導体素子の温度変化の振幅を自動的に小さくすることができ、設定された期待寿命を満足することができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の電動機制御装置は、パワートランジスタとこのパワートランジスタに並列接続されるダイオードなどの半導体素子を有するスイッチング回路と、運転周波数設定部で設定された運転周波数信号とキャリア周波数設定部で設定されたキャリア周波数信号に基づき駆動パルスを生成する制御部と、この制御部から出力された駆動パルスを増幅してスイッチング回路のパワートランジスタをＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動回路と、を有し、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換し、負荷としての電動機を可変制御する電動機制御装置において、
半導体素子を流れる電流から出力電流を演算するとともに、演算した出力電流信号が電流制限レベル調節部から出力された電流制限値信号を上回った場合には制御部に電流遮断信号を出力する電流演算部と、この出力電流信号と運転周波数信号とキャリア周波数信号とに基づき半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅を演算する温度変化推定部と、温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連を示すパワーサイクル曲線データを格納するパワーサイクル曲線データ記憶部と、温度変化推定部で演算した温度変化振幅を前記パワーサイクル曲線データにより半導体素子のパワーサイクル寿命としてのパワーサイクル数に換算し、熱ストレス信号を演算する熱ストレス演算部と、この熱ストレス信号に基づいて半導体素子の寿命推定をし、寿命推定結果信号として表示部に出力するとともに、さらに設定時間当りの寿命時間を算出して期待寿命と比較し、寿命時間が期待寿命よりも小さい場合に、寿命判定信号としてアラームを表示部に出力する寿命推定部と、を備えたので、
精度の高い寿命推定が行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
第１図はこの発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の構成を示す図である。図において、制御部１は、運転周波数設定部２で設定された運転周波数信号１００とキャリア周波数設定部３ａで設定されたキャリア周波数信号１０１に基づき駆動パルス１０２を生成し、駆動回路４に出力する。駆動回路４は、駆動パルス１０２により増幅した駆動パルス１０３を生成し、スイッチング回路５を構成するパワートランジスタ６をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、直流電力を可変周波数、可変電圧の交流電力に変換し、負荷としての電動機８を可変制御する。また、７はパワートランジスタ６に並列接続されるダイオードである。
また、電流演算部９は電流検出器１０で検出した電流検出信号１０４から出力電流を演算して出力電流信号１０５を温度変化推定部１１に出力する。また、電流演算部９は、演算した出力電流信号１０５と、電流制限レベル調節部１２ａでパワートランジスタ６およびダイオード７などの半導体素子および電動機８を過電流から保護するために設定された電流制限値信号１０６とを比較し、出力電流信号１０５が電流制限値信号１０６を上回った場合は、制御部１に電流遮断信号１０７を出力する。
また、温度変化推定部１１は、運転周波数設定部２で設定された運転周波数信号１００とキャリア周波数設定部３ａで設定されたキャリア周波数信号１０１と電流演算部９で演算した出力電流信号１０５とに基づいて、パワートランジスタ６およびダイオード７などの半導体素子の温度変化を推定して温度変化振幅を演算する。
【００１６】
温度変化推定部１１における温度変化推定処理について説明する。
パワートランジスタおよびダイオードなどの半導体素子の定常損失特性の一例を第２図に示す。第２図において、横軸は出力電流Ｉ（電流演算部９で演算した出力電流信号１０５）で、縦軸が定常損失Ｐｓである。定常損失Ｐｓは出力電流Ｉの増加に伴い増加する特性となる。
また、パワートランジスタおよびダイオードなどの半導体素子のスイッチング損失特性の一例を第３図に示す。第３図において、横軸は出力電流Ｉ（電流演算部９で演算した出力電流信号１０５）で、縦軸がスイッチング損失Ｐｓｗである。スイッチング損失Ｐｓｗは出力電流Ｉの増加に伴い増加する特性となる。
【００１７】
