JP5196370B2 - 電力変換装置の寿命診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流をコンバータで直流に変換し、この直流をインバータで交流に変換して出力する電力変換装置に係わり、特にインバータやコンバータに組込まれたスイッチング素子の劣化度を評価する電力変換装置の寿命診断装置に関する。

例えば、負荷としての交流電動機における速度やトルクを広範囲に亘って制御する手法として、交流をコンバータで直流に変換し、この直流をインバータで交流に変換して、交流電動機等の交流負荷に供給する電力変換装置が実用化されている。

図１４は、一般的な電力変換装置の構成図である。交流電源１から供給される三相交流は電力変換部２のコンバータ３で直流に全波整流され、平滑コンデンサ４でリップル分が吸収されてインバータ５に供給される。このインバータ５においては、トランジスタとダイオードとの並列回路からなるスイッチング素子６が６個、ブリッジ接続されている。インバータ５は入力された直流を三相交流に変換して、交流負荷としての交流の電動機７へ供給する。

電動機７の運転操作部８は、電動機７に対する起動、停止、速度（回転速度）、トルク等の指示を電力変換部２の変換制御部９に送信する。この変換制御部９内にはＰＷＭ（パルス幅変調）信号を発生するＰＷＭ信号発生部１０、速度・トルク演算部１１が設けられている。

速度・トルク演算部１１は運転操作部８からの起動、停止、速度（回転速度）、トルク等の指示に基づき、ＰＷＭ信号発生部１０に対してＰＷＭ信号のパルス幅、周波数等を指示する。ＰＷＭ信号発生部１０は、インバータ５の６個の各スイッチング素子６へそれぞれ、タイミングをずらせて各ＰＷＭ信号を印加する。ＰＷＭ信号発生部１０は、各ＰＷＭ信号の送信時間間隔、パルス幅を変更することによって、インバータ５から電動機７へ出力される交流の周波数、及び振幅を任意に設定可能である。

さらに、インバータ５のみならず、コンバータ３においても、６個のスイッチング素子６がブリッジ接続されている電力変換装置も実用化されている。

なお、このような構成の電力変換装置は、起動、停止が頻繁に実施され、速度も大幅に変更される電動機７の電源として最適であるが、例えば、エレベータの電動機に用いた例が特許文献１、２に開示されている。
特開２００７−２２３７９９号公報 特開２００３−２９９２５０号公報

このような構成の電力変換装置においては、交流の電動機７の定格が大きい場合は、各スイッチング素子６として、大容量の半導体スイッチング素子が使用される。例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）が採用されている。このような大容量の半導体スイッチング素子においては発熱による温度上昇が無視できない値となる。

さらに、インバータ５やコンバータ３に組込まれたスイッチング素子は、ＰＷＭ信号にて高周波数でオンオフ制御されるので、スイッチング素子を構成する半導体チップや、ヒートシンク（冷却器）、はんだ等の各構成部材に対して、繰り返し熱応力が印加される。この繰り返し熱応力動作に起因する各構成部材の劣化を定量的に把握する手段がない。

したがって、従来においては、この電力変換装置が設置されている動作環境が、全ての電力変換装置を一定一律の条件下のもとに寿命算出を行い、スイッチング素子の定期交換をこの電力変換装置のユーザに推奨していた。

そのため、ユーザ毎に異なる使用環境において、特に使用頻度、繰り返し動作サイクルの使用条件が比較的低い電力変換装置に対しては、スイッチング素子の余寿命があるにも拘わらず、定期交換時期にてこのスイッチング素子を交換することになり、電力変換装置の維持管理費が大幅に上昇する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、インバータやコンバータに組込まれた各スイッチング素子の構成部材間の熱抵抗を求めることで、当該構成部材の繰り返し熱応力履歴に起因する劣化度、ひいてはこの構成部材が組込まれたスイッチング素子の劣化度を高い精度で評価でき、この電力変換装置のユーザ又は保守員へ適切な部品交換時期を知らせることができ、電力変換装置の信頼性向上と維持管理費の節減とを図れる電力変換装置の寿命診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、交流電源から供給される交流電力をコンバータで一旦直流電力に変換し、この直流電力をスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータで交流電力に変換して出力する電力変換部と、この電力変換部のインバータのスイッチング素子をオンオフ制御して出力される交流電力を制御する変換制御部とを有する電力変換装置の寿命診断装置において、
スイッチング素子のケース内に設けられた温度センサと、スイッチング素子を制御して、インバータから、予め定められた周波数及び電流値を有する試験電力を出力させる試験電力出力手段と、試験電力の出力期間内において、温度センサにて検出されたケース内温度に基づいてスイッチング素子の構成部材間の熱抵抗を求める熱抵抗導出手段と、この求めた熱抵抗に基づいてスイッチング素子の劣化度を評価する劣化度評価手段と、インバータの外部の大気温度を検出する温度センサと、この温度センサにて検出された大気温度と基準大気温度との温度差に基づいて前記評価された劣化度の評価結果を補正する劣化度評価補正手段とを備えている。