まず、電流演算部９で演算した出力電流信号１０５（第２図、第３図では出力電流Ｉとして記載）を用いて、第２図に示す定常損失特性により定常損失Ｐｓ、第３図に示すスイッチング損失特性によりスイッチング損失Ｐｓｗを求める。次に、定常損失Ｐｓおよびスイッチング損失Ｐｓｗと、キャリア周波数設定部３ａで設定されたキャリア周波数信号１０１であるキャリア周波数ｆｃと、演算周期Δτとから、（１）式により、スイッチング回路５を構成するパワートランジスタ６とダイオード７などの半導体素子の発熱量Ｑを求める。
Ｑ＝Ｐｓ（Ｉ）＋Ｐｓｗ（Ｉ）×ｆｃ×Δτ・・・・・（１）
【００１８】
演算時間Δτ間における温度変化量Δθは、パワートランジスタ６およびダイオード７の発熱量Ｑと、パワートランジスタ６およびダイオード７の実装状態により定まる過渡熱抵抗Ｒｔｈ（ｔ）とから求めることができ、温度変化量Δθを積算演算して温度変化を求め、この極大点と極小点を抽出して温度変化振幅ΔＴ１を計算し、温度変化振幅信号１０８として熱ストレス演算部１３に出力する。
半導体素子の温度変化の一例を第４図に示す。第４図において、Δｔは設定時間、ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３、ΔＴ４、ΔＴｎは温度変化振幅、ΔＴｍａｘは設定時間Δｔにおける最大温度変化振幅である。この半導体素子の温度上昇のサイクルにより不良となるまでの熱膨張と熱収縮のサイクルをパワーサイクルと呼ぶ。
【００１９】
熱ストレス演算部１３は、パワーサイクル曲線データ記憶部１４に格納されている温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命との関連を示すパワーサイクル曲線データにより、温度変化振幅信号１０９に対応するパワーサイクル寿命をパワーサイクル数信号１１０として演算する。
実施の形態１に係る電動機制御装置においてパワーサイクル曲線データ記憶部に格納されるパワーサイクル曲線の特性の一例を第５図に示す。第５図において、横軸は温度変化振幅ΔＴ（熱ストレス演算部１３から出力される温度変化振幅信号１０９）、縦軸は半導体素子のパワーサイクル寿命としてのパワーサイクル数Ｓ（熱ストレス演算部１３に出力するパワーサイクル数信号１１０）である。温度変化振幅と半導体素子のパワーサイクル寿命とは相関関係があり、温度変化振幅が大きい（ΔＴ１＞ΔＴ２）ほどパワーサイクル寿命が短く（Ｓ１＜Ｓ２）なる。
【００２０】
また、熱ストレス演算部１３は、温度変化振幅ΔＴ１対応して求めたパワーサイクル数Ｓ１をパワーサイクル数信号１１０として受け取り、熱ストレス係数ｘ１を（２）式により、
ｘ１＝１／Ｓ１・・・・・（２）
演算して、その結果を熱ストレス信号１１１として寿命推定部１５ａへ出力する。
以降、同様にして温度変化振幅ΔＴ２、ΔＴ３、ΔＴ４、・・・に対応したパワーサイクル数Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、・・・をパワーサイクル曲線データ記憶部１４から受け取り、熱ストレス係数ｘ２（＝１／Ｓ２）、ｘ３（＝１／Ｓ３）、ｘ４（＝１／Ｓ４）、・・・を演算して、熱ストレス信号１１１として寿命推定部１５ａへ出力する。
【００２１】
寿命推定部１５ａは、熱ストレス信号１１１として熱ストレス係数を入力すると、積算熱ストレス係数Ｘを（３）式のように、
Ｘ＝Ｘ０（前回値）＋ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＋ｘ４＋・・・（３）
加算して求め、寿命推定結果信号１１２として表示部１６に出力する。
また、積算熱ストレス係数Ｘ＝１の場合が寿命に相当するので、積算熱ストレス係数Ｘが1に近づいた場合は、寿命推定結果信号１１２として警告を表示部１６に出力して、寿命に近づいた旨を作業者に知らせる。
また、寿命推定部１５ａは、運転時間設定部１７より設定された設定時間Δｔを設定時間信号１１３として受け取り、設定時間Δtの間だけ熱ストレス演算部１３から出力される熱ストレス信号１１１により、熱ストレス係数ｘ１、ｘ２、ｘ３、・・・、ｘｎを受け取り積算し、設定時間Δｔ当りの熱ストレス係数Ｘｔを、（４）式で求める。
Ｘｔ＝ｘ１＋ｘ２＋…＋ｘｎ・・・・・（４）
また、寿命時間ｔＬを（５）式により算出し、
ｔＬ＝Δｔ×（１／Ｘｔ）  ・・・・・（５）
期待寿命設定部１８で設定された期待寿命ｔｅである期待寿命信号１１４と、（５）式により算出した寿命時間ｔＬとを比較し、ｔＬ＜ｔｅとなった場合は、寿命判定信号１１５としてアラームを表示部１６に出力して、作業者に延命処置を促す。
【００２２】
上記のように、実施の形態１によれば、温度変化推定部で演算した温度変化振幅毎に、半導体素子固有のパワーサイクル曲線データを参照してパワーサイクル寿命を算出するようにしたので、いかなる温度変化の振幅に対してもその振幅に基づいて重みづけされた熱ストレスを演算して積算することが可能となり、精度の高い寿命の推定および期待寿命との判定が実現可能となる。
【００２３】
実施の形態２．
第６図はこの発明の実施の形態２に係る電動機制御装置の構成を示す図である。図において、１、２、４〜１１、１３、１４、１６〜１８、１００〜１１５は、第１図と同様であり、その説明を省略する。
寿命推定部１５ｂは、寿命推定結果信号１１２と寿命判定信号１１５とをキャリア周波数設定部３ｂおよび電流制限レベル調節部１２ｂに出力する。
電流制限レベル調節部１２ｂは、入力した寿命推定結果信号１１２に含まれる積算熱ストレス係数Ｘが１に近づいた場合、または寿命時間ｔＬが期待寿命ｔｅを下回った場合に出力される寿命判定信号１１５が入力された場合には、電流演算部９に出力する電流制限値信号１０６を小さくするように自動調整する。
パワートランジスタ６、ダイオード７などの半導体素子の寿命が短くなった場合に、電流制限値信号１０６を小さくするように自動調整し、出力電流Ｉを低めに制限することにより、第２図、第３図に示される定常損失Ｐｓ、スイッチング損失Ｐｓｗを小さくすることができるので、半導体素子の発熱量Ｑを抑制することができる。このため、作業者が電動機制御装置を検査して延命処置を施す処置をしなくとも、期待寿命設定部１８にて設定された半導体素子の期待寿命を満足するように自動調整することができる。
【００２４】
また、キャリア周波数設定部３ｂは、入力した寿命推定結果信号１１２に含まれる積算熱ストレス係数Ｘが１に近づいた場合、または寿命時間ｔＬが期待寿命ｔｅを下回った場合に出力される寿命判定信号１１５が入力された場合には、キャリア周波数の上限値を下げるように自動調整してキャリア周波数信号１０１を制御部１に出力する。
パワートランジスタ６、ダイオード７などの半導体素子の寿命が短くなった場合に、キャリア周波数の上限値を下げるように自動調整したので、半導体素子の発熱量Ｑを求める（１）式のスイッチング損失Ｐｓｗの項を小さくすることができ、半導体素子の発熱量Ｑを抑制することができる。このため、作業者が電動機制御装置を検査して延命処置を施す処置をしなくとも、期待寿命設定部１８にて設定された半導体素子の期待寿命を満足するように自動調整することができる。
また、半導体素子の寿命が短くなったと判断して自動調整によりキャリア周波数を下げた場合、電動機の騒音が増加するので、作業者に半導体素子の寿命が近づいたことを促すことができ、半導体素子の寿命による故障でシステムが異常停止する前に、作業者が電動機制御装置を交換する処置を施すことができる。
【００２５】
実施の形態２においては、半導体素子の寿命が短くなった場合に、電流制限値信号１０６を小さくするように自動調整することにより、またキャリア周波数の上限値を下げるように自動調整することにより、半導体素子の発熱量Ｑを抑制するようにしたので、負荷変動の大きいコンプレッサ等などの場合に発生する急激な出力電流変動により熱ストレスで半導体素子が急速に寿命に至った場合においても、作業者が表示部１６にて表示されるアラームを検査する以前に、システムが停止することを防ぐことができる。また、作業者が電動機制御装置を検査して延命処置を施す処置をしなくとも、期待寿命設定部１８にて設定された半導体素子の期待寿命を満足するように自動調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上のように、本発明の電動機制御装置は精度の高い寿命の推定および期待寿命との判定が実現可能となるので、始動・停止制御が頻繁に行われる用途に適している。また、作業者が表示部を検査して延命処置を施す処置をしなくとも、期待寿命設定部にて設定された半導体素子の期待寿命を満足するように自動調整することができるので、指令速度に対して運転速度の低下が許容される用途に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】  第１図はこの発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の構成を示す図である。
【図２】  第２図はパワートランジスタおよびダイオードなどの半導体素子の定常損失特性の一例を示す図である。
【図３】  第３図はパワートランジスタおよびダイオードなどの半導体素子のスイッチング損失特性の一例を示す図である。
【図４】  第４図は半導体素子の温度変化の一例を示す図である。
【図５】  第５図は実施の形態１に係る電動機制御装置においてパワーサイクル曲線データ記憶部１４に格納されるパワーサイクル曲線の特性の一例を示す図である。
【図６】  第６図はこの発明の実施の形態２に係る電動機制御装置の構成を示す図である。
【国際調査報告】
2004082114.tif 000009
2004082114.tif 000010