このような構成においては、予め定められた周波数及び電流値を有する試験電力を出力させている。そして、試験電力の出力期間におけるスイッチング素子のケース内温度を測定している。したがって、この温度が上昇することは、スイッチング素子の構成部材の熱抵抗が上昇して、熱が放熱されにくくなっている。熱抵抗が上昇することは、該当構成部材間の接続面において、ひびやき亀裂が生じて、劣化が進んでいることになる。よって、熱抵抗を求めることによって、該当構成部材の劣化度、ひいては、この構成部材が組込まれたスイッチング素子の劣化度を診断できる。

また、別の発明は、上述した発明の電力変換装置の寿命診断装置において、評価された劣化度の評価結果を通信回線を介して外部の監視センターへ送信する評価結果送信手段を備えている。

また、別の発明は、上述した発明の電力変換装置の寿命診断装置において、試験電力の出力開始の指示を操作入力する外部操作スイッチを備えている。

また、別の発明は、上述した発明の電力変換装置の寿命診断装置において、インバータの交流電力の出力有無を検出するインバータ動作状態検出手段と、試験電力出力手段における試験電力出力を一定時間間隔で所定時間継続して実施するためのスケジュールを記憶するスケジュールメモリと、このスケジュールメモリにおける実施期間に含まれるインバータの動作期間において、試験電力出力手段に試験電力の出力を指示する試験電力出力制御手段とを備えている。

また、別の発明は、上述した発明の電力変換装置の寿命診断装置において、評価された劣化度の評価結果が予め定められた閾値を超えたとき、スイッチング素子を制御して、インバータから出力される交流電力を低減する出力低減手段を備えている。

また、別の発明は、交流電源から供給される交流電力をスイッチング素子をブリッジ接続してなるコンバータで一旦直流電力に変換し、この直流電力をスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータで交流電力に変換して出力する電力変換部と、この電力変換部のインバータ及びコンバータのスイッチング素子をオンオフ制御して前記出力される交流電力を制御する変換制御部とを有する電力変換装置の寿命診断装置において、
コンバータのスイッチング素子のケース内に設けられた温度センサと、コンバータのスイッチング素子を制御して、コンバータから、予め定められた電流値を有する直流の試験電力を出力させる試験電力出力手段と、試験電力の出力期間内において、温度センサにて検出されたケース内温度に基づいて前記コンバータのスイッチング素子の構成部材間の熱抵抗を求める熱抵抗導出手段と、この求めた熱抵抗に基づいてコンバータのスイッチング素子の劣化度を評価する劣化度評価手段と、コンバータの外部の大気温度を検出する温度センサと、この温度センサにて検出された大気温度と基準大気温度との温度差に基づいて前記評価された劣化度の評価結果を補正する劣化度評価補正手段とを備えている。

この発明の特徴は、交流を直流に変換するコンバータはブリッジ接続され複数のスイッチング素子で構成されていた場合は、先のインバータの場合とほぼ同様の作用効果を奏することができることである。

また、別の発明は、上述した発明の電力変換装置の寿命診断装置において、評価された劣化度の評価結果が予め定められた閾値を超えたとき、前記コンバータのスイッチング素子を制御して、前記コンバータから出力される直流電力を低減する出力低減手段を備えている。

本発明においては、インバータやコンバータに組込まれた各スイッチング素子の構成部材間の熱抵抗を求めることで、当該構成部材の繰り返し熱応力履歴に起因する劣化度、ひいてはこの構成部材が組込まれたスイッチング素子の劣化度を高い精度で評価できる。

以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図である。図１４に示す従来の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第１実施形態の電力変換装置は、電力変換部２と変換制御部１５とで構成されている。電力変換部２において、交流電源１から供給される三相交流電力は、例えばダイオード等の整流素子がブリッジ接続されたコンバータ３で直流電力に全波整流されたのち、平滑コンデンサ４でこの直流電力に含まれるリップル成分が除去される。

リップル成分が除去された直流電力は、トランジスタとダイオードとの並列回路からなる６個のスイッチング素子６がブリッジ接続されているインバータ５で三相交流電力に変換されて出力線路１２を介して交流三相の電動機７に供給される。

電動機７の運転操作部８は、電動機７に対する起動、停止、速度（回転速度）、トルク等の指示を変換制御部１５に送信する。この変換制御部１５内にはＰＷＭ（パルス幅変調）信号を発生するＰＷＭ信号発生部１０、速度・トルク演算部１１が設けられている。

速度・トルク演算部１１は運転操作部８からの起動、停止、速度（回転速度）、トルク（電流）等の指示に基づき、ＰＷＭ信号発生部１０に対してＰＷＭ信号のパルス幅、周波数等を指示する。ＰＷＭ信号発生部１０は、インバータ５の６個の各スイッチング素子６へそれぞれ、タイミングをずらせて各ＰＷＭ信号を印加する。ＰＷＭ信号発生部１０は、各ＰＷＭ信号の送信時間間隔、パルス幅を変更することによって、インバータ５から電動機７へ出力される交流の周波数、及び振幅を任意に設定可能である。

さらに、この第１実施形態においては、インバータ５の出力線路１２に電流巻線１３が取付けられており、変換制御部１５内の電流検出部１３ａで、インバータ５から出力される三相交流電力の電流値を読取る。

インバータ５の各スイッチング素子６として、電動機７の定格が大きい場合は、大容量の半導体スイッチング素子が使用される。例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）が採用されている。

図２は、上記のＩＧＢＴを採用したスイッチング素子６の斜視図であり、図３は同スイッチング素子６の断面模式図である。ベース（絶縁基板）２０ａを底板とするケース２０内に半導体素子であるバイポーラ・トランジスタを構成するシリコンチップ２５が図示しない支持部材で固定されている。ケース２０の上面に電極２１が取付けられ、ベース（絶縁基板）２０ａの下面には、シリコンコンパウンド２４を介して放熱器（ヒートシンク）２３が取付けられている。具体的には、ケース２０及びベース２０ａの四隅に穿設された、ねじ穴２２にボルトをねじ込むことによって、放熱器（ヒートシンク）２３をケース２０のベース（絶縁基板）２０ａに熱的に接続している。

このような構成の各スイッチング素子６のケース２０内に、このケース２０内の温度Ｔを検出する例えば熱電対で構成された温度センサ１４が組込まれている。この温度センサ１４の検出信号は、図１の変換制御部１５内の温度検出部１６へ入力される。

次に、図２、図３のスイッチング素子６における温度特性について説明する。一般的に、ｎ型／ｐ型、不純物濃度、電子レベル準位、等が異なる半導体相互間の接続部分（ジャンクション）においては、ジャンクション熱が発生する。すなわち、発生するジャンクション熱Ｑは、この半導体素子（バイポーラ・トランジスタ）に印加する電流Ｉに基づいてほぼ一義的に定まる。そして、この発生するジャンクション熱Ｑは、周囲に放熱することによって、発生地点（ジャンクション・ポイント）の温度、すなわち、ジャンクション温度Ｔjが定まる。

図３のスイッチング素子６においては、シリコンチップ２５内のジャンクション・ポイント２６で発生するジャンクション熱Ｑは、シリコンチップ２５、空気（支持部材）、ベース（絶縁基板）２０ａ、シリコンコンパウンド２４、放熱器２３を介してケース２０外の大気３２へ放出される。この場合の各経過地点２６、２８、３０の各温度Ｔj、Ｔc、Ｔbは各熱が通る経路の熱抵抗Ｒに応じて定まる。

図３、図４に示すように、シリコンチップ２５の下面から空気（支持部材）を介したベース（絶縁基板）２０ａ上面地点２８までの熱抵抗２７、ベース（絶縁基板）２０ａの上面からシリコンコンパウンド２４下面地点３０までの熱抵抗２９、シリコンコンパウンド２４の下面から放熱器（ヒートシンク）２３の下面（大気）までの熱抵抗３１、及び大気３２の大気温度Ｔaにて定まる。

各熱抵抗２７、２９、３１の値が低い場合は、ジャンクション・ポイント２６で発生するジャンクション熱Ｑは大気３２（大気温度Ｔa）へ効率的に放射されるが、熱抵抗２７、２９、３１の値が高い場合は、その高い熱抵抗の上流側の地点の温度が上昇する。

このスイッチング素子６の前述した、シリコンチップ２５、支持部材、ベース（絶縁基板）２０ａ、シリコンコンパウンド２４、放熱器２３等の各構成部材間の熱抵抗Ｒが上昇する主な原因は、ＰＷＭ信号のオンオフ制御にて構成部材相互間の熱膨張率の相違に起因する、境目に生じる微細なきずやクラック等である。したがって、この各構成部材間の熱抵抗Ｒの上昇が検出できれば、各構成部材の劣化度を把握できる。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、このスイッチング素子６を同一条件で稼働し続けた場合における、構成部材の熱破壊に至るまでの劣化の進行と各要因との関係を示す特性図である。図５（ａ）は構成部材の温度との関係を示し、図５（ｂ）は構成部材間の熱抵抗との関係を示し、図５（ｃ）は構成部材の稼働時間との関係を示す。いずれの特性においても、破壊に至る直前で劣化が急速に進むので、劣化の主原因である構成部材間の熱抵抗Ｒを監視し、その熱抵抗Ｒが閾値Ｒ_Yを超えたら、警告を出力すればよい。

その熱抵抗Ｒの変化を測定するには、各スイッチング素子６に一定の電流Ｉを一定時間継続して流し、その一定期間にて発生するジャンクション熱Ｑを基準量に固定し、各経過地点２６、２８、３０の各温度Ｔj、Ｔc、Ｔbを測定することによって、算出可能である。この場合、大気３３の温度Ｔaは例えば室温の２５°Ｃの一定の基準温度であるとする。そして、この実施形態においては、ケース２０内に設置された１個の温度センサ１４で、各温度Ｔj、Ｔcの平均温度を検出している。

図１の変換制御部１５内の試験電力出力設定部１９は、インバータ５から、予め定められた基準周波数及び基準電流値を有する試験電力を一定時間出力させる指示をＰＷＭ信号発生部１０へ送出する。同時に、温度検出部１６へ温度検出指示を送出する。さらに、速度トルク演算部１１に試験電力の基準周波数及び基準電流値を送付する。ＰＷＭ信号発生部１０は、インバータ５の各スイッチング素子６に対して、ＰＷＭ信号を送出して、インバータ５から前記試験電力を出力させる。速度トルク演算部１１は、電流検出器１３ａで検出された試験電力の周波数、電流値が基準周波数及び基準電流値に一致するように、ＰＷＭ信号発生部１０へフィードバック制御を掛ける。

このような試験電力を一定期間継続して出力させることにより、インバータ５の各スイッチング素子６における図３、図４に示すジャンクション熱Ｑが一定値に制御される。

温度検出部１６は、試験電力出力設定部１９から、温度検出指示が入力されると、各温度センサ１４の検出信号から、各スイッチング素子６のケース内温度Ｔを算出して、熱抵抗算出部１７へ送出する。熱抵抗算出部１７は、ケース内温度を用いて、各スイッチング素子６のシリコンチップ２５、支持部材、ベース（絶縁基板）２０ａ、シリコンコンパウンド２４等の各構成部材間の合成された熱抵抗Ｒを算出する。劣化度評価部１８は、この求めた熱抵抗Ｒに基づいてスイッチング素子６の劣化度を評価する。具体的には、求めた熱抵抗Ｒが予め設定した閾値Ｒ_Yを超えると劣化進行の警告評価となり、求めた熱抵抗Ｒが予め設定した閾値Ｒ_Yを超えないと、正常評価となる。

このように構成された第１実施形態の電力変換装置の寿命診断装置においては、インバータ５から予め定められた周波数及び電流値を有する試験電力を一定期間に出力させている。そして、試験電力の出力期間におけるスイッチング素子６のケース２０内温度を測定している。したがって、この温度が上昇することは、スイッチング素子６の構成部材間の熱抵抗Ｒが上昇して、試験電力出力により生じ一定のジャンクション熱が放熱されにくくなっている。熱抵抗が上昇することは、該当構成部材間にひびやき亀裂が生じて、劣化が進んでいることになる。よって、抵抗値算出部１７にて、熱抵抗Ｒを求めることによって、該当構成部材間の劣化度、ひいては、この構成部材が組込まれたスイッチング素子の劣化度を正確に診断できる。

その結果、この電力変換装置のユーザ又は保守員へ適切な部品交換時期を知らせることができ、電力変換装置の信頼性向上と維持管理費の節減とを図れる。

（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第２実施形態の電力変換装置においては、電力変換部２内における、インバータ５の外部に大気３２の温度Ｔaを検出する温度センサ３３が設置されている。この温度センサ３３の検出信号は変換制御部１５ａ内に設けられた温度検出部３４へ入力される。温度検出部３４は、温度センサ３３の検出信号からインバータ５の外部に大気３２の温度Ｔaを求めて、劣化度評価補正部３５へ送出する。

劣化度評価補正部３５は、温度検出部３４から入力された大気温度Ｔaと基準大気気温度との温度差に基づいて、劣化度評価部１８の劣化度の評価結果を補正する。

図４に示すように、ジャンクション・ポイント２６のジャンクション温度Ｔjは、発熱Ｑの放熱先である大気３２の温度Ｔaによっても変化する。大気３２の温度Ｔaが高いと、ジャンクション熱Ｑの放熱効果も低くなり、ジャンクション温度Ｔjは上昇する。ジャンクション温度Ｔjが上昇すると、各経過地点２６、２８、３０の各温度Ｔj、Ｔc、Ｔbも上昇し、検出されたケース内温度Ｔも上昇する。

しかし、熱抵抗算出部１７は大気温度は基準大気温度の一定として熱抵抗Ｒを算出しているので、熱抵抗Ｒが実際の値より高くなる。したがって、温度検出部３４から入力された大気温度Ｔaと基準大気温度との温度差に基づいて、劣化度評価部１８の劣化度の評価結果を補正する。例えば、測定された大気温度Ｔaが基準大気温度より高い場合においては、算出された熱抵抗を下方修正するので、閾値Ｒ_Y以下になり、劣化進行の警告評価が取消される。したがって、スイッチング素子６の劣化度の評価精度をより一層向上できる。

（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第３実施形態においては、変換制御部１５ｂ内に、劣化度評価部３６で評価された劣化度の評価結果を通信回線を介して外部の監視センター３７へ送信する評価結果送信部３６が設けられている。

このように構成された第３実施形態の寿命診断装置においては、求めた熱抵抗Ｒが予め設定した閾値Ｒ_Yを超えると劣化進行の警告が監視センター３７へ通知される。その結果、監視センター３７のオペレータは、この電力変換装置のユーザまたは保守員へ適切な交換時期を知らせることができ、電力変換装置のユーザに対するサービスを向上できる。

（第４実施形態）
図８は本発明の第４実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第４実施形態においては、変換制御部１５ｃ外に、この変換制御部１５ｃ内に設けられた試験電力出力設定部１９に対して、試験電力の出力開始の指示を操作入力する外部操作スイッチ３８が設けられている。これにより、この電力変換装置のユーザまたは保守員の手動操作により、スイッチング素子６の劣化評価動作が可能となり、この寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の利便性が実現できる。

（第５実施形態）
図９は本発明の第５実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第５実施形態においては、変換制御部１５ｄ内に、インバータ動作状態検出部３９、スケジュールメモリ４０、試験電力出力制御部４１が設けられている。

スケジュールメモリ４０内には、前述したスイッチング素子６の劣化度評価実施のための試験電力の出力を例えば１ヶ月の時間間隔で１０分間だけ継続して実施するためのスケジュールが記憶されている。なお、この１０分間は、月初めの１日午前０時００分〜１０分等のこのインバータ５の稼働している確率が少ない時間帯に設定されている。なお、この１０分の時間幅はスイッチング素子６のケース２０内の温度が一定値に落ち着くまでの所要時間である。インバータ動作状態検出部３９は、電流検出部１３ａで検出されるインバータ５の交流電力の出力有無から、インバータ５を含む電力変換部２全体の稼働／非稼働の動作状態を検出して、試験電力出力制御部４１へ送出する。

試験電力出力制御部４１は、スケジュールメモリ４０における試験電力の出力の実施期間なると、インバータ動作状態検出部３９がインバータ５を含む電力変換部２全体の非稼働状態のとき、記試験電力出力設定部１９へ試験電力の出力を指示する。一方、インバータ動作状態検出部３９がインバータ５を含む電力変換部２全体の稼働状態のとき、記試験電力出力設定部１９へ試験電力の出力を中止する。

このように構成された第５実施形態の寿命診断装置においては、スケジュールメモリ４０に予め設定された例えば月１回のペースでスイッチング素子６の劣化度評価が自動実施される。さらに、この実施は、電動機７に対して交流電力を供給している通常の稼働時間に重なった場合は、通常の稼働が優先して実施され、劣化度評価は次回に延期される。したがって、通常の稼働に影響を与えることなく、インバータ５のスイッチング素子６の劣化度評価が自動実施される。

（第６実施形態）
図１０は本発明の第６実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第６実施形態においては、変換制御部１５ｅ内に、出力低減設定部４２が設けられている。この出力低減設定部４２は、劣化度評価部１８で評価された劣化度の評価結果が予め定められた閾値を超えたとき、具体的には、求めた熱抵抗Ｒが予め設定した閾値Ｒ_Yを超えて劣化進行の警告評価が出力されたとき、スイッチング素子６に流れる電流を制御して、インバータ５から出力される交流電力を低減する指示を速度トルク演算部１１へ出力する。速度トルク演算部１１は、ＰＷＭ信号のパルス幅を狭くする指示をＰＷＭ信号発生部１０へ送出する。同時に、電流検出部１３ａで、インバータ５から出力される交流電力の電流値が低下したことを確認する。

このように構成された第６実施形態の寿命診断装置においては、インバータ５のスイッチング素子６の劣化が進行している状況下においても、電力変換装置の使用範囲を制限しながら稼働を継続することが可能である。

（第７実施形態）
図１１は本発明の第７実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図である。図１に示す第１実施形態の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第７実施形態の寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の電力変換部２ａにおいては、インバータ５を構成するブリッジ接続された６個のスイッチング素子６には、温度センサ１４は取付けられていない。そして、変換制御部１５ｆ内には、インバータ５のスイッチング素子６の劣化度を評価する機能は設けられていない。

電力変換部２ａの交流電源１から供給される三相交流電力を直流電力に変換するコンバータ３ａにおいては、トランジスタとダイオードとの並列回路からなる６個のスイッチング素子６ａがブリッジ接続されている。そして、この６個のスイッチング素子６ａは、変換制御部１５ｆ内に設けられたＰＷＭ信号発生部１０ａから出力されるＰＷＭ信号で入力される三相交流電力の波形変化に同期してオンオフ制御される。その結果コンバータ３ａは入力された三相交流電力は直流電力に変換して平滑コンデンサ４でリップル分が除去されてからインバータ５に入力されて、再度インバータ５で三相交流電力に変換されて、交流の電動機７へ供給される。

コンバータ３ａから出力される直流電力の電流値は電流巻線４３ａ、４３ｂを介して電流検出部４４で検出される。電流演算部４５は検出された直流電力の電流値が試験電力出力設定部１９ａから受領した試験電力の電流値に一致するように、ＰＷＭ信号発生部１０ａに対してＰＷＭ信号のパルス幅等を指示する。

試験電力出力設定部１９ａは、コンバータ３ａから、予め定められた基準電流値を有する試験電力を一定時間出力させる指示をＰＷＭ信号発生部１０ａへ送出する。同時に、温度検出部１６へ温度検出指示を送出する。さらに、電流演算部４５に試験電力の基準電流値を送付する。ＰＷＭ信号発生部１０ａは、コンバータ３ａの各スイッチング素子６ａに対して、ＰＷＭ信号を送出して、コンバータ３ａから直流の試験電力を出力させる。

コンバータ３ａの各スイッチング素子６ａは、図２〜図５で示した第１実施形態のインバータ５の各スイッチング素子６と同一構成を有しており、ケース２０内に温度センサ１４が取付けられている。

変換制御部１５ｆにおいて、温度検出部１６ａは、試験電力出力設定部１９ａから、温度検出指示が入力されると、各温度センサ１４の検出信号から、各スイッチング素子６ａのケース内温度Ｔを算出して、熱抵抗算出部１７ａへ送出する。熱抵抗算出部１７ａは、ケース内温度を用いて、各スイッチング素子６ａの各構成部材間の合成された熱抵抗Ｒを算出する。劣化度評価部１８ａは、この求めた熱抵抗Ｒに基づいてスイッチング素子６ａの劣化度を評価する。

このように構成された第７実施形態の電力変換装置の寿命診断装置においては、コンバータ３ａから予め定められた基準電流値を有する直流の試験電力を一定期間に出力させている。そして、試験電力の出力期間におけるスイッチング素子６ａのケース２０内温度を測定している。そして、先に説明した第１実施例と同様に、抵抗値算出部１７ａにて、熱抵抗Ｒを求めることによって、該当構成部材間の劣化度、ひいては、この構成部材が組込まれたスイッチング素子６ａの劣化度を正確に診断できる。

したがって、コンバータ３ａに対しても、第１実施例と同様の作用効果を奏することが可能となる。

（第８実施形態）
図１２は本発明の第８実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図である。図１１に示す第７実施形態の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第８実施形態の電力変換装置においては、電力変換部２ａ内における、コンバータ３ａの外部に大気３２の温度Ｔaを検出する温度センサ３３ａが設置されている。この温度センサ３３ａの検出信号は変換制御部１５ｇ内に設けられた温度検出部３４ａへ入力される。温度検出部３４ａは、温度センサ３３ａの検出信号からコンバータ３ａの外部に大気３２の温度Ｔaを求めて、劣化度評価補正部３５ａへ送出する。劣化度評価補正部３５ａは、温度検出部３４ａから入力された大気温度Ｔaと基準大気気温度との温度差に基づいて、劣化度評価部１８ａの劣化度の評価結果を補正する。

このように構成された愛８実施形態の寿命診断装置においては、スイッチング素子６ａに対する劣化度評価に含まれる大気温度変動の誤差要因を除去しているので、先に説明した第２実施形態の寿命診断装置とほぼ同じ効果を得ることが可能である。

（第９実施形態）
図１３は本発明の第９実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図である。図１１に示す第７実施形態の電力変換装置と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の詳細説明を省略する。

この第９実施形態の電力変換装置においては、変換制御部１５ｈ内に、出力低減設定部４２ａが設けられている。この出力低減設定部４２ａは、劣化度評価部１８ａで評価された劣化度の評価結果が予め定められた閾値を超えたとき、スイッチング素子６ａに流れる電流を制御して、コンバータ３ａから出力される直流電力を低減する指示を電流演算部４５へ出力する。電流演算部４５は、ＰＷＭ信号のパルス幅を狭くする指示をＰＷＭ信号発生部１０ａへ送出する。同時に、電流検出度４４で、コンバータ３ａから出力される直流電力の電流値が低下したことを確認する。

このように構成された第９実施形態の寿命診断装置においては、コンバータ３ａのスイッチング素子６ａの劣化が進行している状況下においても、電力変換装置の使用範囲を制限しながら稼働を継続することが可能である。したがって、先に説明した第６実施形態の寿命診断装置とほぼ同じ効果を得ることが可能である。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、図１１の第７実施形態において、コンバータ３ａの各スイッチング素子６ａのみならず、インバータ５の各スイッチング素子６の劣化度評価も同時にを実施することも可能である。

本発明の第１実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図 同電力変換装置のインバータに組込まれたスイッチング素子の外観図 同スイッチング素子の断面模式図 同スイッチング素子の温度回路図 同スイッチング素子の劣化特性図 本発明の第２実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図 本発明の第３実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図 本発明の第４実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図 本発明の第５実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図 本発明の第６実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図 本発明の第７実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図 本発明の第８実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図 本発明の第９実施形態に係わる寿命診断装置が組込まれた電力変換装置の概略構成図 従来の電力変換装置の概略構成図

符号の説明

１…交流電源、２，２ａ…電力変換部、３，３ａ…コンバータ、４…平滑コンデンサ、５…インバータ、６，６ａ…スイッチング素子、７…電動機、８…運転操作部、１０，１０ａ…ＰＷＭ信号発生部、１１…速度トルク演算部、１３．４３ａ，４３ｂ…電流巻線、１３ａ，４４…電流検出部、１４，３３，３３ａ…温度センサ，１５，１５ａ〜１５ｈ…変換制御部、１６，１６ａ，３４，３４ａ…温度検出部、１７，１７ａ…熱抵抗部、１８，１８ａ…劣化度評価部、１９，１９ａ…試験電力出力設定部、２０…ケース、２３…冷却器（ヒートシンク）、２４…シリコンコンパウンド、２５…シリコンチップ、３２…大気、３５，３５ａ…劣化度評価値補正部、３６…評価結果送信部、３７…監視センター、３８…外部操作スイッチ、３９…インバータ動作状態検出部、４０…スケジュールメモリ、４１…試験電力出力制御部、４２…出力低減設定部、４５…電流演算部

Claims (7)

1. 交流電源から供給される交流電力をコンバータで一旦直流電力に変換し、この直流電力をスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータで交流電力に変換して出力する電力変換部と、この電力変換部のインバータのスイッチング素子をオンオフ制御して前記出力される交流電力を制御する変換制御部とを有する電力変換装置の寿命診断装置において、
   前記スイッチング素子のケース内に設けられた温度センサと、
   前記スイッチング素子を制御して、前記インバータから、予め定められた周波数及び電流値を有する試験電力を出力させる試験電力出力手段と、
   前記試験電力の出力期間内において、前記温度センサにて検出されたケース内温度に基づいて前記スイッチング素子の構成部材間の熱抵抗を求める熱抵抗導出手段と、
   この求めた熱抵抗に基づいて前記スイッチング素子の劣化度を評価する劣化度評価手段と、
   前記インバータの外部の大気温度を検出する温度センサと、
   この温度センサにて検出された大気温度と基準大気温度との温度差に基づいて前記評価された劣化度の評価結果を補正する劣化度評価補正手段と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置の寿命診断装置。
2. 前記評価された劣化度の評価結果を通信回線を介して外部の監視センターへ送信する評価結果送信手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の寿命診断装置。
3. 前記試験電力の出力開始の指示を操作入力する外部操作スイッチを備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の寿命診断装置。
4. 前記インバータの交流電力の出力有無を検出するインバータ動作状態検出手段と、
   前記試験電力出力手段における試験電力出力を一定時間間隔で所定時間継続して実施するためのスケジュールを記憶するスケジュールメモリと、
   このスケジュールメモリにおける実施期間に含まれる前記インバータの動作期間において、前記試験電力出力手段に前記試験電力の出力を指示する試験電力出力制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の寿命診断装置。
5. 前記評価された劣化度の評価結果が予め定められた閾値を超えたとき、前記スイッチング素子を制御して、前記インバータから出力される交流電力を低減する出力低減手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の寿命診断装置。
6. 交流電源から供給される交流電力を、スイッチング素子をブリッジ接続してなるコンバータで一旦直流電力に変換し、この直流電力をスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータで交流電力に変換して出力する電力変換部と、この電力変換部のインバータ及びコンバータのスイッチング素子をオンオフ制御して前記出力される交流電力を制御する変換制御部とを有する電力変換装置の寿命診断装置において、
   前記コンバータのスイッチング素子のケース内に設けられた温度センサと、
   前記コンバータのスイッチング素子を制御して、前記コンバータから、予め定められた電流値を有する直流の試験電力を出力させる試験電力出力手段と、
   前記試験電力の出力期間内において、前記温度センサにて検出されたケース内温度に基づいて前記コンバータのスイッチング素子の構成部材間の熱抵抗を求める熱抵抗導出手段と、
   この求めた熱抵抗に基づいて前記コンバータのスイッチング素子の劣化度を評価する劣化度評価手段と、
   前記コンバータの外部の大気温度を検出する温度センサと、
   この温度センサにて検出された大気温度と基準大気温度との温度差に基づいて前記評価された劣化度の評価結果を補正する劣化度評価補正手段と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置の寿命診断装置。
7. 前記評価された劣化度の評価結果が予め定められた閾値を超えたとき、前記コンバータのスイッチング素子を制御して、前記コンバータから出力される直流電力を低減する出力低減手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の電力変換装置の寿命診断装置。

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